[논문]스테인레스 강의 미세구멍 드릴링 기술 연구

김형국; 연규현; 송성종

스테인레스 강의 미세구멍 드릴링 기술 연구
A Study on the Micro Hole Drilling of Stainless Steel 원문보기

김형국 (영진전문대학 컴퓨터응용기계계열) , 연규현 (영진전문대학 컴퓨터응용기계계열) , 송성종 (우영하이텍)

On this study, technical aspects were reviewed to drill a series of micro holes (${\phi}$0.10) over 200 within a few micron tolerance in diameter and position on the stainless steel material. Dedicated tools & jigs were designed and manufactured and optimum cutting conditions were found. On this micro hole drilling process, guide drill and step feeding were applied to help chip discharge, prevent drill breakage and finally improve the accuracy of positioning and roundness. The processing results indicated that most holes are distributed within a few micron tolerance in diameter and position intervals.

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문제 정의

본 연구에서는 직경 0.10mm의 미세드릴로 스테인레스 강 소재에 미세구멍 200 여개를 몇 미크론의 지름 및 위치오차 범위 내에서 일렬로 가공하는데 필요한 기술요소를 논하고, 실제 가공을 시도하였다. 그리고 광학측정기를 사용하여 가공된 미세구멍의 품질과 지름 및 위치정밀도를 측정 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
10mm의 미세구멍을 일렬로 200개 이상 가공하였다. 여기서 중요한 것은 직경의 크기 공차가 수 미크론 이내로 하고, 각 홀당 거리가 역시 수 미크론 이내에 있어야 하며, 첫번째 홀과 마지막 홀 간의 위치 공차도 역시 수 미크론 이내에 존재하는 것을 목표로 하였다.
이에 본 연구에서는 미세드릴을 이용하여 스테인레스 강 소재에 직경 0.10mm의 극세 미세구멍을 일렬로 200개 이상 가공하는 방법에 대한 기술적 어려움을 분석하고 이를 해결하기 위한 과정을 고찰하였다.

제안 방법

1) 스테인레스 강과 같은 난삭재의 소재에 고품질의 미세구멍과 고도의 지름 및 위치정밀도를 갖는 미세구멍을 가공하기 위해서 전용공구와 지그를 설계/제작하였고, 최적의 절삭조건을 찾았다.
10mm의 미세드릴로 스테인레스 강 소재에 미세구멍 200 여개를 몇 미크론의 지름 및 위치오차 범위 내에서 일렬로 가공하는데 필요한 기술요소를 논하고, 실제 가공을 시도하였다. 그리고 광학측정기를 사용하여 가공된 미세구멍의 품질과 지름 및 위치정밀도를 측정 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
주축에는 고속 회전 시, 열 발생으로 인한 열변위와 진동을 최소한도로 억제할 수 있는 에어터빈 스핀들을 장착하였다. 그리고 주축에 스러스트 방향의 힘과 회전방향의 토크를 실시간으로 검출하는 센서가 있어서 만약 작업 중, 드릴에 과부하가 걸리면 (미리 설정한 수치 이상을 검진하면) 즉시 가공 중인 드릴을 자동적으로 빼내는 Step Back 기능을 갖추었다. 이러한 기능을 통해 저 진동, 고정밀도 회전이 보장되어 공구파손을 억제하고, 매우 깨끗하며 정확한 미세구멍 가공이 가능하였다.
3) 미세구멍을 가공할 때, 사전에 가이드 드릴을 사용하여 미끄러짐이나 훨링현상 등을 억제함으로써 정밀도를 향상시켰다. 또한 스텝이송을 적용하여, 칩 배출 및 드릴파손 방지 등의 여러 가지 문제점을 해결하였다.
이러한 문제에 대해 칩 배출을 향상시키면서 동시에 공구의 강성을 확보하는, 즉 상반된 요인을 균형있게 조화시킨 미세드릴의 선정이 필수적이다. 본 연구의 가공을 위해서 다음과 같은 공구의 요구조건을 반영하여 전용 미세드릴을 제작하였다. (그림 2)
미세구멍 가공작업을 위해서 소재를 고정시킬 때, 소재 상면의 편평도를 몇 미크론 이내로 유지하도록 하는 지그의 설계가 필수적이다. 이를 위해 소재를 측면에서 조절볼트를 사용하여 1차적으로 기준면에 밀착시켜 평행도를 맞추고, 2차적으로 상측에서 볼트를 체결하여 소재 상면의 편평도를 맞추도록 설계/제작하였다. (그림 3)
주축에는 고속 회전 시, 열 발생으로 인한 열변위와 진동을 최소한도로 억제할 수 있는 에어터빈 스핀들을 장착하였다. 그리고 주축에 스러스트 방향의 힘과 회전방향의 토크를 실시간으로 검출하는 센서가 있어서 만약 작업 중, 드릴에 과부하가 걸리면 (미리 설정한 수치 이상을 검진하면) 즉시 가공 중인 드릴을 자동적으로 빼내는 Step Back 기능을 갖추었다.

