KR102082667B1 - 워터젯 가공깊이 예측방법 및 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치 - Google Patents

워터젯 가공깊이 예측방법 및 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공물에 부딪히는 워터젯이 깎아내는 깊이를 작업 전에 예측함으로써 설계된 형상으로 가공물을 가공할 수 있도록 하는 워터젯 가공깊이 예측방법에 관한 것이다. 본 발명은, 노즐과 가공물 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재가 분포하는 가상연마시트를 생성하는 가상연마시트생성단계; 상기 가상연마시트가 가공물에 부딪히는 간격시간을 설정하는 간격시간설정단계; 펌프압력에 의해 연마재의 속도를 산출하는 연마재속도산출단계; 상기 가상연마시트에 포함된 연마재의 운동에너지를 산출하는 운동에너지산출단계; 상기 가공물을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 상기 가상연마시트에 포함된 연마재의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이를 산출하는 가공깊이산출단계;를 포함한다.

Description

워터젯 가공깊이 예측방법 및 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치{METHOD FOR PREDICTING CUTTING DEPTH BY WATER-JET AND WATER-JET APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 워터젯 가공깊이 예측방법 및 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치에 관한 것으로서, 연마재가 포함된 워터젯을 가공물에 분사하여 가공물을 깎아내는 워터젯 가공장치에 있어서, 워터젯에 의해 형성되는 가공깊이를 예측함으로써 가공물의 형상가공이 자동화되기 위해 가공깊이의 예측이 가능하도록 하는 워터젯 가공깊이 예측방법과 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치에 관한 것이다.
워터젯(Water-Jet) 가공장치는 노즐에서 워터젯이 분사되어 가공물을 절단 또는 성형하는 장치이다.
도 1과 같이, 노즐의 고압수분사공(7)에서 고압수가 공급되고 연결된 연마재공급공(8)에서 연마재가 공급되며 노즐공(2)에서 고압수와 연마재가 혼합되어 가공물(5)에 분사된다. 이에 따라, 연마재가 가공물(5)을 마모시킴으로써 가공물(5)의 절단이나 가공이 이루어진다.
워터젯을 이용한 가공물(5)의 절단장치의 경우, 판상 가공물(5)의 두께보다 더 가공물을 마모시킴으로써 절단가공이 이루어질 수 있어, 워터젯의 가공조건에 관한 설계가 비교적 용이하게 이루어질 수 있다.
그러나, 워터젯 가공장치를 이용하여 가공물(5)의 형상을 성형하고자 하는 경우, 워터젯의 연마재가 가공물(5)을 깍아내는 가공깊이를 제어할 필요가 있으므로, 워터젯 가공장치의 동작을 위해 가공깊이를 예측하는 것이 중요하다.
종래, 워터젯의 가공깊이에 관한 정확한 예측방법이 제시되어 있지 않음에 따라, 경험에 의존하여 워터젯에 의해 가공물의 형상을 대략적으로 가공하고, 후가공에 의해 설계된 형상으로 추가 가공하여 제품을 완성하고 있었다.
이에 따라, 작업과정이 증가되고 많은 시간과 노력이 소요되는 문제가 있었다.
한국공개특허공보 제10-2016-0116181호 한국등록특허공보 제10-1706297호
본 발명은 상기와 같은 관점에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연마재가 혼합된 고압수를 분사하는 워터젯장치를 이용하여 가공물을 가공하되, 가공물에 부딪히는 워터젯이 깎아내는 깊이를 작업 전에 예측함으로써 설계된 형상으로 가공물을 가공할 수 있도록 하는 워터젯 가공깊이 예측방법과 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법은, 노즐과 가공물 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재가 분포하는 가상연마시트를 생성하는 가상연마시트생성단계; 상기 가상연마시트가 상기 가공물에 부딪히는 간격시간을 설정하는 간격시간설정단계; 펌프압력에 의해 상기 연마재의 속도를 산출하는 연마재속도산출단계; 상기 가상연마시트에 포함된 상기 연마재의 운동에너지를 산출하는 운동에너지산출단계; 상기 가공물을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 상기 가공물에 부딪히는 상기 가상연마시트에 포함된 상기 연마재의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이를 산출하는 가공깊이산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법은, 상기 가상연마시트생성단계에서 상기 가상연마시트에는, 상기 노즐의 중심선이 상기 가상연마시트와 만나는 위치를 중심으로 상기 연마재가 정규분포로 랜덤하게 분포하도록 설정하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법은, 상기 노즐의 이송속도가 상기 가상연마시트의 이송속도가 되고, 상기 가공물의 특정위치에서 상기 가공깊이는, 상기 이송속도에 따라 상기 특정위치를 벗어나기까지 상기 특정위치에 중첩하여 순차적으로 부딪히는 복수의 상기 가상연마시트에 의해 발생한 각 가공깊이의 총합인 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법은, 상기 간격시간설정단계에서 상기 간격시간은, 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량이 많으면 작게 설정하고, 유입량이 작으면 크게 설정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법은, 상기 간격시간설정단계에서 상기 간격시간은 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량에 상관없이 입력값으로 설정하고, 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량이 많으면 상기 가상연마시트에 분포하는 상기 연마재의 분포량을 증가시키고, 그 유입량이 작으면 상기 가상연마시트에 분포하는 상기 연마재의 분포량을 감소시키는 것을 또 다른 특징으로 한다.
