초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭가공을 위한 하이브리드 가공장비 및 공정기술 개발 Development of Hybrid Machining System and Hybrid Process Technology for Ultra-fine Planing and Micro Punching원문보기
Ultra-fine planing and micro punching are separately used for improving surface roughness and machining dot patterns, respectively, of metal molds. If these separate machining processes are applied for machining of identical molds, there could be an aligning mismatch between the machine tool and the...
Ultra-fine planing and micro punching are separately used for improving surface roughness and machining dot patterns, respectively, of metal molds. If these separate machining processes are applied for machining of identical molds, there could be an aligning mismatch between the machine tool and the mold. A hybrid machining system combining ultra-fine planing and micro punching was newly developed in this study in order to solve this mismatch; hybrid process technology was also developed for machining dot patterns on a mirror surface of a metal mold. The hybrid machining system has X, Y, and Z axes, and a cam axis for ultra-fine planing. The cam axis and attachable and removable solenoid actuators for micro punching can make large and small sizes of dot patterns, respectively. Ultra-fine planing was applied in the first place to improve the surface roughness of a metal mold; the measured surface roughness was about 20nm. Then, micro punching was applied to machine dot patterns on the same mold. It was possible to control the diameter of the dot patterns by changing the input voltage of the solenoid actuator. Before machining, severe inhomogeneous plastic deformation around the machined dot patterns was also removed by annealing heat treatment. Therefore, it was verified that metal molds with dots patterns for optical products can be machined using a hybrid machining system and the hybrid process technology developed in this study.
Ultra-fine planing and micro punching are separately used for improving surface roughness and machining dot patterns, respectively, of metal molds. If these separate machining processes are applied for machining of identical molds, there could be an aligning mismatch between the machine tool and the mold. A hybrid machining system combining ultra-fine planing and micro punching was newly developed in this study in order to solve this mismatch; hybrid process technology was also developed for machining dot patterns on a mirror surface of a metal mold. The hybrid machining system has X, Y, and Z axes, and a cam axis for ultra-fine planing. The cam axis and attachable and removable solenoid actuators for micro punching can make large and small sizes of dot patterns, respectively. Ultra-fine planing was applied in the first place to improve the surface roughness of a metal mold; the measured surface roughness was about 20nm. Then, micro punching was applied to machine dot patterns on the same mold. It was possible to control the diameter of the dot patterns by changing the input voltage of the solenoid actuator. Before machining, severe inhomogeneous plastic deformation around the machined dot patterns was also removed by annealing heat treatment. Therefore, it was verified that metal molds with dots patterns for optical products can be machined using a hybrid machining system and the hybrid process technology developed in this study.
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문제 정의
또한 개발된 하이브리드 가공기를 사용하여 광학부품제조에 사용될 수 있는 점패턴을 갖는 금형을 가공하는 하이브리드 공정기술도 개발하였다. 또한 마이크로 펀칭가공 시 발생되는 점패턴 주변의 소성 변형을 줄이기 위한 공정기술도 개발하였다.
이에 본 연구에서는 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭 가공을 단일장비에서 모두 수행할 수 있는 하이브리드가공기를 제작하였다. 또한 개발된 하이브리드 가공기를 사용하여 광학부품제조에 사용될 수 있는 점패턴을 갖는 금형을 가공하는 하이브리드 공정기술도 개발하였다.
제안 방법
1. 수평방향 X, Y축, 수직방향 Z축, 편심 캠축을 이용한 평삭공정과 편심 캠축 및 솔레노이드 액츄에이터를 이용한 마이크로 펀칭공정을 단일 장비에서 가공할 수 있는 하이브리드 장비를 개발하였다.
이에 본 연구에서는 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭 가공을 단일장비에서 모두 수행할 수 있는 하이브리드가공기를 제작하였다. 또한 개발된 하이브리드 가공기를 사용하여 광학부품제조에 사용될 수 있는 점패턴을 갖는 금형을 가공하는 하이브리드 공정기술도 개발하였다. 또한 마이크로 펀칭가공 시 발생되는 점패턴 주변의 소성 변형을 줄이기 위한 공정기술도 개발하였다.
