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문제 정의
- 본 논문에서는 PCD 재료를 이용한 미세 공구 제작과 이를 이용한 유리의 미세 형상 가공에 대해 기초적인 연구를 하였으며, 생산성과 가공 정밀도 향상을 위해, 전해 방전 가공(electrochemical discharge machining, ECDM)과 PCD 이용 미 세 연삭 가공을 순차적으로 적용한 복합가공 기술에 대해 연구하였다.
제안 방법
- N 분해 능 1 μm 의 X-Y-Z 스테이지 위에서 미세 공구 제작을 위한 WEDG 장치와 연삭 가공 장치를 하나의 기계 위에서 구현하여, 공구의 교체 없이 바로 가공할 수 있게 하였다. 이는 미세 공구를 장착할 때 발생하는 런아웃을 제거하는데 많은 도움이 된다.
- PCD 연삭 가공의 느린 가공 속도와 ECDM 의 낮은 표면 품질을 개선하기 위해 ECDM 으로 황 삭 가공을 한 후, PCD 공구를 이용한 연삭으로 정삭가공을 하는 복합 가공 공정을 적용하였다.
- 가공 전후의 공구 표면을 살펴보았다. Fig.
- 가공 후 공구 표면에는 가공된 유리 재료가 부착되어 있었으며, 이는 EDX(energy dispersive X-ray) 분석으로 알 수 있었다. 부착된 유리재료로 인해 거 친 공구 표면이 매끄러워진 것을 볼 수 있다.
- 방전흔의 크기는 방전 가공 시 인가하는 방전 에너지, 즉, 전압과 축전 용량에 의해 달라지기 때문에 PCD 를 먼저 큰 방전 에너지로 황삭.가공한 후, 정삭 가공에서 400, 5000, 10000 pF 로 축전 용량을 달리 하여 그 결과를 비 교하였다. Fig.
- 공구의 형상, 공구 표면 거칠기, 다이아몬드 입자 크기 등의 영향에 대해 연구하였으며 PCD 미세 공구를 이용하여 유리의 미세 형상 가공을 하였다. PCD 공구는 미세 방전 가공으로 쉽게 제작할 수 있어 기존 고가의 미세 공구에 대한 대안으로 사용할 수 있으며, 비교적 가공하기 힘든 취성 재료의 3차원 미세 형상 가공에 적용할 수 있다.
- 이를 실험적으로 알아보기 위해 다양한 형태의 공구를 제작하여 유리를 가공하였다. 공구의 형상을 Fig. 3과 같이, 반원형(D 형), 삼각형, 원형 모양으로 제작하였으며, 공구의 크기는 형태마다 다르나, 대략 지름 lOOum 이내로 가공하였다.
- 먼저 ECDM 으로 25 gm 깊이로 한 증씩 가공하여(layer-by-layer) 사각기둥 모양을 가공하였으며, 그 다음 연삭 공정에서는 5 um 깊이로 벽면을 가공하여 마무리 가공을 하였다. ECDM 과 연삭에 쓰인 가공 조건을 table 3 에 나타내었다.
- 먼저 ECDM 을 이용하여 유리에 미세 홈을 가공한 후, ° PCD 공구로 홈의 옆면을 가공하고 가공면을 관찰하였다. 공구의 이송속도는 0.
- 미세 방전 가공으로 PCD 를 가공하여 미세 공구를 제작하였으며, 이에 대한 기초 실험을 수행하였다. 공구의 형상, 공구 표면 거칠기, 다이아몬드 입자 크기 등의 영향에 대해 연구하였으며 PCD 미세 공구를 이용하여 유리의 미세 형상 가공을 하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 일반 범용 와이 어 방전 가공으로 PCD 디스크를 지름 1 mm, 길이 5 mm 의 환봉 모양으로 가공한 뒤, 이를 다시 미세와이어 방전 연삭으로 지름 50 - 60 nm 내외의 미세 공구 형상으로 가공하였다.
- 이는 미세 공구를 장착할 때 발생하는 런아웃을 제거하는데 많은 도움이 된다. 유리 가공 시 가공힘의 크기는 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 일정 기준치(30 mN)보다 측정값이 큰 경우 공구의 이송을 반대 방향으로 하여 공구의 파손을 방지하였다. 실험에 사용된 가공 물은 소다 라임 유리를 사용하였으며, PCD 는 Ⅱ.
