[논문]초경 금형의 자유 곡면 초정밀 연삭

박순섭; 황연; 김건희; 원종호

문제 정의

따라서 현재 광통신 시스템에서 전기신호를 광신호로 변환시켜주는 광 트랜시버의 메탈 일체형 비 구면 유리렌즈를 최 적설계 하였다. 설계된 렌즈의 커플링 효율은 Fig.
기존의 레이저 빔 보정은 일반적으로 두 개의 왜곡 프리즘을 이용하여 보정하는 방법이 사용되나, 레이저 빔의 시준과 후 전송을 위해 비구면렌즈의 추가 등으로 구조가 복잡하게 되어 제작비용이 증가된다. 본 논문에서는 한 개의 마이크로렌즈를 레이저 다이오드 측에 부착하여 레이저 빔형 상을 보정하는 비축 대칭 비구면 렌즈를 설계하였다. 3
본 연구는 기존의 축 대칭 비구면에 대해 주로 수행되던 초정밀 연삭을 비축 대칭과 자유 곡면에 적용하기 위한 가공 방법론에 대한 연구를 실험적으로 확인하였다. 초정밀 연삭의 범위를 자유 곡면에 적용하게 되면 다양한 광학적 성능의 유리 광학 금형뿐만 아니라 초경 등의 난삭성 재료에대 한 복합 형 상의 초정밀 가공을 수행 할 수 있다.
본 연구에서는 유리재질의 광학계용 비축 대칭 및 자유 곡면 초경 금형의 초정밀 가공 방법론을 제시하고, 소형 부품에 관하여 제한적이나마 연삭 가공의 적용 가능성과 최적 가공 프로세스 확립을 목표로 실린더 형상의 광 트랜시버용 렌즈의 광학 설계와 초경 금형 코어 초정밀 연삭을 수행 하였으며, 연삭 조건에 따른 표면분석으로 비축 대칭 초경 금형 코어의 최적 연삭 공정을 확립하였다.

제안 방법

초정밀 연삭의 범위를 자유 곡면에 적용하게 되면 다양한 광학적 성능의 유리 광학 금형뿐만 아니라 초경 등의 난삭성 재료에대 한 복합 형 상의 초정밀 가공을 수행 할 수 있다.7 이를 위해 실린더 형상의 비축 대칭 광 트랜시버용 렌즈를 CODE-V 를 이용해 설계하고, 설계 데이터를 이용하여 다이아몬드 숫돌의 연삭 경로를 CNC 코드화하여 계산하였다. 연삭 과정 중 숫돌의 마모를 최소화하기 위해 거친 연삭과 정밀 연삭의 경우에 대하여 최적의 공구 회전 속도(RPM), 이 송속도(mm/min), 절 입 깊이(㎛/cycle)를 실험 적 으로 결정하였다.
2 는 최적설계로 정형화된 레이저 파이버커 플링 렌즈의 Fast 축과 Slow 축의 렌즈 형 상을 나타낸다. Fig. 1 과 같이 레이저 다이오드에서 발진 되는 Fast 축과 Slow 축의 타원형 가우시안 빔의 MFD(Mode Field Diameter) 에 대한 최적 Mode matching 설계를 수행하였다.
5%이하인 Binderless 초경합금이다. lOiun 의 분해능을 갖는 초정밀 비구면 가공기와 폴리싱기를 이용하여 Table 2와 같은 가공 연삭 조건을 이용하여 최적의 가공 특성을 도출하였다.
다. 그리고 렌즈의 두 번째 면에서 출력 파이버로 가우시안 빔의 초점을 맺히게 하는 비구면은 아래와 같은 비구면 방정식을 이용하여 최적 설계 되었다.
단 렌즈를 통하여 출사되는 레이저 다이오드 빔의 특성상 Fast 축은 형상의 정형화가 어렵기 때문에 Slow 축에 대한 빔 보정을 하였으며, 빔 보정은 Fast 축과 Slow 축의 방사각에서 나타나는 초점거리 차이를 제거하였다. 초점거리의 차이는 다음과 같은 식에 의하여 계산이 가능하다.
레이저 파이버 커플링 렌즈의 광학설계는 수직입사면, 수평 입사면, 수직 출사면 및 수평 출사 면에 대한 렌즈 곡률, 원추 상수(Conic Constant), 비구면 계수 A 및 B 를 최적화하기 위해서 구면 수차 오차, 커플링 효율 등을 목적함수로 설정한 후 비선형 커브 근사법(Nonlinear Curve Fitting)과 같은 수치 해석적인 방법을 이용하는 Code V 로 최적 설계하고 성능평가는 가우시안 빔의 회절에 대한 line spread function, Point spread hmction 등을 이용하여 최적 설계하였다.
따라서 가공 특성은 다이아몬드 숫돌의 회전속도인 공구 회전속도, 비구면 가공의 연삭 패스의 속도를 결정하는 이송속도, 다이아몬드의 초미세 절입에 의한 표면 거칠기를 결정하는 절입깊이, 숫돌의 mesh 등의 독립변수에 대해 개별적이고 종합적인 실험 데이터가 축적된 상태에서 최적의 가공조건을 확정할 수 있다. 본 연구에서는 Rough/Finish grinding(거 친 연삭/ 정밀 연삭)의 개념 하에 숫돌 mesh 를 #800, #2500 의 상수로 설정하고 공구 회전속도, 이송속도, 절 입 깊이를 변수로 각각의 조건하의 가공속도와 표면 조도 항목을 기준으로 평가 하였다.6
7 이를 위해 실린더 형상의 비축 대칭 광 트랜시버용 렌즈를 CODE-V 를 이용해 설계하고, 설계 데이터를 이용하여 다이아몬드 숫돌의 연삭 경로를 CNC 코드화하여 계산하였다. 연삭 과정 중 숫돌의 마모를 최소화하기 위해 거친 연삭과 정밀 연삭의 경우에 대하여 최적의 공구 회전 속도(RPM), 이 송속도(mm/min), 절 입 깊이(㎛/cycle)를 실험 적 으로 결정하였다. 연삭 과정 후 연삭 마크 제거를 위해 다이아몬드 파우더로 폴리싱 과정을 수행하여 최종적으로 형상정밀도 P-V 0.
연삭 과정 중 숫돌의 마모를 최소화하기 위해 거친 연삭과 정밀 연삭의 경우에 대하여 최적의 공구 회전 속도(RPM), 이 송속도(mm/min), 절 입 깊이(㎛/cycle)를 실험 적 으로 결정하였다. 연삭 과정 후 연삭 마크 제거를 위해 다이아몬드 파우더로 폴리싱 과정을 수행하여 최종적으로 형상정밀도 P-V 0.1138 ㎛, 최대 표면 거 칠기는 Ra4.2nm, Rz 24.155nm 의 광 트랜시버용 비축대칭 글라스 렌즈 금형을 제작하였다.
이상의 광학계의 설계는 근본적으로 레이저 빔의 Fast 축과 slow 축의 가우시안 분포를 얻기 위한 보정을 구현하기 위하여 비구면 설계식에 기반한 실린더 형상의 유리소재 광학계를 요구한다. 이를 유리 몰드 프레스로 성형하기 위하여 초경 소재에 대한 비구면 비축 대칭 가공 과정이 필수적이고, 이는 처음 시도되는 가공방식이다.

