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문제 정의
- 본 연구는 MLCC 시트 절단용 초경합금 칼날 가공에 있어서 ELID연삭 기술을 적용하여 가공 방법에 따른 날 부의 치핑 현상과 표면거칠기를 분석하므로서 고품위의 칼날 가공을 위한 가공 방법을 검토 및 제안하고자 한다.
제안 방법
- 초경합금의 날 세움 가공을 위한 가공 조건 및 방법을 결정하기 위하여 연마재의 종류를 결정하기 위한 실험, 가공방향을 결정하기 위한 실험, 고입도 숫돌을 이용한 실험으로 나누어 순차적으로 진행하였다. 1) 연마재의 종류를 결정하기 위한 실험에서는 CBN 입자 및 다이아몬드 입자를 가진 입도 #2,000 숫돌을 각각 사용하고, 숫돌 평균 입경을 고려하여 1회 절입량 2 ㎛으로 동일한 조건으로 실험하였다. 2) 연삭방향에 따른 가공방향을 결정하기 위한 실험에서는 숫돌의 진행 방향을 날과 수평(0°), 사선(45°), 수직(90°) 방향으로 나누어 각각 실험하였다.
- 2) 연삭방향에 따른 가공방향을 결정하기 위한 실험에서는 숫돌의 진행 방향을 날과 수평(0°), 사선(45°), 수직(90°) 방향으로 나누어 각각 실험하였다.
- 2) 연삭방향에 따른 가공방향을 결정하기 위한 실험에서는 숫돌의 진행 방향을 날과 수평(0°), 사선(45°), 수직(90°) 방향으로 나누어 각각 실험하였다. 3) 고입도 숫돌을 이용한 실험은 입도 #4,000 숫돌로 절입량 1 ㎛ 이하의 조건으로 실험을 진행하고 날 부 상태를 비교 평가하였다. ELID 연삭을 위한 초기전압은 90V로 하였으며, 각 실험을 수행하기 전에 트루잉과 초기 전해 드레싱을 실시하고, 각 실험이 끝난 후에는 스파크 아웃을 시행하였다.
- 3) 고입도 숫돌을 이용한 실험은 입도 #4,000 숫돌로 절입량 1 ㎛ 이하의 조건으로 실험을 진행하고 날 부 상태를 비교 평가하였다. ELID 연삭을 위한 초기전압은 90V로 하였으며, 각 실험을 수행하기 전에 트루잉과 초기 전해 드레싱을 실시하고, 각 실험이 끝난 후에는 스파크 아웃을 시행하였다.
- 1mm로 설치하고, 연삭숫돌 커버에 카 본 브러시를 부착하여 스프링의 탄성에 의해 숫돌에 밀착할 수 있도록 설치하였다. ELID 전원장치에 의해 펄스 전류가 연삭액을 통과하여 연삭숫돌 표면에 산화피막을 형성하도록함으로서 연삭 가공 효율을 향상시킬 수 있도록 구성하였다. 칼날 부의 각도 가공은 회전형 마그네틱 척에 시편을 고정하여 일정 각도로 경사를 주어 날 부가 형성되도록 하였다.
- ELID연삭 가공기술을 이용하여 MLCC 절단용 초경합금 칼날의 예리한 날 부를 형성하기 위해 연마입자의 종류, 연삭 방향, 가공 방법에 따른 날 부의 치핑정도 및 표면 거칠기를 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 가공방향에 따른 실험은 cBN 숫돌을 이용하여 숫돌의 가공 방향을 0°, 45°, 90°로 각각 설정하고 실험하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다.
- 각 시편에 대해서 광학현미경으로 1700배로 확대하여 치핑 상태를 관찰하였다. 먼저, 연마입자의 종류에 따른 실험에는 다이아몬드와 cBN을 각각 사용하였으며 실험 결과는 Fig.
- 다이아몬드 숫돌의 이와 같은 특성으로 인해 두께가 얇은 날 부 가공에서 치핑 발생위험을 높이는 요인이 될 수 있지만, 매우 낮은 가공 압력 하에서는 cBN 숫돌에 비해 우수한 표면 거칠기를 얻을 수 있으므로 예리한 날 부를 얻는 데는 다이아몬드 숫돌을 사용하는 것이 유리할 것으로 사료된다. 따라서 MLCC 절단용으로 요구되는 날 부를 형성하기 위한 실험에서는 가공압력을 낮추어 치핑을 예방하고 우수한 가공표면의 날 부를 제작하기 위해 고입도 #4,000 다이아몬드 숫돌을 이용한 ELID 연삭 실험을 수행하였다. 연삭 시 1회 절입 깊이는 1㎛ 으로 설정하고 그 외의 다른 조건은 이전 실험과 동일하게 진행하였다.