한편, 다른 관점에서 본 발명은, 연마재가 혼합된 물을 가공물에 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 상기 연마재가 혼합된 물을 고속분사하도록 압력을 부여하는 펌프와, 상기 노즐을 이송시키는 노즐이송기와, 상기 가공물이 상기 연마재에 의해 깎이는 가공깊이를 예측하여 그 예측된 가공깊이에 따라 상기 노즐이송기의 이송동작을 제어함으로써 상기 가공물이 설정된 형상으로 가공되도록 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는, 상기 노즐과 상기 가공물 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 상기 연마재가 분포하는 가상연마시트를 생성하며, 상기 가상연마시트가 상기 가공물에 부딪히는 간격시간이 설정되고, 상기 펌프의 압력에 의해 상기 연마재의 속도를 산출하며, 상기 속도에 의해 상기 가상연마시트에 포함된 상기 연마재의 운동에너지를 산출하고, 상기 가공물을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 상기 가공물에 부딪히는 상기 가상연마시트에 포함된 상기 연마재의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이를 산출함으로써, 상기 가공깊이를 예측하는 워터젯 가공장치를 제공함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공장치는, 상기 제어기가, 상기 가상연마시트에, 상기 노즐의 중심선이 상기 가상연마시트와 만나는 위치를 중심으로 상기 연마재가 정규분포로 랜덤하게 분포하도록 설정하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공장치는, 상기 제어기가, 상기 노즐의 이송속도를 상기 가상연마시트의 이송속도로 하고, 상기 가공물의 특정위치에서 상기 가공깊이는, 상기 이송속도에 따라 상기 특정위치를 벗어나기까지 상기 특정위치에 중첩하여 순차적으로 부딪히는 복수의 상기 가상연마시트에 의해 발생한 각 가공깊이의 총합으로 하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공장치는, 상기 제어기가, 상기 간격시간을, 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량이 많으면 작게 설정하고, 유입량이 작으면 크게 설정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 워터젯 가공장치는, 상기 제어기가, 상기 간격시간을 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량에 상관없이 입력값으로 설정하고, 상기 노즐에 공급되는 연마재의 단위시간당 유입량이 많으면 상기 가상연마시트에 분포하는 상기 연마재의 분포량을 증가시키고, 그 유입량이 작으면 상기 가상연마시트에 분포하는 상기 연마재의 분포량을 감소시키는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법 및 그 예측방법을 이용한 워터젯 가공장치는, 워터젯의 가공조건으로부터 가공물에 발생하는 가공깊이를 예측할 수 있으므로, 가공물을 절단하기 위한 조건이 사전에 설계될 수 있고, 가공물에 형상을 가공하는 과정도 정밀하게 제어될 수 있다.
이에 따라, 가공깊이를 미리 예측함으로써 워터젯 가공이 자동화된 시스템을 구성하여 정밀한 형상가공이 이루어질 수 있고, 워터젯 가공조건의 설정도 용이해지는 이점이 있다.