- 이를 실험적으로 알아보기 위해 다양한 형태의 공구를 제작하여 유리를 가공하였다. 공구의 형상을 Fig.
대상 데이터
- 문제도 있었다. 본 실험에서는 방전회로로 RC 회로를 사용하였으며, J 인가 전압 100 V, 축전용량 10000 pF, 충전 저 항 1 kQ 의 가공 조건을 사용하였다. 가공 결과 삼각형 공구의 날끝 반경은 약 10 jim 이 었다.
- 유리 가공 시 가공힘의 크기는 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 일정 기준치(30 mN)보다 측정값이 큰 경우 공구의 이송을 반대 방향으로 하여 공구의 파손을 방지하였다. 실험에 사용된 가공 물은 소다 라임 유리를 사용하였으며, PCD 는 Ⅱ.JIN Diamond Co.
성능/효과
- PCD 공구는 미세 방전 가공으로 쉽게 제작할 수 있어 기존 고가의 미세 공구에 대한 대안으로 사용할 수 있으며, 비교적 가공하기 힘든 취성 재료의 3차원 미세 형상 가공에 적용할 수 있다. PCD 미세 공구를 이용한 복합 가공은 기존 전해 방전 가공의 문제점인 낮은 형상 정밀도와 표면 품질을 개선할 수 있음을 보였다. 본 연구의 미세 연삭 가공에서는 가공힘(grinding force) 의 변화가 매우 작아 이를 정확히 측정하기가 어려웠으며, 보다 정밀한 측정 장비를 이용한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 공구의 형상에 따라 큰 차이는 보이지 않았으며, 절삭 날(cutting edge)이 없는 원형 공구도 재료를 가공할 수 있음을 볼 수 있었다. 물론 연삭 등으로보다 날카롭게 제작된 공구를 이용하면 재료가 절삭에 의해 제거되겠지만, 이 실험과 같이 방전가공에 의해 제작된 PCD 공구의 경우, 절삭 (cutting)보다는 PCD 공구 표면의 거친 방 전흔에 의해 연삭(grinding) 과정으로 재료가 제거된다고 판단된다.
- 수 있다. 또한 ECDM 은 본 논문의 연삭 가 공보다 가공 속도가 높기 때문에, 가공 시간 측면에서 효율적 이다. Fig.
- 즉, ECDM 으로 최대한 최종 형상에 가깝게 가공한 뒤 연삭 가공을 적용하면, 연삭에서의 절입량을 최소화할 수 있기 때문에 공구 파손과 가공물 표면의 크랙 발생을 방지할 수 있는 동시에, ECDM 의 낮은 형상 정밀도나 표면 품질도 향상시킬 수 있다. 또한 ECDM 은 본 논문의 연삭 가 공보다 가공 속도가 높기 때문에, 가공 시간 측면에서 효율적 이다.
후속연구
- 본 연구의 미세 연삭 가공에서는 가공힘(grinding force) 의 변화가 매우 작아 이를 정확히 측정하기가 어려웠으며, 보다 정밀한 측정 장비를 이용한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 PCD 공구의 마모, 초고속 스핀들 적용에 따른 가공 특성 등에 대한 연구가 필요하며, 유리뿐만 아니라, 초경합금, 세라믹 재료에의 적용도 기대된다.
- PCD 미세 공구를 이용한 복합 가공은 기존 전해 방전 가공의 문제점인 낮은 형상 정밀도와 표면 품질을 개선할 수 있음을 보였다. 본 연구의 미세 연삭 가공에서는 가공힘(grinding force) 의 변화가 매우 작아 이를 정확히 측정하기가 어려웠으며, 보다 정밀한 측정 장비를 이용한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 PCD 공구의 마모, 초고속 스핀들 적용에 따른 가공 특성 등에 대한 연구가 필요하며, 유리뿐만 아니라, 초경합금, 세라믹 재료에의 적용도 기대된다.
- 하지만 다이아몬드 입자 크기는 공구의 마모나 수명에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다.
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