MR Fluid를 이용한 비구면 렌즈 연마 시스템 개발 및 기초 연마 특성 분석 Development of the Aspherical Lens Polishing System with MR Fluid and Analysis of the Basic Polishing Characteristic of MR Polishing System원문보기
An aspherical lens, which resolves several problems with a spherical lens,typically serves asa key part of an optical system. Generally, an aspherical lens is fabricated using a diamond turning machine or by mean of injection molding. However, residual stress and/or tool marks can arise when using a...
An aspherical lens, which resolves several problems with a spherical lens,typically serves asa key part of an optical system. Generally, an aspherical lens is fabricated using a diamond turning machine or by mean of injection molding. However, residual stress and/or tool marks can arise when using a commercial fabricating method such as DTM or injection molding. A polishing process, thus, is commonly used to obtain a high-precision aspherical lens. In this study, a polishing method using MR fluid was applied to minimize several problems, in this case residual stress and the creation of tool marks, during the cutting process. The MR polishing system was developed to polish aspherical lenses. A series of experiments were performed to obtain a very fine surface roughness. PMMA (the lens material for molding) was used as a workpiece, and the gap size, magnetic field intensity, wheel speed and feed rate were selected as the parameters in this study. Finally, a very fine surface roughness of Ra=2.12nm was obtained after MR polishing.
An aspherical lens, which resolves several problems with a spherical lens,typically serves asa key part of an optical system. Generally, an aspherical lens is fabricated using a diamond turning machine or by mean of injection molding. However, residual stress and/or tool marks can arise when using a commercial fabricating method such as DTM or injection molding. A polishing process, thus, is commonly used to obtain a high-precision aspherical lens. In this study, a polishing method using MR fluid was applied to minimize several problems, in this case residual stress and the creation of tool marks, during the cutting process. The MR polishing system was developed to polish aspherical lenses. A series of experiments were performed to obtain a very fine surface roughness. PMMA (the lens material for molding) was used as a workpiece, and the gap size, magnetic field intensity, wheel speed and feed rate were selected as the parameters in this study. Finally, a very fine surface roughness of Ra=2.12nm was obtained after MR polishing.
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문제 정의
이로 인해 가공 깊이에 따라 공작물의 가공 형상 및 재료 제거가 달라진다. 따라서 PMMA 소재에 따른 MR polishing 공정 중 가공깊이에 따른 재료 제거 분석을 위한 연마실험을 수행하였다. 실험을 수행하기 위한 실험조건은 Table 2와 같다.
이중연마 공정 변수로써 가공깊이, 자기장 세기, 회전 속도, 이송속도 등이 있으며, 소재에 따른 MR fluid 조성비, 연마슬러리의 선택 등 매우 복잡한 연마 특성 때문에 근본적인 연마 현상을 파악하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 MR fluid를 이용한 비구면 렌즈 연마 시스템을 개발하고 제작된 연마시스템을 통해 비구면 렌즈 소재로 널리 사용되고 있는 PMMA(poly methyl methacrylate)의 기초 연마 실험을 수행하여 공정조건에 따른 표면 거칠기를 분석하였다.
본 연구에서는 CNC 선반을 통한 직접적인 가공과 성형을 통해 제작되는 비구면 렌즈의 표면 거칠기 개선을 위한 MR fluid를 이용한 비구면 렌즈 연마 시스템을 개발하였다. 이를 통해 비구면 렌즈 소재 중 PMMA의 기초 연마 실험을 통하여 공정 조건에 따른 가장 우수한 재료제거량 및 표면 거칠기 조건을 도출하였다.
그러므로 고체 공구에서 발생하는 가공 흔적이나 잔류응력이 발생되지 않기 때문에 우수한 표면 거칠기 획득이 가능하다. 본 연구에서는 비구면 및 복잡한 형상의 부품에도 적용 가능한 연마 시스템을 제작하였다.