도 1는 종래 워터젯 노즐의 구성을 도시하는 단면구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공장치의 전체 구성을 도시하는 구성설명도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법을 순차적으로 설명하는 블록순서도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 가상연마시트가 순차적으로 가공물에 부딪히는 과정을 설명하는 설명도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공장치에서 노즐로부터 고압수가 분사되는 상태를 나타내는 사진
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공장치에서 노즐로부터 고압수가 분사되면서 연마재가 퍼져나가는 상태를 설명하는 설명도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 가공면적을 산출하는 과정을 설명하는 설명도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 연마재가 랜덤하게 분포하는 가상연마시트가 가공물에 부딪힘으로써 발생한 가공정도가 표현된 가상이미지
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 고압수가 분사되는 속도를 계산하기 위한 설명도
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 노즐로부터 분사된 연마재입자의 속도를 계산하기 위한 설명도
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 가공에너지로 채택될 수 있는 파단에너지를 응력-변형률 그래프로 설명하는 설명도
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공깊이 예측방법에서 연마재입자가 가공물에 부딪히는 상태에서 가공한 부피에 대한 가공깊이의 관계를 설명하는 설명도
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 워터젯 가공장치는, 연마재(72)가 혼합된 물을 가공물(60)에 분사하는 노즐(10)과, 상기 노즐(10)이 연마재(72)가 혼합된 물을 고속분사하도록 압력을 부여하는 펌프(20)와, 상기 노즐(10)을 이송시키는 노즐이송기(30)와, 상기 가공물(60)이 연마재(72)에 의해 깎이는 가공깊이를 예측하여 그 예측된 가공깊이에 따라 노즐이송기(30)의 이송동작을 제어함으로써 가공물(60)이 설정된 형상으로 가공되도록 제어하는 제어기(40)를 포함한다.
상기 노즐(10)은 연마재(72)가 혼합된 물을 고압으로 분사하는 부분으로서, 가공물(60)을 향해 노즐공(12)이 설치되고 가공물(60)과는 소정의 간격을 형성한 상태에서 노즐(10)이 혼합된 고압수(70)가 분사된다.
노즐공(12)으로부터 분사되는 고압수(70)는 노즐공(12)에서 벗어나는 순간부터 퍼져나가게 되므로 노즐공(12)으로부터의 가공물(60)까지의 거리가 멀수록 고압수(70)가 가공물(60)에 부딪히는 면적은 넓어진다.
노즐(10)에는 고압수(70)가 공급되는 고압수공급관(12)이 설치되고, 노즐공(12)의 측방에 연마재공급관(14)이 설치되어 연마재가 노즐공(12)의 측방에서 유입되어 고압수(70)와 혼합된다.
상기 펌프(20)는 노즐(10)이 연마재(72)가 혼합된 물을 고속분사하도록 압력을 부여하는 부분이다.
물은 저장조(25)로부터 펌프(20)에 흡입되고 펌프(20)에서 설정된 압력으로 노즐(10)에 공급된다. 펌프(20)의 압력은 제어기(40)에 의해 조절되고, 펌프(20)의 압력에 의해 후술하는 연마재의 속도가 산출될 수 있다.
상기 노즐이송기(30)는 노즐(10)의 위치를 변화시키기 위해 이송하는 부분으로서, 가공물(60)이 놓인 평면상의 X,Y축으로 이송되거나 X,Y,Z축으로 모두 이송가능한 이송장치가 사용될 수 있다.
노즐이송기(30)도 제어기(40)에 의해 그 이송동작이 제어되고 있다.
상기 제어기(40)는 가공물(60)이 연마재(72)에 의해 깎이는 가공깊이(h)를 예측하고, 그 예측된 가공깊이(h)에 따라 노즐이송기(30)의 이송동작을 제어한다. 이를 통해 가공물(60)의 각 위치에서 설정된 가공깊이(h)만을 깎아내고 다음 위치로 순차적으로 이동함으로써 전체적으로 설계된 형상으로 성형이 이루어질 수 있다.
또한, 제어기(40)는 펌프(20)의 동작을 제어하여 펌프(20)의 작동여부와 물을 압속하는 펌프압력을 설정된 압력으로 조절한다.
상기 제어기(40)는, 노즐(10)에 의해 가공물(60)이 깎이는 가공깊이(h)를 예측하기 위해, 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)를 생성하며, 상기 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪히는 간격시간이 설정되고, 상기 펌프(20)의 압력에 의해 연마재(72)의 속도를 산출하며, 상기 속도에 의해 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지를 산출하고, 상기 가공물(60)을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 가공물(60)에 부딪히는 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이(h)를 산출하는 일련의 연산과정을 진행한다.
