Editorial Board

장치의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 커패시터이다. 커패시터에 저장되는 에너지(U)는 식 (1)과 같이 커패시터의 커패시턴스(C)와 입력 전압(V)에 의해 계산된다. 본 연구에 사용된 PNU-32의 커패시턴스는 333 μF, 최대 전압 15 kV로 최대 에너지는 32 kJ이다. 또한, 짧은 시간 안에 고 에너지를 발생시키기 위해 커패시터 내부의 인덕턴스가 낮은 값을 가지도록 설계하였다.

커패시터에서 방전으로 인해 발생되는 전기 에너지는 식 (2)를 이용하여 구할 수 있다.

식 (2)에서 i는 전류, R_v는 전극 사이에 위치하는 와이어의 저항이다.

식 (2)를 이용하여 전기 에너지를 계산하기 위해서는 R_v의 시간에 따른 값을 획득할 수 있어야 한다. 그러나 실험 시 유체 내에 위치하는 와이어의 저항을 측정하기는 쉽지 않다. 따라서 비교적 측정이 용이한 전류와 전압을 측정하여 식 (3)을 이용해 에너지를 계산한다.

전류는 오실로스코프(Oscilloscope)와 로고스키 코일(Rogowski coil)을 이용하여 측정 가능하고 전압은 실험 시 커패시터에 충전하는 값이므로 쉽게 획득 가능하다.

액중 방전 성형 공정에서는 전기 에너지 방전으로 인해 챔버 내에서 높은 압력이 발생하고, 소재가 10² m/s 수준의 높은 속도로 성형된다. 따라서 이로 인한 충격을 견딜 수 있도록 금형, 금형 홀더 그리고 챔버는 고강도 소재인 SKD 11을 사용하여 제작하였다.

금형은 Fig. 3과 같이 각도 40°의 원뿔형 금형으로 제작하였으며 금형 홀더와 볼트로 체결된다. 금형과 결합된 금형 홀더는 챔버와 볼트로 체결되며, 이때 볼트의 체결력은 챔버-금형 홀더 사이에 놓인 소재를 잡아주는 블랭크 홀더 포스(Blank holder force) 역할을 하므로 그 값이 균일해야 한다. 따라서 토크를 일정하게 부과할 수 있는 토크 렌치(Torque wrenches)를 이용하여 볼트를 체결하고 균일한 블랭크 홀더 포스가 소재에 가해질 수 있도록 하였다.

Fig. 3 
Dimensions of the conical die

전극은 커패시터로부터 발생한 에너지를 챔버 내부의 유체로 전달하는 중요한 장치이다. 전기 에너지를 잘 전달할 수 있도록 전기 전도도가 높은 재질인 알루미늄으로 제작하였고 Fig. 4와 같이 떨어져 있는 두 개의 전극 사이에 스테인리스 재질의 와이어(Wire)를 위치시켜 전기 에너지가 흐를 수 있도록 하였다. 전극의 끝부분과 연결된 커패시터에서 전기 에너지가 방전되면 전극 사이의 와이어로 고 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 와이어가 터지면 유체 내에 충격파가 발생하여 이 힘으로 소재가 성형된다.

Fig. 4 
Electrodes with stainless wire

제작된 장치의 조립 형상은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5 
Configuration of electrohydraulic forming apparatus

액중 방전 성형 실험 시 폐쇄된 공간인 금형 내부에 잔류 공기가 존재하면 소재의 성형에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제는 진공 펌프를 이용하여 금형 내부를 진공 상태로 만들거나(Case 1) 금형의 윗면에 구멍을 뚫어 소재가 성형될 때 공기가 배출될 수 있도록 만드는 방법(Case 2)을 적용하면 해결할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 두 가지 경우를 모두 실험한 후 실험 효율이 더 높다고 판단되는 방법을 선택하여 실험을 진행하기로 하였다. Case 1은 Fig. 6(a)와 같이 금형의 윗면에 진공 펌프를 연결하여 금형 내부 기압을 10^-4atm 수준으로 유지하였고, Case 2는 Fig. 6(b)와 같이 진공 펌프 배관을 제거하고 구멍이 뚫려 있는 상태에서 실험을 수행하였다.

