The Friction Characteristics of Roll Stand in the Cooling Slat Fin M/C

Journal of the KSTLE Vol. 26, No. 1, February 2010, pp. 52~55 The Korean Society of Tribologists & Lubrication Engineers

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쿨링용 슬레트 핀 M/C Form Roll ^의 Roll Stand ^부

마찰 특성

최원식

·이성용*·권주리**·진은영**·문희준**·이 인**

부산대학교 바이오산업기계공학과

*(주)DST 연구소장

**부산대학교 바이오산업기계공학과, BIMMS Lab.

The Friction Characteristics of Roll Stand in the Cooling Slat Fin M/C

Wonsik Choi

, Sungyong Lee * , Jury Kwon ** , Eunyoung Jin ** , Heejoon Mun ** and In Lee **

Dept. of Bio Industrial Mechanical Engineering, Pusan National University

* DST.CO.,LTD, Chang-Won, Kyungnam

** BIMMS Lab, Dept. of Bio Industrial Mechanical Engineering, Pusan National University (Received October 28, 2009; Revised November 30, 2009; Accepted December 4, 2009)

Abstract − This study investigates the friction of the roll stands in the high performance multi- holes slate fin machine which pin is using in heat transfer of radiator, oil cooler, inter cooler, condenser and evaporator. The roll stand part is very important to maintain the high performance fin machine. This multi-holes form roll type is the first time in our country so it will be helpful to increases the export and product of heat transfer. It was include the technical of form rolling system which was self development. Then it will be improve the electric home appliances, future motor vehicle device and industrial machine.

Keywords − friction characteristics( ^{마찰 특성} ), multi-holes slate fin machine( ^{다공홀 슬레트 핀 머신} ), radi- ator( 라디에이터 ), form roller( 형상 롤러 )

1. 서 론

열교환기는 조선 , 자동차 , 공작기계 분야에서 라디에 이터 (Radiator), ^{오일 쿨러} (Oil cooler), ^인터쿨러 (Inter cooler), 에어컨 콘덴서 (Condenser), 증발기 (Evaporator)

등으로 사용되고 있다 . ^{열교환기에 있어서 고효율이면}

서 경량화 , 소형화의 요구가 절실한 실정이다 . 그에 따 라 열교환기는 소재개발 , 핀 (fin) 설계를 통한 열 교환 을 촉진시키는 연구와 튜브 내 열전달을 촉진하는 연 구가 활발하게 진행되고 있다 . 튜브 내에 핀을 설치하 여 열전달을 촉진하는 개발은 초기엔 평면형상의 핀을

튜브와 함께 압출방식으로 제작하였다 . ^{최근엔 열 교환}

체적을 극대화시킨 다공 ( 多空 ) 형 슬레트 (slate) 핀을

VB(Vacuum Brazing) 공법으로 탱크나 튜브 내에 장착

하는 하고 있으며 , ^{열교환기의 핵심부품인} Slat Fin ^의

경우 최근 자동차 , 선박 , 공작기계 성능향상과 더불어 미세 형상화되면서 다공형 , ^이중 Fin ^{등 고성능 핀의}

수요가 늘어나고 있는 추세이다 [1-6]. Slat Fin 의 생산

방법은 프레스에서 찍어내는 방식으로 주류이지만 생산 성이 낮고 미세형상 구현이 어렵고 , ^{펀칭의 마모로 인}

해 유지비가 많이 드는 단점이 있다 . 프레스방식에 비

해 Form Roll 의 장점은 다음과 같다 . 회전하면서 성형

이 이루어지므로 생산능력이 프레스 방식에 대비 최대

15 배 향상되며 , 초경디스크를 사용할 경우 마모가 적어

†주저자·책임저자 :

[email protected]

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유지비가 거의 들지 않는다 . ^{아울러 소재의 두께를 얇}

아져도 가공성이 떨어지지 않아서 다양한 소재 치수 변화에 쉽게 대응할 수 있다 . 따라서 산업전반에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있는 것이 열교환기이다 . 열교환기의 가장 기초적이면서도 기반기술인 다공형 Slat Fin 을

Form Roll ^{을 이용한 제조기술은 단기간에 시급히 개발}

되어져야 될 과제이다 .

본 연구에서는 고성능 다공 슬레트 핀 M/C Form Roll ^의 Roll Stand ^{부 마찰특성을} Pin-on-Disk ^형태의

마찰 시험기를 통하여 마찰특성을 평가하였다 .

2. 시험편 및 시험방법

2-1. 시험편

본 연구에 사용된 Pin-on-Disk 형태의 마모시험기에

서 사용한 표준시편은 5 mm ^{의 두께를 갖는 ∅} 60 ^일

반 구조용 압연 강재의 SS400 Disk 와 2 mm 의 두께

를 갖는 ∅ 6 의 구조용 합금강의 SCM440 으로 제작된

Pin ^{으로 실험하였다} . ^{이들의 화학조성과 기계적 성질은} Table 1 과 Table 2 에 각각 나타내었다 .