대상 데이터

스테인레스 강의 경우 회전이 빠르면 가공경화를 일으키므로 반드시 저속에서 가공해야 한다. 그리고 윤활을 위해 점도가 낮은 스텐인레스 강 전용의 수용성 절삭유를 사용하였다.
따라서 미세드릴의 사용 시, 드릴의 정밀도나 편차의 치수영향이 있으므로, 실질적으로는 미세드릴의 절삭날 치핑이나 드릴직경의 차이를 현미경으로 확인하여 선별해서 사용하였다. 즉, 미세드릴의 직경은 5㎛의 편차 범위 내의 툴을 사용하였다.
스테인레스 강인 SUS304 소재의 원통형 미세 구조물에 직경 0.10mm의 미세구멍을 일렬로 200개 이상 가공하였다. 여기서 중요한 것은 직경의 크기 공차가 수 미크론 이내로 하고, 각 홀당 거리가 역시 수 미크론 이내에 있어야 하며, 첫번째 홀과 마지막 홀 간의 위치 공차도 역시 수 미크론 이내에 존재하는 것을 목표로 하였다.

성능/효과

2) 가공장비는 에어스핀들을 장착하고, 스핀들의 과부하 시 Step Back 기능을 갖춘 것이 필요하다.
3) 미세구멍을 가공할 때, 사전에 가이드 드릴을 사용하여 미끄러짐이나 훨링현상 등을 억제함으로써 정밀도를 향상시켰다. 또한 스텝이송을 적용하여, 칩 배출 및 드릴파손 방지 등의 여러 가지 문제점을 해결하였다.
4) 이와 같은 모든 조건을 반영하여 미세구멍을 가공한 결과, 200여개의 홀들이 대체적으로 ±1㎛범위 내에서 직경 편차를 보였고, ±2.5㎛ 범위 내에서 간극 편차를 보여 가공결과가 만족스러움을 보여주었다.
미세구멍 하나를 위에서 본 모양과 아래에서 본 모양을 그림 6에서 보여준다. 디버링 작업 후에 매우 깨끗한 면 조도를 얻었음을 확인하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 가이드 구멍을 주고 난 후에 2차 구멍 가공을 하게 되면 가이드 구멍이 드릴의 날끝을 잡아주어 미끄러짐이나 훨링현상 등이 억제됨으로써 원하는 정밀도를 상당한 수준으로 얻을 수 있다. 본 연구에서 200개 이상의 다공 가공 시, 가이드 드릴을 사용한결과, 가이드 구멍이 드릴의 파손기회를 현저히 줄여주고 공구 하나당 가공 구멍수를 증가시켜 생산성을 높이는 효과를 보여주었다. 또한 가이드 구멍이 없을 경우에 구멍 위치 편차가 최대 0.
그리고 주축에 스러스트 방향의 힘과 회전방향의 토크를 실시간으로 검출하는 센서가 있어서 만약 작업 중, 드릴에 과부하가 걸리면 (미리 설정한 수치 이상을 검진하면) 즉시 가공 중인 드릴을 자동적으로 빼내는 Step Back 기능을 갖추었다. 이러한 기능을 통해 저 진동, 고정밀도 회전이 보장되어 공구파손을 억제하고, 매우 깨끗하며 정확한 미세구멍 가공이 가능하였다.
미세구멍 가공은 공구의 직경이 아주 작기 때문에 공구의 강성이 작아져서 드릴가공의 조건에 변동이 있거나 칩의 배출이 원활하지 않을 때, 흔들릴 때 등의 변동이 생기면 쉽게 부러지고 마모가 심해지므로 가공 시에는 특별한 관리와 주의가 필요하며 최적의 가공조건 선택이 매우 중요하다. 이를 위해 스텝이송을 적용하여, 미세구멍을 드릴로 가공할 때에 발생하는 트러스트와 속도변화, 칩 배출 등의 여러 가지 문제점을 해결하여 가공 정밀도를 향상시킬 수 있었다.

