A Study on the Shape Optimization and Structural Analysis of the Suction Chamber for an ECO Vacuum Filter System

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◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 XIV

ECO Vacuum Filter System 용 흡입 챔버의 구조해석 및 형상 최적화에 관한 연구

이춘만^1,, 하재현¹, 우완식¹, 김은중¹ Choon-Man Lee^1,, Jae-Hyeon Ha¹, Wan-Sik Woo¹, and Eun-Jung Kim¹

1 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-215-3622 Manuscript received: 2016.10.14. / Revised: 2016.11.18. / Accepted: 2016.11.18.

Recently, the problem of the accumulation of fine sludge from the cutting oil generated during machining processes has become a major threat to the environment. The fine sludge has adverse affects on the human body and the environment, and significantly contributes to marine pollution. However, a microfiltration technique that can process the sludge still needs to be studied and developed on a global scale. Therefore, it is necessary to develop eco-friendly equipment such as an ECO vacuum filter system and eco-friendly technologies for processing cutting oil. In this study, a structural analysis was carried out using a finite element method (FEM).

Improved models of the suction chamber for the ECO vacuum filter system were proposed based on the analysis of the displacement and stress of the system. The model with the best result was then optimized using the commercial software, ANSYS. It was confirmed that, in the optimized model, displacement and stress were reduced in comparison with the initial model. Finally, the structural stability of the optimized model was verified through analysis.

KEYWORDS: Vacuum filter system (진공식 여과장치), Structural analysis (구조해석), Finite element method (유한요소법), Shape optimization (형상 최적화)

1. 서론

최근 세정기, 선삭, 연마가공 등 가공기계의 사 용이 증가함에 따라 가공 시 배출되는 절삭유 내 의 각종 미세 슬러지 (Sludge) 여과처리 기술 향상 에 관한 요구가 증가하고 있다. 절삭유 내의 미세

슬러지는 환경오염을 일으키는 한 요인으로써, 미 세 슬러지의 정밀여과 기술 부족으로 인한 2, 3차 여과 공정 및 다량의 폐기물 발생은 최근 대두되 고 있는 친환경화에 심각한 문제로 작용할 뿐만 아니라 처리비용에 대한 부담도 증가하게 된다.^1-3 기존의 절삭유 여과 장치에는 모래를 이용한 __________

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여과 방법, 원심분리기 및 자석분리기, 프레스 필 터 등을 이용하는 방법이 있지만, 이러한 방법들 은 미세 슬러지에 대한 정밀 여과 부족 및 작업성 저하, 넓은 설치 면적 등의 단점이 있다. 또한 최 근 많이 이용되고 있는 중력식 여과장치 (Gravity Filter System)는 낮은 여과 효율 및 대량의 폐기물 발생, 절삭유의 부패로 인한 악취발생 등의 문제 가 있다. 따라서, 기존 문제를 해결하기 위해 30

㎛ 이상의 높은 여과 효율을 갖는 진공식 여과장 치 (Vacuum Filter System)의 개발이 이루어지고 있 다. 진공펌프를 이용하여 여과 효율 증가 및 페이 퍼 필터 (Paper Filter)의 폐기량 감소, 산화환원 반 응 등을 이용한 절삭유 부패방지 장치의 개발을 통해 비용절감 및 환경개선에 관한 연구가 수행되 고 있다.^4-6

