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문제 정의
- 본 연구에서는 세장비를 극대화 하면서 강도가 높은 중공형 마이크로 바늘을 제작하였다. 마이크로 방전가공은 가공 깊이가 깊어질수록 전극의 소모로 인해 생성되는 가공 칩의 배출이 어려워지기 때문에 일정한 깊이부터는 입구간극이 커지는 반면 가공 속도는 아주 느려진다.
- 본 연구의 목적인 중공형 마이크로 바늘을 가공하기 위하여 바늘에 가공한 구멍의 입구와 출구가 일직선에 놓이도록 바늘의 각도를 조절할 수 있는 2자유도의 마이크로 바늘 고정부를 설계하였다. Fig.
제안 방법
- 9에 나타났듯이 2단계 가공 중 쇼트 수가 선형적으 로 증가하고 특별한 쇼트수의 점프가 없었으나 선행실험 결과인 3,240초를 훨씬 넘었으므로 4,020초에 중지하였다. 1단계 가공과 2단계 가공을 진행한 후, 바늘을 뒤집어 3단계 가공을 실행하였다.
- 1단계, 2단계, 3단계 가공을 진행하여 외경이 300 μm이고 내경이 130 μm이며 길이가 2,300 μm인 WC재질의 높은 경도를 가지는 마이크로 바늘을 제작하였다.
- 2단계 가공은 1단계 가공 때 보다 15 μm 작은, 90 μm 지름의 전극으로 진행하였다.
- 본 연구에서는 Micro-EDM공정을 이용하여 높은 경도의 WC재질의 마이크로 바늘을 제작하였다. 2축 회전 스테이지를 이용하여 바늘의 각도를 조절 가능한 2자유도의 바늘 고정 부를 설계하고 제작하였다. 그리하여 바늘의 고정을 용이하게 하였고 바늘의 고정각도를 조절함으로써 전극각도를 조절함으로써 전극과 바늘을 정렬하였다.
- 가공된 전극을 이용하여 길이가 2,300 μm, 직경이 300 μm인 WC재질의 봉에 구멍을 가공하였다. RC회로에 입력되는 전압, 축전량, 저항, 스핀들의 회전수, 전극의 이송량을 세팅한 후 구멍을 가공하였다. 전극을 Z축 방향 아래쪽으로 이동하다가 전극의 끝점과 바늘 사이에 단락이 발생한 위치를 Z축 원점으로 설정하였다.
- 가공 깊이는 1단계 가공에서 845 μm, 2단계 가공에서 615 μm, 3단계 가공에서 842 μm 가공하여 총 길이가 2,300 μm인 WC재질의 강도 높은 중공형 마이크로 바늘을 제작하였다.
- 전극을 Z축 방향 아래쪽으로 이동하다가 전극의 끝점과 바늘 사이에 단락이 발생한 위치를 Z축 원점으로 설정하였다. 가공 중 전극의 Z축은 전극과 바늘 사이의 전압을 측정하여 단락 여부를 확인한 다음 전진과 후진을 반복하며 가공하였다. 가공 후 전극의 끝점을 다시 가공 중심에서 100 μm 이동한 후 가공이 되지 않은 평평한 바늘 표면에 단락시킨 후 Z축 원점과의 마모된 전극의 끝점의 상대적인 거리를 측정하여 전극의 길이방향 마모를 측정하였고 가공시간, 단락 수, 입구간극을 측정하였다.
- 가공 후 전극의 끝점을 다시 가공 중심에서 100 μm 이동한 후 가공이 되지 않은 평평한 바늘 표면에 단락시킨 후 Z축 원점과의 마모된 전극의 끝점의 상대적인 거리를 측정하여 전극의 길이방향 마모를 측정하였고 가공시간, 단락 수, 입구간극을 측정하였다.
- 가공된 전극을 이용하여 길이가 2,300 μm, 직경이 300 μm인 WC재질의 봉에 구멍을 가공하였다.
- 그리고 2단계 가공을 마친 바늘을 뒤집어 다시 지름이 105 μm인 전극으로 3단계 가공을 진행하여 바늘을 제작하기로 결정하였다.
- 이런 문제점을 해결하기 위하여 1단계 가공을 진행한 구멍에 1단계 가공 때보다 지름이 작은 전극으로 2단계 가공을 진행하는 방법을 이용하였다. 그리고 2단계 가공을 진행한 바늘을 뒤집어 3단계 가공하는 방법을 이용하여 입구간극이 작으면서도 깊은 구멍을 가지는 마이크로 바늘을 제작하였다.
- 2축 회전 스테이지를 이용하여 바늘의 각도를 조절 가능한 2자유도의 바늘 고정 부를 설계하고 제작하였다. 그리하여 바늘의 고정을 용이하게 하였고 바늘의 고정각도를 조절함으로써 전극각도를 조절함으로써 전극과 바늘을 정렬하였다. 마이크로 바늘의 홀 가공 중심의 오차범위를 5 μm 이하로 조절하면서 1, 2단계 가공 후 바늘을 뒤집어 가공하여 구멍을 일직선으로 유지하였다.