이를 도 3을 참고하여 정리하면, 상기 제어기(40)가 가공물(60)이 깎이는 가공깊이(h)를 예측하는 과정은, 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)를 생성하는 가상연마시트생성단계(S10), 상기 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪히는 간격시간을 설정하는 간격시간설정단계(S20), 펌프(20)압력에 의해 연마재(72)의 속도를 산출하는 연마재속도산출단계(S30), 상기 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지를 산출하는 운동에너지산출단계(S40), 상기 가공물(60)을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 가공물(60)에 부딪히는 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이(h)를 산출하는 가공깊이산출단계(S50)를 포함한다.
상기 가상연마시트생성단계(S10)는 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)를 생성하는 것이다.
이는 연마재(72)가 연속적으로 가공물(60)에 부딪히는 과정을 연산에 의해 가공깊이(h)를 산출할 수 있도록 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)가 순차적으로 가공물(60)에 부딪히는 것으로 도 4와 같이 모델링한 것이다.
하나의 가상연마시트(50)는 판상면이 가공물(60)에 부딪히고 그 면적은 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 의해 결정된다.
도 5는 노즐(10)로부터 고압수(70)가 분사되는 상태를 촬영한 사진으로서, 노즐(10)로부터 고압수(70)가 소정각으로 퍼지면서 분사되고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 연마재(72)를 포함하는 고압수(70)가 분사되는 구성은 도 6과 같이 표현될 수 있고, 노즐(10)의 중심선을 기준으로 고압수(70)가 α의 각도로 퍼지면서 진행하고 있어 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리(S)가 증가할수록 고압수(70)가 부딪히는 가공면적도 증가함을 알 수 있다.
이에 따라 모델링된 가상연마시트(50)의 가공면적은 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 따라 결정되는 것이고, 도 7을 참조하면, 가상연마시트(50)의 가공면적의 직경(D)는 D = dn + 2S*tan(α/2) 가 된다.
여기서, dn은 노즐공(12)의 직경이고 S와 α는 시험을 통해 측정이 가능한 값이다.
상기 직경 D가 결정되면, 직경 D는 가상연마시트(50)의 직경이 되고 가상연마시트(50)의 넓이인 가공면적이 산출될 수 있다.
상기 직경(D)를 보다 정밀하게 산출하기 위해서 노즐(10)이 연마재(72)를 분사하는 반복적 시험을 거쳐 보정계수를 승산할 수 있고, 이는 경험치로서 설정될 수도 있다.
상기 가상연마시트(50)에는 연마재(72)가 분포하는 것으로 모델링하고 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪힐 때, 가공물(60)을 가공하는 것은 가상연마시트(50) 자체가 아니라 가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)가 된다.
연마재(72)는 노즐(10)의 중심선(16)이 가상연마시트(50)와 만나는 위치를 중심으로 연마재(72)가 정규분포로 랜덤(무작위)하게 분포하도록 설정한다.
연마재(72)는 노즐(10)을 벗어나기 직전의 시점에서 노즐공(12) 내에서 균일하게 랜덤한 상태로 진행하게 되나, 노즐공(12)을 벗어나는 시점에서 α의 각도 퍼지기 시작하고 외곽으로 고압수(70)와 함께 퍼져나가는 연마재(72)는 주로 외곽에 가까운 위치에서 진행하는 연마재(72)이다.
이에 따라 연마재(72)의 분포상태는 도 6에서 도시하는 바와 같이, 노즐(10)의 중심선(16)이 가상연마시트(50)와 만나는 위치에서 가장 많고 외측으로 가면서 점차 연마재(72)의 분포가 줄어들어, 전체적으로는 노즐(10)의 중심선(16)이 가상연마시트(50)와 만나는 위치를 중심으로 정규분포의 패턴을 나타내게 되며, 이러한 정규분포의 패턴을 이루는 조건하에 가상연마시트(50) 내에서 연마재(72)가 랜덤하게 분포하는 것으로 모델링될 수 있다.
도 8은 연마재(72)가 랜덤하게 분포하는 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪힘으로써 나타나는 가공정도를 가상이미지로 예시하고 있다.
한편, 상기 간격시간설정단계(S20)는 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪히는 간격시간을 설정하는 것으로서, 하나의 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪힌 후 다음 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪히는 간격 사이의 시간이다.