Lee등⁷은 여과효율이 높은 진공 필터를 사용하 여 환경개선과 칩 처리 비용을 절감할 수 있는 CNC공구연삭기용 진공식 여과장치의 형상개선에 관한 연구를 진행하였다. Wang등⁸은 물과 기름의 비중차이를 이용하여 물의 상부에 떠오른 오일을 선별적으로 제거하는 비중분리방식을 이용한 효율 적인 구조의 유수 분리 절삭유 정제장치를 설계 및 제작하였다. Kim등⁹은 항공기 기체 구조물 가공 을 위한 5-Head Router Machine의 흡입형 절삭칩 회 수 장치를 설계하고 유동해석 및 강도평가, 흡입 시험을 실시하여 설계의 안정성과 타당성을 평가 하였다. Park등¹⁰은 폐절삭유 처리 비용의 절감 효 과를 얻을 수 있는 장치 개발을 위해 전기화학처 리 공정을 통한 처리효율 극대화에 관한 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 진공펌프를 이용한 친환경 진공 식 여과장치의 구조 안정성 검증을 위한 흡입 챔 버 (Suction Chamber)의 구조해석을 수행하였다. 또 한, 구조 안정성 향상을 위한 형상개선 및 구조물 의 경랑화를 위한 형상 최적화를 진행하여 최적 모델을 제시하였다. 최적화된 모델을 통해 더욱 신뢰도가 높은 흡입 챔버를 개발하고자 한다.

2. 진공식 여과장치용 흡입 챔버 2.1 흡입 챔버의 구조

Fig. 1은 본 연구에서 안정성을 검증하고자 하 는 진공식 여과장치의 구조를 나타낸다. 흡입 챔 버는 폐절삭유를 저장하는 폐절삭유 탱크 (Dirty Tank)와 페이퍼 필터를 거쳐 미세 슬러지가 걸러

진 절삭유가 저장되는 청정절삭유 탱크 (Clean Tank)로 나누어진다. 가공기계에서 사용된 절삭유는 폐절삭유 탱크로 들어가게 된다. 여기서 진공펌프의 흡입에 의해 미세 슬러지는 페이퍼 필터에 걸러지 게 되고, 절삭유는 아래로 빠져 회수된다. 회수된 절삭유는 흡입 챔버의 상부에 올려져 있는 청정절 삭유 탱크에 모이고, 절삭유 부패방지 장치를 거 쳐 가공기계로 다시 들어가는 구조로 되어있다.¹¹ 2.2 유한요소모델

Fig. 2는 구조해석을 진행하기 위한 유한요소 모델을 보여준다. 149,799개의 절점 (Node)과 43,878개의 요소 (Element)를 이용하여 해석을 진 행하였다. Table 1에 흡입 챔버의 소재인 SM45C에 대한 물성치 값을 나타내었다. 해석을 위한 각각 의 경계조건으로, 구속조건은 흡입 챔버의 바닥면 으로 설정하였다. 하중조건은 펌프 3개와 청정절 삭유 탱크에 수용성 절삭유가 전체 용량의 4/5만 큼 채워져 있다는 조건으로 가정하여 18,169 N의 하중을 청정절삭유 탱크의 하판 상면에 적용하였 다. 마지막으로 흡입 챔버에 작용하는 중력을 고 려하여 구조물 전체에 중력조건을 적용하였다.

Fig. 1 The schematic of the vacuum filter system

Fig. 2 Finite element model of the vacuum filter system

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Table 1 Mechanical properties of material

Material SM45C Young’s modulus (GPa) 205

Poisson’s ratio 0.3

Density (kg/m³) 7850

2.3 구조해석

Figs. 3과 4에 하중을 적용한 흡입 챔버의 구조 해석 결과를 변위와 응력 분포로 각각 나타내었다.

최대 변위는 절삭유가 들어 있는 청정절삭유 탱크 의 하판 상면에서 3.45 mm로 발생하는 것을 확인 하였다. 하판을 지지해 주는 보강재가 없는 부분 에서 처짐이 가장 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 응력 분포는 절삭유의 무게가 작용하는 청 정절삭유 탱크의 하판에서 전체적으로 발생하며, 최대 응력 (Von-Mises Stress)은 보강재의 양 끝 부 분에서 213 MPa로 발생하는 것을 확인하였다. 이 는 청정절삭유 탱크를 지지해 주기 위해 설치된 보강재 부분에 하중이 집중적으로 가해져 발생한 것으로 판단된다. 흡입 챔버의 재료로 사용된 SM45C의 항복강도가 350 MPa인 것을 고려하였을 때, 흡입 챔버 구조물의 안전율 S = 1.6으로 계산된 다. 이는 구조물이 안전하다고 판단할 수 없기 때 문에 하중을 안전하게 견디기 위한 구조물의 보강 이 필요하다고 판단된다.

