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문제 정의
- 이는 타격 깊이에 따른 모재 표면의(surface of workpiece) 소성 및 탄소성 변형의 양상을 관찰하기 위하여 진행하였다.
제안 방법
- 밀링 가공만으로 이루어진 시편(SM)을 표면처리 전(before)으로 나타냈으며, 밀링 결 방향으로 접촉식 표면처리된 시편(SPC)을 표면처리 후(after)로 나타내었다. 경도는 나노인덴테이션(Nano indentation)를 이용하여 측정하였으며, 마모 시험은 산화알루미늄(Al2O3) 볼(ball)로 구성된 트라이보미터(Tribometer)를 이용하여 진행하고 마모량 측정기를 이용하여 측정하였다.
- 변위는 인가 전압(in-put voltage)에 따라 조정되지만 고주파수(High frequency)에 따른 정밀제어를 위한 컨트롤러의 기술로 매우 고가이다. 따라서 상용제품을 벤치마킹(benchmarking)하여 3점 지지방식의 판스프링(3point supported leaf-spring)을 설계하고 정밀 제어가 가능한 amplifier 및 function generator를 구성하여 자체 FTS를 완성하였다. 자체 개발한 FTS는 상용제품과 구동원리가 동일하지만 amplifier 와 piezo actuator의 상관 성능에 따라 안정 주파수 4kHz, 최대변위는 10μm(10%이하)의 성능을 가진다.
- 공정에 사용된 FTS의 주파수와 변위를 고려해 볼 때 표면 변질층의 깊이는 극소적으로 이루진 것으로 판단된다. 따라서 표면 개질층의 물성변화를 확인하기 위해 100mN 압입하중으로 경도를 측정하였고, 전체면적에서 6군데를 임의로 선정하여 평균값을 산출하였다. Fig.
- 마모량 시험은 2N의 압입하중 상태에서 반경 3mm, 속도 60rpm으로 90분간 회전시켜 총 100,000mm를 마모시킴으로써 수행하였다. 마모된 면적을 동서남북 4군데 측정하고 평균값을 산출하였다. Fig.
- 마모량 시험은 2N의 압입하중 상태에서 반경 3mm, 속도 60rpm으로 90분간 회전시켜 총 100,000mm를 마모시킴으로써 수행하였다. 마모된 면적을 동서남북 4군데 측정하고 평균값을 산출하였다.
- 보다 정량적인 형상 관찰 및 표면 거칠기 평가를 위해 3D profiler를 이용하여 각 시편을 동일면적(230×230(μm)) 대비 측정하였다.
- 자체 개발한 FTS는 상용제품과 구동원리가 동일하지만 amplifier 와 piezo actuator의 상관 성능에 따라 안정 주파수 4kHz, 최대변위는 10μm(10%이하)의 성능을 가진다. 본 연구에서는 자체 개발된 FTS를 이용하여 실험하였으며, 가공 조건에 따른 표면 개질층의 형성 결과를 분석하였다.
- 3의 모식도에서 볼 수 있는 바와 같이 밀링 가공 시 스핀들의 회전으로 인해 공구의 날이 지나간 흔적은 산(peak)과 골(vally)의 형상을 갖는 패턴으로 남게 된다. 본 연구에서는 접촉식 모드로 밀링 가공 결(lay)과 같은 방향과 수직 방향 두 가지로 나누어 가공경로(tool path)를 설정하였으며, 이에 따른 결과를 분석하였다.
- 비커스 경도와 마모율 측정은 비교되는 두 개의 시편을 이용하여 진행하였다. 밀링 가공만으로 이루어진 시편(SM)을 표면처리 전(before)으로 나타냈으며, 밀링 결 방향으로 접촉식 표면처리된 시편(SPC)을 표면처리 후(after)로 나타내었다.
- 초음파 진동을 이용한 표면처리 기술은 연삭과 표면경화 효과를 복합적으로 얻을 수 있는 장점이 있다. 이러한 복합적 공정효과를 확인하기 위해 밀링을 통한 형상가공으로 시편을 구성하였다. Fig.
- 타격 깊이 변화에 따른 표면형상 변화를 알아 보기 위해 비접촉 방식(non-contact mode)과 접촉 방식(contact mode)으로 나누어 실험을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 초음파 진동모듈은 자체 개발한 초정밀 FTS로써 4kHz의 최대 허용 주파수, 10μm의 최대 변위 및 10% 이하의 변위 오차를 갖는다.9 실험에 사용된 가공 팁은 열처리된 SKD11로 선단부 반경 2.9mm인 반구형으로 제작되었으며, 체결부(shank)와 선단부가 일체형인 구조를 갖는다.
- 본 실험에 사용된 초음파 진동모듈은 자체 개발한 초정밀 FTS로써 4kHz의 최대 허용 주파수, 10μm의 최대 변위 및 10% 이하의 변위 오차를 갖는다.
- 시편 가공은 100nm의 분해능을 갖는 ㈜테크 맥社의 UPL-200가공기를 이용하였으며, Tilt stage를 이용하여 1μm 평행도를 유지한 상태에서 진행하였다.
- 실험을 위해 육면체로 밀링 가공된 12×12×3mm3 크기의 STS304 시편을 준비하였다.
성능/효과
- 1) 초음파 진동을 이용한 표면 처리 시 초음파모듈의 변위를 감안한 접촉식 공정이 비접촉식 공정보다 표면 개질층 형성에 효과적이다.
- 2) 전 과정에서 형성된 가공 결 방향으로 초음파 진동을 이용한 가공 경로를 설정 할 경우 표면 거칠기가 향상되고 일정한 패턴의 가공도 가능하다.
- 3) 전 과정에서 형성된 가공 결 방향에 수직 가공 경로를 설정 할 경우 표면 거칠기 향상에는 유리하지만 마찰에 대한 내구성을 요하는 제품에는 부적합하다.
- 표면 개질층 형성을 위하여 친환경적 공정으로 초음파 진동을 이용한 표면처리 기술을 사용한 결과, 공정 변수에 따라 표면의 형상과 물성치가 변화되는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 토대로 다음과 같은 결론을 유추할 수 있다.
후속연구
- 5배 향상되었다. 경도 및 마모량 시험 결과로부터 표면의 변질층 형성에 있어 초음파 진동을 이용한 표면개질 공정이 효과가 있음을 입증하였으며, 공정의 최적화를 통해 가공물의 표면 성능 개선의 가능성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
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