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문제 정의
- MRpolishinge 초경면 연마와 표면하부손상(Subsurface damage)의 최소화로 재료 표면의 품질 향상에 큰 장점을 보이고 있으나, 낮은 재료 제거율로 인한 가공 시간의 증가로 생산성에 문제점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 SUS304 시편의 고정도 경면연마 실험을 위해 EP와 MR polishing 공정의 이론적 원리를 설명하고, 위의 두 공정의 기초 실험과 복합 공정 실험을 수행하였으며, 표면 거칠기 향상 및 가공효율 특성에 대한 고찰을 통하여 그 결과를 분석하였다.
- 본 실험에서는 EP 공정을 이용하여 SUS 304 시편 (10mm xlOmmxlOmm)에 대한 평탄화 연마를 수행한 후 표면 거칠기 특성을 고찰하였다. EP를 위한 실험장치의 구성도를 Fig.
- 고찰하였다. 본 실험은 MR polishing을 위한 기존 의전처리 공정을 EP로 대체하여 짧은 시간으로 전처리 공정의 효과를 극대화시켜 전체 연마시간을 단축하는데 목적을 두었다. 실험에 사용된 MR 유체는 Carbonyl Iron을 자성 입자로, 나노 세리아 슬러리를 연마재로 구성하였으며, SUS304 의 고정도 경 면연마에 있어 EP 와 MR polishing의 복합공정을 통하여 휠 속도와 와 자기장 세기의 변화에 따른 표면 거칠기 변화를 고찰할 수 있었으며, 이에 따른 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
제안 방법
- (1) SUS 304 의 고정도 경면연마를 위해 Electro-polishing 과 MR polishing 공정을 수행하였다.
- (3) 실험에 人}용된 MR 유체는 Carbonyl Iron과 나노 세리아 슬러리로 구성하였으며, 적용된 가공변수는 휠의 회전속도와 자기장의 세기로 선정하였으며, 조건 별로 표면 거칠기를 고찰하였다.
- EP 시간에 대한 표면 거칠기의 변화를 고찰하기 위하여Rmax=15|im, Ra=3|im인 시편으로 5(只300sec까지 가공시간을 변화시키며 실험을 수행하였다. 전류밀도는 피트 현상을 방지하기 위해 9.
- 본 연구에서는 전해연마(Electro-polishing, EP)와 최근 광학소자 연마에 각광받고 있는 MR polishing 기술을 산업분야 전반에 널리 이용되고 있는 SUS304의 고정도 경면연마에 복합적으로 적용하였다. 그 결과를 기존의 단일 연마 특성과 비교함으로써 본 연구에서 제안한 복합가공의 적용 타당성을 고찰하였다.
- 동일한 조건의 EP 공정과 각각의 조건에 따른 MR poHshing 실험 후, 비접촉식 표면 측정기(Zygo NV6200)를 이용한 측정 결과를 분석하여 각 공정 후의 표면 거칠기 변화를 고찰하였다. 본 실험에 사용된 MR polishing 공정 변수로 휠 의회 전속 도와 자기장의 세기를 선정하였으며 회전속도의 조건은 309mm/sec(50rpm)~l854mm/sec(300rpm), 자기장의세기는 3.
- 공작물의 정확한 고정과 정확한 위치 제어는 정밀한 가공을 위한 매우 중요한 요건이며, 이러한 장치들의 초기 셋업에 대한정확도는 전체 시스템의 성능을 좌우하게 된다. 따라서 고수준의 분해능을 가지는 레이저 센서를 사용하여 공작물의 tilting을 측정하여 Z축 스테이지에 장착한 지그를 이용하여 오차범위 약 0.2~0.3um 이내로 조절될 수 있도록 하였다.
- 복합 연마가공 실험은 먼저 선정된 조건을 이용하여 EP를 거친 시편에 대해 MR polishing을 수행하였으며, 각 조건에 대해 시편의 표면 거칠기 거동을 분석하여 그 결과를 기존의 방법과 비교하였다.
- 본 실험에서는 SUS304 시편에 대한 EP와 MR polishing복합 공정 연마실험을 적용하여 가공시간 및 표면 거칠기 특성을 고찰하였다. 본 실험은 MR polishing을 위한 기존 의전처리 공정을 EP로 대체하여 짧은 시간으로 전처리 공정의 효과를 극대화시켜 전체 연마시간을 단축하는데 목적을 두었다.
- 본 연구를 통해 제시된 복합 연마의 효율을 비교하기 위해서 동일한 표면 품위에 따른 조건하에서 래핑-MR polishing 의 결과와 본 연구에서 제안한 EP-MR polishing 복합 공정의 결과를 비교하였다. 일반 polishing(래핑-MR polishing) 공정을 수행하기 위하여 #400, #800, #1200 그리고 #1500 mesh 의 SiC 입자를 사용하여 래핑 공정을 하여 EP 공정을 통해 얻은 표면 거칠기 값과 근사한 결과를 얻었다.