2-2. 시험 방법

본 실험에서는 Fig. 1 과 같이 pin-on-disk 형태의 마모시험기로서 시험편에 가해지는 수직하중은 정하중

(dead weight) ^{을 사용하였다} . ^하중은 20~100 N ^{의 범}

위 내에서 20 N 씩 증가시켜 20 N, 40 N, 60 N, 80 N, 100 N ^{의 순서로 하였고} , ^속도는 0.06~0.34 m/s ^{범위 내}

에서 0.04 m/s 씩 증가시켜 0.06, 0.10, 0.14, 0.18, 0.22, 0.26, 0.30, 0.34 m/s 의 순서로 각 5 분간 실험하 였다 . ^{일반적으로 마찰계수가 안정화에 도달하는 시간}

은 3~5 분 정도인 것으로 알려져 있다 [7,8]. 미끄럼 마

찰력은 인장압축 로드셀 (load cell) 에서 나오는 전압신

호를 인디케이터 (indicator) 를 사용하여 증폭시킨 후 아 날로그 / 디지털 변환기로 변환시켜 컴퓨터에 입력하고 프로그램에 의하여 마찰계수를 계산하였으며 , ^{시험 후}

마멸상태를 광학현미경으로 관찰하였다 .

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3 ^은 Roll Stand ^{베어링부의} SS400 ^과 SCM440 Fig. 1. Reciprocation wear testing system.

Fig. 2. Schematic illustration for pin on disk.

Table 1. Chemical compositions of materials(Wt. %) Material

Element SS400 SCM440

C 0.10 Max 0.38~0.43

Si 0.19~0.22 0.15~0.35

Mn 0.42~0.67 0.06~0.85

P 0.05 Max 0.03 Max

S 0.05 Max 0.03 Max

Fe Bal Bal

Table 2. Mechanical properties of materials(Wt. %) Material

Element SS400 SCM440

Tensile strength (N/mm

) 400 Min 850 Min Yield strength (N/mm

) 245 Min 834 Min Elongation (%) 21 Min 12 Min

Hardness (Hv) 325 208

쿨링용 슬레트 핀 M/C Form Roll ^의 Roll Stand ^{부 마찰 특성} 54

Vol. 26, No. 1, February, 2010 에 대한 마찰 시험을 속도에 따라 실시한 결과로서 속

도가 낮은 영역에서는 하중에 따른 마찰계수가 0.02 에

서 0.07 ^{까지 높게 나타났으나 속도가 증가함에 따라}

마찰계수는 100 N 을 제외하고는 모든 하중에서 0.02

이하로 안정적인 값을 나타내었다 . 그러나 속도를

0.35 m/s ^{이상이 되면 다시 마찰계수가 증가하는 경향}

을 나타내고 있다 .

Fig. 4 는 마찰 시험을 하중에 따라 나타낸 것으로

전반적으로는 하중이 증가됨에 따라 마찰계수는 약간 증가하는 경향을 나타내고 있다 .

Fig. 5 ^{는 본 실험의 결과에서 하중의 크기가} 40 N ^과

60 N 일 때 마찰계수 저감효과를 가지고 있었다 . 이러 한 결과를 보다 자세히 분석하기 위하여 윤활상태에 따른 매커니즘을 규명하기 위하여 Stribeck curve 를 사

용하였다 . Stribeck curve 는 마찰계수와 무차원수를 사

용해서 윤활상태를 구별하고 있다 . ^{관계식을 표현하면}

다음과 같다 .

(1)

여기서 S 는 무차원수 , µ는 동점성계수 [pa-s], V 는 미끄럼속도 [m/s], D 는 접촉지름 [m], L 은 수직하중 [N]

이다 . ^{일반적으로} Stribeck curve ^{는 접촉상태에서 형상}

과 재료 , 미끄럼상태 , 윤활막 두께에 의존한다 .

본 실험의 데이터를 계산하여 Fig. 5 와 같이 Stribeck

curve 를 표현하였다 . 그림에서 보는 것과 같이 혼합 윤

활상태와 hydrodynamic 윤활상태가 잘 나타나고 있다 .

100 N ^{에서의 마찰계수는 다른 하중보다 빨리 혼합 윤}

활 영역으로 진행되는 것을 볼 수 있다 . 앞에서 언급 한 실험결과상에서는 40 N ^과 60 N ^{의 하중이 우수하였}

다 . 그러나 Stribeck curve 상에서는 보다 확실하게 윤 활상태를 알 수 있다 . 가장 우수한 마찰저하 효과를

나타내고 있는 하중은 40 N ^이다 .

S µVD = --- L

Fig. 3 Friction coefficient for Velocity.

Fig. 4. Friction coefficient for Load.

Fig. 5. Stribeck curve for Friction coefficient of Load.

Fig. 6 Micrograph of friction surface for pin specimen

( ^× 2400).

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4. 마모면의 관찰

Figs. 6~7 은 마찰 시험 후 Pin 과 Disk 시험편의 마 모면을 관찰하기 위해 광학현미경으로 촬영한 사진이 다 . ^{마찰이 발생하여 마모가 된 것을 선명하게 나타내}

고 있다 .

5. 결 론

쿨링용 다공 슬레트 핀 M/C Form Roll ^의 Roll

Stand 부 마찰특성을 Pin-on-disk 의 마찰 시험기로 실험 한 결과는 다음과 같다 .

1. 속도의 증가에 따른 마찰계수는 하중에 관계없이

낮아지는 경향을 보이며 0.34 m/s 이상에서 다소 증가

하는 경향을 나타내고 있다 .

2. 하중이 높을수록 마찰계수 값이 증가하며 100 N

일 때는 다른 하중에 비해 액 2 배 이상의 마찰계수

값을 나타낸다 .

3. ^하중 100 N ^{에서 경계윤활의 영역이며 반면 낮은}

하중에서는 경계윤활에서 혼합윤활로 이어지는 현상을 보이고 점점 마찰계수 값이 낮아진다 .

참고문헌

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11-23, 1995.

Fig. 7. Micrograph of friction surface for disk specimen

( ^× 2400).