고품질 표면을 얻기 위한 초음파 진동 응용 전기화학 폴리싱의 효과 및 특성에 관한 연구

Abstract

ECP is a non-traditional machining technique used to obtain high surface quality. It is applied in many industries because it can obtain various effects after machining. Mechanical processes leave fine scratch marks on surfaces because of the contact between the tool and the workpiece. These surfaces are easily contaminated and difficult to clean. Also, as such surfaces corrode rapidly, they are difficult to use in clean rooms and medical and biological experiments. ECP yields very smooth surfaces, and removes impurities and hydrogen on metal surfaces, thus providing higher corrosion resistance. When two electrodes are placed in the electrolyte and current is applied from the outside, bubbles are generated on the electrode surface. Bubbles decrease the processing efficiency cause defects if they are not removed from the surface. Bubbles generated during processing cause micro pits on the surface in the process of dissolving the metal surface. These micro pits are created not only by bubbles, but also by impurities on the inner surface of the material. To address these problems, we proposed a hybrid process. We aimed to improve the processing efficiency and surface quality by generating ultrasonic vibrations in the electrolyte during ECP. This novel process is called vibration electrochemical polishing (VECP). In this study, many phenomena and characteristics were analyzed in greater depth and detail than in previous VECP studies. This paper describes about VECP in Chapters 1-5. This enabled us to evaluate the machining characteristics and obtain data to characterize the resulting surfaces. Thus, we were able to confirm that this process can be used to improve the quality of polished surfaces. The vibration source for the experiment used a 28kHz bolt-clamped Langevin transducer (BLT)-type ultrasonic transducer. Suitable machining conditions were identified by varying parameters such as the polishing time, voltage, and electrolyte temperature. ECP is not easy to model and analyze because it involves many physical phenomena, such as electrodynamics, material transfer, heat transfer, fluid analysis, and electrochemistry. We used the Multiphysics program (COMSOL Inc., Burlington, MA, USA) to create a model to analyze the impact of bubbles and VECP. To ensure that we entered the correct electrolyte properties into the program, additional experiments were conducted to measure changes in the electrolyte viscosity according to temperature. First, electrochemical models were designed using electrochemical and fluid modules. Our initial results predicted changes in current density for electrochemical machining without gas bubble. Second, by including bubble phenomena in the fluid module, we could measure the change in current density during the electrochemical process. The current density was lower in this case than without the bubble model, because of the bubbles distributed within the electrolyte. Finally, a model was created to add ultrasonic vibrations to the electrolyte, to confirm the increase in the number of bubbles. Based on the designed model, the pressure changes and variation in standing waves were analyzed with respect to frequency, acceleration, etc. This enabled us to identify the optimal conditions for ultrasonic vibration. We then conducted VECP machining experiments based on the results obtained using Multiphysics and analyzed the relationship between Ra and current density. The addition of ultrasonic vibrations improved the surface quality obtained using ECP when higher current densities (2–3A/cm2) were used. Our results confirmed that VECP increased the material removal rate (MRR). When current is applied, many bubbles accumulate in the electrolyte during machining. We confirmed that bubbles were removed almost instantly by the ultrasonic vibrations in the electrolyte. We used a current probe to analyze the change in current. To analyze the machining characteristics according to the temperature of the electrolyte, the surfaces machined at various temperature conditions were analyzed. Improved surface can be obtained at 50 to 80℃, and ultrasonic vibrations resulted in high-quality surfaces, even at low temperatures. In the electrode gap experiment, micro-pits were generated under narrow gap conditions in the case of ECP, but VECP caused the bubbles