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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김재열
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 조선대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수19
이 논문의 연구 히스토리 (7)
2020
표면조도 성능 향상을 위한 공작기계용 쿨런트 펌프 설계에 관한 연구
김상유
,
김재열
,
장현택
외 1명
한국생산제조학회 학술발표대회 논문집
2020.12
학술대회자료
표면조도 성능 향상을 위한 공작기계 중압 쿨런트 시스템 설계
김상유
,
김재열
,
장현택
외 1명
한국생산제조학회 학술발표대회 논문집
2020.12
학술대회자료
공작기계용 쿨런트펌프 최적설계에 관한 연구
김상유
,
김재열
,
정윤수
한국기계가공학회 춘추계학술대회 논문집
2020.11
학술대회자료
초정밀급 공작기계용 기포억제 쿨런트펌프 케이싱 최적설계 및 CFD해석에 관한 연구
김상유
기계시스템미래자동차공학과
2020.01
학위논문
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최근 IT기술의 발전과 전기자동차의 발전으로 초정밀급 가공의 필요성이 증가하였다. 초정밀가공은 형상정도와 표면조도를 모두 만족시키기 위해 가공 정밀도의 한계를 추구하는 최고의 가공정밀도를 갖는 가공법이라 할 수 있다. 2000년대 들어서는 1나노미터 전후의 가공정밀도를 보이고 있으나, 절삭가공이라는 관점에서 보면 원자의 격자 간 간격인 0.3나노미터 까지가 최대한계라고 볼 수 있다. 초정밀급 가공의 필요성으로 최근 들어 곡면 상에 미세 구조를 생성하는 기술을 필요로 하는 응용분야가 발생하고 있다.
공작기계의 구성장치 중 쿨런트펌프는 공작기계의 절삭 보링 및 그라인딩 작업 시 가공물과 공구를 냉각시키고 절삭된 칩을 분산시키거나 세척하기 위한 절삭유를 작업테이블 또는 가공 위치 등에 공급하여 가공물의 품질과 표면조도에 직접적인 영향을 주는 장치이다. 공작기계에서 가공물을 공작 시 쿨런트펌프를 이용하여 절삭유의 배출하는 과정에서 공기와 접촉하고, 다시 절삭유탱크로 순환하는 과정에서 공기가 함유하게 되며, 쿨런트펌프 내에 함유된 절삭유에 의해 기포가 발생하여 쿨런트펌프의 토출량이 감소하게 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 감소 및 가공물의 냉각이 감소하여 가공물의 품질저하 와 표면조도가 감소하는 문제점이 발생한다. 또한, 절삭유에 함유된 공기에 의해 절삭유 부패현상이 발생하여 악취 및 환경오염에 원인이 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 및 냉각성능이 감소하여 가공물의 품질과 표면조도가 저하되는 문제점이 발생한다. 현재 이와 같은 문제점의 해결책으로 30분 동안 공작기계를 가동 중지하여 해결하고 있다.
공작기계의 가동 중지로 생산성이 감소하게 되어 직접적인 문제 해결법이 아니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기포억제가 가능한 공작기계용 쿨런트펌프를 설계하고자 한다. 기존에는 공작기계용 쿨런트펌프의 성능개선을 위하여 주로 임펠러 입구각의 변경과 같이 임펠러의 구조개선을 통하여 최적설계를 하고 있다. 본 연구에서는 쿨런트펌프 케이싱을 구조개선하여 기포억제가 가능한 쿨런트펌프를 설계를 고려하고 있다.
쿨런트펌프를 1차적 설계검증을 위해 CFD해석을 고려하고 있다. CFD해석 신뢰성 검증으로 쿨런트펌프의 성능실험을 진행하였다. k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, k-omega SST 이 3가지 난류모델을 이용하여 CFD해석을 진행하였다. 쿨런트펌프 성능실험결과 k-omega SST 난류모델을 이용하여 해석을 진행하였을 때, 가장 오차율이 적었으며, 3.31% 이내의 오차율을 가졌다.
본 연구에서는 이전 쿨런트펌프의 성능개선 방법인 임펠러 구조개선이 아닌 쿨런트펌프 케이싱의 구조개선으로 공작기계용 쿨런트펌프의 성능, 양정 증가 및 기포억제가 가능하였고, 쿨런트펌프 성능실험 결과와 CFD해석을 비교분석한 결과 단순한 모델링일수록 해석오차율은 줄어들며, k-omega SST 난류모델은 쿨런트펌프와 같은 터보기계의 설계검증으로 CFD해석을 진행 시 난류모델에 적합하다는 것을 확인 할 수 있었다.