가설 설정
특히 고품위 비구면 광학 기기의 생산 및 측정기술은 현대의 첨단 기술로 부각되고 있으며 많은 광학관련 주요기기에서 중요한 역할을 하고 있다.[1] 광학 기기 핵심 부품인 렌즈는 구면 렌즈와 비구면 렌즈로 나눌 수 있다. 구면 렌즈는 제작 및 측정이 용이하여 광학계에서 많이 사용되지만 렌즈의 가장자리를 지나는 빛과 중심 부분을 지나는 빛의 초점이 다르기 때문에 발생하는 구면 수차의 문제점을 가지고 있다.
제안 방법
(1) 전자석 해석을 통한 분석 결과를 토대로 전자석을 설계, 제작 하였으며 형상보정 장치를 통하여 MR fluid가 항상 일정한 형상을 유지할수 있도록 설계하였다.
(2) 시스템 구동부는 정밀한 가공을 위해 비구면 렌즈 곡면에 따라 공구가 항상 수직으로 가공할 수 있도록 설계하였다. 또한 선속도 제어가 가능하며 이를 통해 연마 가공 시 동일한 재료 제거를 획득할 수 있다.
MR polishing의 선행된 여러 연구 및 실험 데이터들을 참조하여 1∼10um/min의 재료제거율을 위한 연마 공구 속도의 범위는 0.7∼3.5m/s, 10000∼ 20000Pa의 가공 전단력을 가지는 MR fluid의 항복 응력을 얻기 위하여 가공영역 부근의 자기장 세기가 약 3000±500 Gauss (2970kA/m)를 가지도록 설계하였다.
또한 연마 시 MR fluid가 휠의 회전속도와 공작물의 접촉에 의한 형상 변형이 발생될 수 있기 때문에 형상보정장치를 통하여 가공 전 후에도 일정한 형상을 유지시키도록 하였다. 두 번째로 이송 모듈을 설계하였다. 일반적인 가공 시스템에서는 공작물의 곡면 형상이 일정한 R값을 가지게 되면 X, Y 2축 만으로 구성된 시스템에서도 곡면 형상 가공이 가능하다.
위 제작된 MR polishing 시스템을 통하여 가공 및 성형이 용이하며 90% 이상의 광투과율, 유리와 흡사한 굴절률로 인하여 비구면 렌즈 소재로 많이 사용되고 있는 PMMA를 재료로 선정하여 실험을 수행하였다. 따라서 MR polishing 공정 조건 중 가공 깊이에 따른 spot 실험을 수행하여 재료제거량을 분석하였으며, 재료제거량 분석 후 결과를 바탕으로 공정 변수 중 이송속도, 휠 회전속도, 자기장의 세기에 따른 이송실험을 통하여 표면 거칠기 분석을 수행하여 공정 조건에 따른 우수한 표면 거칠기 획득 조건을 도출하였다. 수행할 실험에 사용되는 MR fluid의 조성비는 Table 1과 같이 나타내었으며 연마슬러리는 나노 세리아 슬러리를 사용하였다.
하지만 구간 마다 R값이 다른 형상의 경우 공구의 가공점이 가공 위치에 따라 각각 변화하기 때문에 형상에 따라서 각 위치마다 공구와 수직 상태에서 연마 가공이 이루어져야 한다. 따라서 비구면 렌즈의 정밀한 가공을 위해 X, Y 2축과 회전축(C축)으로 구성하여 가공을 수행할수 있도록 설계하였다. X, Y stage는 200mm의 이송거리와 0.
025°의 정밀도를 가지는 stage로 구성하였다. 또한 공작물 chucking 시 틸팅(tilting)에 의한 오차를 최소화하기 위한 척킹 시스템을 설계하였다.(Fig.
또한 연마 시 MR fluid가 휠의 회전속도와 공작물의 접촉에 의한 형상 변형이 발생될 수 있기 때문에 형상보정장치를 통하여 가공 전 후에도 일정한 형상을 유지시키도록 하였다. 두 번째로 이송 모듈을 설계하였다.