이러한 인가전압 변화를 통해 가공된 점패턴의 지름을 측정함으로써 마이크로 펀칭가공을 통해 점패턴 지름을 정량적으로 제어할 수 있는지를 검증하고자 하였다. 또한 앞서 초정밀 평삭가공 때와 마찬가지로 일반 시편과 열처리를 한 시편에 대해 마이크로 펀칭가공을 수행하여 기존 연구들에서 보고한 바와 같은 패턴 주변의 소성변형현상의 변화도 측정하고자 하였다. 본 연구를 통한 마이크로 펀칭가공의 자세한 공정조건은 Table 2에 나타내었고, 이를 통해 최종적으로 Fig.
본 연구에서는 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭가공을 단일 장비에서 수행할 수 있는 하이브리드 장비를 제작하고, 이 장비를 이용해 광학부품용 점패턴 가공기술을 개발하여 아래의 결론을 얻을 수 있었다.
앞서 평삭 공정으로 평탄화가공이 완료된 금형에 점패턴 제작을 위한 마이크로 펀칭가공을 진행하였다. 펀칭가공을 위한 공구는 Fig.
평삭가공 후 점패턴 가공을 위해 별도의 펀칭가공기에서 점패턴을 가공하면 장비와 금형 간의 평탄도가 틀어지고 절대좌표가 변경되는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭가공을 동일 장비에서 공구만을 교체하여 수행할 수 있는 하이브리드 가공장비를 제작하였다. 제작된 하이브리드 가공장비는 Fig.
점패턴을 가공하기 전에 금형이 광학제품으로 사용할 수 있는 표면조도를 가지게 하기 위해 초정밀 평삭가공 기반 평탄화가공을 수행하였다. 평탄화가공을 수행하기 위해 Fig.
대상 데이터
평탄화가공을 수행하기 위해 Fig. 3과 같이 반지름 50 mm를 가지는 단결정다이아몬드 공구를 사용하였고, 금형 표면조도 향상을 위해 황삭, 중삭, 정삭으로 나누어 가공을 실시하였다. 황삭은 DOC(Depth of cut) 10 ㎛에 pitch 100 ㎛로 5회 실시하였으며, 중삭 DOC 5㎛에 pitch 100 ㎛로 3회, 정삭 DOC 2 ㎛에 피치(Pitch) 50 ㎛에 2회 실시하였다.
황삭은 DOC(Depth of cut) 10 ㎛에 pitch 100 ㎛로 5회 실시하였으며, 중삭 DOC 5㎛에 pitch 100 ㎛로 3회, 정삭 DOC 2 ㎛에 피치(Pitch) 50 ㎛에 2회 실시하였다. 가공 시편의 소재는 100☓100 ㎜ 64 brass이며 일반 시편과 열처리한 두 가지 시편을 사용하였다. 이는 평삭가공 후 수행할 펀칭가공 시에 점패턴 주변에 불균일한 소성변형현상이 발생하여 가공품질을 저하시키는데, 기존 연구들[2,5-7]에서 풀림열처리를 할 경우 이러한 소성변형현상을 줄일 수 있다고 보고한 것에 따른 것이다.
이론/모형
6과 같이 경면으로 가공된 금형을 얻을 수 있었다. 광학 제품으로 사용가능한 표면조도를 가지는지 확인하기 위해 Taylor Hobson사의 접촉식 프로파일러를 이용해 표면조도를 측정하였다. 측정은 100☓100 ㎜ 시편을 5구간으로 나누어 실시하였다.
성능/효과
2. 개발된 하이브리드 가공장비를 사용하여 실시한 초정밀 평삭가공을 통해 평균 표면조도 20㎚ 대를 가지는 광학용 금형을 가공하였다.
3. 마이크로 펀칭가공에서 솔레노이드 액츄에이터의 인가전압을 제어함으로서 점패턴의 지름을 정량적으로 제어할 수 있었다.
4. 풀림열처리한 시편을 사용하여 점패턴 가공 시 발생하는 소성변형을 대폭 감소시킴으로써 고품위의 점패턴을 가공하였다.
5. 이를 바탕으로 단일장비로 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭가공을 이용해 광학제품으로 사용할 수 있는 표면조도를 가지고 소성변형이 적은 점패턴 금형을 가공할 수 있는 하이브리드 공정기술을 개발하였다.
