[논문]항공우주용 적외선 광학계 초정밀가공기술

양순철; 김건희; 김효식; 이상용; 김명상; 원종호

문제 정의

Al 6061-T651에 대한 형상정밀도가 X/2 이하를 요구하는 반사경의 가공에 있어서 형상변형을 유발할 수 있는 인자들을 가정하고 그에 대한 영향을 유한요소해석 코드를 이용하여 밝히고자 한다. 각 인자에 대한 고찰은 각각 독립적으로 수행되었으며 초정밀 가공기는 이상적인 조건으로 운전되는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 적외선 카메라 연구 부품의 국산화 일환으로 Al 6061-T651에 대하여 주축 회전수, 절삭깊이, 이송속도에 대한 초정밀 최적 가공조건을 찾아내었다. 이렇게 얻은 A1 가공특성을 이용하여 IR 광학계에 A1 합금을 적용하기 위한 형상정밀도 향상에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 적외선 카메라 연구 부품의 국산화 일환으로 Al 6061-T651에 대한 형상정밀도가 λ/2 (λ =632.8nm) 이하를 요구하는 반사경의 가공에 있어서 형상변형을 유발할 수 있는 인자들을 가정하고 그에 대한 영향을 유한요소해석 코드를 이용하여 밝혀내고, 초정밀가공 최적조건 절삭실험을 통한 항공용 적외선 비구면 광학계의 초정밀가공에 관한 연구사례를 소개하고자 한다.
찾아내었다. 이렇게 얻은 A1 가공특성을 이용하여 IR 광학계에 A1 합금을 적용하기 위한 형상정밀도 향상에 관한 연구를 수행하였다.

가설 설정

각 인자에 대한 고찰은 각각 독립적으로 수행되었으며 초정밀 가공기는 이상적인 조건으로 운전되는 것으로 가정하였다. 본 연구에서 고려한 인자들은 스핀들의 회전수, 반사경이 가공기에 장착되었을 때의 고유진동수, 가공물의 온도상승이고 초정밀 최적가공조건을 찾아내었으며 이렇게 얻은 A1 가공특성을 이용하여 IR 광학계에 A1 합금을 적용하기 위해 본 연구를 수행하였다 Fig.

제안 방법

실험은 단결정 Diamond 공구로 ∅50×t20 크기의 Al 6061-T651 을 단면절삭방법으로 실험을 실시하였다. DTM 에 설치된 압전형 공구동력계를 이용하여 얻은 아날로그 3 축 절삭력 신호를 증폭한 후 AEQ 변환기를 통하여 PC 로 전송하여 데이터 처리하였다. 그리고 A16061- T651 실험결과로 얻어진 최적절삭 조건을 이용하여 대구경 비구면 반사경을 제작하였으며 대구경 반사경의 표면형상을 측정하기 위하여 Laser interferometer WYK06000 을 사용하였다.
DTM 에 설치된 압전형 공구동력계를 이용하여 얻은 아날로그 3 축 절삭력 신호를 증폭한 후 AEQ 변환기를 통하여 PC 로 전송하여 데이터 처리하였다. 그리고 A16061- T651 실험결과로 얻어진 최적절삭 조건을 이용하여 대구경 비구면 반사경을 제작하였으며 대구경 반사경의 표면형상을 측정하기 위하여 Laser interferometer WYK06000 을 사용하였다. Table 1에서 실험조건을 나타낸다.
조화하중을 받게 된다. 따라서 구조물의 고유 진동해석을 수행하였다. Fig.
각 인자에 대한 고찰은 각각 독립적으로 수행되었으며 초정밀 가공기는 이상적인 조건으로 운전되는 것으로 가정하였다. 본 연구에서 고려한 인자들은 스핀들의 회전수, 반사경이 가공기에 장착되었을 때의 고유진동수, 가공물의 온도상승이고 초정밀 최적가공조건을 찾아내었으며 이렇게 얻은 A1 가공특성을 이용하여 IR 광학계에 A1 합금을 적용하기 위해 본 연구를 수행하였다 Fig. 1 는 반사경에 대한 대칭인 유한요소 해석모델을 보인다. 사용된 요소는 8 절점의 3차원 solid 요소이다.
알루미늄 합금인 AL6061-T651의 초정밀 최적 가공 조건을 찾기 위하여 절삭속도, 절삭 깊이와 이송속도에 대한 표면 거칠기를 즉정하여 최적 초정밀 가공조건을 찾아내었으며 가공조건은 Table 1 과 같다. 또한 절삭력을 측정하기 위하여 구성된 실험 장치의 개략도는 Fig.
적외선 카메라 연구 부품인 A16061-T651 비구면 반사경의 가공변형에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대하여 해석적 방법으로 검토하였으며, 실험을 통해 초정밀 최적가공조건을 찾아내어 항공기용 비구면 반사경을 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 초정밀 가공기는 RTH 사의 Nanoform 600 다이아몬드 터닝 머신(SPDTM)이다.
1 는 반사경에 대한 대칭인 유한요소 해석모델을 보인다. 사용된 요소는 8 절점의 3차원 solid 요소이다. 볼트 체결부를 제외하면 축대칭 모델을 활용할 수 있으나 반사면의 반대면에 체결판을 형성하여 3개의 볼트로 구속조건을 부여하므로 3 차원 대칭 모델을 사용하였다.
6 에서 보여주고 있다. 실험은 단결정 Diamond 공구로 ∅50×t20 크기의 Al 6061-T651 을 단면절삭방법으로 실험을 실시하였다. DTM 에 설치된 압전형 공구동력계를 이용하여 얻은 아날로그 3 축 절삭력 신호를 증폭한 후 AEQ 변환기를 통하여 PC 로 전송하여 데이터 처리하였다.
실험을 통하여 얻어진 A16061-T651의 최적 가공조건을 통하여 곡률 236 mm, 직경 200 mm의 대구경 구면 반사경을 제작하였다. Vacuum chuck 의 진공압력에 의한 제품의 변형을 방지하기 위하여 특수한 지그를 설계 제작이 필요하였으며, 이에 일반적인 평판형상의 지그를 사용한 결과보다 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
측정기의 측정범위는 최대 loo mmX 100 mm 이며, 측정범위로는 0.1 nm~150 ㎛이며, 분해능은 0.1 nm이고 자동 포커싱 타입이다. 표면 형상측정으로는 접촉식 즉정기인 Form Talysurf Series! 와 Laser Interferometer WYK06000 < 이용하였다.