Fig. 6 
The upper side of the die

Fig. 7에 동일한 전압 7 kV를 입력하였을 때 Case 1, 2의 성형 형상을 비교한 결과를 나타내었는데 금형 내부가 진공 상태인 Case 1에서 Case 2보다 소재의 최대 높이가 약 2 mm 더 높은 결과를 보였다. Case 2의 경우, 구멍을 뚫어 공기가 빠져나갈 수 있도록 하였지만 소재의 성형 속도가 너무 높기 때문에 짧은 순간에 공기가 완전히 다 빠져나가지 못하여 잔류 공기가 소재의 성형을 방해한 것으로 판단된다. 반면 Case 1에서는 금형 내부의 기압이 10^-4atm 수준으로 공기가 거의 존재하지 않기 때문에 Case 2에 비해 최대 성형 높이가 더 높은 결과를 보였다.

Fig. 7 
Comparison of the bulge height of the blank

동일한 입력 전압에서 Case 1의 최대 높이가 높으므로 성형 높이 결과만 확인했을 때는 진공 펌프를 사용하는 방법이 더 효율적이라고 판단할 수 있다. 그러나 금형 내부 공기를 제거하는데 상당한 시간이 소요되며, 소재에 파단이 발생할 경우 진공 펌프 배관에 물이 유입되기 때문에 이를 제거할 때 시간이 많이 소요되어 반복 실험 시 효율이 떨어진다. 또한 입력 전압이 높으면 성형 높이 또한 높아지므로 Case 2의 경우에도 커패시터의 용량이 충분하다면 진공 펌프를 사용했을 경우와 유사한 실험 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 진공 펌프를 사용하지 않고 금형의 윗면에 구멍을 뚫어 잔류 공기를 배출하는 방법이 반복 실험 시 더욱 효율적이라 판단하고, 이 방법을 이용하여 에너지 수준에 따른 실험을 진행하였다.

장치의 성능을 확인하기 위해 설계된 원뿔형 금형을 이용하여 액중 방전 성형 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 소재는 크기 250 mm × 250 mm, 두께 1 mm의 Al 6061-T6이다.

오실로스코프와 로고스키 코일을 이용하여 입력 전압 별 전류 그래프를 Fig. 8에 나타내었고, 8 kV의 전압을 입력하였을 때 발생한 전류와 전압 Fig. 9와 같이 획득하였다. 전압은 입력 시점부터 선형적으로 감소한다고 가정하여 Fig. 9와 같이 나타내었다.¹¹⁾ Fig. 9의 전압, 전류 그래프를 이용하여 식 (3)에 의해 전력을 계산할 수 있고, 이때 최대 전력은 45 μs에서 약 52 MW이다.

Fig. 8 
Current waves at the different input voltage

Fig. 9 
Current and voltage wave at the 8 kV

Fig. 9의 전기 에너지 발생하였을 때 소재의 성형 결과는 Fig. 10과 같다. 3차원 스캐닝 장비를 사용하여 소재의 중앙 라인 좌표를 획득하여 Fig. 11에 그래프로 나타내었다. 소재의 최대 높이는 6 kV일 때 22 mm, 7 kV는 28 mm, 8 kV 일 때 31 mm이고 9 kV 이상에서는 소재에 파단이 발생하였다. 입력 전압이 높을수록 소재의 최대 높이가 증가하고, 소재의 좌우가 대칭인 것으로 보아 챔버-금형 홀더의 체결력이 균일하게 가해진 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10 
Deformation results of the blank at different input voltage

또한, Fig. 7에서 Case 1의 그래프와 Fig. 11에서 8 kV일 때의 소재의 성형 결과 그래프를 비교해보면 후자의 성형 결과가 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통하여 앞의 4.1장에서 언급한 금형 내부의 진공 여부에 따른 실험에서 입력 전압을 높여주면 잔류 공기를 배출하는 방법이 진공을 유지하는 경우와 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11 
The bulge height of the blank at 6, 7 and 8 kV