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문제 정의
- 본 논문에서는 인공위성용 우주 망원경의 직경 360mm 대구경 SiC 구면 미러 가공과 대구경 천체망원경에 적용되는 직경 300mm 의 글라스 세라믹의 구면 미러 제작에 있어서 ELID 연삭법을 적용하고 가공시 균일 고정용 지그 설계 및 제작 사례와 초정밀 대형 가공기에서의 기상 계측 기술 및 보정 가공 기술 적용 사례를 소개한다.
제안 방법
- 5um 정도 변형량이 생긴다는 것을 확인한 바 있다.2,5 미러의 형상정밀도를 높이기 위해서 Fig.5 와 같이 정압 서포터로 구성된 정압 지그를 설계 제작하여 사용하였다. 정압 지그는 다수의 삼각형 리브의 중심에 배면에서 정압서포터로 지지하므로서 가공 시 연삭 저항에 의한 변형을 최소화하도록 설계되었다.
- 4 종류의 연삭 숫돌을 이용하여 가공한 후 기상계측 프루브를 이용하여 미리 구면의 형상을 측정 하였다. Fig.
- 기술을 소개하였다. ELID 연삭법 및 기상 계측 기술, 전용 지그 개발 등에 의한 고효율 가공 기술을 개발하고 초정밀 대형가공기에 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다
- W, D 와 R 의 값을 대입하면 r < 66.1mm 가 되므로 숫돌의 마모를 고려하여 숫들의 선단 반경을 r 60mm 로 제작하였다. 황삭 가공 시 3 종류의 연삭숫돌은 플라즈마 방전 트루인을 실시하고, 다듬질 공정에서 사용한 입도 #1200, #4000 연삭 숫돌에 대해서는 트루어로서 입도 #325 의 청동본드 다이아몬드 숫돌을 사용하여 트루인을 실시하였다.
- Table 1 은 실험에 수행된 연삭 조건표이다. 또한 피가공물의 측정을 위해 가공기에 기상계측 시스템인 촉침식 변위 프루브(검출정밀도 10nm)을 탑재하여 다듬질 가공이 완성된 피가 공물의 형상을 측정하였다. 측정된 데이터는 보정 가공에 이용할 수 있다.
- 58nm 까지 얻을 수 있었다. 또한, 숫돌 마모에 의한 형상정밀도의 저하가 예상되므로 가공 경로에 따른 숫돌의 선단 노우즈 반경의 변화를 관찰하였다. Fig.
- 이러한 측정 결과를 이용하여 보정 가공 데이터를 작성하여 가공하였다. 숫돌의 이동 방향이 숫돌의 회전 방향과 수직한 연삭과 수평한 연삭이 있으나 본 실험에서는 숫돌의 마모와 변형을 고려하여 수평 연삭을 채용하였다.
- 입도별 연삭 가공 후 접촉식 기상계측 프루브를 이용하여 형상 오차를 측정하고 이동식 원자간력 현미경(Mobile AFM)을 이용하여 피가 공물을 탈착하지 않고 표면 조도를 측정하였다. 이러한 측정 결과를 이용하여 보정 가공 데이터를 작성하여 가공하였다. 숫돌의 이동 방향이 숫돌의 회전 방향과 수직한 연삭과 수평한 연삭이 있으나 본 실험에서는 숫돌의 마모와 변형을 고려하여 수평 연삭을 채용하였다.
- 입도별 연삭 가공 후 접촉식 기상계측 프루브를 이용하여 형상 오차를 측정하고 이동식 원자간력 현미경(Mobile AFM)을 이용하여 피가 공물을 탈착하지 않고 표면 조도를 측정하였다. 이러한 측정 결과를 이용하여 보정 가공 데이터를 작성하여 가공하였다.
- 5 와 같이 정압 서포터로 구성된 정압 지그를 설계 제작하여 사용하였다. 정압 지그는 다수의 삼각형 리브의 중심에 배면에서 정압서포터로 지지하므로서 가공 시 연삭 저항에 의한 변형을 최소화하도록 설계되었다. 정압서포터는 작동시 피스톤 로드의 섭동 저항을 400g 정도로 최소화 하여 피가공물과 가볍게 접촉한 상태에서 또 다른 유압 계통에 의해 잠기게 되는 독특한 구조로 되어있다.
- 최적 가공 조건을 검토하기 위해서 Table 2의 연삭 조건을 변화시켜 가공을 수행하고 이동식 AFM 을 이용하여 표면 조도를 기상에서 측정하였다. Fig.
- 1mm 가 되므로 숫돌의 마모를 고려하여 숫들의 선단 반경을 r 60mm 로 제작하였다. 황삭 가공 시 3 종류의 연삭숫돌은 플라즈마 방전 트루인을 실시하고, 다듬질 공정에서 사용한 입도 #1200, #4000 연삭 숫돌에 대해서는 트루어로서 입도 #325 의 청동본드 다이아몬드 숫돌을 사용하여 트루인을 실시하였다.
