단결정 다이아몬드 공구에 의한 비철금속과 폴리머 소재의 마이크로 트렌치 가공특성 비교 Comparison of Micro Trench Machining Characteristics with Nonferrous Metal and Polymer using Single Diamond Cutting Tool원문보기
Micro trench structures are applied in gratings, security films, wave guides, and micro fluidics. These micro trench structures have commonly been fabricated by micro electro mechanical system (MEMS) process. However, if the micro trench structures are machined using a diamond tool on large area pla...
Micro trench structures are applied in gratings, security films, wave guides, and micro fluidics. These micro trench structures have commonly been fabricated by micro electro mechanical system (MEMS) process. However, if the micro trench structures are machined using a diamond tool on large area plate, the resulting process is the most effective manufacturing method for products with high quality surfaces and outstanding optical characteristics. A nonferrous metal has been used as a workpiece; recently, and hybrid materials, including polymer materials, have been applied to mold for display fields. Thus, the machining characteristics of polymer materials should be analyzed. In this study, machining characteristics were compared between nonferrous metals and polymer materials using single crystal diamond (SCD) tools; the use of such materials is increasing in machining applications. The experiment was conducted using a square type diamond tool and a shaper machine tool with cutting depths of 2, 4, 6 and 10 ${\mu}m$ and a cutting speed of 200 mm/s. The machined surfaces, chip, and cutting force were compared through the experiment.
Micro trench structures are applied in gratings, security films, wave guides, and micro fluidics. These micro trench structures have commonly been fabricated by micro electro mechanical system (MEMS) process. However, if the micro trench structures are machined using a diamond tool on large area plate, the resulting process is the most effective manufacturing method for products with high quality surfaces and outstanding optical characteristics. A nonferrous metal has been used as a workpiece; recently, and hybrid materials, including polymer materials, have been applied to mold for display fields. Thus, the machining characteristics of polymer materials should be analyzed. In this study, machining characteristics were compared between nonferrous metals and polymer materials using single crystal diamond (SCD) tools; the use of such materials is increasing in machining applications. The experiment was conducted using a square type diamond tool and a shaper machine tool with cutting depths of 2, 4, 6 and 10 ${\mu}m$ and a cutting speed of 200 mm/s. The machined surfaces, chip, and cutting force were compared through the experiment.
이에 따라 본 연구에서는 비철금속 소재인 황동, 순동, 니켈과 투명 폴리머 소재인 PC, PVC, PMMA를 이용하여,소재에 따른 초정밀 미세 패턴 가공 특성을 비교 분석하고자 하였다. 가공실험은 폭 60 µm의 사각 다이아몬드 공구를 이용하여 마이크로 트렌치(trench) 형상을 가공하며 가공조건에 따른 가공표면의 상태(상면 버, 코너 뜯김, 표면조도) 및 절삭력 등을 비교하였다.
제안 방법
이에 따라 본 연구에서는 비철금속 소재인 황동, 순동, 니켈과 투명 폴리머 소재인 PC, PVC, PMMA를 이용하여,소재에 따른 초정밀 미세 패턴 가공 특성을 비교 분석하고자 하였다. 가공실험은 폭 60 µm의 사각 다이아몬드 공구를 이용하여 마이크로 트렌치(trench) 형상을 가공하며 가공조건에 따른 가공표면의 상태(상면 버, 코너 뜯김, 표면조도) 및 절삭력 등을 비교하였다.
본 연구에서는 비철금속과 폴리머 소재의 가공특성분석을 위하여 사각 다이아몬드 공구에 의한 마이크로 트렌치 가공실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
트렌치 패턴은 사각 형상의 채널로 가공특성을 분석하기에 알맞은 형상이다. 실험에 사용한 가공조건은 표 1과 같고, 절삭속도는 앞서 발표된 논문의 가공결과를 고려하여 가장 좋았던 200 mm/s의 속도[2]로 가공하였으며 이에 따른 결과를 SEM사진과 절삭력, 표면조도를 통해서 분석하였다. 절삭력은 5회 가공된 절삭력의 평균값을 사용하였고 표면조도는 중심선 조도(Ra)값으로 5회 측정에서 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
표 2에 본 실험에 사용된 비철금속 3종과 폴리머 3종을 나타내었다. 비철금속 소재는 현재 성형용 몰드로 많이 사용되며 절삭성이 잘 알려진 6:4황동, 니켈, 무산소동을 사용하였고, 폴리머 소재는 UV 수지를 사용한 성형에 사용이 가능한 투명 소재인 PMMA, PC, PVC를 사용하였다. 실험에 사용된 소재들은 인장강도, 연성, 경도의 범위가 다양하게 하여 이에 따른 영향의 비교가 잘 되도록 하였다.
