[논문]PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미세 가공

문인용; 김보현

doi:10.7736/kspe.2013.30.3.284

PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미세 가공
Micro Machining of Titanium Alloy Using Polycrystalline Diamond Tools 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.3, 2013년, pp.284 - 291

문인용 (숭실대학교 기계공학과) , 김보현 (숭실대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Micro cutting of titanium alloy by polycrystalline diamond (PCD) tools was studied. Micro electro discharge machining (MEDM) was used to fabricate customized micro shaping tools from PCD blank. The tool was used to machine micro grooves on Ti alloy and the effects of depth of cut and machining length on tool wear, burr and surface roughness were studied. The shaping tool has cutting edge of a few ${\mu}m$. The crater size of the tool surface was increased with increasing capacitance of EDM machining conditions, which was used to control the surface roughness of the machined micro grooves.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 인가 전압이나 축전용량을 크게 하면 단발방전 에너지가 커져 방전흔의 크기가 커지게 되고 결과적으로 표면 거칠기가 커지게 된다. 따라서 공구의 표면 거칠기가 미세 채널 표면의 거칠기에 미치는 영향을 연구하였다.
하지만 PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미세 채널 가공과 가공 특성, 가공 표면의 거칠기에 대한 연구는 아직 많이 이루어지지 않고 있다. 따라서, 본 논문에서는 미세 방전 가공에 의해 제작된 PCD 공구를 이용하여 티타늄 합금에 미세 채널을 가공 하였을 때의 절삭특성 및 가공 표면에 대해 연구하였다.

가설 설정

따라서 방전 가공을 이용한 공구 제작 시 날 끝 반경을 줄이기 위해 방전 에너지를 최소화하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 PCD 공구의 경사면(rake face)의 경우 부유용량(stray capacitor)을 이용하여 가공하였다. Fig.

제안 방법

5 따라서 본 연구에서는 가공 거리에 따른 공구의 마모와 가공 표면의 변화를 알아보기 위하여 Fig. 1(b)와 같이 절입량 1 µm, 가공 길이 15 mm 씩 가공하여 깊이 50 µm 의 채널을 반복가공하였다.
가공 길이가 증가함에 따른 가공면의 표면 거칠기와 절삭력의 변화를 관찰하였다.
가공 중에 절입량이 증가하도록 하기 위해, Fig. 7 과 같이 가공물을 일정한 각도로(θ)기울인 상태로 가공하여 시작점과 끝점의 가공 깊이를 다르게 하였다.
공구 바닥면(플랭크 면)의 가공 시 방전 에너지를 다양하게 하기 위해 3 가지의 축전용량(0, 10000, 100000 pF)을 사용하였으며, 공구의 날 끝 반경을 최소화 하기 위해 공구의 전면부(경사면)는 모두 부유용량(stray capacitance)을 사용하였다. 전압은 100 V 로 일정하게 사용하였다.
공구는 폭 100 μm 의 직육면체형상으로 제작되었으며 여유각(clearance angle)을 4° 로 제작하기 위하여 수동 고니오 스테이지(goniometer stage)를 사용하였다.
미세 방전 가공으로 다결정 다이아몬드(PCD)의 미세 공구를 제작하였으며, 이를 이용하여 미세 채널을 가공하였다. 방전 가공 에너지를 조절함으로써 공구의 표면 거칠기를 바꿀 수 있었으며, 이 공구로 가공한 미세 채널의 표면 거칠기도 조절할 수 있었다.
본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 3 축 미세 가공기를 구성하여, 지름 1 mm 원통형 PCD 재료를 미세 방전 가공으로 사각단면의 공구 형상으로 가공한 뒤 티타늄 합금 표면에 세이핑(shaping)으로 미세 채널을 가공하였다. 이송기구는 X-Y-Z 축을 기본으로 하고 있으며 각각 0.
실제 공구 표면의 방전흔이 가공 표면에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 방전가공으로 공구를 제작한 뒤 공구를 촬영하였고, 티타늄 합금에 미세 채널을 가공하여 표면을 측정하였다. Fig.
전압은 100 V 로 일정하게 사용하였다. 이 공구를 사용하여 티타늄 합금 표면을 가공하였으며 표면을 관찰하였다. Fig.
8 은 3 차원 미세 형상 측정기를 통하여 측정한 채널의 단면 형상이다. 이를 통해 특정 절입량에서의 버의 높이와 표면 거칠기를 측정하였다. 다른 가공 조건은 Table 3 에 나타내었다.
절입량(depth of cut)에 따른 버(burr)의 높이의 변화를 알아보았다. 가공 중에 절입량이 증가하도록 하기 위해, Fig.
절입량에 따른 가공표면의 거칠기 변화를 알아보기 위한 실험에서는 시편을 기울이지 않은 상태에서 각기 다른 절입량으로 중첩가공하여 실험을 진행하였다. Fig.

대상 데이터

미세 방전 가공에서 PCD 를 가공할 전극으로 두께 300 - 500 µm 의 구리 판재를 사용하였다.

