A Study on the Design for the Air Impeller of a Finishing Tool Unit

<응용논문> pISSN 1226-0606 eISSN 2288-6036

피니싱 툴 유니트의 에어 임펠러 설계에 관한 연구

최현진

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A Study on the Design for the Air Impeller of a Finishing Tool Unit

Hyun-Jin Choi

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Received 8 March 2015; received in revised form 27 April 2015; accepted 27 April 2015

ABSTRACT

The grinding and furbishing process as the finishing process for molds include the works such as the grinding, buffing, lapping and polishing among others. A finishing tool unit is applied to this finishing process for the burr, lapping, polishing and others of molds. A finishing tool unit can carry out the flexible machining, depending on the machining allowance for objects to be cut on the basis of the instrumental driving mechanism which enables the up, down, left and right floating, which is applied in link with the dedicated cutters and robot machining systems.

This study selected the shape to increase the rotatory force of an impeller when air is dis- charged during the driving of a finishing tool unit, and reflected it to the impeller designing. In addition, the study analyzed each flow velocity and pressure distribution per air pressurization value and finally analyzed the rotating torque to suggest the optimal conditions in designing impellers.

Key Words: Air impeller, CFD analysis, Design, Finishing tool unit

1. 서 론

금형의 마무리 공정인 연마 공정은 여러가지 공 구를 선택하여 금형의 표면조도 및 정밀도를 확보 하는 공정으로 연삭, 버핑, 래핑, 폴리싱 등의 작 업이 있다. 이러한 금형의 가공 버 제거 및 래핑, 폴리싱 등의 마무리공정에 적용되는 툴이 피니싱 유니트이다. 피니싱툴 유니트는 상,하,좌,우 플로

팅 되는 기구적인 구동 메커니즘을 바탕으로 절삭 력을 자동으로 조절하여 최적의 가공을 수행하며 제품에 대한 손상 및 불량률을 최소화하며 가공정 밀도와 품질향상이 가능하다. 또한 절삭물의 가공 여유에 따라 유연가공이 가능하며 전용절삭기 및 로봇가공 시스템과 연동하여 적용된다

^[1]

†Corresponding Author, [email protected]

©2015 Society of CAD/CAM Engineers

한 초기 입력 된 에어 가압치 별로 각각의 유속 및 압력 분포를 분석하고, 최종적으로 회전토크를 분 석하여 임펠러 설계에 반영하였다

^[2]

2. 피니싱툴 유니트 설계

피니싱툴 유니트의 동력원으로 에어구동과 모 터 구동이 있으며 금형의 버 제거 및 래핑, 폴리싱 등에는 절삭력이 크지 않기 때문에 에어 동력원의 기구 구조로 설계를 추진하였으며 절삭물의 가공 여유가 작고 미스매치가 있는 부위의 가공 및 가 공부와 소재부위가 일정하지 않은 마무리 공정에 적합하도록 설계를 진행하였다. 피니싱툴 유니트 의 플로팅 에어경로는 Fig. 1과 같이 에어를 주입 후 플랜지를 통해서 플로팅 하우징을 지나 7개의 고정핀을 동시에 밀어내게 되며 이러한 현상으로 인해 플로팅 하우징의 홈에 고정핀이 동시에 밀어 주며 샤프트 하우징을 항상 센터 중심으로 위치결 정 해주는 구조이다. 또한 툴회전 에어경로는 에 어를 주입 후 스핀들 에어 블록을 통해서 컨넥트 볼트를 지나 임펠러 블록에 주입되며 바람개비 형 태인 임펠러는 에어의 압력이 가해지면 에어의 분 출되는 유속에 의해서 회전력을 얻게 된다. 여기 서 분출되는 에어의 속도는 임펠러 내부 형상, 분 출 영역의 형상과 각도 등에 의하여 변경되므로 피니싱툴 유니트의 성능에 많은 영향을 주는 핵심 부품이 임펠러이다. 또한 성능의 주요인자가 임펠 러 내부 구조가 되며 내부 구조 형상에 따라 최종 적으로 에어구동 피니싱툴 유니트의 성능이 결정 된다. 특히, 이종성(2014)

^[2]

^[3]

2는 초기 설계사양으로 설계된 임펠러 형상과 장 착부의 내부 구조를 보여준다

^[4]

3. 유동해석

3.1 해석의 목적 및 범위

유동해석은 피니싱툴 유니트의 임펠러에 대하 여 1차적으로 초기 설계사양과 임펠러 내부의 흡 기부와 토출부 형상을 개선한 사양에 대하여 각각 의 차이점을 분석하여 개선 될 임펠러 형상을 도 출하였으며 2차적으로 개선 된 임펠러 형상 모델 을 기준으로 흡기 가압조건과 배기조건을 적용하 여 전산유체해석을 통한 임펠러 부분의 유속과 압 력 분포 및 회전 토크를 분석하여 개선된 임펠러 형상 모델의 설계치를 반영하였다.

