실험 사례에서 보는 인자의 例

아래의 실험예들은 각각의 실험에서 어떤 인자들이 채택되었으며, 그 분류는 어떻게 되는가를 이해하는데 도움이 되고자 하여 실은 자료들입니다. 동특성의 사례가 많음은 다행입니다.
  각 사례 끝부분에 실험효과가 일부 실려 있기도 합니다만, 이미 수차례 실험한 경우는 효과가 작을 것이고, 처음으로 개선실험을 한 경우는 효과가 클 것입니다 ( 단지 참고만 하시길 ).
 

이 글의 끝에 인자의 분류, 이득(gain :효과)을 보는 법을 다시 실어 두었습니다.

  절삭가공은 기계가공의 대표적인 가공방법으로 가공의 意思(입력)와 결과(출력)와의 관계가 명확해서 품질공학에서 이해하기 쉬우며 패러미터설계의 기본형을 적용할 수 있다. 즉 bite의 깍는 깊이를 신호인자로 하고, 丸棒의 절삭량을 치수변화로 해서, 양자의 관계의 良不를 절삭성이라 했다.

 

◈ 신호인자	수준 1	수준 2	수준 3
M  bite의 깍는 깊이  (㎜)	1.0	2.0	3.0
◈ 오차인자	수준 1	수준 2	수준 3
N  이동량          (㎜/rev)	0.15	0.20	0.25
O  절삭속도          (m/분)	80	110	140
P  공구마모              (분)	0~5	10~15	15~20

 ◆  최적조건에서 약 3 dB개선

 Endmill 가공은 공구를 회전시키면서 면을 만드는 가공이지만, 공구徑에 비해서 공구의 돌출량이 큼으로 절삭저항에 의한 공구자체가  가공의 오차를 크게한다. 제어인자를 다음과 같이 선정하고 1~7열에 할당했다.

Machining-center에서 동재료의 전극가공을 한다. 통상 가공오차는 10 ㎛이상이거나 그 전후이다. 가공오차의 크기를 명확히 하고, 작업자의 조작성에 영향을 덜받는 조건을 찾기 위해 패러미터설계를 한다.

 ◆  최적조건에서 약 4.3 dB개선 

   
 Drill가공에서는 Drill구멍위치와 구멍徑의 위치가 필요한 특성이지만,  구멍의 확대시로, 구멍의 표면거칠기, 구멍진원도, 구멍의 굽음등을 특성으로 해서 드릴가공의 개선을 위해 실험을 한다. L18의 직교표를 사용했다. 

 

◈  오차인자	수준 1	수준 2
N  드릴 종류	N1(수동 선반)	N2(머시닝 센터)
	각 두 개 샘플

 

◈  제어인자	수준 1	수준 2	수준 3
A  드릴경                    (㎜)	A1	A2	--
B  이송                 (㎜/rev)	0.064	0.10	0.06
C  선단각                    (度)	118	128	138
D  립프 height차         (㎜)	0.00	0.05	0.10
E  절삭속도             (m/분)	18.5	10	5.5
F  step이송        (㎜/step)	10	5	2
G  센터아랫구멍 직경	치젤徑	칼날중앙徑	드릴徑

    

 polishing은 lapping보다 더 미세한 지립(砥粒 : 연마용 입자?)을 사용하여 각종재료의 표면을 매끈하게 가공하는 방법이다. polishing을 하는 재료인 polisher는 연질 혹은 점탄성적 성질이 많은 재료로서 고도의 경면(鏡面)을 얻는 점이 lapping과 다르다.

( polisher : 핏치, 폴리우레탄폼, 천, 주석, 플라스틱시트       
  砥粒 : CeO2, SiO2, ZrO2, Al2O3, diamond)

  깍는량이 1㎛ 이하의 미소한 硏削영역에서 제어인자 A, B, C, D를 L9 에 할당하고 오차인자를 외측에 배치하여 가공표면조도를 시료 두 개의 4개소에서 측정했다.

 

 Water-jet가공이란 작은 노즐로부터 매우 높은 압력의 물을 분출(jet)시켜서 금속, 세라믹, 石材등을 절단하는 것이다.  여기서는 금형재료에 대해 型을 조각하는 가공의 평가를 하는 실험이다.

 

◈  신호인자	수준 1	수준 2	수준 3
M  traverse 속도  (mm)	100	300	1000
◈  오차인자	수준 1	수준 2	수준 3	수준 4	수준 5
R  가공개소	R1	R2	R3	R4	R5
측정하는 특성치는 골(溝)깊이와 골(溝)폭이다.

