[부산대학교 기계공학응용실험] 절삭력 측정실험 & 링 압축에 의한 마찰상수 측정 실험

소개글

[부산대학교 기계공학응용실험] 절삭력 측정실험 & 링 압축에 의한 마찰상수 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 절삭력 측정 실험
2. 실험목적 및 이론
3. 실험장치 및 방법
4. 실험결과 및 분석
5. 결론 및 고찰
6. 참고문헌


1. 링 압축에 의한 마찰상수 측정 실험
2. 실험목적 및 이론
3. 실험장치 및 방법
4. 실험결과 및 분석
4-1) 실험 데이터 및 조건 정리
4-2) 분석, 결과 종합
5. 결론 및 고찰
6. 참고문헌

본문내용

온도의 증가와 비
교적 큰 성형 압력 조건하에서는 일반적으로 유체 마찰이 없다. 반면 경계 마찰은
해석하기가 무척 어렵다. 결과적으로 금속성형에서 마찰에 대한 대부분의 지식은
이론적인 해석에 근거하지 않고 주로 경험에 의한 것이다.
- 윤활성과 마찰 전단 응력
대부분의 성형 공정에서 윤활제의 윤활성은 접촉 마찰면에서 직접적으로 결정하는 아주 중요한 요소이다. 다양한 윤활제의 효율을 평가하고, 성형 압력을 평가하기 위해서 접촉면의 마찰을 계수나 상수의 형태로 정량화하여 나타낼 필요가 있다. 이러한 정량화의 방법으로는 아래의 2가지가 있다.
1) 2) (여기서, 0＜m＜1이다.)
식 1)은 마찰전단응력 가 다이/소재 접촉면의 수직응력 에 비례함을 의미하고, 는 마찰계수이다. 식 2)는 가 변형 소재의 전단 항복 응력 k에 의해 결정됨을 의미하고, m은 마찰전단상수이다. 성형 역학의 최근 연구에서 식 2)가 금속 성형에서 마찰 전단 응력을 평가하는데 적당하고, 마찰과 작용 응력, 하중 계산 시에 이점이 있음을 알 수 있다. 다양한 성형조건에 대해 m값은 다음과 같이 변한다.
① m= 0.05~0.15: 강(steel), 알루미늄 합금, 구리의 냉간성형에서 인산피막(phosphatesoap) 윤활제나 기름을 사용.
② m= 0.2~0.4: 강, 구리와 알루미늄 합금의 열간 성형에서 흑연계 윤활제를 사용.
③ m= 0.1~0.3: 티타늄과 고온 합금의 열간 성형에서 유리 윤활제를 사용.
④ m= 0.7~1.0: 윤활제가 사용되지 않을 때, 즉, 판재의 열간 롤링과 알루미늄 합금의 무윤활 압출에서 사용.
- 링 압축 실험
마찰전단상수 m으로 정의된 윤활성은 보통 링 압축 실험에서 얻어진다. 링 압축 실험은 그림과 같이 링 모양의 시편의 높이방향으로 압축하중을 가하여 높이의 변화율에 따른 안지름의 변화율을 구한다. 왜냐하면 그림 1과 같이 링의 높이의 변화율에 따른 안지름의 변화율은 공구와 시편 접촉면의 마찰과 밀접한 관계가 있기 때문이다. 만약 공구와 시편의 접촉면에 마찰이 전혀 없다면, 그림 1(a)와 같이 링은 초기의 원통 형상을 유지하면서 변형을 하게 된다. 그러나 접촉면에 만약 마찰이 있다면, 그림 1(b)와 같이 링 높이의 중간 부분이 튀어나온 형상으로 변형을 하게 된다. 마찰이 작다면 안지름은 커지고, 마찰이 크면 안지름이 작아지는 것을 그림 2를 통하여 알 수 있다. 그림 2에서 1번은 초기 링의 형상이고, 2번부터 4번까지는 변형된 링의 형상으로 2번에서 4번으로 갈수록 마찰상수가 더 커진다.
3. 실험장치 및 방법
- 실험장치
- 실험방법
① 바깥지름() : 안지름() : 높이()의 비가 6 : 3 : 2인 링 시편을 이용한다.
② 윤활제를 준비한다.
③ 링 시편과 금형에 윤활제를 바른다.
