[논문]초정밀 선반을 사용한 알루미늄 7075와 실리콘의 초정밀가공 특성연구

김우강; 김건희; 원종호

초정밀 선반을 사용한 알루미늄 7075와 실리콘의 초정밀가공 특성연구
A Study on the Precision Machining Characteristics of Aluminium 7075 and Silicon using Ultra-precision Turning Machine

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.5 no.4, 2006년, pp.27 - 32

김우강 (충남대학교 대학원 기계공학과) , 김건희 (한국기초과학지원연구원 초정밀가공팀) , 원종호 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to find the optimal cutting conditions, when are nonferrous metals(aluminum and silicon) are machined with diamond tool of diamond turning machine. Diamond turning machine has been widely used in manufacturing optical reflectors of nonferrous metals. Such as aluminium and copper are easy to be machined because of their proper ductility. But optical crystals being discussed here are characterized by their high brittleness which makes it difficult to obtain high quality optical surfaces on them. The purpose of this study is to find the optimum machining conditions for ductile cutting of silicon and aluminium.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[8,9,10] 따라서, 본 연구에서는 근간에 관심의 대상이 되고 있는 비철금속의 절삭가공에 주안점을 두어, 단결정 다이아몬드공구를 이용한 비철금속인 알루미늄 7075와 단결정 실리콘에 대한 최적의 가공조건을 찾는 것이며, 취성 재료의 초정밀 광학요소들을 제조하는데 다이아몬드 선삭기술을 적용하는 것이다.
본 연구는 알루미늄과 실리콘의 연성모드 절삭의 최적조건을 찾는 것이다. 따라서 이송속도, 절삭깊이, 절삭속도 등의 절삭조건을 변화시켜 초정밀가공 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 절삭속도, 절삭깊이, 이송속도, 공구경사각을 주요 변수로 하였으며, 절삭력과 표면 거칠기 측정하여 초정밀 절삭 특성을 고찰함으로서 연성재료인 알루미늄 7075뿐만 아니라 취성재료인 단결정 실리콘의 신뢰성 있는 절삭력 데이터와 표면 거칠기 얻음으로써 최적의 절삭조건을 찾아내기 위한 것이다.

제안 방법

본 연구는 알루미늄과 실리콘의 연성모드 절삭의 최적조건을 찾는 것이다. 따라서 이송속도, 절삭깊이, 절삭속도 등의 절삭조건을 변화시켜 초정밀가공 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
3과 같이 공작물의 가공면과 평행한 Y축 방향의 힘을 주절삭력 Ft(Tangential force), 공작물과 수직인 Z축 방향을 배분력 Fn(Normal force), 이송방향인 X축 힘을 이송분력 Ff(Feed force)로 표기하였다. 또한, 로우 패스 필터(Low pass filter)는 100㎐를 사용하였으며, 시간상수(Time constant)는 long을 사용하여 측정하였다.
본 논문에서는 단면절삭 시 절삭력을 측정하였으며, Fig. 3과 같이 공작물의 가공면과 평행한 Y축 방향의 힘을 주절삭력 Ft(Tangential force), 공작물과 수직인 Z축 방향을 배분력 Fn(Normal force), 이송방향인 X축 힘을 이송분력 Ff(Feed force)로 표기하였다. 또한, 로우 패스 필터(Low pass filter)는 100㎐를 사용하였으며, 시간상수(Time constant)는 long을 사용하여 측정하였다.
2는 시편으로 사용된 피삭재의 형상을 나타낸다. 초정밀 가공 시험 대상면은 ø38㎜부분의 끝단으로 단면 절삭 실험을 하였으며, 거칠기 측정은 Fig. 2에서 보여주듯이 ø30㎜부분에서 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 초정밀 가공 시 발생하는 미세 절삭력을 측정하기 위해, z-축 강성이 1000N/㎛인 KISTLER사의 9251A센서를 내장한 공구홀더를 설계제작했다. 9251A를 통해 얻은 절삭력 신호는 KISTLER사의 다채널 증폭기(multichannel charge amplifier) Type 5011를 통해 신호를 증폭하였다. 입출력 보드(analog &digital I/O board)는 Measurement Computing Co.
본 실험에서 사용된 천연다이몬드 바이트의 형상은 Fig. 1과 같다. 실험에 사용된 공구재료는 천연다이아몬드 바이트이며, 공구의 기하학적 형상 및 크기는 윗면 경사각 0°, -5。, -25°, 여유각 12°와 선단반경은 1㎜, 0.
3과 같은 절삭력 측정장치를 구성하였다. 본 실험에서는 초정밀 가공 시 발생하는 미세 절삭력을 측정하기 위해, z-축 강성이 1000N/㎛인 KISTLER사의 9251A센서를 내장한 공구홀더를 설계제작했다. 9251A를 통해 얻은 절삭력 신호는 KISTLER사의 다채널 증폭기(multichannel charge amplifier) Type 5011를 통해 신호를 증폭하였다.
피삭재는 알루미늄 7075와 단결정 실리콘을 사용하였으며, Table 1은 Al7075의 재료의 성분분석 결과이다.