위 언급된 연마시스템의 설계변수를 통해 비구면 및 복잡한 형상 부품 연마를 위한 MR polishing 시스템을 제작하였다. 먼저 MR polishing 시스템에서 가장 중요한 모듈 중 하나인 전자석 시스템은 자기장 분포 및 세기에 따라 MR fluid의 점성 변화를 통한 연마 공정이 이루어져야하기 때문에 자기장 세기에 따른 자기장 해석을 우선적으로 수행해야 하며 그 결과를 토대로 전자석을 설계하였다. MR polishing의 선행된 여러 연구 및 실험 데이터들을 참조하여 1∼10um/min의 재료제거율을 위한 연마 공구 속도의 범위는 0.
위 언급된 연마시스템의 설계변수를 통해 비구면 및 복잡한 형상 부품 연마를 위한 MR polishing 시스템을 제작하였다. 먼저 MR polishing 시스템에서 가장 중요한 모듈 중 하나인 전자석 시스템은 자기장 분포 및 세기에 따라 MR fluid의 점성 변화를 통한 연마 공정이 이루어져야하기 때문에 자기장 세기에 따른 자기장 해석을 우선적으로 수행해야 하며 그 결과를 토대로 전자석을 설계하였다.
본 연구에서는 CNC 선반을 통한 직접적인 가공과 성형을 통해 제작되는 비구면 렌즈의 표면 거칠기 개선을 위한 MR fluid를 이용한 비구면 렌즈 연마 시스템을 개발하였다. 이를 통해 비구면 렌즈 소재 중 PMMA의 기초 연마 실험을 통하여 공정 조건에 따른 가장 우수한 재료제거량 및 표면 거칠기 조건을 도출하였다.
일정한 가공깊이(1.0mm)에서의 이송속도에 따른 MR polishing 효과를 분석하기 위해 앞서 도출된 휠 회전속도(1236mm/s), 자기장 세기(15.92kA/m)에 따른 이송 실험을 통한 표면 거칠기를 분석하였다. 실험 조건은 Table 5에 나타내었다.
자기장 세기에 따른 표면 거칠기 분석을 위해 앞선 실험에서 도출되었던 가공 깊이, 이송속도, 휠 회전속도를 고정하고 자기장 세기를 변화하며 실험을 수행하였으며 실험조건은 Table 3과 같다. Fig.
휠 회전속도에 따른 표면 거칠기 분석을 위해 자기장 세기, 가공 깊이, 이송속도는 고정변수로 선정하였으며 휠 회전속도를 변화를 주어 실험결과를 통한 표면 거칠기를 분석하였다. 본 실험에 적용된 실험 조건은 Table 4에 나타내었으며 Fig.
대상 데이터
권선수가. 1770회인 전자석을 설계하였으며 설계된 전자석을 이용하여 자기장 해석을 수행하였다. 자기장 해석을 위해 전자기장 해석툴인 ANSYS workbench를 이용하였으며 그 결과 2A의 전류를 인가하였을 때, 연마 공정이 이루어지는 영역에서약 2953Gauss(2350kA/m)의 자기장 세기를 얻을 수 있었다.
따라서 MR polishing 공정 조건 중 가공 깊이에 따른 spot 실험을 수행하여 재료제거량을 분석하였으며, 재료제거량 분석 후 결과를 바탕으로 공정 변수 중 이송속도, 휠 회전속도, 자기장의 세기에 따른 이송실험을 통하여 표면 거칠기 분석을 수행하여 공정 조건에 따른 우수한 표면 거칠기 획득 조건을 도출하였다. 수행할 실험에 사용되는 MR fluid의 조성비는 Table 1과 같이 나타내었으며 연마슬러리는 나노 세리아 슬러리를 사용하였다. 실험 수행 후 측정은 비접촉식 3차원 표면 형상 측정기(NS-E2000)를사용하였다.