공구동력계는 엠프를 통해 컴퓨터에 연결하여 실시간으로 측정되는 절삭력을 관찰할 수 있게 하였다. 실험에 사용된 공구(신진다이아몬드, MO07737)는 싱글 크리스탈 다이아몬드로(SCD) 공구폭 60 µm, 공구길이 200µm의 스트레이트 타입의 공구를 사용하였다.
그림 1은 본 실험에서 사용된 마이크로 플레이닝 가공공정 장치의 구성도를 나타낸 것이다. 플레이닝 장치는 X, Y, Z축의 3축으로 구동되며 LM가이드를 통해 움직이며 각축의 최대 스트로크는 각각 900, 900, 200 mm이다. Y축의 스테이지 위에 지그를 장착하여 가공소재를 장착할 수 있게 하였고 Z축에는 공구동력계(Kistler 9256C2)와 공구를 장착하여 공구에 가해지는 절삭력을 측정할 수 있게 하였다.
성능/효과
1) 트렌치 가공표면은 비철금속소재가 폴리머 소재에 비하여 표면조도가 좋고, 상면 버가 적으며 트렌치 코너의 뜯김이 적어 우수한 결과를 보였다.
2) 비철금속의 가공결과 비교에서는 Cu, Ni 소재의 가공표면이 brass 가공에 비하여 상면 버 및 코너 뜯김 현상이적게 발생하였다. 폴리머의 가공결과 비교에서는 PMMA, PC, PVC 순으로 버 및 코너의 뜯김 현상이 적게 발생하였다.
3) 절삭력은 비철금속 소재가 폴리머 소재에 비하여 크게 나타났다. 이는 비철금속 소재의 인장강도가 폴리머소재에 비해 큰 것에 기인한 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단인 다이아몬드 공구를 이용한 가공기술은 어떤 특성을 가지고 있는가?
단인 다이아몬드 공구를 이용한 가공기술은 뛰어난 재료 제거율, 고품질의 가공표면, 간단한 가공 공정 등의 특성을 가지고 있어, 각종 광학 부품 및 렌즈, 디스플레이 분야의 도광판 및 프리즘 필름 등 초정밀 경면 미세 패턴 금형 가공에 많이 적용되고 있다[1-2]. 그러나 다이아몬드공구를 이용한 마이크로 패턴 가공에서도 가공소재 및 가공조건에 따라 버(burr) 및 공구 변형의 문제가 발생한다[3-7].
다이아몬드공구를 이용한 마이크로 패턴 가공에서 발생하는 문제는?
단인 다이아몬드 공구를 이용한 가공기술은 뛰어난 재료 제거율, 고품질의 가공표면, 간단한 가공 공정 등의 특성을 가지고 있어, 각종 광학 부품 및 렌즈, 디스플레이 분야의 도광판 및 프리즘 필름 등 초정밀 경면 미세 패턴 금형 가공에 많이 적용되고 있다[1-2]. 그러나 다이아몬드공구를 이용한 마이크로 패턴 가공에서도 가공소재 및 가공조건에 따라 버(burr) 및 공구 변형의 문제가 발생한다[3-7]. 이에 따라 Kim 등은 V형 다이아몬드 공구를 이용하여 Ni 도금 층의 정밀 미세 가공 절삭성에 관한 연구를 하였으며[8], F Z Fang 등은 V형 다이아몬드 공구를 이용하여 출구 버를 줄이는 연구를 하였고[9], Je 등은 직사각형 공구를 이용하여 다이아몬드 공구의 변형 및 버에 관한 연구를 수행하였다[10].
단결정 다이아몬드 공구에 의한 비철금속과 폴리머 소재의 가공특성분석 비교연구 결과는?
1) 트렌치 가공표면은 비철금속소재가 폴리머 소재에 비하여 표면조도가 좋고, 상면 버가 적으며 트렌치 코너의 뜯김이 적어 우수한 결과를 보였다.
2) 비철금속의 가공결과 비교에서는 Cu, Ni 소재의 가공표면이 brass 가공에 비하여 상면 버 및 코너 뜯김 현상이적게 발생하였다. 폴리머의 가공결과 비교에서는 PMMA,PC, PVC 순으로 버 및 코너의 뜯김 현상이 적게 발생하였다. 이는 칩이 분리되는 과정에서 경도와 연성에 의한 소성변형양의 차이에 의한 결과로 보여진다.
3) 절삭력은 비철금속 소재가 폴리머 소재에 비하여 크게 나타났다. 이는 비철금속 소재의 인장강도가 폴리머소재에 비해 큰 것에 기인한 것으로 보인다.
참고문헌 (13)
M. A. Davies, C. J. Evans, S. R. Patterson, R. Vohra and B. C. Bergner: Proc. of SPIE, 5183 (2003) 94.
J. S. Yun, J. G. Lee, M. K. Lee, C. K. Rhee, M. S. Park and S. J. Hong: J. Korean Powder Metall. Inst., 15(5) (2008) 378 (Koeran).
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