이론/모형

사용된 요소는 8 절점의 3차원 solid 요소이다. 볼트 체결부를 제외하면 축대칭 모델을 활용할 수 있으나 반사면의 반대면에 체결판을 형성하여 3개의 볼트로 구속조건을 부여하므로 3 차원 대칭 모델을 사용하였다.

성능/효과

1. 반사경의 가공변형에 가장 큰 영향을 주는 인자는 온도상승에 따른 변형에서 유발되는 것으로 평가된다. 이것은 적용된 소재가 열팽창계수 가상대적으로 높은 알루미늄 합금이기 때문이다.
8 은 단결정 다이아몬드 바이트를 사용하여 A16061-T651 을 이송속도 10 mm/min, 절삭 깊이 4 ㎛로 고정하고, 절삭 조건에서 주축 회전수 변화에 따른 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 110~ 300 m/min 까지 절삭속도를 단계적으로 변화 시켰으며, 그 결과 HO m/min 에서 점 점 회 전수를 증가시킴에 따라 표면 거칠기가 향상되고 220 m/min 이상의 속도에서는 표면 거칠기의 변화가 거의 나타나지 않는 것을 확인함으로써 220 m/min 이 상으로 공작물을 가공하는 것이 제품의 정밀도 향상에 유리하다는 것을 알 수 있다.
2. 본 연구에서 A16061-T651 표면 거칠기 측정을 통하여 얻어진 결과로서 최 적절삭조건은 절삭속도 220 m/min, 절삭 깊이 4 ㎛, 이송속도 1 mm /min 일 때 Ra 2.32 nm 의 표면 거 칠기 결과를 얻을 수 있었다.
3. 특수설계 제 작한 지 그를 사용하여 최 적절 삭조 건으로 직경 200 mm 구면 반사경을 가공한 결과 P-V 0.351 ㎛, 비구면 형상은 P-V 0.374 ㎛ 를 얻을 수 있었다.
구면 반사경을 제작하였다. Vacuum chuck 의 진공압력에 의한 제품의 변형을 방지하기 위하여 특수한 지그를 설계 제작이 필요하였으며, 이에 일반적인 평판형상의 지그를 사용한 결과보다 양호한 결과를 얻을 수 있었다. Fig.
5에 나타내었다. 해석에서 구한 PV 값은 약 8.509 ㎛이므로 온도와 PV 값이 선형 적이라 가정하면 VC의 온도변화에 대하여 약 1.702 ㎛의 PV 값을 예측할 수 있다. 이 값은 주어진 요구 조건에 비해 매우 큰 값으로 가공물의 작은 온도상승이라도 반사경의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
2(b)는 스핀들의 회전속도가 lOOOrpm 에서 2000rpm 까지에 대하여 반경에 따른 축방향 변위를 보인 것이다. 회전속도에 따라 축방향 변위의 최대값이 비례하는 것을 확인할 수 있으며 반경 49mm 를 기준으로 이보다 작은 반경영역에서는 양의 변위를 이보다 큰 반경 영역에서는 음의 변위를 보인다. 회전속도가 2000rpm 의 경우 축방향 최대변위는 1.

후속연구

374 ㎛를 얻을 수 있었다. 향후 지그에서 발생되는 오차를 줄이기 위한 수치해석과 가공특성 실험을 통하여 비구면의 형상정밀도 향상에 관한 연구를 수행 하고자 한다.

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