위 제작된 MR polishing 시스템을 통하여 가공 및 성형이 용이하며 90% 이상의 광투과율, 유리와 흡사한 굴절률로 인하여 비구면 렌즈 소재로 많이 사용되고 있는 PMMA를 재료로 선정하여 실험을 수행하였다. 따라서 MR polishing 공정 조건 중 가공 깊이에 따른 spot 실험을 수행하여 재료제거량을 분석하였으며, 재료제거량 분석 후 결과를 바탕으로 공정 변수 중 이송속도, 휠 회전속도, 자기장의 세기에 따른 이송실험을 통하여 표면 거칠기 분석을 수행하여 공정 조건에 따른 우수한 표면 거칠기 획득 조건을 도출하였다.
성능/효과
(3) 가공 깊이에 따른 연마 실험을 통하여 가공 깊이 1.0mm에서 가장 우수한 재료제거(3.65㎛)를 확인하였다.
(4) 이송 실험에 따른 표면 거칠기 분석 결과 이송속도 0.333mm/min, 휠 회전속도 1236mm/s, 자기장 세기 15.92kA/m에서 가장 우수한 표면 거칠기 Ra=2.12nm, Rmax=21.21nm를 도출하였다. 이를 통해 성형용 비구면 렌즈 소재인 PMMA의 연마를 위해 MR polishing 시스템의 적용이 가능함을 확인하였다.
6에 나타내고 있다. 가공깊이가 감소할수록 재료 제거가 감소하게 되는데 이는 연마면과 MR fluid 사이의 재료제거를 위한 압력은 증가하여도 넓게 펴진 MR fluid의 형상이 연마 슬러리 유입을 방해하여 원활한 연마가 이루어지지 않기 때문이며 가공깊이가 1.0mm에서 3.65um의 가장 큰 재료제거를 확인할 수 있었다. 하지만 그 이상의 가공깊이에서는 다시 감소하는 경향을 확인할 수 있는데, 이러한 결과는 MR fluid와 연마면 사이의 압력과 전단력이 점차 감소하여 재료제거를 위한 작용이 줄어들기 때문이다.
자기장 해석을 위해 전자기장 해석툴인 ANSYS workbench를 이용하였으며 그 결과 2A의 전류를 인가하였을 때, 연마 공정이 이루어지는 영역에서약 2953Gauss(2350kA/m)의 자기장 세기를 얻을 수 있었다. 따라서 MR fluid가 가장 안정적으로 형상을 유지하며 연마를 진행할 수 있는 전자석이 설계됨을 확인할 수 있다.(Fig.
하지만 1236mm/s 이상의 회전속도에서는 다시 표면 거칠기가 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 자기장에 의해 생성된 MR fluid 입자들 사이의 인력이 휠의 회전으로 인한 원심력 보다 작아져 입자들 사이의 체인 형상 구조를 파괴하여더 이상의 가공이 이루어지지 않기 때문이다. 실험 결과 1236mm/s에서 Ra=2.54nm, Rmax=20.23nm의 표면 거칠기를 획득할 수 있었다.
9, 10은 측정된 표면 거칠기의 변화를 나타낸 것이다. 실험 결과, 휠 회전속도가 증가할수록 단위 시간당 연마입자의 투입량이 증가하게 되고 이를 통해 연마효과 및 표면 거칠기의 향상을 획득할 수있다. 하지만 1236mm/s 이상의 회전속도에서는 다시 표면 거칠기가 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 자기장에 의해 생성된 MR fluid 입자들 사이의 인력이 휠의 회전으로 인한 원심력 보다 작아져 입자들 사이의 체인 형상 구조를 파괴하여더 이상의 가공이 이루어지지 않기 때문이다.
반면 자기장 세기가 증가하게 되면 MR fluid의 점성 증가로 인한 stiffness가 증가하여 재료제거는 상승하지만 표면에 스크래치와 같은 결함을 발생시켜 표면 거칠기의 상승을 초래한다. 실험결과 15.92kA/m의 자기장 세기에서 가장 우수한 표면 거칠기(Ra=1.79nm)를 획득할 수 있었다.