공작기계의 구성장치 중 쿨런트펌프는 공작기계의 절삭 보링 및 그라인딩 작업 시 가공물과 공구를 냉각시키고 절삭된 칩을 분산시키거나 세척하기 위한 절삭유를 작업테이블 또는 가공 위치 등에 공급하여 가공물의 품질과 표면조도에 직접적인 영향을 주는 장치이다. 공작기계에서 가공물을 공작 시 쿨런트펌프를 이용하여 절삭유의 배출하는 과정에서 공기와 접촉하고, 다시 절삭유탱크로 순환하는 과정에서 공기가 함유하게 되며, 쿨런트펌프 내에 함유된 절삭유에 의해 기포가 발생하여 쿨런트펌프의 토출량이 감소하게 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 감소 및 가공물의 냉각이 감소하여 가공물의 품질저하 와 표면조도가 감소하는 문제점이 발생한다. 또한, 절삭유에 함유된 공기에 의해 절삭유 부패현상이 발생하여 악취 및 환경오염에 원인이 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 및 냉각성능이 감소하여 가공물의 품질과 표면조도가 저하되는 문제점이 발생한다. 현재 이와 같은 문제점의 해결책으로 30분 동안 공작기계를 가동 중지하여 해결하고 있다.
공작기계의 가동 중지로 생산성이 감소하게 되어 직접적인 문제 해결법이 아니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기포억제가 가능한 공작기계용 쿨런트펌프를 설계하고자 한다. 기존에는 공작기계용 쿨런트펌프의 성능개선을 위하여 주로 임펠러 입구각의 변경과 같이 임펠러의 구조개선을 통하여 최적설계를 하고 있다. 본 연구에서는 쿨런트펌프 케이싱을 구조개선하여 기포억제가 가능한 쿨런트펌프를 설계를 고려하고 있다.
쿨런트펌프를 1차적 설계검증을 위해 CFD해석을 고려하고 있다. CFD해석 신뢰성 검증으로 쿨런트펌프의 성능실험을 진행하였다. k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, k-omega SST 이 3가지 난류모델을 이용하여 CFD해석을 진행하였다. 쿨런트펌프 성능실험결과 k-omega SST 난류모델을 이용하여 해석을 진행하였을 때, 가장 오차율이 적었으며, 3.31% 이내의 오차율을 가졌다.
본 연구에서는 이전 쿨런트펌프의 성능개선 방법인 임펠러 구조개선이 아닌 쿨런트펌프 케이싱의 구조개선으로 공작기계용 쿨런트펌프의 성능, 양정 증가 및 기포억제가 가능하였고, 쿨런트펌프 성능실험 결과와 CFD해석을 비교분석한 결과 단순한 모델링일수록 해석오차율은 줄어들며, k-omega SST 난류모델은 쿨런트펌프와 같은 터보기계의 설계검증으로 CFD해석을 진행 시 난류모델에 적합하다는 것을 확인 할 수 있었다.
목차
LIST OF FIGURES ⅲABSTRACT ⅵ제 1 장 서론 1제 1 절 연구 배경 1제 2 절 연구 목적 및 범위 3제 2 장 이론 4제 1 절 공작기계용 쿨런트펌프 4제 2 절 난류모델 61. k-epsilon Realizable 82. k-epsilon RNG 93. k-omega SST 11제 3 장 쿨런트펌프 CFD해석 14제 1 절 쿨런트펌프 CFD해석조건 14제 2 절 난류모델별 해석결과 201. k-epsilon Realizable 해석결과 202. k-epsilon RNG 해석결과 243. k-omega SST 해석결과 28제 4 장 쿨런트펌프 신뢰성 검증 33제 1 절 쿨런트펌프 성능실험 331. 실험장치 구성 332. 실험결과 34제 2 절 CFD해석에 대한 신뢰성 검증 및 고찰 361. k-epsilon Realizable 해석결과 비교분석 362. k-epsilon RNG 해석결과 비교분석 373. k-omega SST 해석결과 비교분석 38제 5 장 결 론 41참고문헌 42
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