대상 데이터

가공에 사용된 금형 코어의 재료는 Table 1 과 같은 WC 를 사용하였으며, Co 함량이 0.5%이하인 Binderless 초경합금이다. lOiun 의 분해능을 갖는 초정밀 비구면 가공기와 폴리싱기를 이용하여 Table 2와 같은 가공 연삭 조건을 이용하여 최적의 가공 특성을 도출하였다.
최적 설계된 비축 대칭 비구면 렌즈는 레이저다이오드에서 출사되어 렌즈에 입사되는 첫 번째 면에서 사용되었으며, 사용된 비구면 방정식은 아래의 수식과 같다.

성능/효과

또한 초정밀 가공은 표면조도와 형상정밀도를 모두 만족시켜야 한다. 따라서 가공 특성은 다이아몬드 숫돌의 회전속도인 공구 회전속도, 비구면 가공의 연삭 패스의 속도를 결정하는 이송속도, 다이아몬드의 초미세 절입에 의한 표면 거칠기를 결정하는 절입깊이, 숫돌의 mesh 등의 독립변수에 대해 개별적이고 종합적인 실험 데이터가 축적된 상태에서 최적의 가공조건을 확정할 수 있다. 본 연구에서는 Rough/Finish grinding(거 친 연삭/ 정밀 연삭)의 개념 하에 숫돌 mesh 를 #800, #2500 의 상수로 설정하고 공구 회전속도, 이송속도, 절 입 깊이를 변수로 각각의 조건하의 가공속도와 표면 조도 항목을 기준으로 평가 하였다.
구면 유리렌즈를 최 적설계 하였다. 설계된 렌즈의 커플링 효율은 Fig. 5 와 같이 -1.292dB 이며 파이버의 miss align 는 5 ㎛의 separation 에 대하여 separation 에 대하여 -1.636dB 의 성능을 보였으며, -1.538dB 이내, 레이저 다이오드의 miss align 는 35 ㎛ 의 디포커스에 대해서는 0.1mm 에 대하여 -1.743dB 이내의 성능을 보였다.
여러가지 실험 결과 최적의 연삭 조건은 가공 효율성을 고려할 때 정밀 연삭 가공에서 다이아몬드 입자 #2500 에서 주축 회전속도는 320rpm, 이송속도는 0.5mm/min, 연삭 깊이는 0.2 ㎛ 일 때 가장 양호한 표면 거 칠기 Ra3.22nm 를 얻을 수 있었다.
연삭 깊이는 0.1 ㎛~0.6 ㎛까지 연삭 깊이를 단계적으로 변화 시켰으며, 그 결과 Fig. 11 과 같이 #800 에서는 Ra 15.37~19.59nm 표면 거칠기로 거친 연삭 가공임을 고려할 때 가장 빠른 이송을 사용할 수가 있었으며, #2500 에서는 Ra 3.33nm 표면 거칠기 값이 나타났으며 점차적으로 증가하는 표면 거칠기가 나타났다.

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