 ◆  최적조건에서 1.88 dB 개선.

  500 ㎛ 정도의 가는 wire를 전극으로 해서, 이 wire에 장력을 건 상태로 가공물과 wire와의 사이에 방전현상을 일으켜 발생한 전기에너지에 의해 가공믈을 자르면서, 가공물을 이동 제어함으로 임의의 형으로 만들 수 있는 가공법이다. wire방전가공기에서는 가공물과 wire를 일정하게 맞보게 하면서 균일하게 주행시키는 것이 가공精度에서 가장 중요한 과제이다.(가공형상에 의하여 wire진동, 斷선, wire와 가공물과의 짝짐에 의한 방전에너지의 불균일등이 발생)

 사출성형은 원료가 되는 수지를 일정온도로 녹이고, 필요한 형상으로 가공된 금형내의 cavity라고 부르는 공간에 고압으로 충전(사출)해서 형상을 얻는 공법이다. engineering plastic의 사출성형은 기계부품, 기능부품으로 많이 사용되며 그 중요성은 증대해왔다. 렌즈의 경우 카메라, 쌍안경등의 광학기계나 VTR, CD등 전기기계에 근년 많이 사용되고 있다.

  렌즈성형임으로 금형의 곡율(曲率)반경을 신호인자로 했다. 오차인자의 선정에는 연구가 필요하지만, 이 실험에서는 의도적으로 금형온도를 바꾸어 렌즈 특유의 문제로서 렌즈의 위치를 오차인자로 했다.

 

◈ 신호인자	수준 1	수준 2	수준 3
M  렌즈곡율반경        (㎜)	49.650	49.755
◈ 오차인자	수준 1	수준 2	수준 3
P  금형온도차	±0	-5	-10
Q  렌즈형상 오차	중심부분	주변부분
P와 Q의 2원배치로 하여 각 2 shot 취했다.

  사출성형품의 재료강도의 경향은 결정성수지(POM)과 비결정성수지(ABS)에서 다르므로 2종류의 수지를 표시인자로 해서 실험을 두가지로 하는 것으로 한다. 양자에 있어서 제어인자의 수준치는 같지 않다.

 

◈ 신호인자	수준 1	수준 2	수준 3	수준 4	수준 5
시험편 단면적
M1* (3.4 ㎟에 상당하는 힘)	17	35	50	70	85
M2* (7 ㎟에 상당하는 힘)	35	70	105	140	175
M3* (14 ㎟에 상당하는 힘)	70	140	210	280	350
M4* (30 ㎟에 상당하는 힘)	150	300	450	600	750
M                           (N/㎟)	5	10	15	20	25
◈ 오차인자	수준 1	수준 2	수준 3
O  재생	없음	있음
P  냉각방법	空冷	水冷
Q   건조 (ABS경우)	없음	있음
型溫 (POM 경우)    (℃)	+5	-5
R  shot	제1 shot	제15 shot

 시험조건을 표시인자로 한 이유는 인장속도가 변화하면 재료의 물성치에 차가 생기는 것을 이미 알고 있고, 이의 SN비의 영향을 알기 위해서이다. 시료의 단면적의 차이에 의하여 시험속도가 다른 것은 단면적과 함께 시험片 길이가 다르므로, 시료간에 거의 같은 변형(歪)속도가 되게 하기 위해서이다.

장섬유 복합재료란 수지(resin)에 glass fiber(유리섬유) 나 carbon fiber(탄소섬유)와 같은 섬유을 혼입함으로, 섬유의 배향에 의하여 강도가 향상된다. 이 실험에서는 강도특성의 최적조건을 찾는다.

이전의 패러미터 설계 실험에서 글래스섬유 함유율과 성형품 두께의 영향에 대해서는 확인되었고, 성형조건과 함유율에 의해 치수특성에서 5 dB, 강도특성에서 2 dB개선이 됨을 알았다.
  이번 실험에서는 glass fiber 첨가율을 30 wt%로 한정하고, glass fiber의 길이, glass fiber강화 폴리카보네이트(PC)의 점도(粘度)에 영향하는 평균분자량 및 시험편 두께를 변화시키는 경우에 異方性과 이방성의 산포에 어떤 영향이 있는가를 조사하는 것이 목적이다.

