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문제 정의
- 본 연구에서는 Ge, ZnS 적외선 소재에 대해 초정밀 선삭가공을 진행하여 가공 인자에 따른 표면 거칠기 특성을 파악하고 측정결과를 토대로 미세균열의 원인과 균열이 없는 최적의 가공조건을 분석하는 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 적외선 광학소재인 Ge, ZnS의 미세균열 특성을 파악하기 위하여 가공실험을 진행하였다. RPM, 이송속도, 절삭 깊이 변화에 따른 표면 거칠기를 측정 및 분석하여 미세균열에 대한 데이터베이스를 구성하였다.
제안 방법
- 6 Yan 논문은 절삭량을 수 나노미터로 줄여 취성 소재인 SiC 연성모드 가공을 구현하고 표면 거칠기를 향상하였다.7본 연구에서는 위 논문을 참고하여 1 마이크로 미터 이하의 절삭 두께를 입력하여 취성 소재인 적외선 광학소재에 대해 미소 절삭상태에서의 표면 거칠기를 분석하였다.
- 본 연구에서는 적외선 광학소재인 Ge, ZnS의 미세균열 특성을 파악하기 위하여 가공실험을 진행하였다. RPM, 이송속도, 절삭 깊이 변화에 따른 표면 거칠기를 측정 및 분석하여 미세균열에 대한 데이터베이스를 구성하였다. 이를 바탕으로 적외선 소재의 초정밀 선삭 가공으로 발생하는 표면 거칠기와 미세균열에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 미세균열의 유무는 FTS와 NT2000장비를 이용하여 측정하였다. Rt 표면 거칠기는 취성 소재에서 발생하는 미세균열을 분석할 수 있는 중요한 자료이다.
- 표면 거칠기, 미세균열에 영향을 주는 인자는 RPM, 이송속도, 절삭 깊이로 예측할 수 있다. 본 실험에서는 가공인자를 Table 1과 같이 변화시키며 가공조건에 따른 표면 거칠기 (Ra, Rt) 값을 비교하였다.
- 4는 적외선 렌즈의 초정밀 가공 특성에 대한 연구를 위하여 제작한 지름 46 mm 렌즈이다. 본 실험에서는 절삭 속도, 이송 속도 및 절삭 깊이에 대한 Ra, Rt 표면 거칠기 변화를 FTS 장비를이용하여 측정하였다.
- Rt 표면 거칠기는 취성 소재에서 발생하는 미세균열을 분석할 수 있는 중요한 자료이다. 이를 통하여 적외선 소재의 미세균열 생성조건에 대하여 접촉, 비접촉식 방법으로 나누어분석할 수 있었다.
- 1 μm 범위에서 변화하였다. 절삭깊이는 표면 거칠기에 미치는 영향력이 작으므로 이송속도와 절삭속도 조건을 최적가공 조건에 고정하여 실험하였다.
- 측정방식이 다른 두 종의 측정장비를 사용하여 전체 구간뿐만 아니라 국부적인 영역의 미세균열변화를 분석할 수 있도록 하였다.
- 8은 절삭깊이 1 μm에서 회전당 이송량에 따른 Rt 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 회전당 이송량은 이송속도를 RPM으로 나누어 구하였다. 그 결과 회전당 이송량이 감소하면서 Rt 표면 거칠기가 양호해지는 경향을 볼 수 있었다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 실험에서 사용한 초정밀가공기로 Moore사의 Nanotech 450 UPL 다이아몬드 선삭기계(DTM)이다. 다이아몬드 선삭기계는 X축과 Z축이 직교를 이루며 이동한다.
- 본 실험에서는 공구경사각 - 25°, 공구반지름 1 mm 공구를 사용하였다.
- 측정기의 측정 범위는 수평방향으로 최대 100mm × 100 mm, 높이 방향으로는 0.1 nm - 150 nm이며, 분해능은 0.1 nm이다.
데이터처리
- 미세균열 분석에 앞서 어떠한 가공 조건이 미세균열 발생에 가장 높은 연관성을 갖는지 파악하기 위해 상관계수 분석을 진행하였다. Table 2는 4개 가공조건과 Rt 표면 거칠기의 상관관계에 대한 분석결과이다.
성능/효과
- (1) 적외선 소재의 표면 거칠기와 미세균열은 공작물의 회전당 이송량에 의해 기하학적으로 결정되는 이론적인 표면 거칠기 경향과 일치하였다.
- (2) 절삭가공 조건 중 미세균열에 가장 큰 영향을 미치는 조건은 회전당 이송량이었다. 3.
- (3) 실험에서 얻은 최적절삭조건을 이용하여 적외선 분광 이미징용 ZnS의 비구면 형상가공결과비구면 형상정밀도 P-V 0.185 μm, RMS 0.039 μm, Ra1.63 nm, Rt 42 nm 의 평면 형상정밀도를 얻었다.
- 3.33 μm / rev 보다 작은 조건에서는 양호한 표면 거칠기 50 nm Rt를 얻었으며 표면을 측정하여도 미세균열이 발생하지 않음을 확인하였다.
- 이송속도는 10, 5, 2 mm/min 범위에서 변화시켰다. 그 결과 소재 구분 없이 이송속도가 증가하면서 표면 거칠기가 악화하는 경향을 볼 수 있었다. 이는 공작물의 회전당 이송량에 의해 기하학적으로 결정되는 이론적인 표면 거칠기 경향과 일치하였다.
- 회전당 이송량은 이송속도를 RPM으로 나누어 구하였다. 그 결과 회전당 이송량이 감소하면서 Rt 표면 거칠기가 양호해지는 경향을 볼 수 있었다. 그 중3.
- Ge 소재의 경우 1200 RPM에서 가장 양호한 Ra 값을 가지며 1200 RPM 이후에는 Ra가 악화되는 것을 알 수 있었다. 그러나 ZnS 소재의 경우에는RPM 이 증가할수록 Ra가 양호함을 알 수 있었다.이는 소재에 따라 최적 절삭조건이 다름을 나타내는 것으로 분석하였다.
- 5(b)는 위와 같은 가공조건의 Rt 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 두 소재모두 RPM이 증가할수록 Rt가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 절삭속도가 증가할수록 가공면에 발생하는 미세균열이 감소하는 것으로 분석하였다.
- 미세균열이 제거된 원인으로는 회전당 이송량이 감소하면서 절삭량이 감소하였고, 적외선 소재의 연성모드 가공의 원인이 된 것으로 분석하였다. 그러나 이러한 결과는 앞서 실험한 절삭깊이 실험결과와 다른 경향을 보이므로 추가 연구가 필요하다.
- 두 소재모두 RPM이 증가할수록 Rt가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 절삭속도가 증가할수록 가공면에 발생하는 미세균열이 감소하는 것으로 분석하였다.
- 주목할 점은 이송속도와 절삭속도를 통해 도출한 회전당 이송량 조건이 Rt 표면 거칠기와 가장 큰 상관계수 값을 가진다는 점이다. 이를 통하여 회전당 이송량에 따라 Rt 표면 거칠기가 가장 민감하게 변하며, 비례하여 증가함을 예측할 수 있다.
후속연구
- 미세균열이 제거된 원인으로는 회전당 이송량이 감소하면서 절삭량이 감소하였고, 적외선 소재의 연성모드 가공의 원인이 된 것으로 분석하였다. 그러나 이러한 결과는 앞서 실험한 절삭깊이 실험결과와 다른 경향을 보이므로 추가 연구가 필요하다.
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