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문제 정의
- 본 연구는 최근 많은 주목을 끌고 있는 전해니켈도금된 대면적 롤금형의 프리즘패턴 가공시의 단결정 다이아몬드공구의 마모 및 파손 현상을 분석하고자 수행하였으며, 다음과 같은 사항을 알 수 있었다.
가설 설정
- (4) 본 실험에서 가공속도는 경험상 가공이 가능한 영역으로 설정하였다. 구리로 도금된 롤금형에 비해서 가공속도가 30% 정도 느리기 때문에 향후 생산성 향상을 위하여 가공속도를 높이기 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
제안 방법
- 88° 프리즘 패턴 가공 시에는 별도로 합성 모노 다이아몬드공구로 가공하여, 천연 다이아몬드공구와 합성 모노 다이아몬드공구의 마모 특성을 비교하였다.
- 본 논문에서는 최근 들어 관련 제품들의 미세화 및 대형화에 발맞추어 롤금형에 가공되는 미세패턴의 가공길이가 급격히 증가하고 있으며, 롤금형의 수명 향상을 위해 구리로 도금된 롤금형을 크롬이나 니켈로 코팅하는 대신 니켈도금된 롤금형의 직가공 요구가 증가되는 상황에서 전해 니켈도금된 롤금형을 다이아몬드공구로 가공할때 공구의 마모상태에 대한 실험적인 분석내용을 다루고 있다. 다이아몬드공구의 종류에 따른 공구의 마모상태를 비교하고 가공거리 및 가공속도 변화에 따른 공구의 마모상태 변화에 대해 분석 하기 위하여, 가공실험을 한 후 공구의 마모 상태와 가공된 표면의 품질 분석을 수행하였다.
- 첫 번째 실험(Set 1)은 도금된 재질별로 공구의 마모상태를 분석하기 위하여 전해니켈도금된 롤 금형을 비교적 짧은 거리(20km) 가공한 후 공구 상태를 분석하여, 구리로 도금된 롤금형을 가공한 공구의 마모상태와 비교하였다. 도금 재질을 고려하지 않은 상태에서 가공조건만을 살펴보면 가공속도나 가공거리가 늘어날수록 공구의 마모가 심해질 것으로 생각할 수 있으며, 본 실험에서는 경험상 니켈도금된 롤금형을 가공할 경우 구리로 도금된 롤금형을 가공할 때보다 공구의 마모가 심할 것을 예상하고, 구리로 도금된 롤금형의 가공속도 및 가공거리를 상대적으로 빠르고 길게 설정하였다.
- 두 번째 실험(Set 2)은 다이아몬드공구의 종류에 따른 가공상태 분석을 위하여 구리 및 니켈도금된 소재의 초정밀가공에 사용되는 단결정 다이아몬드공구를 천연소재와 합성소재로 각각 준비하여 가공한 후 공구의 마모상태를 비교하였다. 두 번째 실험에서 사용한 공구는 최근 현업에서의 요구가 잦아진 88° 프리즘패턴 가공에 사용되는 공구이다.
- 본 논문에서는 최근 들어 관련 제품들의 미세화 및 대형화에 발맞추어 롤금형에 가공되는 미세패턴의 가공길이가 급격히 증가하고 있으며, 롤금형의 수명 향상을 위해 구리로 도금된 롤금형을 크롬이나 니켈로 코팅하는 대신 니켈도금된 롤금형의 직가공 요구가 증가되는 상황에서 전해 니켈도금된 롤금형을 다이아몬드공구로 가공할때 공구의 마모상태에 대한 실험적인 분석내용을 다루고 있다. 다이아몬드공구의 종류에 따른 공구의 마모상태를 비교하고 가공거리 및 가공속도 변화에 따른 공구의 마모상태 변화에 대해 분석 하기 위하여, 가공실험을 한 후 공구의 마모 상태와 가공된 표면의 품질 분석을 수행하였다.
- 광학용 부품에 사용되는 미세패턴 제품은 가공 피치가 50㎛이하이기 때문에, 육안으로는 가공상태의 불량여부를 확인하기가 어렵다. 본 연구에서는 가공실험을 수행한 이후 가공길이 증가에 따른 가공불량 여부를 확인하기 위해서 2차원 디지털 현미경을 사용하였다. 현미경은 1000배의 배율을 갖고 있는 Keyence사의 제품을 사용하였으며, 분해능은 0.
- 세 번째 실험(Set 3)에서는 전해니켈도금된 롤 금형을 가공할 때 가공속도 및 가공거리 변화에 따른 공구의 마모상태 변화를 알아보기 위하여 속도와 거리를 변화시켜가면서 가공실험을 한 후 공구의 마모상태를 분석하였으며, 자세한 가공 조건은 Table 1과 같다.
- 전해니켈도금된 롤금형의 가공 시 단결정 다이아몬드공구의 마모에 대해서 분석하기 위해서 본 연구에서는 가공실험을 크게 3가지 세트로 나누어 수행하였다.