 

◈ 신호인자
M  금형치수	M1	M2	M3
	M4	M5	M6
	M7
◈ 오차인자	수준 1	수준 2	수준 3
P  gate폭	5 * 10	1.5 * 30
Q  시험편 빼는 방향    (도)	0	45	90
R  shot수	R1	R2	R3

 ◆  최적조건

 이전 실험에서 최적조건을 1차 screening했기 때문에 효과가 크지는 않다. 

  대상으로 하는 특성치가 여러개일 경우, 전체의 최적을 맞추다 보면 어떤 특성에 대해서 이득이 마이너스가 될 수도 있다.

  Fine ceramics은 단단함, 열에 강함, 부식에 강함등의 특성이 있고, super engineering plastic과 소재 코스트를 비교해도 유리하며, 앞으로 생산코스트를 얼마나 낮추는가 포인트라 하겠다.

성형방법에는 가압성형, 押出성형, 鑄入성형, 사출성형이 있는데 그중에서도 사출성형이 치수정도가 높고, 복잡한 형상도 성형가능하며, 量産성이 있고, 공정의 자동화가 가능해 균일한 제품을 만들 수 있는 장점이 있다.

그러나 자체가 粉體여서, 유동성을 주기위한 binder(유기재료)가 필요하며, 이 함유량이 많아짐에 의해, binder의 脫脂공정에서 시간이 걸리고, 탈지때에 변형이 생기기 쉽다. 또 재료의 중심인 fine ceramics 분체의 연마성으로 해서 가열통 및 금형의 내구성 문제가 있다.
binder의 조합, 성형조건, 탈지조건등은 기업의 노하우나 특허로 공개된 것이 적다.

공정은 fine ceramics과 binder을 혼련, 고화, 분쇄, pellet화,  사출성형, 탈지, 소결의 순서가 된다.

이 실험에 앞서 보다 가공이 쉬운 Alumina에 대해서 이미 각 공정마다 최적조건의 실험을 한 바있으나 가공이 어렵다는 Zirconia계 세라믹에 대해 모든 공정을 시스템으로 잡아 L36직교표로 실험을 했다.

 

◈ 신호인자	수준 1	수준 2	....	수준 12
M  금형치수	M1	M2	....	M12
◈ 오차인자	수준 1	수준 2
금형주조	weld 없음	weld 있음
shot의 반복	R1	R2

  rubber-press가공방법은 고무狀 型안에 분말원료를 넣고 액체의 靜수압하에서 고무型과 함께 압축성형으로 만들어진다. 성형한 다음 보통 燒結전의 물렁한 상태에서 절삭가공을 한다.

Alumina(Al2O3)는 오래전부터 많이 사용되어 왔우며, 그 성질은 내열성, 경도가 높고, 내화물, 연마제로서 ruby나 發振用LASER소자, IC기판, 절삭공구등 다양한 용도로 사용된다.

 

◈ 신호인자
M  rubber press의 형상
깍는 양
◈ 오차인자	수준 1(양호)	수준 2 (불량)
수분	표준	표준 + 상한
粒徑	표준	입경분포가 偏在된 것

 ◆  최적조건

  초정밀 절삭기는 렌즈나 렌즈금형을 연마하지 않고 절삭만으로 가공할 수 있게 한다. 그러나 환경조건, 절삭조건에 의해 목적하는 精度만큼 가공이 되지 않는 경우가 많다. 표면조도, 형상의 정도등이 안정된 최적가공조건을 찾는다.

( 사용선반 : 理硏製鋼 UPL-240,   절삭공구 : 다이아몬드바이트 날끝반경 0.45 mm,
 test-piece : 직경 50 mm 燐청동)

 

◈ 신호인자	수준 1	수준 2	수준 3
M  깍는 량	0.5	3	5
◈ 오차인자    L4	수준 1	수준 2	수준 3
O  건물의 진동	유	무
P  절삭속도	中心부근	中間	바깥부근

◆   제어인자 B, A 의 순으로 큰 영향을 미쳤다.

면의 효소정련(精練)을 평가하는 방법으로서 F I A 시스템을 사용해 分光學적으로 측정하고 평가하는 방법을 개발했다. 이 방법은 종래방법보다 간단하고, 재현성이 좋으며, 시료의 상태나 측정자의 영향을 받지 않으며, 펙틴(pectin) 뿐만이 아니라 油脂分등도 포함된 종합적 정련효과를 평가할 수 있게 되었다.

당 센터(浜松工業技術センタ)에서 개발한 『수산암모니아추출 - FIA/UV법』의 측정시스템을 품질공학의 수법으로 최적화했다. Lambert 법칙에 의한 샘플의 농도와 흡광도의 일차관계식을 이용해서 동특성의 해석을 했다. 측정값은 흡광도이다.

