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문제 정의
- 본 연구는 구면/비구면 유리 렌즈 성형용 금형재로서 활용도가 높은 초경합금을 대상으로, ELID 연삭법을 이용하여 렌즈 면을 가공하고 ELID 연삭과 자기연마를 조합하여 형상정밀도와 가공효율, 그리고 고품질의 경면을 얻기 위한 복합가공을 제안하였다. 복합가공을 평가하고 공정조건을 결정하기 위한 기초실험으로서 평면의 경면가공을 수행하였으며, 기초실험에서 얻어진 결과는 렌즈 금형의 코아 가공에 적용하였다.
제안 방법
- 결과는 렌즈 면의, 경면가공에 적용하였다. ELID 연삭과 자기연마를 조합한 가공공정을 결정하기 위한 예비실험으로서, 수평형 평면 연삭기와 동일입도의 연삭숫돌을 이용하여 가로 이송 거리를 변화시켜 연삭 속도에 따른 표면 거칠기를 측정하였다. 가로 이송 거리 이외의 조건은 Table 1 과 같다.
- ELID 연삭에 의한 경 면 가공과 ELID 연삭과 자기연마를 조합한 복합가공에 대해서 총 가공 시간을 검토하였다. Table 4 는 2-3nmRa 의 표면거 칠기를 얻기까지 두 공정의 순수가공 시간을 비교한 결과이다.
- 연마 시간은 피가공물의 연마 횟수를 기준으로 산출하였다. Table 3의 평면 연마조건에서 최적 연마 횟수를 선정하기 위해서 가로이송 속도를 변화시켜 연삭 면에 대한 자기연마 실험을 실시하였다. 원형의 자기연마 공구로 연마하는 경우 공구의 끝단 부에서 자력이 집중되고, 공구의 원주 속도 또한 끝단 부에서 빨라지므로 연마율은 공구의 회전중심과 끝단부 간에 차이가 나게 된다.
- 가공 시간을 산출하고 연삭 조건에 따른 가공 면의 기초데이터를 얻기 위해 평면 연삭 및 연마 실험을 수행하였다. 수평형 평면연삭기에서 연삭 속도를 나타낼 수 있는 연삭 조건은 가로이송 속도와 좌우 왕복이송 속도, 절입량 등이 있다.
- 연삭 숫돌은 ELID 연삭을 위해 개발된 도전성 미립 다이아몬드 숫돌을 이용하였다. 가공면의 표면 거칠기는 3 차원 표면구조 해석 현미경(NewView 5032, Zygo)을 이용하여 측정하였으며, 피가공 금형의 구면 반경 R은 AFP(Atomic Force Probe) 3 차원 표면 형상 측정기를 이용하였다. 측정 Probe 는 팁 반경이 0.
- 표면거칠기는 회전연마공 구의 중심부와 외곽부에 대해서 각각 측정하고 측정데이터는 각 시편에 대해 평균하였다. 가로이송 속도를 0.5mm에서 3.0mm 까지 변화 시켜 얻은 연삭 시편에 대해서 6회 연마하고 매회 측정하였다. Fig.
- 로터리 평면 연삭기에서 입도에 따른 연삭면 시편을 만들었다. 경 면 가공의 요구수준인 2-3nmRa 에도 달 하기까지 연삭 조건과 자기연마 조건을 선정하고, 연삭시간과 연마 시간을 합산하는 방법으로 가공효율을 평가하였다. 구면 형상은 Table 2 의 초정밀 비구면 가공기에서 코어 직경 20mm 와 30mm 의 구면 금형을 입도 #4000의 숫돌로 연삭하여 시편을 제작하였다.
- 구면의 피가 공물을 공구의 회전축선상에 놓을 경우 연마시 구면 형상의 변형을 피할 수 없다. 따라서 자기연마 공구를 Fig. 2(b)와 같이 설계하고 피가공재를 45 도 기울여 회전시키고 피가공물의 회전 중심축 및 원주에서 상대속도가 일정하도록 공구와 피가공물의 회전수를 구하여 자기연마 하였다.
- 복합가공을 평가하고 공정조건을 결정하기 위한 기초실험으로서 평면의 경면가공을 수행하였으며, 기초실험에서 얻어진 결과는 렌즈 금형의 코아 가공에 적용하였다.
- 있다. 본 실험에서는 ELID 연삭 공정과 복합가공의 가공효율을 정량화하기 위한 방법으로 평면의 기초실험을 통해 경 면 가공 시간을 산출하였다. 기초실험에서 얻어진.
- 본 연구에서는 ELID 연삭법과 자기연마법을 이용한 복합가공을 제안하고 유리 렌즈 성형 금형에 적용하여 고효율, 고품질 경 면 가공 방법을 제안 및 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연삭숫돌은 가공방식에 따라 형상을 구분하여 사용한다. 본 연구에서는 렌즈면 형상 가공을 위해 Fig. 1과 같이 연삭숫돌의 일부에 전해 드레싱용 (-)전극을 설치하고 연삭숫돌 고정부에 (+)전극을 설치하여 ELID 연삭 시스템을 구성하였다.