3. 형상개선 및 형상최적화 3.1 안정성 향상을 위한 형상개선

구조해석 결과를 통해 진공식 여과장치용 흡입 챔버의 안정성 향상을 위한 형상개선을 실시하였 다. 구조물의 안정성 향상을 위해 안전율 S = 3을 목표로 하여 형상개선을 진행하였다. 세 가지의 형상개선 방안을 제시하였으며, 변수를 제외한 나 머지 해석 조건은 모두 동일하게 적용하여 해석을 진행하였다.

3.1.1 청정절삭유 탱크의 하판 두께 증가 흡입 챔버의 구조물 안정성 향상을 위한 첫 번 째 방안 (Case 1)으로 청정절삭유 탱크의 하판 두 께를 변수로 설정하여 목표한 안전율에 도달할 수 있도록 하였다.

Fig. 5에는 흡입 챔버에 적용되는 청정절삭유 탱크의 하판 형상을 나타내었으며, 도면에 나와 있는 하판의 두께 치수인 4.5 mm에서 치수를 0.5

mm 씩 늘려가며 해석을 진행하였다.

Table 2에는 각 두께에 따른 해석결과를 최대 변위와 최대 응력, 안전율로 나타내었다. Fig. 6은 안전율 S = 3에 도달하였을 때의 최대 변위와 응력 분포에 대한 구조해석 결과를 나타낸다. 하판 두 께가 7.5 mm일 때, 최대 변위는 1.36 mm, 최대 응 력은 113 MPa로 발생하였으며, 목표한 안전율에 도달함으로써 구조물의 안정성 향상을 확인하였다.

Fig. 3 Deformation of the suction chamber

Fig. 4 Stress distribution of the suction chamber

Fig. 5 Bottom shape of the clean tank

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Table 2 Analysis results according to parameters of case 1 No. Thickness

(mm)

Deformation (mm)

Stress (MPa)

Safety factor

1 5 2.22 147 2.38

2 5.5 1.93 138 2.54

3 6 1.78 129 2.71

4 6.5 1.60 123 2.86

5 7 1.46 118 2.97

6 7.5 1.36 113 3.1

(a) Deformation

(b) Stress distribution

Fig. 6 Analysis results after increase in the thickness of the clean tank

3.1.2 ‘ㄷ’자형 보강재의 두께 및 길이 증가 흡입 챔버의 구조물 안정성 향상을 위한 두 번 째 방안 (Case 2)으로 ‘ㄷ’자형 보강재의 두께 및 길이를 변수로 하여 목표한 안전율에 도달할 수 있도록 하였다. 형상개선을 위한 ‘ㄷ’자형 보강재 는 시중에 나와 있는 규격재를 이용하였다. 규격 재의 최소 크기는 t1 = 5, t2 = 7, H = 75, B = 40 mm이 며, 기존 보강재의 크기는 t¹= 4.5, t2 = 4.5, H = 55, B

= 25 mm이다.

Fig. 7에는 흡입 챔버에 적용되어 있는 ‘ㄷ’자형 보강재의 형상을 나타내었으며, Fig. 8은 ‘ㄷ’ 자형

보강재의 설계변수 t1, t2, H, B를 나타낸다.

최소 크기의 규격재를 적용한 해석 결과, Fig. 9 와 같이 최대 변위는 1.37 mm, 최대 응력은 84 MPa로 발생하는 것을 확인하였으며, 안전율 S = 4.17로 계산되어 목표한 안전율에 도달하였다.

3.1.3 ‘ㄷ’자형 보강재의 개수 증가

흡입 챔버의 구조물 안정성 향상을 위한 세 번 째 방안 (Case 3)으로 ‘ㄷ’자형 보강재의 개수를 변 수로 하여 목표한 안전율에 도달할 수 있도록 하 였다. 세 번째 방안에서는 도면 상의 기존 보강재 를 이용하여 해석을 진행하였다.