- 마이크로 바늘의 홀 가공 중심의 오차범위를 5 μm 이하로 조절하면서 1, 2단계 가공 후 바늘을 뒤집어 가공하여 구멍을 일직선으로 유지하였다. 또한 3단계 가공을 진행함으로써 세장비의 극대화하였다. 깊은 구멍을 가공하기 위하여 지름이 105 μm인 전극으로 1단계 가공을 하고 지름이 90 μm인 전극으로 2단계 가공을 한 결과 2단계 가공 시에는 입구간극을 그대로 유지하면서 가공 깊이를 늘렸다.
- 이런 이유로 단순히 전극의 길이와 가공시간을 늘리는 것으로만 가공깊이를 늘리는 것은 한계가 있다. 마이크로 바늘의 가공 방법을 결정하기 위한 선행실험을 실시하였다. 바늘을 1개의 전극으로 가공했을 때와 2개의 전극으로 가공했을 때의 차이를 알기 위하여 실험하고 이때의 쇼트 수와 z방향 위치를 Fig.
- 마이크로 바늘의 홀 가공 중심의 오차범위를 5 μm 이하로 조절하면서 1, 2단계 가공 후 바늘을 뒤집어 가공하여 구멍을 일직선으로 유지하였다.
- 본 연구에서는 Micro-EDM공정을 이용하여 높은 경도의 WC재질의 마이크로 바늘을 제작하였다. 2축 회전 스테이지를 이용하여 바늘의 각도를 조절 가능한 2자유도의 바늘 고정 부를 설계하고 제작하였다.
- 본 연구에서는 가공 깊이를 증가시키기 위하여 총 3단계의 가공 과정을 거쳐 마이크로 바늘을 제작하였다. 우선 지름이 105 μm인 전극으로 1단계 가공을 20분정도 진행하고, 1단계 가공 때보다 약 15 μm정도 작은 지름의 전극으로 2단계 가공을 진행한다.
- 본 연구에서는 전극을 가공하기 위하여 Block-EDM방법을 사용하였다. 사용할 옆면과 전극이 수평을 유지하도록 블록을 고정시킨 후 전극을 공칭반경에 방전여유를 더한 거리만큼 블록에서 떨어져 위치시키고 z축 방향으로 이송시키는 방법으로 원하는 반 경의 전극을 제작하였다. 블록은 길이가 15 mm, 높이가 500 μm이고 재질은 황동이며 전극은 길이 50 mm, 지름 300 μm이고 재질은 WC이다.
- 6에 각각 도시하였다. 실험은 3번 시행하였으며 그 평균 값을 도시하였다. 이 그림에서 실선으로 된 그래프는 1단계 가공, 즉 1개의 전극만으로 평균 3,240초 가공한 결과이고 점선으로 된 그래프는 1단계 가공을 평균 1,320초 시행한 후 2단계 가공을 평균 1,920초 진행한 결과의 그래프이다.
- 마이크로 방전가공은 가공 깊이가 깊어질수록 전극의 소모로 인해 생성되는 가공 칩의 배출이 어려워지기 때문에 일정한 깊이부터는 입구간극이 커지는 반면 가공 속도는 아주 느려진다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 1단계 가공을 진행한 구멍에 1단계 가공 때보다 지름이 작은 전극으로 2단계 가공을 진행하는 방법을 이용하였다. 그리고 2단계 가공을 진행한 바늘을 뒤집어 3단계 가공하는 방법을 이용하여 입구간극이 작으면서도 깊은 구멍을 가지는 마이크로 바늘을 제작하였다.
- 전극과 바늘이 정확하게 정렬되지 않으면 입구 구멍 위치와 출구 구멍 위치가 일직선에 놓이지 않는 현상이 발생하게 된다. 전극과 바늘의 평행도를 맞추기 위하여 2자유도 마이크로 바늘 고정구와 광학현미경을 이용하였다. Fig.
- 전극에 –전원을 연결하고 시편에 +전원을 연결하는 정극성 가공이 가공률도 높고, 전극 소모도 작게 나타나므로[12] 모든 실험은 정극성으로 실험을 수행하였다.
- 전극은 전극마모를 고려하여 1단계 가공 시에는 길이를 1,800 μm로, 2단계 가공 시 에는 2,400 μm로 가공하였으며 3단계 가공 시에는 1단계 가공 시와 같은 길이로 가공하였다.
- RC회로에 입력되는 전압, 축전량, 저항, 스핀들의 회전수, 전극의 이송량을 세팅한 후 구멍을 가공하였다. 전극을 Z축 방향 아래쪽으로 이동하다가 전극의 끝점과 바늘 사이에 단락이 발생한 위치를 Z축 원점으로 설정하였다. 가공 중 전극의 Z축은 전극과 바늘 사이의 전압을 측정하여 단락 여부를 확인한 다음 전진과 후진을 반복하며 가공하였다.
- 지름이 105 μm인 전극으로 각각 1,320초, 3,120초 동안 가공을 한 후 입구 간극, 가공깊이, 전극마모를 Table 1에 비교하였다.