상기 간격시간은, 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량과 반비례하여, 그 유입량이 많으면 작게 설정하고, 유입량이 작으면 크게 설정한다.
이는 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면, 가공물(60)의 절삭에 참여하는 연마재(72)가 많아 가공물(60)이 빠른 속도로 깎여 마모될 것이므로, 가상연마시트(50)가 단위시간에 많은 수가 부딪히면서 가공에 참여하는 것으로 모델링하는 것이다.
이 경우, 각 가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)는 각 가상연마시트(50)에서의 전체 중량이 가상연마시트(50) 별로 일정하도록 모델링하는 것이 계산의 편의를 위해 바람직하다.
한편, 다른 관점에서 상기 간격시간설정단계(S20)는 간격시간을 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량에 상관없이 입력값으로 설정할 수도 있다.
가상연마시트(50)의 간격시간을 입력값으로 고정하여 설정해두고, 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량의 차이는 각 가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)의 분포량을 변화시키는 방식으로 모델링될 수 있다.
즉, 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면, 가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)의 분포량(중량)을 증가시키고, 그 유입량이 작으면 가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)의 분포량을 감소시키는 것이다.
가상연마시트(50)에 분포하는 연마재(72)의 분포량이 많으면, 하나의 가상연마시트(50)가 가공물(60)을 깎아내는 깊이가 크게 될 것이다.
한편, 상기 연마재속도산출단계(S30)는 펌프(20)압력에 의해 연마재(72)의 속도를 산출하는 단계로서, 연마재(72)의 운동에너지를 산출하기 위해 연마재(72)의 속도를 산출하는 사전과정이다.
도 9를 참조하면, 노즐(10)에서 노즐공(12)으로 분사되는 고압수(70)는 K1위치에서 오리피스구멍을 통과하고 K2위치에서 대기 중으로 토출을 시작하는 것이 일반적인 워터젯 노즐(10)의 구조이다.
이러한 구조에서 베르누이 방정식에 의해 아래의 수식이 성립할 수 있다.
Figure 112018114393105-pat00001
여기서,
Figure 112018114393105-pat00002
: 펌프(20) 압력
Figure 112018114393105-pat00003
: 펌프(20) 압력
Figure 112018114393105-pat00004
: 물의 밀도
Figure 112018114393105-pat00005
: 오리피스에서 물의속도
Figure 112018114393105-pat00006
: 가공물(60)에서 오리피스까지의 높이
Figure 112018114393105-pat00007
: 대기압
Figure 112018114393105-pat00008
: 노즐공(12)으로부터 외부로 분사되는 고압수 속도
Figure 112018114393105-pat00009
: 가공물(60)에서 노즐(10)까지의 높이
위의 수식을 정리한 후, 0에 근사한 미소값을 제거하면, 아래와 같이 정리될 수 있다. 오리피스에서 분사직전의 물의 속도는 0에 근사한 값으로 볼 수 있고, 높이차와 펌프압력에 대한 대기압 등도 무시될 수 있는 값이다.
Figure 112018114393105-pat00010
Figure 112018114393105-pat00011
위 수식으로부터 노즐(10)에서 고압수(70)의 속도는 아래와 같이 정리된다.
Figure 112018114393105-pat00012
한편, 연마재(72)의 속도를 구하기 위해, K1위치에서 분사되는 고압수(70)의 운동량과, K2위치에서 연마재(72)가 혼합된 고압수(70)의 운동량이 같다고 볼 수 있으므로, 다음의 수식이 성립한다.
Figure 112018114393105-pat00013
여기서,
Figure 112018114393105-pat00014
: 물의 질량유량
Figure 112018114393105-pat00015
: 물의 속도
Figure 112018114393105-pat00016
: 연마재의 질량유량
Figure 112018114393105-pat00017
: 물과 연마재가 혼합된 상태의 속도
물분사량과 연마재 유입량의 비를
Figure 112018114393105-pat00018
라 하면,
위 운동량에 관한 수식에 의해 고압수(70)에 포함된 연마재(72)의 속도는 아래와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112018114393105-pat00019
상기 수식에서
Figure 112018114393105-pat00020
는 노즐(10)에서 토출을 시작하는 K2위치의 고압수와 연마재의 속도이므로, 이로서 연마재의 속도가 결정된다.