3.2 수치해석 방법

수치해석은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 라는 전산 유체역학이론을 기반으로 한 상용프로 그램인 FloEFD(Engineering Fluid Dynamics)를 활 용하였으며 FloEFD는 유한 체적법(Finite Volume Method)을 기초로 한다. 이 방법은 운동량 및 질 량보존법칙과 에너지보존법칙을 만족 시키기에 용 이하도록 적분으로 기초방정식을 이산화 하는 방 법이며 이러한 법칙은 Navier-Stokes Equations으 로 정의된다. 식 (1)은 Navier-Stokes Equations의 수식표현이다

^[5,6]

Fig. 1 Structure of the finishing tool unit

Fig. 2 The shape of the impeller

(1)

위의 수식은 Navier-Stokes Eqations의 수식표현 이나 식 자체만으로 계산할 수 없으므로 Finite Volume Method(FVM)식 접근 방법이 필요하다.

식들은 비선형이면서 서로 연결되어 있으므로 식 (2)와 같이 반복계산에 의해 값을 구할 수 있으며 통상적으로 수치해석 S/W로 계산되어 진다.

(2)

a: 특정점에서의 값, ϕ: 특정점에서의 변화정도

3.3 1차 해석

1차 해석은 초기 설계사양으로 에어 토출부와 흡기부가 직선과 방사형의 임펠러 내부형상에서 에어 토출부를 직선, 에어 흡기부를 회전형으로 하

고 외부 유동저항을 최소화하기 위하여 임펠러 외 부에 플라이를 부착한 경우와 토출부와 흡기부를 직선과 회전형, 곡선과 회전형으로 설계 변경한 각 각의 임펠러 형상에 대하여 에어의 압력에 따른 유속과 압력분포를 비교 분석하였다. Fig. 3은 기 존사양의 임펠러와 개선된 사양의 임펠러 모델의 형상을 보여주며 Table 1은 형상의 특징을 나타낸 다. 임펠러부 해석용 유동모델은 Fig. 4와 같으며 해석 경계조건으로 흡기는 하부에서 가압을 적용 하였으며 배기조건은 대기압을 적용하였다.

또한 해석유형은 내부 유동으로 층류 및 난류 유동유형으로 설정하였다. 1차 해석결과 임펠러의 형상에 따른 임펠러 토출부 최대 유속은 Table 2 와 같이 564.63 m/s로 Case 2에서 발생되는 경향 을 보였으며 최소 유속 또한 49.24 m/s로 Case 2 에서 가장 낮게 분포하였다. 또한 초기 임펠러 설 계사양인 Case 1은 최대 유속과 최소 유속이 각각 411.45, 65.07 m/s이며 에어 토출부가 곡선형으로 변경 설계 된 Case 4의 경향을 보면 최대유속은 상대적으로 365.32 m/s로 가장 낮았지만 최소 유 속은 176.89 m/s로 가장 높은 경향을 보였다. Case 별 유속분포를 분석해 보면 최대유속은 Case 2경 우가 가장 높지만 전체적인 평균유속이 가장 높은 경우는 Case 4로 곡선 형태의 토출부의 유속 편차 값이 가장 낮게 분포되어 Case 1, 2, 3 보다 유속 이 일정함을 알 수 있었다. Fig. 5는 Case별 유속 분포 해석결과를 Fig. 6-9은 Case 1-4의 토출부 유

∂∂

_t

----( ) div υV φ Γρφ + ( –

_φ

a

_P

_P

_hx

_hx

_lx

_lx

_hy

_hy

_ly

_ly

_hz

_hz

_lz

_lz

_P

Table 1 Characteristics of the impeller models

Category Air Discharge Area(a) Air Discharge Area(b) External Dia Internal Dia Case 1 (Existing Spec.) Straight type Radial shape 41.5 11.78

Case 2 Straight type Rotating type 43.5 11.78

Case 3 Straight type Rotating type 41.5 11.78

Case 4 Curved type Rotating type 41.5 11.78

Fig. 3 Shape of the impeller models

Fig. 4 Impeller unit analytical models and boundary conditions

속편차 그래프를 보여준다.