- 요구된다. 본 절에서는 앞서 제안한 복합가공을 적용하여 구면의 금형 코어를 가공하였다.
- 003nmRa 의 경면을얻을 수 있었다. 여기서, 가로 이송거리를 변화 시켜 얻어진 연삭 면에 대해서 연마면의 표면거칠기 PV 와 Ra에 대해 최대 및 최소값의 차이를 각각 APV 와 ARa 로 정의하여 연마효율을 분석하였다. Fig.
- 7의 결과에서 #8000 다이아몬드 입자를 이용한 자기연마는 입도 #4000 숫돌을 사용한 연삭 면에 대해서 표면 거칠기의 개선이 미미하고, #8000 숫돌을 사용한 연삭면은 자기연마 후 오히려 표면 거칠기가 나빠지는 경향이 나타났다. 이것은 연마재 성분인 다이아몬드 입자와 비교적 큰 입자의 철분 때문에 연 마력에 의한 스크래치가 생성되는 것으로 추측되어 보다 미립의 다이아몬드 입자와 철 분말을 사용하여 추가 실험하였다. 추가실, 험에서는 #14000의 다이아몬드 입자를 사용하고 38 gm 이하의 철분을 채로 걸러 연마재를 만들었다.
- 추가실, 험에서는 #14000의 다이아몬드 입자를 사용하고 38 gm 이하의 철분을 채로 걸러 연마재를 만들었다. 입도 #8000을 이용한 연삭 시편의 경우 연삭 공정에서 2-3nmRa 의 경면이 형성되므로 실험대상에서 제외하고, 입도 #1200, #2000, #4000의 연삭면에 대해서 연마재를 바꾸어 반복 실험하였다. 자기연마조건은 앞선 실험과 동일하게 Table 3의 조건에 따랐다.
- 평면 연삭 시편의 자기연마는 1회에서 6 회까지 연마하고 매회 표면 거칠기를 측정하였다. 구면연마의 경우 연마 시 일정한 연마 압력을 유지하기 위해 공구와 피가 공물을 같은 방향으로 회전시키고 공구의 원추면에 곡률을 주어 상대속도가 100mm/s 로 일정하게 유지하도록 공구와 피가공물의 회전수를 조정하였다.
- 원형의 자기연마 공구로 연마하는 경우 공구의 끝단 부에서 자력이 집중되고, 공구의 원주 속도 또한 끝단 부에서 빨라지므로 연마율은 공구의 회전중심과 끝단부 간에 차이가 나게 된다. 표면거칠기는 회전연마공 구의 중심부와 외곽부에 대해서 각각 측정하고 측정데이터는 각 시편에 대해 평균하였다. 가로이송 속도를 0.
- 연삭숫돌을 교체하는 등의 셋업 시간을 제외하고 입도 #325, #1200 또는 #2000, #8000의 3 종류의 숫돌을 사용하였다. 한편, ELID 연삭과 자기연마를 이용하는 경우, Table 4와 같이 A, B, C type의 3 종류로 나누어 경 면 가공 시간을 산출하였다.
- 한편, 렌즈 금형에서 요구되는 가공표면의 거칠기는 2-3nmRa 수준이므로 경 면 가공 후 요구정밀도의 기준으로 설정하였다.
대상 데이터
- 경 면 가공의 요구수준인 2-3nmRa 에도 달 하기까지 연삭 조건과 자기연마 조건을 선정하고, 연삭시간과 연마 시간을 합산하는 방법으로 가공효율을 평가하였다. 구면 형상은 Table 2 의 초정밀 비구면 가공기에서 코어 직경 20mm 와 30mm 의 구면 금형을 입도 #4000의 숫돌로 연삭하여 시편을 제작하였다.
- 의 조건에 따라 자기연마를 실시하였다. 렌즈 금형의 표면거칠기 요구수준으로 가정한 2-3nmRa 를목표로 자기연마 회수를 설정하고 실험하여 Fig. 7 과 같이 경 면 가공 효율을 분석하는데 필요한 기초데이터를 얻을 수 있었다.
- 3 은 가로이송 거리에 따른 Ra와 PV 값의 변화를 보여주고 있다. 실험에서 사용된 숫돌은 폭 10mm, 입도 #1200 였다. 가로 이송 거리를 0.
- 실험에서 연마재는 75呻1 의 철분과 #8000 다이아몬드 입자 및 오일을 섞어서 사용하였으며, 공작물과 연마공구간의 간격은 0.8mm로 하였다. 연삭 방식 에 따라 입도 #1200 숫돌을 사용한 경우, 수평형 평면 연삭기는 L5-2.
- 실험에서 피가공재로 사용된 초경합금 (WC) 은 Co 함유량이 18%와 6%인 재료를 사용하였으며, 평면 및 구면의 경 면 가공 실험에 각각 적용하였다. 연삭 숫돌은 ELID 연삭을 위해 개발된 도전성 미립 다이아몬드 숫돌을 이용하였다.