- 따라서 왕복 가공과 단일방향 가공에 따른 치핑 정도를 확인하기 위한 실험은 노치효과의 영향이 적지만 치핑이 나타나기 쉬운 방향, 즉, 90° 방향으로 진행방향을 설정하고 왕복 및 단일 방향으로 각각 실험하였다.
- 실험에 사용된 연삭숫돌을 직경 165mm, 폭 10mm의 cBN #2,000 숫돌과 SD #2,000 숫돌을 사용하였다. 또한 연삭숫돌의 전해를 위한 동(cupper) 전극을 연삭숫 돌과 간극 0.1mm로 설치하고, 연삭숫돌 커버에 카 본 브러시를 부착하여 스프링의 탄성에 의해 숫돌에 밀착할 수 있도록 설치하였다. ELID 전원장치에 의해 펄스 전류가 연삭액을 통과하여 연삭숫돌 표면에 산화피막을 형성하도록함으로서 연삭 가공 효율을 향상시킬 수 있도록 구성하였다.
- 날 부는 10 ㎛이하의 두께로 생성되어야 하므로 미세한 날 부를 형성하기 위해서는 매우 고운 가공 표면이 요구된다. 연마입자의 종류와 가공 방법을 선정하기 위하여 실험을 수행하고 각각의 표면거칠기를 측정하였다. 표면거칠기는 일정한 간격으로 각 영역을 5회 반복 측정하고 평균값으로 비교하였다.
- 표면거칠기(Surface roughness)는 접촉식 표면거칠기 측정기(SJ-210, Mitutoyo)을 사용하였으며, 가공된 칼날 부의 표면관찰 및 형상 분석은 광학식 현미경(IMS Industrial Videoscope System, Sometech)을 이용하였다. 입도 #4,000을 사용한 고입돌 숫돌 시험의 시편은 광학식 현미경으로 측정 시 흔들림에 의해 측정상이 왜곡되어 나타나므로 주사전자현미경(FE-SEM) 장치를 이용하여 날 부를 측정하였다.
- 초경합금의 날 세움 가공을 위한 가공 조건 및 방법을 결정하기 위하여 연마재의 종류를 결정하기 위한 실험, 가공방향을 결정하기 위한 실험, 고입도 숫돌을 이용한 실험으로 나누어 순차적으로 진행하였다. 1) 연마재의 종류를 결정하기 위한 실험에서는 CBN 입자 및 다이아몬드 입자를 가진 입도 #2,000 숫돌을 각각 사용하고, 숫돌 평균 입경을 고려하여 1회 절입량 2 ㎛으로 동일한 조건으로 실험하였다.
- 시트 절단용 칼날은 치핑을 최소화하고 10um전후의 일정한 날 부를 생성하는 것이 중요하다. 치핑 실험은 연마입자의 종류, 가공 방향, 가공 방법, 연마제의 입도를 변화시켜 가공실험을 수행하였다.
- ELID 전원장치에 의해 펄스 전류가 연삭액을 통과하여 연삭숫돌 표면에 산화피막을 형성하도록함으로서 연삭 가공 효율을 향상시킬 수 있도록 구성하였다. 칼날 부의 각도 가공은 회전형 마그네틱 척에 시편을 고정하여 일정 각도로 경사를 주어 날 부가 형성되도록 하였다. Fig.
- 연마입자의 종류와 가공 방법을 선정하기 위하여 실험을 수행하고 각각의 표면거칠기를 측정하였다. 표면거칠기는 일정한 간격으로 각 영역을 5회 반복 측정하고 평균값으로 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 각 시편에 대해서 광학현미경으로 1700배로 확대하여 치핑 상태를 관찰하였다. 먼저, 연마입자의 종류에 따른 실험에는 다이아몬드와 cBN을 각각 사용하였으며 실험 결과는 Fig. 3과 같다. Fig.
- 본 실험에서 사용된 시편은 초경합금(WC)이며, 사용 숫돌 및 실험 장치는 Table 1 과 같다. 실험에 사용된 연삭숫돌을 직경 165mm, 폭 10mm의 cBN #2,000 숫돌과 SD #2,000 숫돌을 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 시편은 초경합금(WC)이며, 사용 숫돌 및 실험 장치는 Table 1 과 같다. 실험에 사용된 연삭숫돌을 직경 165mm, 폭 10mm의 cBN #2,000 숫돌과 SD #2,000 숫돌을 사용하였다. 또한 연삭숫돌의 전해를 위한 동(cupper) 전극을 연삭숫 돌과 간극 0.