성능/효과

7 과 같이 가공물을 일정한 각도로(θ)기울인 상태로 가공하여 시작점과 끝점의 가공 깊이를 다르게 하였다. 결과적으로 다양한 절입량의 미세 채널 형상을 관찰할 수 있었다. Fig.
미세 방전 가공으로 다결정 다이아몬드(PCD)의 미세 공구를 제작하였으며, 이를 이용하여 미세 채널을 가공하였다. 방전 가공 에너지를 조절함으로써 공구의 표면 거칠기를 바꿀 수 있었으며, 이 공구로 가공한 미세 채널의 표면 거칠기도 조절할 수 있었다. 이는 방전 가공으로 제작된 공구를 이용하면 마이크로 크기의 구조물을 가공함과 동시에 다양한 거칠기의 표면을 얻을 수 있음을 보인다.
PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 가공 특성도 연구하였으며 가공 시 절입량이 증가함에 따라 버의 높이가 증가하였으나, 표면 거칠기에는 큰 변화가 없었다. 본 실험 조건에서는 가공 길이가 증가됨에 따라 공구의 마모가 발생하였으나, 가공면의 표면 거칠기, 절삭력에는 큰 변화가 없었다. 이는 주로 공구 표면의 방전흔에 의해 재료의 가공이 일어나기 때문이다.
18 은 각각의 가공 표면을 비접촉 측정기로 측정한 형상이다. 전체적으로 표면 형상의 큰 변화는 관찰되지 않았으나, 표면의 미세한 버와 선형 자국이 약간씩 변화함을 확인하였다.
6 은 각기 다른 축전용량으로 가공한 공구의 표면(가공전)과 이 공구로 가공한 미세 채널의 가공 표면의 SEM 사진이다. 큰 방전 에너지를 사용할수록 공구의 표면이 거칠어지는 것을 볼 수 있으며, 미세 채널의 표면 또한 거칠기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 각각의 공구 표면과 가공 표면의 거칠기 측정값을 Table 2 에 나타내었다.

후속연구

미세 방전 가공을 통하여 제작된 PCD 공구는 방전 가공에 의해 공구 표면에 형성된 방전흔(crater)의 영향으로 비교적 거친 공구 표면을 갖게 되는데, 이로 인하여 가공된 미세 형상의 표면 또한 공구의 표면과 비슷한 형태로 줄무늬 또는 선형 가공 자국(linear cutter mark)이 남게 된다.² 이러한 줄무늬, 선형 자국은 여러 가지의 기능성 표면 제작에 응용될 수 있을 것이라 예상된다. 하지만 PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미세 채널 가공과 가공 특성, 가공 표면의 거칠기에 대한 연구는 아직 많이 이루어지지 않고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초정밀 연삭 기술, 집속이온빔 가공 기술의 단점은 무엇인가	미세 패턴을 가공하는 방법으로는 주로 단결정 다이아몬드(single crystalline diamond, SCD)로 공구를 제작하여, 이를 회전을 시키거나, 또는 회전 없이 가공하는 방법이 많이 사용되고 있으며, 두 방법 모두 높은 경도의 SCD 를 이용하여 우수한 표면 조도를 얻을 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있다.1 일반적으로 다이아몬드 재료로부터 초정밀 미세 공구로 제작하기 위해 초정밀 연삭 기술, 집속이 온빔 가공(focused ion beam, FIB)기술 등이 사용되는데 이는 시간과 비용이 많이 드는 단점을 갖고 있다.
	마이크로 및 나노 크기의 미세 절삭 가공에서 날 끝 반경이 1회 절입량 보다 크게 되면 어떠한 문제가 있는가	마이크로 및 나노 크기의 미세 절삭 가공에서 날 끝 반경의 크기와 1 회 절입량의 관계가 절삭력 등 절삭 특성에 많은 영향을 미친다는 연구가 이미 많이 수행되어 있다.3 날 끝 반경이 1 회 절입량 보다 크게 되면 절삭보다는 눌림, 혹은 밀림 현상에 의한 가공이 일어나기 때문에 가공 표면 및 공구의 수명에 악영향을 미치게 된다. 따라서 방전 가공을 이용한 공구 제작 시 날 끝 반경을 줄이기 위해 방전 에너지를 최소화하는 것이 중요하다.
	미세 패턴을 가공하는 방법은 무엇이 있는가	1-4 또한, 초소수성 표면 등 다양한 기능성 표면이 주목 받으면서, 그 미세 패턴 금형 제작을 위한 미세 가공 기술들이 연구되고 있다. 미세 패턴을 가공하는 방법으로는 주로 단결정 다이아몬드(single crystalline diamond, SCD)로 공구를 제작하여, 이를 회전을 시키거나, 또는 회전 없이 가공하는 방법이 많이 사용되고 있으며, 두 방법 모두 높은 경도의 SCD 를 이용하여 우수한 표면 조도를 얻을 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있다.1 일반적으로 다이아몬드 재료로부터 초정밀 미세 공구로 제작하기 위해 초정밀 연삭 기술, 집속이 온빔 가공(focused ion beam, FIB)기술 등이 사용되는데 이는 시간과 비용이 많이 드는 단점을 갖고 있다.

참고문헌 (5)

Moriya, T., Nakamoto, K., Ishida, T., and Takeuchi, Y., "Creation of V-shaped microgrooves with flatends by 6-axis control ultra-precision machining," Annals of CIRP, Vol. 59, No. 1, pp. 61-66, 2010.

상세보기
Doan, C. X., Kim, B. H., Chung, D. G., and Chu, C. N., "Fabrication of PCD Micro Tool and its Hybrid Micro Machining," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 28, No. 6, pp. 694-700, 2011.
Ng, C. K., Melkote, S. N., Rahman, M., and Kumar, A. S., "Experimental study of micro- and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 46, No. 9, pp. 929-936, 2005.
Je, T. J., Lee, K. W., Park, S. C., Kim, J. G., Choi, D. S., Park, K. T., and Whang, K. H., "Influence of tool deflection on micro channel pattern of 6:4brass with rectangular tool," Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 19, No. 1, pp. 164-170, 2009.

상세보기
Bai, Q. S., Yao, Y. X., Bex, P., and Zhang, G., "Study on wear mechanisms and grain effects of PCD tool in machining laminated flooring," International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 22, No. 2-3, pp. 111-115, 2004.

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