토출부 압력분포는 유속조건과 비례관계를 가 지며 압력의 편차 또한 유속의 분포와 유사한 경 향이 나타났다. 토출부의 최대압력은 유속분포 해

석 결과와 같은 Case 2의 경우가 326,892 Pa로 가 장 높게 나타났으며 Case 4의 경우가 130,119 Pa 로 가장 낮은 결과가 도출되었다. 1차 해석결과 임 펠러 형상에 따른 임펠러 토출부 유속 및 압력 분 포는 Case 4의 경우에서 다른 Case보다 낮은 편차 를 가지면 일정한 유속 및 압력값을 보였다. 토출 부의 형상이 직선에서 곡선형태로 변경되면 유속 은 다소 감소했지만 토출부 전체의 평균 유속 및 압력은 상승하는 경향을 보였다. 또한 유속이 높 은 영역에서는 압력이 낮게 분포하는 현상이 있었 으며 이러한 현상의 원인은 토출 속도는 흡기부와 토출부의 압력차와 비례적인 관계에 있다고 볼 수 Fig. 5 Flow speed distribution of each impeller model

Fig. 6 Flow speed deviation graph (Case 1)

Fig. 7 Flow speed deviation graph (Case 2)

Fig. 8 Flow speed deviation graph (Case 3)

Fig. 9 Flow speed deviation graph (Case 4)

Table 2 Flow speed (max. and min.) distribution of each impeller model

Category Max. Flow speed Min. Flow speed Case 1(m/s) 411.45 65.07 Case 2(m/s) 564.63 49.24 Case 3(m/s) 436.18 54.93 Case 4(m/s) 365.32 176.89

있다. Case 1-4의 해석결과를 종합 해보면 에어 토 출부와 흡기부가 직선과 방사형인 초기 설계사양 보다 곡선과 회전형 형상 인 Case 4의 경우에서 Fig. 15과 같이 압력 및 유속편차가 상대적으로 가 장 낮고 일정한 분포를 가지는 것으로 나타났고 토출부가 직선 보다 곡선형 형상이 에어 토출시 Fig. 10 Pressure distribution of each impeller model

Fig. 11 Pressure deviation graph (Case 1)

Fig. 12 Pressure deviation graph (Case 2)

Fig. 13 Pressure deviation graph (Case 3)

Fig. 14 Pressure deviation graph (Case 4)

Fig. 15 Flow speed and Pressure distribution of Case 4

임펠러의 회전력을 증가시킴을 알 수 있었다. Fig.

10는 Case별 압력 분포 해석결과를 Fig. 11-14은 Case 1-4의 토출부 압력편차 그래프를 보여준다.

3.4 2차 해석

1차 해석에서 도출된 결과를 기준으로 2차 해석 에서는 초기 임펠러 설계사양인 Case 1과 토출부 의 유속과 압력의 편차가 낮으며 일정한 유속 및 압력값을 보인 Case 4에 대하여 1 Bar에서 3 Bar 까지 흡기부에 가해지는 가압치 별로 각각의 유속 및 압력 분포를 분석하고 최종적으로 가압이 3 Bar 인 경우에 회전토크를 분석하였다. 해석 경계조건 은 1차 해석과 동일하게 흡기와 배기조건을 적용 하였으며 하부에 적용되는 가압을 201,325 Pa, 301, 325 Pa, 401,325 Pa로 Inlet압력으로 입력 하였으며 필터조건으로 Porosity는 0.5로 Permea bility형태 는 등방성으로 설정하였다. 2차해석 결과 에어 가 압이 3 Bar의 경우 임펠러 토출부 유속분포는 속 도값 350 m/s기준으로 분포영역에 따라 구분되며 최대 유속값은 Case 1, Case 4 각각 338.8, 372.8 m/

s로 나타났다. 최대유속의 분포는 토출부 영역에

분포하며 토출 된 유속은 임펠러의 직경방향으로 일정하게 분포 하거나 Fig. 16, 17의 속도분포와 같이 유속이 높은 구간의 영역이 넓은 것이 임펠 러의 회전력을 증가시켜 성능향상에 유리하게 작 용함을 알 수 있었다. 토출부의 압력분포는 Fig.

18와 같이 1차 해석결과와 동일하게 유속조건과 비례관계를 가지며 압력의 편차 또한 유속분포와 유사한 경향을 보였다.

Case 1과 Case 4의 임펠러 형상에 따른 흡기부 에 가해지는 압력에 의하여 발생되는 임펠러 회전 토크 값은 Table 3처럼 Case 1은 0.024, 0.053, 0.082 N·m, Case 4의 경우는 각각 0.026, 0.058, 0.091 N·m 값이 도출되었다. 임펠러 회전 토크는

Fig. 16 Flow speed deviation graph (3 Bar, Case 1)

Fig. 17 Flow speed deviation graph (3 Bar, Case 4)

Fig. 18 Pressure distribution of Case 1, 4 impeller model

Fig. 19 Case 1 Torque (P=3 Bar)

Fig. 20 Case 4 Torque (P=3 Bar)

1-3 Bar 모두 Case 4가 최대, 평균 토크값이 크게 나타났다. 이는 임펠러 흡기부가 방사형, 토출부 가 직선형 형상 보다 토출부의 유속분포와 압력분 포가 곡선 및 회전형 형상일 경우가 일정하고 회 전 토크가 크다는것을 판단할 수 있었으며 임펠러 회전 성능향상에 유리함을 알 수 있었다. Fig. 19 와 20은 3 Bar의 가압조건에서의 Case 1과 Case 4 의 회전토크 그래프를 보여준다.