이론/모형
- 2는 초경합금의 칼날 가공을 위해 구성된 ELID연삭 가공장치(YGS-63A) 및 전원 장치의 사진이다. 표면거칠기(Surface roughness)는 접촉식 표면거칠기 측정기(SJ-210, Mitutoyo)을 사용하였으며, 가공된 칼날 부의 표면관찰 및 형상 분석은 광학식 현미경(IMS Industrial Videoscope System, Sometech)을 이용하였다. 입도 #4,000을 사용한 고입돌 숫돌 시험의 시편은 광학식 현미경으로 측정 시 흔들림에 의해 측정상이 왜곡되어 나타나므로 주사전자현미경(FE-SEM) 장치를 이용하여 날 부를 측정하였다.
성능/효과
- 1. 날 부 치핑 실험 결과로부터 다이아몬드 숫돌을 이용한 경우에는 치핑이 발생한 부위는 크게 나타나지만 치핑이 발생하지 않는 부위에서는 매우 개선된 날 부를 형성하였다.
- 2. 왕복 가공 하였을 때 보다 단일방향으로 가공하였을 때 치핑 현상이 저감되었으며 표면 거칠기가 향상되었다.
- 3. 표면 거칠기 실험 결과, 다이아몬드 숫돌을 이용하여 단방향으로 날 부를 가공할 때 우수한 가공표면을 얻을 수 있었다.
- 4. 고입도 #4,000 다이아몬드 숫돌을 이용한 실험 결과, 날 부에 치핑이 관찰되지 않았으며, 날 부의 두께는 6.38 ㎛으로 가공되어 MLCC 절단에 요구되는 10㎛ 이하 수준의 날 부를 성공적으로 가공할 수 있었다.
- 5와 같다. 날 부의 치핑은 왕복 가공 하였을 때 보다 단일방향으로 가공하였을 때 치핑 현상이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
- 다이아몬드의 탄성계수와 경도는 cBN에 비해 매우 높기 때문에 미세가공 시에는 다이아몬드의 탄성 변형이 작아 공작물에 가해지는 가공압력은 상대적으로 높은 것으로 사료된다. 다이아몬드 숫돌의 이와 같은 특성으로 인해 두께가 얇은 날 부 가공에서 치핑 발생위험을 높이는 요인이 될 수 있지만, 매우 낮은 가공 압력 하에서는 cBN 숫돌에 비해 우수한 표면 거칠기를 얻을 수 있으므로 예리한 날 부를 얻는 데는 다이아몬드 숫돌을 사용하는 것이 유리할 것으로 사료된다. 따라서 MLCC 절단용으로 요구되는 날 부를 형성하기 위한 실험에서는 가공압력을 낮추어 치핑을 예방하고 우수한 가공표면의 날 부를 제작하기 위해 고입도 #4,000 다이아몬드 숫돌을 이용한 ELID 연삭 실험을 수행하였다.
- 091㎛ Rmax로 나타났다. 다이아몬드 숫돌이 cBN에 비해 표면 거칠기는 Ra 및 Rmax 모두 50% 이상 개선되었다
- 8은 가공 시편을 FE-SEM 장비에서 5,000배율로 측정한 사진이다. 실험 결과와 같이 날 부 치핑이 관찰되지 않았으며, 날 부 두께는 6.38 ㎛으로 가공되어 평면연삭기에서 MLCC 절단에 요구되는 10㎛ 이하수준의 날 부를 성공적으로 얻을 수 있었다
- 7과 같다. 왕복가공 시 표면 거칠기는 0.033㎛ Ra, 0.266㎛Rmax, 단방향 가공 시 0.02㎛Ra, 0.168㎛Rmax로 한 방향으로 가공할 때 더욱 우수한 가공 표면을 얻을 수 있었다. 표면 거칠기 실험 결과로부터 다이아몬드 숫돌을 이용하여 단방향으로 날 부를 가공하는 것이 가공표면 개선에 유리함을 확인할 수 있었다.
- 168㎛Rmax로 한 방향으로 가공할 때 더욱 우수한 가공 표면을 얻을 수 있었다. 표면 거칠기 실험 결과로부터 다이아몬드 숫돌을 이용하여 단방향으로 날 부를 가공하는 것이 가공표면 개선에 유리함을 확인할 수 있었다.
- 다이아몬드 숫돌을 이용한 경우에 치핑발생 부위는 크게 나타나지만 치핑이 발생하지 않는 부위에서는 매우 개선된 날 부를 형성하였다. 표면 거칠기는 cBN숫돌에 비해 더욱 우수한 가공표면을 얻을 수 있었다. 다이아몬드와 cBN은 누프 경도가 각각 7000과 4500, 탄성계수는 각각 500GPa이상, 380GPa이다9),10).
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