Development of an Electrorheological Finishng Process Based on the Electromechanical Mechanisms of Particles = 입자의 전기역학적 거동을 활용한 전기유변유체 연마기술의 개발
저자
발행사항
[서울]: 연세대학교, 2003
학위논문사항
학위논문(박사)-- The Graduate School Yonsei University: Department of Mechanical Engineering 2003
발행연도
2003
작성언어
영어
주제어
KDC
570.000
발행국(도시)
대한민국
형태사항
xii, 154 p.
소장기관
An electromechanical model was developed and an experimental study of electrorheological (ER) finishing was performed to develop a smart, pad-free, and versatile surface finishing process. The ER fluids used in the experiments consisted of soluble starch and a few types of abrasives dispersed in silicone oil. The yield stress of the pure ER fluid, measured using an electro-rheometer, was 1.5kPa at 3kV/mm, and it increased exponentially with the DC field strength. The influence of the type, size, and amount of abrasives was also examined. The mutual interactions between the dispersed particles in the abrasive-mix ER fluid were described using a dipolar polarization theory to understand the polishing principle. The analysis showed that the abrasives were attracted by the ER particles in the direction of the field. Utilizing this phenomenon, two different types of ER finishing method are described. The first type is for small three-dimensional parts and uses the non-uniform electric field generated by and around a tiny quill. The non-uniform field is very useful for finishing with a quill because the field strength increases dramatically near the quill and the mutual attraction forces between the ER particles and abrasives become much higher near the quill. Without ER fluids, the dielectrophoretic phenomenon of abrasives in silicone oil occurred in the non-uniform field, and this exhibited different properties depending on the type of field. In a non-uniform AC field, all types of abrasives aggregated towards the quill, which caused the quill tool to behave like a semi-solid grinding wheel. The second type of ER finishing process utilized the interfacial flow between the part and the conductive moving platen, and the uniform electric field normal to the surfaces. This finishing was based on a physical model of the monolayer of the ER particles and the much smaller dispersed abrasives. The friction characteristics of the ER fluid at the sliding interface were analyzed experimentally and the behavior of the ER particles was observed. In addition, the material removal rate of the silicon was evaluated as a function of the electric field strength for different velocities and pressures. Investigations of the surface topography of the silicon surfaces before and after machining
were performed using AFM images.
본 연구에서는 전기장을 인가하여 유체의 점성을 크게 증가시킬 수 있는 전기유변유체를 이용한 새로운 표면연마방법을 개발하였다. 전기유변유체에 의한 표면연마는 연마공구가 사용되지 않으므로 효율적으로 고품위의 연마표면을 얻을 수 있고 전기장을 이용하여 연마량을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 연마기술로는 적용이 불가능한 3차원 미세구조물도 연마할수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서 사용된 전기유변유체는 평균직경 11미크론의 수용성 전분입자가 실리콘에 현탁된 것으로 전기장에 따라 항복응력이 지수적으로 변화하며 대략 3kV/mm의 전기장하에서 1.5kPa의 항복응력을 보인다. 전기유변유체에 연마재를 첨가하면 고유의 거시적 물성이 다소 변화하게 되는데 연마재의 종류, 첨가량, 크기에 따라서 그 항복응력의 변화를 파악하였다. 한편 개개 입자의 관점에서 전기유변유체를 구성하는 입자와 연마입자간의 상호 작용력을 쌍극자 상호작용의 이론을 이용하여 평가하였다. 전기유변유체 구성입자와 연마 입자는 전기장 하에서 동시에 전기적 분극을 일으키게 되며 이에 의해 전기장의 방향을 따라 인력이 작용하게 되어 연마입자가 전기유변유체 구성입자에 흡착하게 된다. 이는 본 연구에서 제안한 연마법에 있어서 핵심적인 원리가 되는데 두입자가 전기역학적으로 결합하여 미세한 입자형태의 공구를 형성할 수 있기 때문이다.
전기유변유체를 활용한 두가지의 연마방법을 제안, 설명하였다. 첫번째는 미세3차원부품을 연마할 수 있는 방법으로서 전도성 미세공구와 주변의 임시적인 부가전극에 의한 불균일 전기장을 활용한 것이다. 전기장이 미세공구에 집중되어 공구주변에서 전기유변유체의 점성이 크게 증가함과 동시에 연마입자와 전기유변유체구성입자간에 강한 인력이 작용함으로써 미세공구주변에 전기적으로 굳어진 공구층이 형성되게 된다. 한편 불균일 전기장은 연마입자의 쌍전기영동현상을 일으켜 공구주변에 집중하게 하므로 매우 효율적이다. 더욱이 공구주변의 유체의 유동해석 결과 공구주변에서 전단응력이 급격히 증대됨을 알 수 있었다.
두번째 방법은 피연마면과 전도성 블록 사이에 전기유변유체의 수력학적 흐름을 이용한 연마방법이다. 두 표면사이를 윤활하는 전기유변유체는 표면에 전달되는 마찰력을 전기적으로 제어할 수 있고 상호 표면의 직접적인 접촉이 없다. 마찰력을 회전플레이트의 구동 전류를 측정하여 확인한 결과, 전기장 강도와 마찰력은 선형적인 관계를 보였다. 더욱이 전기장 강도에 따라 가공량이 역시 선형적으로 제어되었다. 각 방법에서 연마된 표면은 원자력간 현미경을 이용하여 그 상태를 분석하였다.
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