In the past, prism patterns have been linear triangular shapeswith a $90^{\circ}$ angle; however, new micro prism patterns having acute angles or obtuse angles have recently been the subject of demandin the display, lighting and photovoltaic industries. Micro-cutting experiments for micro...
In the past, prism patterns have been linear triangular shapeswith a $90^{\circ}$ angle; however, new micro prism patterns having acute angles or obtuse angles have recently been the subject of demandin the display, lighting and photovoltaic industries. Micro-cutting experiments for micro-prism patterns having $60^{\circ}$, $90^{\circ}$, and $120^{\circ}$ angles on an electroplated Ni mold were performed and it was found in this study that the specific cutting resistance increased with a decrease in the tool angles (prism pattern angles). The cause of this variation had been thought to be the increase of the ploughing force due to tip rounding and the friction force due to the edge effect. However, the depth of the cut was large enough that it was possible to neglect these effects. Therefore, this study introduced the concept of representative stress of indentation. The measured stress was varied according to the indentation depth eventhoughthetestedspecimenswereidentical ; the varied stress was termed the representative stress. According to indentation theory, the strain that the Ni mold experienced increased with a decrease in the tool angle. Based on the stress-strain relationship, higher strain means higher stress and higher specific cutting resistance. Therefore, the specific cutting resistance was higher at smaller tool angles that had higher strain and stress.
In the past, prism patterns have been linear triangular shapeswith a $90^{\circ}$ angle; however, new micro prism patterns having acute angles or obtuse angles have recently been the subject of demandin the display, lighting and photovoltaic industries. Micro-cutting experiments for micro-prism patterns having $60^{\circ}$, $90^{\circ}$, and $120^{\circ}$ angles on an electroplated Ni mold were performed and it was found in this study that the specific cutting resistance increased with a decrease in the tool angles (prism pattern angles). The cause of this variation had been thought to be the increase of the ploughing force due to tip rounding and the friction force due to the edge effect. However, the depth of the cut was large enough that it was possible to neglect these effects. Therefore, this study introduced the concept of representative stress of indentation. The measured stress was varied according to the indentation depth eventhoughthetestedspecimenswereidentical ; the varied stress was termed the representative stress. According to indentation theory, the strain that the Ni mold experienced increased with a decrease in the tool angle. Based on the stress-strain relationship, higher strain means higher stress and higher specific cutting resistance. Therefore, the specific cutting resistance was higher at smaller tool angles that had higher strain and stress.
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문제 정의
또한 절삭깊이를 25㎛ 로 설정하여 25㎛ 깊이의 프리즘 패턴을 단 1회의 절삭으로 가공함으로써 Tip rounding 효과를 최소화하였다. 따라서 Tip rounding에 의한 압괴력 효과는 본 연구에서는 미미하다고 판단하였다.
본 연구에서는 공구각에 따른 비절삭저항의 변화를 평가하고 그 원인을 분석하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한 절삭력에 대해 물리적 의미를 부여하고 소재의 특성과 연관시키기 위해서는 비절삭저항(specific cutting resistance)에 대한 조사도같이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 프리즘 패턴의 각도 변화에 따라 마이크로 절삭 시에 비절삭 저항의 변화를 평가한 후 변화메커니즘을 규명하는 연구를 수행하였다.
여기서 절삭력의 구성성분 비율의 변화는 앞서 서술한 바와 같이 Tip rounding 또는 가공 면의 Edge effect에 의한 압괴력의 증가로, 소재의 특성 변화는 겉보기 강도(representative strength)의 증가로 생각할 수 있다. 이에 본 연구에서는 이들 원인들에 대해 논의하고 기존의 압괴력 변화 이외에 겉보기 강도 관점에서의 비절삭저항 변화를 고려하였다.
제안 방법
공구각에 따라 비절삭저항의 변화를 측정하기 위해서 60°, 90° 그리고 120°의 공구각을 갖는 다이아몬드 공구를 준비하였다. 각각의 공구를 사용하여 Fig. 2와 같이 UVM-450C(Toshiba Machine)에서 가공깊이 25㎛의 프리즘 패턴을 가공하였고 가공 중에 공구동력계를 사용하여 절삭력을 측정하였다. 가공속도는 6,000mm/min으로 설정하였다.
앞서 설명한 바와 같이 기존에 알려진 원인들만으로는 공구각의 변화에 따른 비절삭저항의 변화를 설명하는 것이 충분하지 않다. 이에 본 연구에서는 기존에 압입시험(indentation test) 분야에서 사용되는 겉보기 응력 개념을 도입하였다. 압입시험은 특정한 형상을 갖는 압입자를 이용하여 소재를 눌렀다가 뗀 후 남아 있는 압흔의 크기를 측정하여 경도(hardness)를 측정하는 시험법이다.
소재는 사전 실험을 통해 가공 후 표면상태가 우수한 니켈 도금 시편을 선정하여 사용하였다. 절삭면적은 가공깊이와 공구형상 간의 기하학적 관계를 이용 하여 계산하였다. 측정된 절삭력과 계산된 절삭면 적을 식 (1)에 대입하여 비절삭저항을 구하였다.