 

◈ 신호인자
M  샘플의 농도
◈ 오차인자	수준 1	수준 2

 ◆  최적조건에서 7 dB 개선 

 
인자의 분류                                                                                            

안정성의 개선연구에서 다루는 인자는 그 역할에 따라  두가지로 나뉜다. 첫째는 안정성을 평가하는 특성값인 SN비를 구하기 위한 인자이며, 다른 하나는 SN비의 우열을 비교하기 위한 인자이다.

망소특성, 망대특성에서는 SN비를 구하기 위해서 오차인자를 고려해야 한다. 망목특성의 경우에는 신호인자와 오차인자가 있다(신호인자를 다루지 않는 경우도 있다). SN비를 비교하는 인자로서는 제어인자와 표시인자가 있다. 각각에 대해 설명한다.

 1)  제어인자  

안정성의 최선조건을 선택하기 위해 다루는 인자이다. 안정성을 개선하기 위해 다루는 설계상, 제조상의 인자는 모두 제어인자이다 (수준을 선택해서 공정에 넣을 수 있다)
   접착강도를 개선할 목적이라면 접착제는 무엇이 좋은가, 도포횟수는 몇 회가 좋은가 등 접착방법을 결정하는 모든 인자이다. 그리고 AC 100V의 입력을 DC로 변환하는 회로의 설계라면, 회로를 구성하는 素子 모두가 제어인자이다.
   다루는 제어인자는 가능한 한 많게 한다. 바꿀 수 있는 인자는 모두 다루어 보는 자세로.

 2)  표시인자  

제어인자와 마찬가지로 그 수준에는 기술적 의미가 있지만, 수준 선택이 무의미한 인자를 말한다. 사용조건, 품종, 크기의 차이등이 이에 해당된다. 본래 SN비가 좋다는 것은 사용조건등의 영향을 받기 어렵다는 것도 포함되므로, 그런 의미에서는 오차인자로 하는 편이 좋은 경우도 많다. 그러나 자동차의 조종성을 논의할 때 저속 조종성과 고속 조종성간에는 noise의 영향이 분명히 달라지며 대상으로 하는(선회반경등) 특성값 자체가 대폭적으로 다르다.
   저속이든 고속이든 조종성에는 차이가 없는 것이 분명히 좋지만, 기술적으로 차이가 분명한 경우에는 저속 · 고속이라는 조건아래 SN비가 어느정도 다른가를 파악해 두는 일도 중요하다. 이같이 취급되는 인자를 표시인자라 한다. 고속에서는 SN비가 좋지 않으니 운전하지 말아 달라고는 할 수 없으므로 제어인자는 아니다.

 3)  신호인자  

SN비의 신호를 평가하기 위한 인자이다.
동특성에 있어서 신호인자는 출력에 대한 요구를 충족시키기 위한 것으로 능동적인 신호인자라고도 한다. 능동적인 신호인자로서는 염색농도를 목표값에 접근시키기 위해 염료 사용량으로 조정하는 경우라면, 염료의 사용량이 신호인자가 된다.
  그리고, 계측방법 등에서 다루는 특성은 수동적 특성이라고도 불리는데, 수동적 특성에서는 참값을 변화시키는 인자가 신호인자이다.

 4)  오차인자  

산포의 원인이 되는 내란, 외란등 모든 인자이다. 내란이란 사용부품이 규격의 중심으로부터 벗어나거나, 사용하는 동안에 열화등으로 본래 지닌 특성에서 벗어나는 것을 말한다. 그리고 외란은 사용환경등이다.
   망소특성에서는 특성을 크게 만드는 원인계, 망대특성에서는 값을 작게 만드는 원인계이다. 예를 들면 인장강도는 클수록 좋은 망대특성이지만, 온도가 높으면 약해지는 경우에는 온도가 오차인자이다.
   동특성과 같은 망목특성에서는 어떤 목표에 대해 최적 조작을 했을 때 결과를 그르치는 원인이 오차인자이다. 자동차 조종성의 SN비 연구에서는 노면의 상태, 적하(積荷)의 치우침, 타이어의 공기압 산포등이 오차인자가 된다.

인자는 이상과 같이 분류되지만, 개별인자가 어떤 분류가 되는지는 실험목적에 따라 달라질 수도 있다.

이득과 효과                               

 수치例 설명