후속연구

하지만 과거 대부분의 연구 결과물들은 일회성 또는 실험적인 목적 하에 비교적 많지 않은 개수의 미세구멍 가공기술을 연구하였지만, 좀 더 실질적으로 생산 산업에 적용할 수 있고, 반복 재현성이 높으며, 정밀도를 유지할 수 있는 다공 미세구멍 가공법에 대한 기술개발이 필요하다.
향후에는, 현재의 ∅0.10 미세구멍 형상가공에서 점진적으로 ∅0.05~∅0.03까지의 극소경 가공을 시도하고, 소재 면에서도 유리, 세라믹, 티타늄 등과 같은 난삭재로의 확대를 통해 다양한 기술개발을 시도할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

미세구멍이란 무엇인가?

미세구멍이란 직경 1mm 이하의 홀로서, 오늘날 미세구멍 가공기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 각종 전자제품, 시계부품, 항공우주용 부품, 의료용 광학기기, 정밀공구 등에 적용되는 미세 구멍 가공기술은 그 부품의 성능이 향상될수록 더욱 더 정밀화, 고속화, 심공화 되어가고 있다.

미세구멍을 가공하기 위한 가공법에는 무엇이 있는가?

각종 전자제품, 시계부품, 항공우주용 부품, 의료용 광학기기, 정밀공구 등에 적용되는 미세 구멍 가공기술은 그 부품의 성능이 향상될수록 더욱 더 정밀화, 고속화, 심공화 되어가고 있다. 미세구멍을 가공하기 위한 가공법에는 미세드릴 가공, 방전가공, 초음파 가공, 레이저빔 가공, 마이크로 펀칭 가공, 워터제트 가공 등의 다양한 방법이 존재하지만 각 방식은 제각기 다른 가공 특성을 갖는다. 따라서 어느 쪽이 가장 효율적인 가공방식이냐 하는 것은 가공할 수 있는 재질의 종류와 형상/위치 정밀도, 조도, 생산성 등을 모두 고려하여야 한다.

난삭재인 스테인레스 강의 단점은 무엇인가?

난삭재인 스테인레스 강은 고경도, 고강도와 열전도율이 낮은 점, 가공경화성이 큰 점, 연성이큰 점 등의 재료 특성을 갖고 있다. 소재의 속성상, 끈끈한 성질이 있어서 날 끝에 융착하기 쉽고, 용착물의 생성, 탈락으로 인해 칩핑이 발생한다. 그리고 열전도율이 낮아 절삭열이 잘 발산되지 않고, 날끝 온도가 높아져 날끝이 처지기 쉽다. 이로 인해 피삭재의 열변형을 유발하며, 형상 정밀도가 악화되고 결국 공구 수명을 단축시킨다. 또한 스테인레스 강은 가공경화성이 높아 칩 생성 시, 날끝 발열과 치핑으로 인해 드릴의 수명이 현저히 짧아진다.

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