12는 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험결과 표면 거칠기는 이송속도가 감소할수록 향상되는 것을 확인할 수 있지만 일정 이송속도에서는 표면 거칠기는 향상되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이는 이송속도가 감소할수록 단위시간 당 연마입자가 연마면에 체류할 수 있는 시간이 증가함을 의미하며 이를 통해 표면 거칠기가 향상되는 것이다.
21nm를 도출하였다. 이를 통해 성형용 비구면 렌즈 소재인 PMMA의 연마를 위해 MR polishing 시스템의 적용이 가능함을 확인하였다.
1770회인 전자석을 설계하였으며 설계된 전자석을 이용하여 자기장 해석을 수행하였다. 자기장 해석을 위해 전자기장 해석툴인 ANSYS workbench를 이용하였으며 그 결과 2A의 전류를 인가하였을 때, 연마 공정이 이루어지는 영역에서약 2953Gauss(2350kA/m)의 자기장 세기를 얻을 수 있었다. 따라서 MR fluid가 가장 안정적으로 형상을 유지하며 연마를 진행할 수 있는 전자석이 설계됨을 확인할 수 있다.
이는 이송속도가 감소할수록 단위시간 당 연마입자가 연마면에 체류할 수 있는 시간이 증가함을 의미하며 이를 통해 표면 거칠기가 향상되는 것이다. 최종적으로 0.333mm/min의 이송속도에서 Ra=2.12nm, Rmax=21.21nm의 우수한 표면 거칠기를 획득하였다.
후속연구
향후 본 연구에서 개발된 MR polishing system과 기치 실험을 토대로 비구면 렌즈의 MR polishing 공정을 적용한다면 우수한 표면 거칠기 획득과 선속도 제어를 통한 형상 오차 최소화를 통하여 비구면 렌즈의 성능 향상이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구면 렌즈가 가진 문제점은?
[1] 광학 기기 핵심 부품인 렌즈는 구면 렌즈와 비구면 렌즈로 나눌 수 있다. 구면 렌즈는 제작 및 측정이 용이하여 광학계에서 많이 사용되지만 렌즈의 가장자리를 지나는 빛과 중심 부분을 지나는 빛의 초점이 다르기 때문에 발생하는 구면 수차의 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 다수의 구면 렌즈 결합을 통하여 구면 수차를 보정하고 있다.
비구면 렌즈 사용 시의 장점은?
[2] 비구면 렌즈는 초점을 일치시키도록 곡면의 형상을 설계하여 제작한다. 따라서 비구면 렌즈는 구면 렌즈의 문제점인 구면 수차가 발생하지 않기 때문에 사용매수를 경감시켜 광학계의 소형화, 경량화, 비용절감을 가능하게 한다. 일반적으로 여러가지 비구면 렌즈 제작 방법이 있지만 일반적으로 DTM(diamond turining machine)에서 직접적으로 비구면 렌즈를 가공하여 제작하거나 금형 코어를 가공하여 플라스틱 alc 유리 소재를 통해 성형으로 제작되고 있다.
MR fluid를 이용한 연마 방법은 무엇이며 어떤 장점이 있는가?
[7] 따라서 비구면 렌즈와 같은 3차원 구조 연마에 있어서 고체 공구로 인한 가공 흔적 및 잔류 응력을 최소화 할 수 있는 연마 공정 중 MR fluid를 이용한 연마 방법이 연구 및 개발되고 있다.[8] 이 방법은 자기장을 이용해 유체의 점성을 조절하여 얻는 전단력을 이용하는 연마 방법으로써 우수한 표면 거칠기 달성으로 연마 표면의 품위를 높일 수 있는 방법이며 subsurface damage를 최소화 할 수 있다. 하지만 MR polishing 공정에 있어서 렌즈 소재에 따른 다양한 가공 변수들의 복합적인 영향으로 인하여 공정 설계에 많은 어려움을 가지고 있다.
참고문헌 (9)
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