초기의 흡입 챔버에 설치 되어있던 6 개의 보 강재 개수를 하나씩 추가로 늘려가며 해석을 진행 하였으며, 보강재 사이의 거리는 일정한 간격을 유지하도록 설정하였다.

보강재의 개수가 7개일 때의 해석 결과, Fig. 10 과 같이 최대 변위는 1.39 mm, 최대 응력은 104 MPa로 발생하는 것을 확인하였으며, 안전율 S = 3.36으로 계산되었다. 보강재의 개수를 하나 더 추 가함으로써 최대 변위와 응력이 모두 개선되는 것 을 확인할 수 있었다.

Table 3에는 앞서 진행한 세 가지 형상개선 방안 (Cases 1-3)에 대한 해석 결과를 구조물의 질량 및 최대 변위, 최대 응력으로 정리하여 나타내었다.

Fig. 7 Reinforcement by U-shaped member for the clean tank

Fig. 8 Design factors for the U-shaped member

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(a) Deformation

Fig. 9 Analysis results after increase in the thickness and length of the U-shaped member

(a) Deformation

Fig. 10 Analysis results after increase in the number of reinforcement of the suction chamber

Table 3 Analysis results of each case Mass

(kg)

Deformation (mm)

Stress (MPa) Existing case 1071.2 3.45 213

Case 1 1134 1.36 113 Case 2 1091.8 1.37 84 Case 3 1078.6 1.39 104

3.2 ANSYS 를 이용한 형상 최적화

앞서 흡입 챔버 구조물의 안정성 향상을 위해 세 가지 형상개선 방안 (Cases 1-3)을 제시하여 해 석을 진행하였다. 하지만 형상개선은 최대 변위와 응력을 줄이는데 중점을 두어 진행하였기 때문에 형상개선으로 인한 구조물의 무게 증가가 발생하 게 되었다. 앞서 진행하였던 형상개선의 세 가지 방안 중, 최대 변위와 응력 분포의 결과가 가장 크게 개선되었던 방안을 선정하여 구조물의 무게 감소를 위한 형상 최적화 작업을 진행하고자 한다.

첫 번째 형상개선 방안 (Case 1)의 경우, 약 2배 에 가까운 하판 두께 증가로 인한 구조물의 무게 증가로 비효율적인 개선 방안이라 판단된다. 두 번째와 세 번째 형상개선 방안 (Cases 2, 3)에서는 보강재 개선 및 개수 증가를 통해 최대 변위와 응 력이 모두 개선되는 효과를 확인하였다. 두 번째 형상개선 방안 (Case 2)의 경우, 무게는 세 번째 방 안 (Case 3)에 비해 조금 더 증가하였지만, 보강재 에 작용하는 최대 응력은 더 많이 줄어든 것을 확 인할 수 있었다. 따라서 두 번째 형상개선 방안 (Case 2)의 모델을 이용하여 청정절삭유 탱크의 하 판에 대한 형상 최적화를 진행하였다. 청정절삭유 탱크 하판의 경량화와 동시에, 무게에 의한 흡입 챔버 구조물의 변위와 작용하는 응력은 최대한 감 소시키고자 한다.

형상 최적화를 위하여 변위와 응력을 목적함수 로 설정하였으며, 흡입 챔버에 작용하는 최대 응 력은 목표한 안전율 S = 3을 만족하도록 116 MPa 보다 작거나 같게 설정하였다. 설계변수는 하판의 두께(T)와 x방향 길이(L)로 설정하였다. Fig. 11은 각 설계변수를 나타내며, 설계변수의 변동 범위로 두께는 4 mm ≤ T ≤ 5 mm, 길이는 2,500 mm ≤ L ≤ 2,600 mm로 설정하였다.본 연구에서는 형상 최적 화를 위하여 상용 해석 프로그램인 ANSYS를 이 용하였으며, 반응표면법을 통해 메타모델을 만들 어 조건에 맞는 최적값을 구하였다.¹²

