초정밀급 공작기계용 기포억제 쿨런트펌프 케이싱 최적설계 및 CFD해석에 관한 연구

Abstract

Recent developments in IT technology and the development of electric vehicles have increased the need for ultra-precision. Ultra-precision machining is a machining method with the highest machining precision that seeks the limit of machining precision to satisfy both shape and surface illumination. In the 2000s, the precision of processing was around 1 nanometer, but from the perspective of cutting and processing, 0.3 nanometer, which is the gap between the lattices of atoms, can be seen as the maximum. The need for ultra-precision machining has recently led to applications that require technology to create fine structures on curved surfaces.

Among the components of ultra-precise machine tools, the role of the coolant pump is used to cool the workpiece, such as cutting and boring, or to distribute and clean the cut chips. The factors that directly affect the quality and surface illumination of the workpiece. In the process of discharging cutting oil using a coolant pump during machining in a super-precision machine, air is in contact with the air, air is contained in the process of circulating the cutting oil tank again, Cavitation occurs due to the cutting oil contained in the pump, and as a result, the removal of cut chips and cooling performance are reduced, resulting in a problem of poor quality and surface conditioning of the workpiece. In addition, the air contained in the cutting oil causes decay, causing odors and environmental pollution. As a result, the removal and cooling performance of the cut chip are reduced, resulting in the problem of the quality and surface illumination of the workpiece. As a solution to this problem, the machine tool has been shut down for 30 minutes. It is not a direct solution to the problem as the shutdown of the machine tool reduces productivity.

Currently, three types of turbulence model corrosion protection are applied in the CFD analysis of the turret system such as the coolant pump. There are k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, k-moga SST. The CFD analysis is conducted using the turbulence model equation to check the performance of the pump and the pressure of the impeller in the pump, and verify the air bubble suppression capability by comparing the existing and improved coolant pumps.

The design of the six holes with a diameter of 8mm in pumping casing showed that the performance of the pump had the maximum increase rate of discharge in the positive 10m, and increased by about 72.41%. In addition, the performance improvement effect could be checked at the limit of 11m of positive crystal to 12m.

CFD analysis has been verified with design verification of pump casing improvement. In CFD analysis, k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, and k-mega SST were analyzed using three turbulent models. As a result of the pump performance test, when the analysis was conducted using k-mega SST turbulence model, the error rate was the lowest, and the error rate was within 3.31%.

In the pump experiment for air bubble suppression, it was confirmed that unlike the existing coolant pump for machine tools in the cutting oil environment that contains air bubbles, the clean pump for improved machine tools can suppress air bubbles and discharge transparent coolant.

In this study, it was possible to control the performance, positive increase and bubble of the coolant pump for machine tool by improving the structure of the pump casing rather than improving the impeller structure, and the comparison and analysis of the pump performance test result with CFD analysis showed that the k-omega SST turbulence model was suitable for the CFD turbulence model of the turret system such as the coolant pump by checking the error rate within 3.31%.| 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.