- 주요 공구각은 경사각 (Rake Angle) 0°, 여유각 (Clearance Angle) 6°로 이며, Rake 면은 공구의 수명이 가장 길다고 알려진 (1 1 0) 의 방향성을 갖도록 하였다.
- 천연 다이아몬드로 제조된 다이아몬드공구와 합성 모노 다이아몬드로 제조된 다이아몬드공구의 마모 특성을 비교하기 위하여 Table 1의 Set 2와같이 동일한 가공속도에서 가공거리에 변화를 주어 가공실험을 한 후 공구의 마모상태를 분석하였다. 동일한 가공속도 임에도 가공거리가 2배정도긴 천연 다이아몬드공구의 마모가 합성 모노 다이아몬드공구의 마모에 비해서 적게 발생하는 것을알 수 있었다.
- 첫 번째 실험(Set 1)은 도금된 재질별로 공구의 마모상태를 분석하기 위하여 전해니켈도금된 롤 금형을 비교적 짧은 거리(20km) 가공한 후 공구 상태를 분석하여, 구리로 도금된 롤금형을 가공한 공구의 마모상태와 비교하였다. 도금 재질을 고려하지 않은 상태에서 가공조건만을 살펴보면 가공속도나 가공거리가 늘어날수록 공구의 마모가 심해질 것으로 생각할 수 있으며, 본 실험에서는 경험상 니켈도금된 롤금형을 가공할 경우 구리로 도금된 롤금형을 가공할 때보다 공구의 마모가 심할 것을 예상하고, 구리로 도금된 롤금형의 가공속도 및 가공거리를 상대적으로 빠르고 길게 설정하였다.
대상 데이터
- Fig. 3 은 본 연구에서 사용한 경사면의 형상이 90° 인 단결정 다이아몬드공구의 형상을 주사 전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
- 두 번째 실험에서 사용한 공구는 최근 현업에서의 요구가 잦아진 88° 프리즘패턴 가공에 사용되는 공구이다.
- 본 논문의 연구 대상인 대면적 롤금형은 LCD 패널에 들어가는 확산필름의 제작에 사용되며 최근 복합광학 플레이트, X-Ray 형광판, 연료전지 분극판, 태양열 집광판 등의 부품을 성형하기 위한 금형으로도 연구되고 있다. 과거에는 확산필름 및 도광판의 성형을 위하여 평판금형을 많이 사용하였으나, 제품의 대면적화에 따라서 롤금형에 대한 수요가 급증하게 되었다.
- 본 실험에서는 널리 사용되고 있는 90° 형상을 갖는 프리즘패턴과 88° 형상을 갖는 프리즘패턴을 가공할 수 있는 공구를 이용하였으며, 모두 천연 다이아몬드공구이다.
- 본 실험은 미국 무어(Moore)사에서 제작한 초정밀 롤 가공용 선반(Ultra Precision Drum Lathe) 에 니켈도금된 롤금형을 장착하여 수행하였다. Fig.
- 실험에 사용한 공구는 초정밀 광학부품의 가공에 사용되는 단결정 다이아몬드공구이며, 경사면 (Rake face)의 형상에 따라서 프리즘패턴의 형상이 결정된다. 본 실험에서는 널리 사용되고 있는 90° 형상을 갖는 프리즘패턴과 88° 형상을 갖는 프리즘패턴을 가공할 수 있는 공구를 이용하였으며, 모두 천연 다이아몬드공구이다.
- 본 연구에서는 가공실험을 수행한 이후 가공길이 증가에 따른 가공불량 여부를 확인하기 위해서 2차원 디지털 현미경을 사용하였다. 현미경은 1000배의 배율을 갖고 있는 Keyence사의 제품을 사용하였으며, 분해능은 0.05㎛이다. Fig.
성능/효과
- (1) 구리도금한 롤금형과 니켈도금한 롤금형을 각각 가공한 다이아몬드공구의 마모상태를 비교한 결과, 가공속도와 가공거리가 각각 3배 빠르고 4배 이상 길게 가공한 경우에도 구리도금한 롤금형을 가공한 공구의 마모가 적게 일어났다. 이러한 결과를 통해, 가공거리 및 가공속도보다는 롤금형의 도금 재질에 따라서 다이아몬드공구의 마모상태가 크게 변할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- Rahman 등은 단결정 다이아몬드공구 (Single Crystal Diamond Tool)를 이용 하여 무전해니켈도금된 소재(Electroless Nickel Plate)를 가공할 때 공구의 마모를 관찰하였으며, (1) Rake Angle이 0° 일 때, (2) Rake Face가 (1 10) 면을 갖게 될 때 마모가 가장 적게 일어난다는 사실을 발견하였다. (3) T. Freiheit 등은 일반적인 절삭가공 영역에서의 현상이 미세가공 영역으로 완전하게 적용될 수는 없으며, 미세 절삭가공 영역에 대한 이해를 확대하기 위해서는 절삭이론에 대한 새로운 연구와 실험이 필요함을 역설하였다. (4) Zinan Lu와 Takeshi Yoneyama는 약 200mm 크기의 선반을 제작하여 가공실험을 진행 하였는데, 10㎛ Pitch의 가공 시 오차가 약 1㎛정도가 발생되는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 일반 절삭가공 영역에서 가공할 때에 비해서 오차 범위가 비례적으로 줄어들 것이라는 예상이 틀렸음을 증명하였다.
