[논문]마이크로 엔드밀에 의한 미세격벽가공의 가공특성에 관한 연구

민승기; 이선우; 이동주; 이응숙; 제태진

마이크로 엔드밀에 의한 미세격벽가공의 가공특성에 관한 연구
A Study on the Machining Characteristics fur Micro Barrier Ribs by using Micro Endmilling 원문보기

Recently, miniaturization and mass production are the main trends in manufacturing fields. Therefore, ultraprecision machining and MEMS technology have been taken more 7md more important position in machining of microparts. Micro endmilling is one of the prominent technology that has wide spectrum of application field ranging from duo parts to micro products, such as PDP md IT components, in precision products manufacturing. However, decreasing of burr is significant problem in making smooth and precise parts in micro endmilling. This paper shows removal characteristics of burr generated by micro endmilling process. This results satisfies micro endmilling for micro barrier ribs of heights is $50{\mu}m$, $100{\mu}m$, $200{\mu}m$, $300{\mu}m$, and observation from of burr. Additionally, it is necessary to understand the formation mechanism of burr of micro barrier ribs to iud proper decreasing method.

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문제 정의

본 연구에서는 각각의 가공조건에 따른 버발생량 분석 시 버 발생이 감소되는 경향에 대해서도 고찰하였다.
이에 본 연구에서는 위에서 언급한 비용의 감소와 공정들의 개선을 위해 마이크로 머신에 의한 기계적인 가공 방법으로서 마이크로엔드밀을 사용하여 미세 격벽의 몰드를 가공하였으며 이때 발생되는 절삭력과 버(Burr)의 형상 및 발생량, 그리고 가공 면의 품위를 관찰하여 가공 특성을 고찰하였다.

제안 방법

가공 시 발생되는 절삭력은 버의 형상 및 발생량에 의한 상관관계를 분석하기 위해서 고감도(High sensitivity)의 기능을 가진 공구 동력계를 사용하여 절삭력을 검출하였다.
가공 시 주축의 회전수는 40, 000rpm으로 고정하였으며 절삭유로는 백등유(Kerosene)을 사용하였다. 그리고 공구 마모에 의한 공구 파손과 절삭력 변동을 감소시키기 위해 마이크로엔드밀을 제한적으로 사용하여 교체하였다
본 실험에서는 마이크로엔드밀을 사용하여 황동 소재에 미세 격벽을 가공하였으며 이때 발생되는 절삭력과 버발 생량의 상관관계 및 형상을 고찰하였다. 그리고 마이크로엔드밀의 이송 속도에 따른 미세 격벽 측면과 바닦면의 표면 조도를 측정하였다. 실험에 의하여 얻어진 결과 및 결론을 요약하면 다음과 같다.
미세 격벽을 가공하기 위해서 에어베어링 스핀들(Akbearing spindle)에 플랫 타입(Flat type)의 엔드밀을 장착하였다.
미세 격벽의 크기는 실제로 상용화되는 PDP의 규격을 감안하여 50, 100, 200, 300(um)의 높이가 되도록 가공하였으며 격벽과 격벽 사이의 간격은 200㎛이 되도록 가공하였다.
바닦면에서의 측정 부분은 공구의 전진 방향인 X-방향과 공구의 회전 방향인 Y-방향을 측정하였으며 미세 격벽 측면의 경우 X-방향과 절삭 깊이 방향인 Z-방향을 측정하였다.
본 실험에서는 마이크로엔드밀을 사용하여 황동 소재에 미세 격벽을 가공하였으며 이때 발생되는 절삭력과 버발 생량의 상관관계 및 형상을 고찰하였다. 그리고 마이크로엔드밀의 이송 속도에 따른 미세 격벽 측면과 바닦면의 표면 조도를 측정하였다.
절삭 깊이와 이송속도(Feed rate)의 조건은 가공 시간과 공구 파손을 고려하여 적용하였으며 각각의 조건에 대하여 절 입을 10번씩 행하는 가공 루프를 실행하여 미세 격벽을 가공하였다.
4는 이송 속도에 따른 마이크로엔드밀이 지나간 바닦면과 미세격벽 측면의 표면 거칠기 형상을 보여주고 있다. 표면 거칠기의 측정을 용이하게 하기 위하여 300㎛높이의 미세 격벽에서 바닦면 과 격벽 측면을 측정하였다.

대상 데이터

가공 시 주축의 회전수는 40, 000rpm으로 고정하였으며 절삭유로는 백등유(Kerosene)을 사용하였다. 그리고 공구 마모에 의한 공구 파손과 절삭력 변동을 감소시키기 위해 마이크로엔드밀을 제한적으로 사용하여 교체하였다

성능/효과

(1) 황동 소재에 마이크로엔드밀을 사용하여 폭 150um, 높이 50, 100, 200, 300㎛의 미세 격벽을 가공하였으며 가공 시 절삭력의 크기는 절삭 깊이 5㎛, 이송 속도 2mm/sec에서 가장 작게 검출됨을 알 수 있었다.
(2) 버의 발생량에 대해서는 절삭 깊이에 따라 다소 차이를 보이지만 본 실험에서는 이송 속도 2mm/sec보다 5mm/ sec에서 감소하는 경향을 보였다. 원인으로는 가공 시 40, 000rpm으로 고속회전하는 마이크로엔드밀과 이송속도, 황동 소재의 특성이라 여겨지며 가공조건에 따라 이송 속도를 적절하게 높이는 것도 버의 발생을 감소시킬 수 있는 방법이라 생각된다.
(3) 미세 격벽의 윗면에 발생하는 버의 형상은 사이드 버(Side burr)에 해당되지만 발생 원리로는 포아손 버(Poisson burr)와 롤오버 버(Rollover burr) 그리고 엔드밀의 헬릭스 각(Helix angle)에 의한 복합적인 영향에 의해 형성되어지는 것이라 여겨진다.
(4)이 송 속도 2mm/sec에서 가공하였을 때 미세 격벽 바닦면 의 경우 표면 거칠기 값인 Ra가 30nm까지 도달하였으며 이러한 가공면의 품위는 연마가 공의 효과에서 얻을 수 있는 경면과 비슷한 수준에 이른다.
Photo. 4에서 볼 수 있듯이 이송 속도가 작을수록 바닦면 과미세격벽측면의 표면 거칠기가 뚜렷하게 작아 짐을 볼 수 있었다.
이송 속도에 의한 버의 발생 비율에 대해서는 절삭 깊이에 따라 다소 차이를 보이지만, 본 실험에서는 이송 속도 2mm/ sec일 경우보다 5mm/sec 가 적게 발생됨을 볼 수 있었다. Photo.
절삭력 검출은 공구의 진행 방향인 X-방향(Fx)과 공구 의회 전 방향인 Y-방향(Fy)에 대해 검출하였으며 가공 시 발생되는 절삭력의 크기가 다소 미소하지만 일반적인 가공 현상에서 알 수 있듯이 절삭 깊이와 이송 속도가 작을수록 Fx와 Fy가 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
측정 결과, 바닦면의 경우 이송 속도를 2mm/sec 로 가공하였을 때 표면 거칠기 값인 Ra가 30nm까지 도달하였으며 이러한 가공 면의 품위는 연마가 공의 효과에서 얻을 수 있는 경면과 비슷한 수준에 이른다.

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