대상 데이터
- 연삭가공 조건으로 실험하였다. 가공을 위한 숫돌은 입도 #325, #1200, #2000 및 #4000 의 주철본드 다이아몬드 숫돌을 사용하였다.
- 가공에 장시간이 소요된다. 따라서 ELID 연삭법을 적용한 고효율 가공 실험을 수행하기 위해 직경 300mm 의 시편을 설계 및 제작하여 시험하였다. 사용 장비는 고강성 문형(門形)구조로 3 축 동시 제어가 가능하며 각 직선축의 위치제어 분해능이 10nm 인 초정밀 대형 4 축 가공기를 사용하였다 (Fig.
- 본 실힘에 사용된 가공기는 정압구동에 의한 초정밀 로터리 연삭반 RG-800(Nagase)이다. 이 장치는 10nm 의 위치제어 분해능으로 제어되며 직경 800mm 의 턴테이블이 장착되어 있다.
- 따라서 ELID 연삭법을 적용한 고효율 가공 실험을 수행하기 위해 직경 300mm 의 시편을 설계 및 제작하여 시험하였다. 사용 장비는 고강성 문형(門形)구조로 3 축 동시 제어가 가능하며 각 직선축의 위치제어 분해능이 10nm 인 초정밀 대형 4 축 가공기를 사용하였다 (Fig.7).
- 이 장치는 10nm 의 위치제어 분해능으로 제어되며 직경 800mm 의 턴테이블이 장착되어 있다. 사용한 숫돌은 폭 10mm, 직경 305mm 의 주철본드 다이아몬드 숫돌이며, 입도 #325, #1200, #4000 의 3 종류를 사용하였다. 다이아몬드 지립의 직 경은 각각 50um, 13um, 4um 이다.
- 우주망원경용 대구경 경량미러는 대형 소결 SiC를 사용하여 구경 360mm 로 설계 및 제작되었다. SiC 미러의 배면 구조는 경량화를 위해 Fig.
- 다이아몬드 지립의 직 경은 각각 50um, 13um, 4um 이다. 전해드레싱 전원은 ELID 전용 전원 ED621 을 사용하고, 연삭액은 CG-7 을 50 배 희석하여 사용하였다.
성능/효과
- 1) 인공위성용 대구경 경량 미러의 고능률 연삭경면 가공을 실현하기 위해서 구경 360mm 의 소결 SiC 구면 미러를 제작하고 정압서포터 지그 개발 및 ELID 경면 연삭법을 적용한 결과 연삭 가공으로 PV 값 0.9um 이하의 형상 정밀도를 얻을 수 있었다.
- 2) 천체용 직경 300mm 의 글라스 세라믹의 대구경 구면 미러의 초정밀 ELID 연삭 실험을 수행한 결과, 기상 프루브 타입 형상측정기, 이동형 원자간력 현미경, 기상 간섭 측정법을 적용하여 기상계측 시스템의 유효성을 확인할 수 있었으며, 이를 이용한 보정 가공을 통해 형상 정밀도가 향상되었다.
- Y 축 방향의 보정 가공에 있어서는 보정 가공 전이 약 16um 이었으나 마지막 보정 가공을 한 후에는 약 6um 으로 형상정밀도가 60%이상 개선되었다. 또한, 미러 전체면의 형상을 측정하기 위해서 기상 간섭 측정을 수행하였으며 그 결과는 Fig.
- 12 과 같다. 기상프루브 측정 결과와 마찬가지로 Y 축 방향의 형상정밀도가 낮은 것을 확인할 수 있으며 일부 간섭호의 불연속 영역이 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 가공면의 평균거칠기는 약 12nmRa 였다.
- 9는 가공 경로의 횟수에 따라 #1200 과 #4000 숫돌의 선단 노우즈 반경을 측정한 결과이다. 숫돌의 입도 번호가 높을수록 숫돌의 마모가 커지고 있는 것을 알 수 있으며 본 실험 결과로부터 최다 가공 경로의 횟수를 결정할 수 있었다. 이와 같은 가공 기초 데이터로부터 Table 2의 최적 조건을 찾을 수 있었다.
- 가공면의 평균거칠기는 약 12nmRa 였다. 직경 300mm 의 글라스 세라믹의 대구경 구면 미러의 초정밀 ELID 연삭 실험을 수행한 결과, 형상정밀도는 개선이 요구되는 수준이나 기상 프루브타입 형상측정기, 이동형 원자간력 현미경, 기상간섭 측정 등 각종 기상계측 시스템의 유효성을 확인할 수 있었으며 이를 이용한 보정 가공을 통해 형상정밀도가 향상된 것을 확인하였다.
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