- (3) 전해니켈도금된 롤금형을 가공할 때 가공속도가 빠를수록, 가공거리가 길수록 다이아몬드공구의 마모가 심해지는 것을 알 수 있었다. 그러나 본 연구에서 실험한 가공조건에서는 다이아몬드공구의 마모에 의한 비정상적인 가공이 이루어지지는 않는 것으로 확인되었다.
- Freiheit 등은 일반적인 절삭가공 영역에서의 현상이 미세가공 영역으로 완전하게 적용될 수는 없으며, 미세 절삭가공 영역에 대한 이해를 확대하기 위해서는 절삭이론에 대한 새로운 연구와 실험이 필요함을 역설하였다. (4) Zinan Lu와 Takeshi Yoneyama는 약 200mm 크기의 선반을 제작하여 가공실험을 진행 하였는데, 10㎛ Pitch의 가공 시 오차가 약 1㎛정도가 발생되는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 일반 절삭가공 영역에서 가공할 때에 비해서 오차 범위가 비례적으로 줄어들 것이라는 예상이 틀렸음을 증명하였다. (5) S.
- Fig. 7 (c)의 경우는 다른 사진들과 다르게 배율이 다른 것을 염두에 두고 살펴보면, 가공거리보다는 가공속도가 공구의 마모에 큰 영향을 준다고 볼 수 있으며, 가공속도가 빨라질수록 경사면의 마모가 증가하고 가공거리가 길어질 수록 여유면의 마모가 증가하는 것을 확인할 수있었다. 가공속도의 증가는 절삭온도 상승을 유발하여 가공칩과 경사면의 접촉으로 인한 마모를 촉진하는 것으로 보이며, 가공길이가 늘어남에 따라서 여유면과 가공면의 접촉거리가 늘어나게 되면서 여유면의 마모를 진행시키는 것으로 사료 된다.
- 2㎛ 정도 마모가 되어있음을 알 수 있다. 가공속도가 30%정도 느리고 가공거리가 25% 정도 짧더라도 다이아몬드공구는 구리도금된 롤금형보다는 니켈도금된 롤 금형을 가공할 경우 마모가 급속하게 진전된다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 도금된 재질에 따른 롤금형의 경도 차이에서 기인하는 결과로 사료된다.
- (3) 전해니켈도금된 롤금형을 가공할 때 가공속도가 빠를수록, 가공거리가 길수록 다이아몬드공구의 마모가 심해지는 것을 알 수 있었다. 그러나 본 연구에서 실험한 가공조건에서는 다이아몬드공구의 마모에 의한 비정상적인 가공이 이루어지지는 않는 것으로 확인되었다.
- 천연 다이아몬드로 제조된 다이아몬드공구와 합성 모노 다이아몬드로 제조된 다이아몬드공구의 마모 특성을 비교하기 위하여 Table 1의 Set 2와같이 동일한 가공속도에서 가공거리에 변화를 주어 가공실험을 한 후 공구의 마모상태를 분석하였다. 동일한 가공속도 임에도 가공거리가 2배정도긴 천연 다이아몬드공구의 마모가 합성 모노 다이아몬드공구의 마모에 비해서 적게 발생하는 것을알 수 있었다. 이러한 결과는 Fig.
- (1) 구리도금한 롤금형과 니켈도금한 롤금형을 각각 가공한 다이아몬드공구의 마모상태를 비교한 결과, 가공속도와 가공거리가 각각 3배 빠르고 4배 이상 길게 가공한 경우에도 구리도금한 롤금형을 가공한 공구의 마모가 적게 일어났다. 이러한 결과를 통해, 가공거리 및 가공속도보다는 롤금형의 도금 재질에 따라서 다이아몬드공구의 마모상태가 크게 변할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- (2) 천연 다이아몬드공구와 합성 모노 다이아몬드공구의 마모상태를 비교 분석한 결과 천연 다이아몬드공구의 내마모성이 더 우수한 것을 알수 있었으며, 결정구조의 차이에 의한 것으로 사료되나, 검증을 위한 추가적인 실험 및 재료학적인 분석이 필요하다.
- (4) 본 실험에서 가공속도는 경험상 가공이 가능한 영역으로 설정하였다. 구리로 도금된 롤금형에 비해서 가공속도가 30% 정도 느리기 때문에 향후 생산성 향상을 위하여 가공속도를 높이기 위한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 천연 다이아몬드공구와 합성 모노 다이아몬드공구의 마모상태에 차이가 발생하는 이유는 다이아몬드공구의 결정구조에 의한 특징으로 사료된다. 즉, 합성 인공 다이아몬드는 결정구조가 같은 방향으로 정렬되어 있기 때문에 초기 발생한 마모가 결정구조를 따라서 전파될 가능성이 천연 다이아몬드공구에 비해서 높을 것으로 예상되며, 검증을 위한 추가적인 실험 및 재료학적인 분석이 필요하다.
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