한편, 노즐(10)로부터 토출되어 설정거리 떨어진 위치의 가공물(60)에 부딪히는 연마재(72)의 속도를 구할 필요가 있다.
또한, 노즐(10)의 중심선(16)을 기준으로 고압수(70)가 α의 각도로 퍼지면서 진행하고 있으므로, 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리(S)가 증가할수록 고압수(70)가 부딪히는 가공면적 즉, 가상연마시트(50)의 면적도 증가한다.
또한, 연마재(72)의 속도도 노즐(10)의 중심선(16)에서 이격된 거리(r)에 따라 차이가 발생한다.
따라서, 아래에서는 위에서 구한
Figure 112018114393105-pat00021
를 이용하여 가상연마시트(50) 상의 각 연마재(72)의 속도를 도출하는 과정을 설명한다.
도 10은 노즐(10)과 같은 튜브구조에서 유체가 분사되는 경우에서 일반적인 속도의 분포를 나타내고 있다.
노즐(10)의 출구위치에서
Figure 112018114393105-pat00022
의 속도를 가지는 경우, 포텐셜코어(potential core)의 영역내에서는 속도가
Figure 112018114393105-pat00023
로 동일하게 유지되는 것으로 볼 수 있고, 그 포텐셜코어의 길이는 노즐공(12)의 직경 dn의 6.2배인 것으로 알려져 있다.
그 포텐셜코어보다 더 멀리 떨어져 있는 위치에서는 노즐(10)의 중심선(16) 상에서의 속도
Figure 112018114393105-pat00024
가,
Figure 112018114393105-pat00025
에 (6.2dn/S)를 승산한 속도인 것으로 알려져 있다.
이를 수식으로 정리하면, 아래와 같다.
Figure 112018114393105-pat00026
여기서,
Figure 112018114393105-pat00027
: 노즐공(집속관 또는 튜브)의 지름
한편, 노즐(10)로부터 거리 S 만큼 떨어진 지점을 기준으로 노즐(10)의 중심선(16)에서 r만큼 측방향으로 이격된 위치에서의 속도
Figure 112018114393105-pat00028
는,
Figure 112018114393105-pat00029
인 것으로 알려져 있다.
여기서,
Figure 112018114393105-pat00030
: 가공구역의 반지름,
Figure 112018114393105-pat00031
: 중심선에서의 거리
따라서, 위의 수식들에서 가공물(60)과 부딪히는 가상연마시트(50) 상의 하나의 연마재입자(72a)의 속도
Figure 112018114393105-pat00032
가 산출될 수 있다.
위의 수식들을 대입하여, 결국
Figure 112018114393105-pat00033
는 아래 수식으로 정리된다.
Figure 112018114393105-pat00034

한편, 상기 운동에너지산출단계(S40)는 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지를 산출하는 단계이다.
연마재속도산출단계(S30)에서 가상연마시트(50) 상의 각 연마재(72)가 가지는 속도를 위에서 도출된 수식에 의해 산출할 수 있고, 각 연마재(72)가 가지는 운동에너지는 각 연마재(72)의 질량과 속도를 이용하여 아래 수식으로 산출될 수 있다.
즉, 운동에너지는 일반적으로 알려진 운동에너지 산출식
Figure 112018114393105-pat00035
으로 산출한다. 여기서,
Figure 112018114393105-pat00036
는 연마재입자(72a)의 질량
한편, 가공깊이산출단계(S50)는 가공물(60)을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 가공물(60)에 부딪히는 가상연마시트(50)에 포함된 연마재(72)의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이(h)를 산출하는 단계이다.
상기 운동에너지산출단계(S40)에서 설명한 수식에 의해 연마재(72)의 운동에너지를 산출할 수 있으므로, 각 연마재(72)가 가공물(60)과 부딪히는 각각의 위치에서 운동에너지에 의해 가공물(60)을 가공하는 양을 산출함으로써, 연마재(72)가 분포된 하나의 가상연마시트(50)가 가공물(60)에 부딪히는 경우, 가공물(60)의 가공깊이(h)를 산출할 수 있다.
이를 위해 가공물(60)의 재질에 따른 단위부피당 가공에너지의 크기가 기준이 될 수 있다.
가공물(60)의 재질별 단위부피당 가공에너지는 워터젯에 의한 시험을 통해 아래와 같은 수치를 얻을 수 있다.