- Kim°)은 레이저와 방전가공의 복합가공을 통한 미세 홀 가공의 효율성에 대한 연구를 발표하였으며, Allen® 등은 금속 박막에 복합 가공 공정을 이용하여 가공시간을 단축하는 결과를 보이기도 하였다. 본 연구에서는 전해연마(Electro-polishing, EP)와 최근 광학소자 연마에 각광받고 있는 MR polishing 기술을 산업분야 전반에 널리 이용되고 있는 SUS304의 고정도 경면연마에 복합적으로 적용하였다. 그 결과를 기존의 단일 연마 특성과 비교함으로써 본 연구에서 제안한 복합가공의 적용 타당성을 고찰하였다.
- 시스템은 구리전극을 전해조 안의 음극에 연결하고 양극에 연결된 지그를 스테핑 모터에 의해 구동되는 이송 장치에 부착하여 전해조 내에서 공작물의 위치 조절이 용이하도록 구성하였다. 전원부는 펄스 발생기를 이용하여 전압 조정을 통해 전류 밀도를 조절 할 수 있도록 하였다.
- 2KA/m로 설정하였다. 시편과 휠 사이의 간격은 0.5mm로 유지하고 이송속도는 0.5nnn/min로 설정하여 Raster 방식의 가공경로에 의해 총 20분간 연마실험을 수행하였다. 초기 시편의 표면 거칠기는 EP 실험을 통해 설정한 전류밀도 9.
- 0A/cm2, 가공시간: 300sec)으로 얻어진 시편을 대상으로 MR polishing 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시스템은 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 회전하는 원형 전자석 휠에 MR 유체가 부착되어 연마작업을 수행하도록 제작되었으며, 휠의 상부에 설치된 슬러리 주입구를 통하여 독립적으로 연마 슬러리를 유연하게 공급하도록 하였다.
- 실험에서는 전해액의 조성, 전해액의 온도 및 공작물과 전극의 간극을 고정 실험조건으로 선정하였으며 전류 밀도와 가공 시간을 변화시키며 EP를 수행하였다. 전해액은 황산 (H2SO4), 인산(H3PO4)과 증류수를 5:3:2의 혼합비로 구성하였고, 기존의 예비실험 결과 연마효과가 가장 좋았던 전해액 온도인 68℃ 에서 실험을 수행하였다.
- 앞에서 기초실험을 통해 얻은 EP 조건(전류밀도: 9.0A/cm2, 가공시간: 300sec)으로 얻어진 시편을 대상으로 MR polishing 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시스템은 Fig.
- 비교하였다. 일반 polishing(래핑-MR polishing) 공정을 수행하기 위하여 #400, #800, #1200 그리고 #1500 mesh 의 SiC 입자를 사용하여 래핑 공정을 하여 EP 공정을 통해 얻은 표면 거칠기 값과 근사한 결과를 얻었다. 이후 MR polishing 공정을 휠 회전속도(Wheel speed), 자기장의 세 7] (magnetic field intensity)를 변수로 하여 20분 동안 수행하여 최상의 표면 거 칠기 (Ra=1.
- 전원부는 펄스 발생기를 이용하여 전압 조정을 통해 전류 밀도를 조절 할 수 있도록 하였다.
- 변화시키며 EP를 수행하였다. 전해액은 황산 (H2SO4), 인산(H3PO4)과 증류수를 5:3:2의 혼합비로 구성하였고, 기존의 예비실험 결과 연마효과가 가장 좋았던 전해액 온도인 68℃ 에서 실험을 수행하였다. 공작물과 전극의 간극은 0.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 MR polishing 공정 변수로 휠 의회 전속 도와 자기장의 세기를 선정하였으며 회전속도의 조건은 309mm/sec(50rpm)~l854mm/sec(300rpm), 자기장의세기는 3.8~6.2KA/m로 설정하였다. 시편과 휠 사이의 간격은 0.
- 본 실험에서 사용된 연마재는 나노 세리아 슬러리(Celexis Cx slurry)이며 연마입자에 대한 물성치를 Table 3에 나타내었다.
- 본 실험은 MR polishing을 위한 기존 의전처리 공정을 EP로 대체하여 짧은 시간으로 전처리 공정의 효과를 극대화시켜 전체 연마시간을 단축하는데 목적을 두었다. 실험에 사용된 MR 유체는 Carbonyl Iron을 자성 입자로, 나노 세리아 슬러리를 연마재로 구성하였으며, SUS304 의 고정도 경 면연마에 있어 EP 와 MR polishing의 복합공정을 통하여 휠 속도와 와 자기장 세기의 변화에 따른 표면 거칠기 변화를 고찰할 수 있었으며, 이에 따른 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
성능/효과
- (2) 기존의 래핑공정을 EP로 대체하였으며, 짧은 시간에 기계적 polishing과 유사한 효과를 확인할 수 있었다.
- (4) 실험결과 휠의 회전속도 증가는 표면 거칠기를 향상시키는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 MR 유체의 조밀한 입자와 MR polishing 공정의 낮은 재료제거율이 연마에 영향을 주었기 때문이다. 이에 따른 결과로 표면의 경 면 효과를 확인할 수 있었다.