to escape, resulting in a high surface quality. The current increased when ultrasonic vibrations were added under high current density conditions. Because the bubbles were removed almost instantly, the behavior of the bubbles was analyzed using a high-speed camera. The bubbles were confirmed to disappear in less than 1 second, being moved rapidly towards the liquid level by the standing waves induced by the ultrasonic vibrations at the bottom of the electrolytic tank. They were mostly constant in size, but combined to form bubbles of different sizes as they rose. For effective application of VECP, S and U-shaped workpieces were fabricated and processed. In the case of ECP, bubbles were retained for a long time between the two electrodes in the curved part of the workpiece; the separation was not smooth, resulting in whitening or defects on the surface. However, such defects were not observed in the case of VECP, which achieved excellent machining results for pieces with complicated shapes. In addition to studying VECP, we also investigated a variety of ECP applications. In Chapter 6, as the use of parts with complex structures increases, a method that can easily and quickly manufacture tool electrodes is proposed. Using a low-cost 3D printer, it is output according to the shape of the workpiece. Applying a conductive coating to the surface could have the same effect as conventional ECP. In Chapter 7, the excellence of ECP has been studied to improve the surface quality as metal 3D printing products are widely used in recent years. Metal 3D printing products have a very rough surface. With ECP, we were able to quickly get a near-perfect surface. Next, as a study on the hydrophilic effect and application method of ECP, the ECP characteristics of the STS mesh were analyzed and the self-cleaning effect due to external contamination was evaluated. The machined surface by ECP has excellent cleaning effect.|전기화학 폴리싱(Electrochemical polishing, ECP)은 대표적인 비접촉 공정 중 하나로서 높은 품질의 표면을 얻을 수 있다. 그래서 많은 산업 분야에서 사용하고 있다. 기계적인 공정은 공구와 공작물이 접촉하기 때문에 표면에 미세한 스크래치 흔적을 남긴다. 이러한 표면은 클린제조시스템에서 적용하기가 어렵다. 이러한 표면은 외부 물질에 의해 오염이 잘되고, 세척이 어렵다. 그리고 부식발생이 빠르게 진행되기 때문에 청정분야, 의료, 바이오 분야 등에서 사용이 힘들다. ECP는 표면을 매우 부드럽게 만들고, 금속표면에 불순물, 수소제거 효과가 있으므로 부식 저항도 높아지게 된다. ECP는 전해액 내에 두 전극을 배치해서 외부에서 전류를 인가하게 되면 전극 표면에서 가스버블이 발생된다. 버블들은 가공효율을 낮추고, 이탈이 잘되지 않으면 표면에 흔적을 남긴다. 가공 중에 생성된 버블들은 재료 표면에 산화막이 형성되고 용해되는 과정에서 마이크로 피트를 불규칙적으로 발생시킨다. 이러한 마이크로 피트는 버블뿐만 아니라 재료 내면의 불순물에 의해서 발생하기도 한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 하이브리드 공정을 통한 답을 제안하였다. ECP를 수행중인 동안 전해액에 초음파 진동을 발생시켜 가공효율과 표면 품질을 향상하고자 한다. 이처럼 제안된 초음파 진동을 결합한 ECP를 Vibration electrochemical polishing (VECP)라고 부른다. ECP는 전기역학, 물질전달, 열전달, 유체해석 그리고 전기화학 등 많은 물리현상을 다루므로 모델화와 분석이 쉽지가 않다. 이 연구에서는 Multiphysics 프로그램을 활용하여 버블이 주는 영향, VECP에 대한 모델을 만들었다. 프로그램에서 전해액 물성치를 입력하기 위해 온도에 따른 전해액 점성 변화 실험을 추가로 진행했다. 가장 먼저 Electrochemical, Fluid 모듈을 이용하여 전기화학적인 모델을 설계하였다. 첫번째로 순수한 전기화학 공정에 대한 전류밀도 변화에 관한 결과를 얻었다. 두 번째로 Fluid 모듈에서 버블현상을 삽입하여 전기화학 공정에 대한 전류밀도 변화에 관한 결과를 얻었다. 버블이 없는 모델보다 전류밀도가 낮게 나왔다. 버블이 전해액 내에 분포되어 있을 때 전류밀도가 더 낮아진 것을 알 수 있었다. 마지막으로 전해액에 초음파 진동을 부가하는 모델을 만들어 버블의 상승효과를 확인하였다. 설계된 모델을 기준으로 주파수, 가속도 등의 조건에 따라 압력변화와 정재파형의 변화를 분석하였다. 초음파 진동자를 선정하는데 가장 이상적인 조건으로 찾을 수 있다. 본 연구에서는 이전의 VECP 연구 결과에 이어서 더 깊은 내용으로 여러 현상을 분석하였고, 추가적으로 분석에 필요한 시험들을 다양하게 진행했다. 이전 연구에서는 초음파 진동에 부가 여부에 따라 표면 품질을 향상할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 볼트 조임 란즈방형 진동자(Bolt Clamped Langevin Type Transducer) B.L.T 의 28kHz 초음파 진동자를 사용하였다. 가공 조건들은 가공시간, 전압, 전해액 온도, 전극 간극에 따른 다양한 조건을 통해서 최적의 조건을 찾을 수 있었다. 초음파 진동은 낮은 전류밀도보다 2~3 A/cm2 이상의 높은 전류밀도에서 일반 ECP보다 더 높은 표면을 얻을 수 있었고, 재료 제거율이 더 높아진 것을 알 수 있었다. 좁은 간극에서 ECP는 표면에 마이크로 피트 발생이 되지만 VECP의 경우에는 발생하지 않아 좁은 간극에서 버블 이탈을 촉진시킨다. 가공 중에 많은 버블들이 전해액 내에 쌓이게 되는데 초음파 진동을 부가하면 순식간에 제거되는 것도 확인하였다. 이러한 현상들을 분석하기 위해 전류 프로브를 이용하여 전류의 변화를 확인하였고, 예상대로 높은 전류밀도에서 초음파 진동이 부가될 때 전류가 높아지는 것을 확인하였다. 버블은 순식간에 제거되기 때문에 고속카메라를 이용하여 버블의 거동을 분석하였다. 버블들은 1초도 안 되는 시간에 사라진다. 전해조 하단에서 초음파 진동을 부가하면 정재파가 발생에 따라 액면으로 빠르게 이동하게 된다. 버블들의 크기는 대부분 일정하나 서로 다른 크기의 버블들은 결합하면서 상승하고, 크기가 같은 버블들은 뭉쳐서 상승한다. 이는 버블들간 반발력에 의한 것이다. VECP의 효과적인 응용 방법을 제시하기 위해 S, U자형 공작물을 제작하여 초음파 진동의 효과에 대해 검증하였다. U자형 같아 버블의 이탈이 어려운 구조는 기존 ECP보다 VECP에서 표면 결점 없는 고품질 표면을 얻을 수 있었다. 이 연구에서는 VECP에 관한 내용 외에 추가적인 ECP의 다양한 활용에 관해서도 내용을 포함하였다. STS mesh의 다양한 조건을 통한 ECP, 친수성 효과를 이용한 자가세정 효과 실험, 금속 3차원 프린팅 제품에 대한 ECP 실험 그리고 3D프린터로 전극을 제작하여 ECP실험을 진행하였다.