Figure 112018114393105-pat00037
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 가공에너지는 가공물(60)이 연마재입자(72a)의 에너지에 의해 부분적인 파단이 발생하는 것이므로, 응력-변형률 곡선의 하단면적에 해당하는 파단에너지를 가공에너지로 채택할 수도 있다.
가공량과 관련하여 가공물(60)에 각 연마재입자(72a)가 부딪히면서 운동에너지를 전달하고 그 운동에너지에 의해 충돌부위가 가공에너지 대비 운동에너지의 크기에 해당하는 만큼 가공되는 것으로 설정될 수 있다.
도 12는 가공깊이(h)의 산출을 위해 가공물(60)에 부딪히는 연마재입자(72a)의 형상을 구(球)로 가정하여 가공물(60)에 부딪히는 과정이 모델링된 것이다.
도 12를 참조하면, 각 가공물(60)의 재질별로 단위부피당 가공에너지가 결정된 경우, 연마재입자(72a)의 운동에너지의 크기에 따라 연마재입자(72a)가 가공물(60)을 가공한 부피(63)가 결정된다.
도 12에서 연마재입자(72a)가 가공물(60)을 가공하여 파고든 부피가 도면부호 63의 부피가 되고 그 부피(63)에서, 연마재입자(72a)를 구(球)형으로 볼 때, 파고든 가공깊이(h) h가 결정될 수 있다.
따라서, 하나의 연마재입자(72a)의 운동에너지가 산출된 상태에서, 가공물(60)의 재질별 단위부피당 가공에너지를 기준으로, 도 12와 같이 하나의 연마재입자(72a)가 가공물(60)의 제거하여 파고든 부피(63)과 그 부피(63)에 따른 가공깊이(h)를 산출할 수 있다.
하나의 연마시트에 분산된 연마재(72)는 각각의 충돌위치에서 상기와 같은 가공깊이(h)로 가공이 이루어질 것이고, 복수의 가상연마시트(50)가 순차적으로 가공물(60)에 부딪히는 과정에서 가공물(60)의 가공깊이(h)는 누적된다.
한편, 노즐(10)이 노즐이송기(30)에 의해 측방으로 이송되는 경우, 노즐(10)의 이송속도가 상기 가상연마시트(50)의 이송속도가 되고, 특정위치를 기준으로 할 때, 노즐(10)이 이송됨에 따라 순차적으로 측방향으로 이송된 가상연마시트(50)가 순차적으로 부딪히게 되며, 결국에는 가상연마시트(50)가 부딪히는 부분이 특정위치를 벗어나게 된다.
따라서, 가공물(60)의 특정위치에서 상기 가공깊이(h)는, 이송속도에 따라 그 특정위치를 벗어나기까지 특정위치에 중첩하여 순차적으로 부딪히는 복수의 가상연마시트(50)에 의해 발생한 각 가공깊이(h)의 총합이 되는 것이다.
이로써, 가공물(60)의 각 특정위치에서의 가공깊이(h)가 산출될 수 있고, 각 특정위치에서의 가공깊이(h)를 사전에 산출하여 예측함으로써 워터젯에 의해 가공될 가공물(60)의 전체 형상이 예측될 수 있다.
또한, 설정된 형상으로의 가공을 위해 각 위치에서의 가공깊이(h)를 미리 예측해보고 가공조건(변수)을 조절하고 제어할 수 있으므로, 가공물(60)의 형상성형이 자동화될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.