4. 결 론

본 연구에서는 금형의 마무리 연마공정에 적용 되어지는 피니싱툴 유니트의 핵심 구동 부품인 임 펠러 설계에 관한 내용으로 피니싱툴 유니트의 구 동시 에어가 토출될 때 임펠러의 회전력을 증가 시킬 수 있는 형상을 선정하여 임펠러 설계에 반 영하기 위하여 직선과 방사형으로 설계 되어진 초 기 임펠러 에어 흡기부와 토출부의 형상에서 에어 토출부를 직선, 에어 흡기부를 회전형으로 하고 외 부 유동저항을 최소화하기 위하여 임펠러 외부에 플라이를 부착한 경우와 토출부와 흡기부를 직선 과 회전형, 곡선과 회전형으로 설계 변경 한 각각 의 임펠러 형상에 대하여 유속과 압력 분포를 1차 유동 해석을 통하여 비교분석 하였다. 1차 해석결 과 회전형과 곡선형으로 설계되어진 Case 4의 임 펠러가 유속편차와 압력편차가 상대적으로 가장 낮아 유속과 압력이 일정함을 알 수 있었다. 1차 해석 결과를 바탕으로 초기 설계 사양인 Case 1과 개선된 Case 4에 대하여 흡기부에 가해지는 가압 치 별로 각각의 유속 및 압력분포의 경향을 비교 하고 최종적으로 회전 토크를 분석 하였다. 2차해 석 결과는 1차 해석결과와 유사하게 유속 및 압력 분포가 Case 4의 경우가 일정 하였으며 회전 토크 또한 초기 설계사양인 Case 1 보다 큰 경향을 보 였다. 1, 2차 해석결과로 임펠러 흡기부가 방사 형, 토출부가 직선형 형상 보다 곡선 및 회전형 형

상일 경우가 유속분포와 압력분포가 일정하고 회 전 토크가 크다는 것을 유추할 수 있었다. 따라서 향후 임펠러를 Case 4의 형상으로 설계 변경 후 시작품을 제작, 조립하여 피니싱툴 유니트의 성능 을 평가하여 설계수정에 대한 타당성을 확보할 예 정이다.

감사의 글

본 연구는 광역경제권 로봇클러스터 거점기관 지원사업 “플로팅 유니트을 적용한 금형코어 연마/

래핑 로봇시스템 개발”의 지원으로 수행되었습니다.

References

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Table 3 Rotational torque due to pressure Air

Pressure

Case 1(N∙m) Case 4(N∙m) Max. Ave. Max. Ave.

1 Bar 0.024 0.020 0.026 0.021 2 Bar 0.053 0.043 0.058 0.047 3 Bar 0.082 0.067 0.091 0.074

9. Kim, M.G., Ahn, H.T., Lee, J.T. and Lee, H.G., 2014, Fully Unstructured Mesh based Compu- tation of Viscous Flow around Marine Propellers,

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최 현 진

2000년 금오공대 생산기계공학과 석사

2011년 금오공대 생산기계공학과 박사

2002년~2005년 일본 동양공기제작 소 설계 팀장

2005년~현재 대구기계부품연구원 관심분야: CAD/CAE/CAM, Machine재직 Tool, Manufacturing system, Reliability

이 승 용

2010년 금오공대 기계공학과 석사 2013년 금오공대 기계설계과 박사

수료

2013년~현재 대구기계부품연구원 관심분야: CAD/CAM, High Pre-재직 cision Maching, Abrasive Jet Machining 등

박 선 명

2005년 대구가톨릭대학교 기계자동 차공학 학사

2015년 경북대학교 산업공학과 석사 2010년~현재 대구기계부품연구원 관심분야: CAD/CAE, Turbulent재직

flow, CFD analysis

강 익 수

2007년 부산대학교 정밀기계공학과 박사

2007년~2008년 부산대학교 ERC/

NSDM Post-Doc

2008년~2011년 부산대학교 기계공 학부 연구교수

2011년~현재 대구기계부품연구원 관심분야: Precision Machining,재직 Machine Tool, Cutting Simulation

장 은 실

2000년 경북대학교 기계공학과 석사 2012년 경북대학교 기계공학과

박사수료

2008년~현재 대구기계부품연구원 관심분야: Manufacturing system,재직 Design and analysis of mechanic, Engineering solution, CAD/CAE

최 성 대

1999년 동경도립대학 기계공학과 박사

2000년 한국기계연구원 위촉연구원 2000년~현재 금오공과대학교 교수 관심분야: CAD/CAM/CAE, Machine재직 Design, Machine materials, Mechanical Machining, medical device