대상 데이터
공구각에 따라 비절삭저항의 변화를 측정하기 위해서 60°, 90° 그리고 120°의 공구각을 갖는 다이아몬드 공구를 준비하였다.
가공속도는 6,000mm/min으로 설정하였다. 소재는 사전 실험을 통해 가공 후 표면상태가 우수한 니켈 도금 시편을 선정하여 사용하였다. 절삭면적은 가공깊이와 공구형상 간의 기하학적 관계를 이용 하여 계산하였다.
성능/효과
(1) 공구각이 작을수록 같은 가공깊이에서 절삭력은 작아지지만 절삭가공에 대한 소재의 저항을 의미하는 비절삭저항은 커진다.
(2) 압입시험에서 정의되는 변형률은 공구각이 작을수록 그리고 종횡비가 커질수록 증가하기 때문에 소재가 나타내는 겉보기 응력이 증가하여 절삭에 필요한 비절삭저항도 증가하게 된다.
(3) 가공경화지수를 통해 공구각에 따른 비절삭저항 변화정도를 나타낼 수 있으며 본 연구에 사용된 니켈 도금 소재는 일반 강 대비 높은 가공경화지수를 갖고 있어서 비절삭저항의 변화도 심한 것으로 판단된다.
그러나 공구와 소재 간의 마찰에 의한 Edge effect를 분석하기 위해 별도로 수행한 연구[8]에서 Tip rounding이 거의 없는 사각공구를 사용하여 마이크로채널의 깊이를 달리하며 절삭력 및 비절삭저항을 측정하였을 때 Edge 길이의 비율이 증가함에도 불구하고 비절삭저항이 감소하였다. 간략하게 실제 데이터를 소개하면 종횡비가 0.2일 때 약 1,500N/mm2였던 비절삭저항이 종횡비가 1.0에서 약 1,800N/mm2 그리고 1.7에서 약 2,050N/mm2으로 계속 증가하였다. 이 실험은 절삭깊이가 변수인 점이 본 연구와는 다르지만 패턴 형상의 세로와 가로의 비, 즉 종횡비(aspect ratio)가 증가함에 따라 비절삭저항이 증가하였다는 공통점이 있다.
3의 값을 갖는 것을 감안할 때 매우 높은 가공경화특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서 소재가 느끼는 변형률의 변화에 따라 소재가 나타내는 겉보기 응력의 변화도 클 것으로 예상할 수 있으며, 이로 인해 공구각 60°일 때의 비절삭저항이 120°일 때에 비해약 1.5 배일 정도로 큰 비절삭저항의 변화가 발생한 것으로 판단된다.
6에서 보는 바와 같이 Tip rounding에 의해 손실된 깊이와 Tip rounding 영역의 폭이 모두 1㎛ 이내이다. 또한 절삭깊이를 25㎛ 로 설정하여 25㎛ 깊이의 프리즘 패턴을 단 1회의 절삭으로 가공함으로써 Tip rounding 효과를 최소화하였다. 따라서 Tip rounding에 의한 압괴력 효과는 본 연구에서는 미미하다고 판단하였다.
후속연구
특히 미세 버 발생, 크기 효과 등이 중요하며, 이러한 현상들을 이해하기 위해서는 가공 시의 절삭력의 변화에 대한 연구가 필수적이다. 또한 절삭력에 대해 물리적 의미를 부여하고 소재의 특성과 연관시키기 위해서는 비절삭저항(specific cutting resistance)에 대한 조사도같이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 프리즘 패턴의 각도 변화에 따라 마이크로 절삭 시에 비절삭 저항의 변화를 평가한 후 변화메커니즘을 규명하는 연구를 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프리즘 패턴 각도가 다양해지고 패턴 크기가 작아 짐에 따라 필요한 것은 무엇인가?
또한 패턴의 크기도 점점 미세화되어 과거 100㎛이상을 가공하여야 했으나 현재는 24㎛가 양산[2]되고 있으며, 더 작은 크기를 가공하는 기술들도 개발 중에 있다. 프리즘 패턴 각도가 다양해지고 패턴 크기가 작아 짐에 따라 미세 프리즘 패턴 가공 시에 공구와 소재 사이에서 발생하는 현상에 대한 이해가 더욱 필요해진다. 특히 미세 버 발생, 크기 효과 등이 중요하며, 이러한 현상들을 이해하기 위해서는 가공 시의 절삭력의 변화에 대한 연구가 필수적이다.
광학패턴은 어떤 형상이 요구되고 있는가?
과거 90도 프리즘형상으로 대표되던 광학패턴의 형상은 디스플레이, 조명, 태양광 등의 산업이 발전함에 따라 90도가 아닌 예각, 둔각 프리즘형상도 요구되고 있다[1]. 또한 패턴의 크기도 점점 미세화되어 과거 100㎛이상을 가공하여야 했으나 현재는 24㎛가 양산[2]되고 있으며, 더 작은 크기를 가공하는 기술들도 개발 중에 있다.
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