3 ㎚로 일반 시편보다 표면조도가 조금 상승하였으나 절대값을 기준으로 우수한 표면조도를 나타내었다. 이를 통해 본 연구에서 개발된 하이브리드 가공장비를 이용해 초정밀 평삭 가공을 수행한 금형이 광학 제품으로 사용 가능한 것을 확인하였다.
이를 통해 본 연구에서는 개발된 하이브리드 장비를 이용해 단일 장비에서 초정밀 평삭가공과 마이크로 펀칭가공의 하이브리드 공정을 이용하여 광학제품으로서의 표면조도와 점패턴을 갖는 금형을 가공할 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 개발되는 광학제품들은 1차적으로 수치해석및 시뮬레이션을 통해서 설계하여 어떤 문제점이 있는가?
디스플레이 및 조명 등의 광학산업 발달로 각각의 제품의 특성에 따라 광학적 역할을 수행할 수 있는 다양한 미세패턴의 설계와 가공에 관한 연구가 이루어지고 있다. 최근에 개발되는 광학제품들은 1차적으로 수치해석및 시뮬레이션을 통해서 설계하는데, 이러한 설계는 제조공정 중에 나타나는 표면조도를 고려하지 않기 때문에 실제 제품과 설계치가 다른 문제가 나타난다. 따라서 제조공정에서 표면조도를 최대한 줄여야 하며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 단결정다이아몬드 (Single Crystal Diamond)를 이용한 절삭가공(평삭, 선삭)기술이 적용되고 있다[1].
LCD의 광원으로 어떤 것을 사용하고 있는가?
또한 디스플레이 산업에서 중요한 비중을 차지하고 있는 LCD (Liquid Crystal Display)는 스스로 빛을 내지 못하고 후면에 광원 (BLU, Back Light Unit)을 필요로 한다. 이러한 LCD의 광원으로 기존에는 CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)을 많이 사용하였으나 최근에는 LED (Light Emitting Diode)를 후면 광원으로 많이 사용하고 있다. 선광원인 CCFL을 광원으로 사용하는 경우 프리즘 패턴 같은 선패턴이 유리하였다.
펀칭가공을 통한 점패턴 가공은 어떤 문제를 해결하기 위해 사용되는가?
그러나 LED는 선광원이 아닌 점광원의 형태를 가지기 때문에 프리즘 같은 선패턴보다 마이크로렌즈어레이 (Micro lens array) 같은 점패턴이 유리하다[2-4]. 기존의 점패턴은 대부분 화학적 공정을 이용해 제작을 하기 때문에 공정이 복잡하고 패턴의 형상이 제한적인 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 압입경도 실험방법의 원리를 응용한 펀칭가공을 통한 점패턴 가공이 사용되고 있다.
참고문헌 (7)
Je, T. J., Choi, D. S., Jeon, E. c., Park, E. S. and Choi, H. J., "Trends of Flat Mold Machining Technology with Micro Pattern," J. of KSMPE, Vol. 11, pp. 1-6, 2012.
Jeon, E. c., Je, T. J. and Jang, S. h., "Development of Machining Technology for Non-continuous Pattern Removing Plastic Deformation Around Pattern," J. of KSMPE, Vol. 9, pp. 1-6, 2010.
Tsou, C., Chang, C., Lai, T. and Huang, C., "The Implementation and Performance Evaluation of a Silicon-based LED Packaging Module with Lens Configuration," Mircosystem Tech., Vol. 19, pp. 1851-1862, 2013.
Lee, K. H., Jee, S. H., Kim, S. H., Yoon, Y. S. and Kim, S. H., "Modeling for New Type Backlight Units," Kor. J. Opt. Photon., Vol. 21, pp. 41-45, 2010.
Taljat, B. and Pharr, G. M., "Development of Pile-up During Spherical Indentation of Elastic-plastic Solids," Inter. J. Solids and Struc., Vol. 41, pp. 3891-3904, 2004.
Cheng, Y. T. and Cheng, C. M., "Effects of 'Sinking in' and 'Piling up' on Estimating the Contact Area Under Load in Indentation," Phil. Mag. Let., Vol. 79, pp. 115-120, 1998.
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