Table 4는 ANSYS에 의해 만들어진 실험계획표

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Fig. 11 Design factor of the suction chamber

Table 4 Design of experiment using ANSYS No. L

(mm)

T (mm)

Deformation (mm)

Stress (MPa) 1 2550 4.5 1.39 83.46

2 2550 4 1.50 87.68

3 2550 4.25 1.44 85.53

4 2550 5 1.31 81.39

5 2550 4.75 1.35 82.38

6 2525 5 1.41 83.73

7 2500 4.5 1.58 90.18 8 2600 4.5 1.37 82.18 9 2575 4.5 1.39 82.49

10 2500 5 1.48 85.13

11 2525 4.75 1.45 84.04

12 2600 4 1.48 84.49

13 2575 4.25 1.43 85.41

14 2600 5 1.30 80.01

15 2575 4.75 1.34 81.66

Fig. 12 Process of optimization using ANSYS

(a) Deformation

Fig. 13 Analysis results of the optimized suction chamber

를 나타내며, Fig. 12는 형상 최적화가 진행된 과정 을 나타낸다.

형상 최적화를 진행한 결과, 최적해는 T = 4.1 mm, L = 2581.3 mm로 도출되었으며 이를 이용하여 구조물 의 재해석을 실시한 결과, 최대 변위는 1.45 mm, 최 대 응력은 86.2 MPa로 확인되었다. Fig. 13은 최적화된 흡입 챔버의 최대 변위와 응력 분포를 나타낸다. 형 상 최적화가 진행된 흡입 챔버의무게는 1081 kg으로 두 번째 형상개선 방안 (Case 2)의 무게 (1091.8 kg)보 다 1% 경량화된 것을 확인할 수 있었다. 형상 최적 화를 통해 최대 변위와 응력의 큰 변화 없이 청정절 삭유 탱크 하판의 경량화가 진행된 것을 확인하였다.

4. 결론

본 연구에서는 진공펌프를 이용한 친환경 진공 식 여과장치의 구조 안정성 검증을 위한 흡입 챔 버의 구조해석을 수행하였다. 또한 구조 안정성 향상을 위한 형상개선 및 형상 최적화를 진행하여 구조물의 안정성을 개선하기 위한 최적 모델을 제 시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(7)

(1) 흡입 챔버의 구조해석을 수행하였으며, 안 전율 S = 1.6의 결과를 통해 세 가지 경우의 형상 개선안을 제안하였다.

(2) 세 가지 경우의 형상개선을 진행하여 안전율 S = 3을 만족하는 구조를 확인하였으며, 이 중 ‘ㄷ’자 형 보강재의 두께 및 길이 변경 방법이 최대 변위와 응력 분포가 가장 크게 개선되는 것을 확인하였다.

(3) 보강재의 무게 증가로 인한 흡입 챔버의 경량화를 위해 형상 최적화를 진행하였다. 청정절 삭유 탱크의 하판에 대해 두 가지의 설계변수를 적용하여 구조물 무게를 1% 경량화하였다.

(4) 반응표면법을 통해 최종적으로 도출된 최 적해를 이용하여 최대 변위 1.45 mm, 최대 응력 86.2 MPa의 결과를 확인하였다. 이를 통해 흡입 챔 버의 구조 안정성 향상을 확인할 수 있었다.

본 연구의 결과는 개발하고자 하는 진공식 여 과장치의 안정성 향상과 경량화 설계 및 개발에 적용될 것이다.

후 기

본 연구는 중소기업청의 융복합기술개발 사업 의 일환으로 수행하였음. [No.S2274820, 절삭유 청 정기술을 적용한 VACUUM FILTER SYSTEM 개발]

이 논문은 2016년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단 BK21 플러스사업의 지원을 받 아 수행되었음.

REFERENCES

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