성능/효과

1. 단결정 실리콘과 알루미늄 7075의 절삭실험 결과 알루미늄 7075가 단결정 실리콘에 비해 절삭력이 크게 나타났다.
2. 단결정 실리콘과 알루미늄 7075는 절삭깊이가 증가하면 절삭력은 절삭깊이에 비례해서 증가하는 경향을 보였다.
3. 단결정실리콘의 경우120m/min에서 160m/min의 주축속도에서 안정된 절삭력을 보이고, 알루미늄 7075의 경우 140m/min이상의 절삭속도에서 일정한 절삭력이 측정되었다.
4. 단결정실리콘과 알루미늄 7075는 5㎛이하의 절삭 깊이에서 모두 양호한 표면거칠기를 얻었고 절삭 깊이 5㎛에서 단결정 실리콘은 17.38㎚, 알루미늄 7075는 3.98㎚의 표면 거칠기를 얻을 수 있었다.
그러나 본 실험에서의 측정결과를 볼 때 동일한 이송속도에서 절삭깊이의 증가에 따라 비례적으로 표면 거칠기가 증가하고 있다. 또한, 일정한 주축속도와 이송속도 에서 알루미늄이 단결정 실리콘에 비해 표면 거칠기가 양호하게 나타남을 알 수 있다. 단결정 실리콘과 알루미늄 7075는 5㎛이하의 절삭깊이에서 모두 양호한 표면 거칠기 얻을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초정밀 절삭의 기본 원리는 무엇인가?	초정밀 절삭의 기본 원리는 매우 정도가 높은 공작 기계의 운동을 날카로운 공구를 이용하여 공작물에 전달하는 것을 말한다. 최근 항공 우주산업, 반도체, 컴퓨터, 영상정보산업, 정밀기계산업 등의 발달로 인해 정밀기계부품의 가공은 고 부가가치 기술로서 매우 중요하게 인식되고 있으며, 특히 이러한 제품을 생산하기 위해서 초정밀 가공에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	초정밀 가공 부품의 재료로서 무엇이 사용되고 있는가?	국내에서는 연구소를 중심으로 초정밀의 연구가 일부 이루어지고 있으나 아직 선진국에 비하여 극히 미약한 수준에 머무르고 있는 실정이다. 한편 초정밀 가공 부품의 재료로서는 전자 산업과 정보 산업의 발달로 인하여 고정밀도가 필요하게 된 알루미늄, 구리, 무전해 니켈 등의 금속 및 플라스틱, 실리콘, 게르마늄 등의 비금속 등이 사용되고 있으며 이런 재료들은 연삭 가공으로는 높은 정도를 내기가 어렵다.
	알루미늄과 실리콘의 연성모드 절삭의 최적조건을 찾기 위해 이송속도, 절삭깊이, 절삭속도 등의 절삭조건을 변화시켜 초정밀가공 실험을 수행한 결론은 무엇인가?	1. 단결정 실리콘과 알루미늄 7075의 절삭실험 결과 알루미늄 7075가 단결정 실리콘에 비해 절삭력이 크게 나타났다. 2. 단결정 실리콘과 알루미늄 7075는 절삭깊이가 증가하면 절삭력은 절삭깊이에 비례해서 증가하는 경향을 보였다. 3. 단결정실리콘의 경우120m/min에서 160m/min의 주축속도에서 안정된 절삭력을 보이고, 알루미늄 7075의 경우 140m/min이상의 절삭속도에서 일정한 절삭력이 측정되었다. 4. 단결정실리콘과 알루미늄 7075는 5㎛이하의 절삭 깊이에서 모두 양호한 표면거칠기를 얻었고 절삭 깊이 5㎛에서 단결정 실리콘은 17.38㎚, 알루미늄 7075는 3.98㎚의 표면 거칠기를 얻을 수 있었다.

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