④ 링 시편을 압축한 후 안지름, 바깥지름, 높이를 측정한다.
⑤ 다음 식들을 이용하여 변형된 시편의 높이 감소율과 안지름 변화율을 계산한 후, 링 시편의 치수 비에 맞는 이론 보정곡선 위에 실험값들을 표시하여 마찰상수 m을 구한다.
링의 높이 감소율은
여기서 는 링 시편의 초기 높이이고, 는 압축한 후의 링의 높이이다.
링 시편의 안지름 변화율은
여기서 는 링 시편의 초기 안지름이고, 는 압축한 후의 링의 안지름이다.
4. 실험결과 및 분석
4-1) 실험 데이터 및 조건 정리
길이(cm)
윤활제 바르지
않은 시편
흑연 윤활제를 뿌린
시편
몰리브덴
윤활제 뿌린 시편
안지름()
0.9
0.835
0.852
0.88
바깥지름()
1.8
2.1
2.138
2.177
높이()
0.6
0.417
0.415
0.397
　
안지름 변화율(%)
높이 감소율(%)
윤활제 X
7.222
30.500
흑연 윤활제
5.333
30.833
몰리브덴 윤활제
2.222
33.833
4-2) 분석, 결과 종합
- 표 1을 보면 모든 조건에서 내경과 높이는 감소하고 외경은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 이론에 의하면 표면의 마찰상수가 크면 클수록 항아리 모양이 되며 내경이 작아지는데, 실제 결과를 보았을 때 윤활제 X > 흑연 윤활제 > 몰리브덴 윤활제 순서로 마찰 상수 크기가 작다는 것을 알 수 있다.
- 표 2를 보면 안지름 변화율이 작을수록 높이 감소율은 커진다는 것을 알 수 있다.
- 그림 5를 보면 각 상황에 따른 마찰전단상수 m을 알 수 있다. 선형보간법을 이용해 계산해보면 윤활제 X일 때 m=0.414, 흑연 윤활제일 때 m=0.371, 몰리브덴 윤활제일 때 m=0.282 이다. 표의 분석에서 알 수 있듯이 윤활제가 없을 때 마찰전단상수가 가장 높고 흑연 윤활제, 몰리브덴 윤활제 순서로 값이 낮아진다.
5. 결론 및 고찰
- 윤활이 잘 되었다면 압축 시 외경도 늘어나고 내경도 같이 늘어나야하는데 실험에서는 내경이 다 조금씩 줄어든 항아리 형태가 되었다. 몰리브덴 윤활제 사용 시 내경 변화가 가장 작았다.
이것은 윤활유를 바를 때 양 조절을 못했다거나 링 시편을 유압프레스 금형에 놓을 때 정확히 중앙에 못 올렸기 때문에 힘을 골고루 못 받아서 시편이 타원형으로 압축된 결과일 수도 있으며, 또는 실험자가 유압프레스에 힘을 가할 때 정확한 하중을 가하지 못해서일 수도 있다. 그리고 버니어캘리퍼스 측정 실수나 시편이 압축되어 표면이 울퉁불퉁하게 변해 치수를 측정할 때의 오차도 나올 수 있다.
흑연 윤활제와 몰리브덴 윤활제를 비교해보면 각각 마찰전단상수가 0.371과 0.282이다. 이는 금속 압축시 흑연 윤활제보다는 몰리브덴 윤활제의 효율이 더 좋다할 수 있다.
- 이 실험은 금속성형공정에서 중요한 변수인 마찰조건과 윤활 상태를 평가하는 실험이었다. 유압프레스 금형과 링 시편 사이 접촉면의 마찰 상태에 따라 압축 후 시편 크기를 측정하고 마찰조건과 윤활 상태를 평가해 보았다. 윤활이 잘 될수록(마찰전단상수)가 작을수록 금속소재의 접촉면에서의 마찰을 줄일 수 있어서 압축이 잘 된다는 결론을 내릴 수 있었다.
6. 참고문헌
- 기계공학실험교재편찬회, 기계공학 응용실험, 청문각, 2009
- 네이버 지식백과, http://terms.naver.com/ (Sep 21, 2014)

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