10; 노즐 12; 노즐공
13; 고압수공급관 14; 연마재공급관
20; 펌프 25; 저장조
30; 노즐이송기 40; 제어기
50; 가상연마시트 60; 가공물
63; 부피 70; 고압수
72; 연마재 72a; 연마재입자
h; 가공깊이

Claims (10)

  1. 노즐(10)과 가공물(60) 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)를 생성하는 가상연마시트생성단계(S10);
    상기 가상연마시트(50)가 상기 가공물(60)에 부딪히는 간격시간을 설정하는 간격시간설정단계(S20);
    펌프압력에 의해 상기 연마재(72)의 속도를 산출하는 연마재속도산출단계(S30);
    상기 가상연마시트(50)에 포함된 상기 연마재(72)의 운동에너지를 산출하는 운동에너지산출단계(S40);
    상기 가공물(60)을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 상기 가공물(60)에 부딪히는 상기 가상연마시트(50)에 포함된 상기 연마재(72)의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이(h)를 산출하는 가공깊이산출단계(S50);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공깊이 예측방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가상연마시트생성단계(S10)에서 상기 가상연마시트(50)에는, 상기 노즐(10)의 중심선(16)이 상기 가상연마시트(50)와 만나는 위치를 중심으로 상기 연마재(72)가 정규분포로 랜덤하게 분포하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공깊이 예측방법
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐(10)의 이송속도가 상기 가상연마시트(50)의 이송속도가 되고,
    상기 가공물(60)의 특정위치에서 상기 가공깊이(h)는, 상기 이송속도에 따라 상기 특정위치를 벗어나기까지 상기 특정위치에 중첩하여 순차적으로 부딪히는 복수의 상기 가상연마시트(50)에 의해 발생한 각 가공깊이(h)의 총합인 것을 특징으로 하는 워터젯 가공깊이 예측방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간격시간설정단계(S20)에서 상기 간격시간은,
    상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면 작게 설정하고, 유입량이 작으면 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공깊이 예측방법
  5. 제1항에 있어서,
    상기 간격시간설정단계(S20)에서 상기 간격시간은 상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량에 상관없이 입력값으로 설정하고,
    상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면 상기 가상연마시트(50)에 분포하는 상기 연마재(72)의 분포량을 증가시키고, 그 유입량이 작으면 상기 가상연마시트(50)에 분포하는 상기 연마재(72)의 분포량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공깊이 예측방법
  6. 연마재(72)가 혼합된 물을 가공물(60)에 분사하는 노즐(10)과,
    상기 노즐(10)이 상기 연마재(72)가 혼합된 물을 고속분사하도록 압력을 부여하는 펌프(20)와,
    상기 노즐(10)을 이송시키는 노즐이송기(30)와,
    상기 가공물(60)이 상기 연마재(72)에 의해 깎이는 가공깊이(h)를 예측하여 그 예측된 가공깊이(h)에 따라 상기 노즐이송기(30)의 이송동작을 제어함으로써 상기 가공물(60)이 설정된 형상으로 가공되도록 제어하는 제어기(40)를 포함하되,
    상기 제어기(40)는,
    상기 노즐(10)과 상기 가공물(60) 사이의 거리에 따라 가공면적을 산출하고, 상기 가공면적을 가지는 것으로서 상기 연마재(72)가 분포하는 가상연마시트(50)를 생성하며, 상기 가상연마시트(50)가 상기 가공물(60)에 부딪히는 간격시간이 설정되고, 상기 펌프(20)의 압력에 의해 상기 연마재(72)의 속도를 산출하며, 상기 속도에 의해 상기 가상연마시트(50)에 포함된 상기 연마재(72)의 운동에너지를 산출하고, 상기 가공물(60)을 가공시 소요되는 가공에너지를 기준으로, 상기 가공물(60)에 부딪히는 상기 가상연마시트(50)에 포함된 상기 연마재(72)의 운동에너지의 크기에 의해 가공깊이(h)를 산출함으로써, 상기 가공깊이(h)를 예측하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공장치
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    상기 가상연마시트(50)에, 상기 노즐(10)의 중심선(16)이 상기 가상연마시트(50)와 만나는 위치를 중심으로 상기 연마재(72)가 정규분포로 랜덤하게 분포하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공장치
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    상기 노즐(10)의 이송속도를 상기 가상연마시트(50)의 이송속도로 하고,
    상기 가공물(60)의 특정위치에서 상기 가공깊이(h)는, 상기 이송속도에 따라 상기 특정위치를 벗어나기까지 상기 특정위치에 중첩하여 순차적으로 부딪히는 복수의 상기 가상연마시트(50)에 의해 발생한 각 가공깊이(h)의 총합으로 하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공장치
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    상기 간격시간을, 상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면 작게 설정하고, 유입량이 작으면 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공장치
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    상기 간격시간을 상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량에 상관없이 입력값으로 설정하고,
    상기 노즐(10)에 공급되는 연마재(72)의 단위시간당 유입량이 많으면 상기 가상연마시트(50)에 분포하는 상기 연마재(72)의 분포량을 증가시키고, 그 유입량이 작으면 상기 가상연마시트(50)에 분포하는 상기 연마재(72)의 분포량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 워터젯 가공장치
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