- 0A/cn?와 가공시간 300sec의 조건을 통해 얻은 Ra=42nm 수준으로 일정하게 유지시켰다. Fig. 9와 10에 나타낸 것처럼 다양한 실험 조건에 의해 수행된 MR polishing 결과로 EP에 의한 결과보다 향상된 표면 거칠기를 얻을 수 있었다. 이는 MR polishinge 유체유동에 의해 전단응력을 받는 지립으로 재료를 제거하기 때문에 제거 메커니즘의 차이로 인하여 전해연마에 의한 것보다 훨씬 좋은 표면 거칠기를 얻을 수 있기 때문이다.
- 12는 위의 두 가지 복합공정 사이의 표면 거칠기를 비교한 것이다. 기존의 일반적 polishing과 MR polishing의복합공정을 수행할 경우 원 시편에 대한 다단계의 래핑을거쳐 MR polishing 공정을 수행하여야 하지만 EP와 MR polishing 의 복합공정을 이용하면 전 공정을 EP 한 단계의 공정으로 단축시킬 수 있었다. 두 공정 사이의 가공시간을비교한 결과 일반적인 polishing 공정과 MR polishing의 복합공정은 최상의 표면 거칠기(Ra=1.
- 기존의 일반적 polishing과 MR polishing의복합공정을 수행할 경우 원 시편에 대한 다단계의 래핑을거쳐 MR polishing 공정을 수행하여야 하지만 EP와 MR polishing 의 복합공정을 이용하면 전 공정을 EP 한 단계의 공정으로 단축시킬 수 있었다. 두 공정 사이의 가공시간을비교한 결과 일반적인 polishing 공정과 MR polishing의 복합공정은 최상의 표면 거칠기(Ra=1.639nm)를 얻기 위해 래핑 20분 및 MR polishing 20분으로 총 40분의 가공 시간이 소요되었지만 EP와 MR polishing을 적용할 경우 최상의 표면 거칠기(Ra=1.167nm)를 얻기 위해 EP 5분, MR polishing 20분으로 총 25분의 시간이 소요되었다. 따라서 연마 효율이 낮은 철계 재료는 일반적인 연마 방법으로는 형상 정밀도를 달성하기 어렵다는 문제점을 안고 있기 때문에, 본 연구에서 제시한 복합 연마기술을 통해 최소한의 연마로 경 면 가공한다면 가공 시간을 획기적으로 단축하고 원가 절감에 크게 기여할 것이라 판단되며, 또한 이러한 비교 실험을 통해 고강성의 재료의 경면 가공에 효과적이라는 것을 알 수 있다.
- 흐冈만 MR polishing 자체의 낮은 재료 제거율로 가공물의 표면 거칠기 향상은 적은 가공 시간에서는 오히려 높은 제거율을 가지는 높은 자장의 조건에서 큰 효과를 보일 수 있다. 또한 휠 속도의 상승과 자장의 세기가 작아질수록 가공면의 표면 거칠기가 향싱■이 되는 것을 알 수 있었다. 연마된 표면은 휠 속도 1854mm/sec, 자기장 세기 3.
- 3~20A/cm2의 비교적 높은 전류밀도의 영역에서 실험을 하였기 때문에 가공 시간은 150sec로 짧게 유지시켰다. 실험 결과 전류밀도가 높아질수록 표면 거칠기도 향상되는 것을 그래프에서 확인할 수 있는데, Ra 값은 9A/cm2에서부터 표면 거칠기의 향상이 둔화 되지만 Rmax 값은 표면 돌출부의 전해작용에 의해 15A/cm2 까지 지속적으로 향상되는 것을 알 수 있다.
- 이로부터 전류밀도가 전해 연마에서 중요한 가공특성 임을 알 수 있으나, 전체적인 평탄화 및 연마에 있어 특정 값(본 실험에서는 15A/cm2) 이상에서는 큰 변화가 일어나지 않는다는 것을 알 수 있으며 이는 전해연마 가공을 통한 표면 거칠기 향상의 한계를 나타낸다고 할 수 있다.
후속연구
- 167nm)를 얻기 위해 EP 5분, MR polishing 20분으로 총 25분의 시간이 소요되었다. 따라서 연마 효율이 낮은 철계 재료는 일반적인 연마 방법으로는 형상 정밀도를 달성하기 어렵다는 문제점을 안고 있기 때문에, 본 연구에서 제시한 복합 연마기술을 통해 최소한의 연마로 경 면 가공한다면 가공 시간을 획기적으로 단축하고 원가 절감에 크게 기여할 것이라 판단되며, 또한 이러한 비교 실험을 통해 고강성의 재료의 경면 가공에 효과적이라는 것을 알 수 있다. Fig.
- 향후 MR polishing 과 EP의 지속적인 연구를 통해 연마성능을 향상시킴과 동시에 여러 실험조건의 적용으로 최적의 조건을 도출해 낸다면, SUS 304를 포함하여 여러 산업 분야에 널리 이용되고 있는 타 금속재료에도 본 연구 결과의 적용이 가능할 것으로 보인다.
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