- Micro-EDM은 방전을 이용한 비접촉 가공이기 때문에, 전극과 가공물이 단락되면 방전현상이 발생하지 않기 때문에 가공이 되지 않는다. 홀 가공 중심을 결정하는 방법으로는 전극과 바늘이 단락되면 통전되는 현상을 이용하였다. Fig.
대상 데이터
- 1 단계 가공에서는 전극 지름이 105 μm이고 길이가 1,800 μm인 WC재질의 전극을 사용하였고 바늘도 WC재질을 사용하였다.
- 본 연구에서는 실험실에서 제작된 EDM 가공장치를 사용하였다. X, Y축과 Z축은 각각 고정밀 위치제어가 가능한 리니어 DC모터인 Dover사의 Trilogy LM-210이 사용되었고 컨트롤러로는 Compumotor CM233AX를 사용하였다. 각 이송축의 위치를 0.
- 각 이송축의 위치를 0.1 μm/cts의 분해능을 갖는 Heidenhain사의 LIP401A 엔코더를 사용하여 제어하였다.
- 단, 2단계 가공 시에는 전극의 지름을 1단계 가공 때 보다 15 μm 작은 90 μm인 전극을 사용하였고, 전극의 길이는 1단계 가공에서 이미 가공한 깊이를 고려하여 2,400 μm인 전극을 사용하였다.
- 바늘을 고정한 알류미늄판을 스테이지에 부착하고 스테이지 의 a축, b축의 각도를 조절하면 바늘의 각도가 변하게 된다. 바늘은 접착제를 이용하여 고정부에 접착하였고, 2축 회전조정을 위해 2축 회전 스테이지(RTS-2, Nam Il Optical Components Corp.)를 이용하였다. EDM이 비접촉 가공이어서 힘이 가해지지 않으므로 접착제를 이용하여도 가공 중 진동 등의 문제가 발생하지 않았다.
- 05 μm 이내, 최대 회전수가 3,000 rpm인 Antimatics사의 Smartmotor 2315D DC brushless type을 사용하였다. 방전 회로는 입력전압과 축전용량으로 단발 방전 에너지를 쉽게 조절할 수 있는 RC방전 회로를 선택하였다[11]. 전극에 –전원을 연결하고 시편에 +전원을 연결하는 정극성 가공이 가공률도 높고, 전극 소모도 작게 나타나므로[12] 모든 실험은 정극성으로 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 실험실에서 제작된 EDM 가공장치를 사용하였다. X, Y축과 Z축은 각각 고정밀 위치제어가 가능한 리니어 DC모터인 Dover사의 Trilogy LM-210이 사용되었고 컨트롤러로는 Compumotor CM233AX를 사용하였다.
- 블록은 길이가 15 mm, 높이가 500 μm이고 재질은 황동이며 전극은 길이 50 mm, 지름 300 μm이고 재질은 WC이다.
- 블록은 길이가 15 mm, 높이가 500 μm이고 재질은 황동이며 전극은 길이 50 mm, 지름 300 μm이고 재질은 WC이다. 절연액으로는 등유를 사용하였다. 등유를 절연액으로 사용하면, 전극의 길이 방향 마모가 탈이온수를 사용했을 때의 2배가 된다[2].
- 등유를 절연액으로 사용하면, 전극의 길이 방향 마모가 탈이온수를 사용했을 때의 2배가 된다[2]. 하지만 탈이온수를 절연액으로 사용하면 등유를 사용했을 때 보다 입구간극이 커지기 때문에 본 실험에서는 미세구멍 가공이 용이한 등유를 사용하였다. 전극은 전극마모를 고려하여 1단계 가공 시에는 길이를 1,800 μm로, 2단계 가공 시 에는 2,400 μm로 가공하였으며 3단계 가공 시에는 1단계 가공 시와 같은 길이로 가공하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 전극을 가공하기 위하여 Block-EDM방법을 사용하였다. 사용할 옆면과 전극이 수평을 유지하도록 블록을 고정시킨 후 전극을 공칭반경에 방전여유를 더한 거리만큼 블록에서 떨어져 위치시키고 z축 방향으로 이송시키는 방법으로 원하는 반 경의 전극을 제작하였다.
성능/효과
- 가공 결과로는 입구 간격은 1단계, 2단계 가공을 진행 한 후 131.4 μm, 3단계 가공을 진행한 후 130.2 μm이었고, 전극의 마모량은 1단계 가공에서 390 μm, 2단계 가공에서 201 μm, 3단계 가공에서는 403μm이었다.
- 7 μm 정도 차이가 났다. 즉 같은 지름의 전극으로 각각 1,320, 3,120초 가공하였을 경우 가공깊이는 큰 차이가 없지만 3,120초 가공하였을 때가 1,320초 가공했을 때보다 입구 간극과 전극 마모량은 1.5배정도 증가하였다. 이는 가공 시간과 가공 깊이가 증가함에 따라 발생하는 칩배출의 어려움과 2차방전 때문으로 이는 깊은 구멍의 가공을 어렵게 한다.
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