- 적용하였다. 연삭 숫돌은 ELID 연삭을 위해 개발된 도전성 미립 다이아몬드 숫돌을 이용하였다. 가공면의 표면 거칠기는 3 차원 표면구조 해석 현미경(NewView 5032, Zygo)을 이용하여 측정하였으며, 피가공 금형의 구면 반경 R은 AFP(Atomic Force Probe) 3 차원 표면 형상 측정기를 이용하였다.
- 연삭 실험에서 얻어진 평면 및 구면의 시편을 자기 연마하기 위해 Table 3과 같이 자기연마 조건을 선정하고 연마재를 구성하였다. 철 분말은 입경 38 미크론과 75미크론 이하, 다이아몬드 입자는 #8000 과 #14000으로 각각 구분하여 연삭 시편의 표면 거칠기에 따라 사용하였으며 일정량의 오일을 혼합하였다.
- Table 4 는 2-3nmRa 의 표면거 칠기를 얻기까지 두 공정의 순수가공 시간을 비교한 결과이다. 연삭숫돌을 교체하는 등의 셋업 시간을 제외하고 입도 #325, #1200 또는 #2000, #8000의 3 종류의 숫돌을 사용하였다. 한편, ELID 연삭과 자기연마를 이용하는 경우, Table 4와 같이 A, B, C type의 3 종류로 나누어 경 면 가공 시간을 산출하였다.
- 구면연마의 경우 연마 시 일정한 연마 압력을 유지하기 위해 공구와 피가 공물을 같은 방향으로 회전시키고 공구의 원추면에 곡률을 주어 상대속도가 100mm/s 로 일정하게 유지하도록 공구와 피가공물의 회전수를 조정하였다. 자기연마 공구는 금형의 구면 형상반경 100mm 에 대해 곡률 반경을 99.2mm 로 설계하여 제작하였다.
- 선정하고 연마재를 구성하였다. 철 분말은 입경 38 미크론과 75미크론 이하, 다이아몬드 입자는 #8000 과 #14000으로 각각 구분하여 연삭 시편의 표면 거칠기에 따라 사용하였으며 일정량의 오일을 혼합하였다.
성능/효과
- 1) 입도 #1200 이상의 숫돌을 이용한 연삭 시편은 75 이 하의 철분과 #8000의 다이아몬드를 사용하여 사7| 연'가" 함으로서 0.048p.mPV, 2.4nm Ra °1 하의 경면을 얻을 수 있었다.
- 2) ELID 연삭에 의한 경 면 가공과 ELID+MAP 을 조합한 가공법을 평면의 경 면 가공에 적용하여 표면 거칠기 2-3nmRa 까지 가공하는데 걸린 시간을 비교한 결과, ELID+MAP을 조합한 복합가공으로 순수 가공시간을 26%까지 단축이 가능하였다.
- 3) 구면 금형의 경 면 가공에 있어서 금형의 구면 형상을 전사하여 자기연마 공구를 설계하고, 구면 전체에 상대속도가 일정하도록 공구와 피가공재의회전수를 계산하여 연마한 결과, 연삭공정에서 형성된 구면반경의 변화 없이 자기연마가 가능하였다.
- 002呻 로 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 또한 3회 연마 후 연마율은 90% 이상이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 3회 이상 연마할 경우에 연마율의 변화는 미미하였다.
- 6은 연마 횟수에 따른 연마율을 백분율로 나타낸 그래프이다. 연마전 시편의 APV 와 ARa 는 각각 0.37pm 와 0.036gm 로 편차가 큰 반면 6회 연마 후에는 APV=0.016pm , ARa=0.002呻 로 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 또한 3회 연마 후 연마율은 90% 이상이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 3회 이상 연마할 경우에 연마율의 변화는 미미하였다.
- 자기연마 시간은 ELID 연삭 시간에 비해 매우 짧은 시간(1% 이하 卜)에서 완료되었으며, ELID 연삭 단일공정에 비해 ELID+MAP에 의한 복합가공의 가공 시간이 짧은 것을 알 수 있다.
- 4 는 자기연마 횟수에 따른 표면 거칠기의 변화를 보여주고 있다. 자기연마 전의 표면 거칠기는 평균 1.8gmPV, 0.084)imRa 이었으나 6회의 후자기연마 후 평균 0.029nmPV, 0.003nmRa 의 경면을얻을 수 있었다. 여기서, 가로 이송거리를 변화 시켜 얻어진 연삭 면에 대해서 연마면의 표면거칠기 PV 와 Ra에 대해 최대 및 최소값의 차이를 각각 APV 와 ARa 로 정의하여 연마효율을 분석하였다.
- 동일 입도의 연삭숫돌을 사용하는 경우에도 연삭 방식에 따라 연삭면의 표면거칠기는차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 숫돌의 입도별로 연삭한 가공 면에 대해 2회의 후자기연마를 수행한 후 측정한 결과, 0.02-0.05nmPV, 0.002- 0.003gmRa 로 유리 렌즈 금형에서 요구되 는 수준의경면가공이 가능하였다.
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