KR100316003B1

KR100316003B1 - 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치

Info

Publication number: KR100316003B1
Application number: KR1020000040177A
Authority: KR
Inventors: 편영식
Original assignee: 편영식; (주)디자인메카; 곽정환; 학교법인 선문학원
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2001-12-20
Also published as: EP1303380A1; JP2004504166A; EP1303380A4; CN1373698A; KR20000063450A; CA2384002A1; AU2000267371A1; WO2002006007A1

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치에 관한 것으로서, 공작물의 표면에는 버니싱 헤드(40)의 볼(54)이 접촉하고, 상기 버니싱 헤드(40)는 혼(horn)에 끼워져 지지되며, 상기 혼에는 고주파 발생기로부터 발생된 고주파를 전달받아 발진하여 초음파를 발생시키는 초음파 발진자(44)가 결합되고, 상기 혼은 스프링(48)에 의해 가압되어, 상기 볼(54)이 공작물에 접촉하면서 진동되어 상기 공작물의 표면을 다듬질하는 구조로 되어 있으므로, 표면경도를 높일 뿐만 아니라 표면거칠기의 정도가 향상되고 가공시간을 대폭적으로 줄일 수 있다는 효과가 있다.

Description

초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치{a micro burnishing apparatus using ultrasonic vibration}

본 발명은 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치에 관한 것이다.

유공압 실린더의 내면이나 금형등의 내면은 초정밀가공을 통한 1.6S( S는 최대 높이 산출법에 의한 표면거칠기로서 R max 로 표시함)이하 또는 0.8S이하의 표면거칠기를 요구하고 있으므로, 정밀 보오링머신이나 연삭기등에서 1차로 정밀가공을 한 후, 상기한 바와 같은 표면거칠기를 얻기 위한 가공방법으로 호닝(horning), 초정밀연삭, 래핑(lapping), 슈우퍼피니싱(superfinishing), 초음파가공(ultrasonic machining), 버어니싱(burnishing)등을 행한다.

상기 호닝은 호온이라고 불리는 세립자로 된 각봉상의 공구로 피가공면에 가볍게 접촉시키면서 표면을 다듬는 호닝머신에 의한 가공법이다.

상기 래핑은 가공물과 랩공구(lap tool) 사이에 미분말 상태의 랩제와 윤활제를 넣고, 이들 사이에 상대운동을 시켜 표면을 매끈하게 다듬질하는 가공법이다. 이 래핑은 랩제와 기름을 혼합하여 가공물에 주입하면서 가공하는 습식래핑법과, 랩공구를 랩제 속에 파묻었다가 이것을 꺼내어 랩제를 걸레로 훔쳐 낸 다음 주로 건조상태에서 래핑작업을 하는 건식래핑법으로 나눌 수 있다.

슈우퍼 피니싱은 입도가 작고 연한 숫돌을 작은 압력으로 가공물의 표면에 가압하면서 가공물에 피드를 주고 또 숫돌을 진동시키면서 가공물의 표면을 다듬질하는 가공법이다.

상기 초음파가공(ultrasonic machining)은 공구에 초음파 진동(ultrasonic vibration)을 주어 랩제를 가공물에 충돌시켜 가공하는 일종의 초음파 래핑가공으로서, 도1에 도시한 바와 같이, 전원부(10)에서 고주파 발진기(12)를 거쳐 초음파 발진자(14)에서 초음파 진동을 발생시키고, 이 초음파 진동이 공구 고정수단(16)을 통하여 원추부의 작용으로 초음파 진동의 진폭을 확대하여 공구(18)에 전달하고, 이 공구(18)가 랩제(20)를 가공물에 충돌시켜 가공물(22)을 가공하는 구조로 되어 있다. 이때 가공물(22)과 공구(18)와 랩제(20)는 용기(24)에 들어 있으며, 피이드수단(26)에 의해 공구(18)를 상하로 이동시키면서 가공물에 구멍 등을 가공하게 된다.

상기 버어니싱(burnishing)은 도2에 도시한 바와 같이, 가공물(30)에 미리 구멍(32)을 가공하고 이 구멍(32)에 안지름보다 다수 큰 보올(ball)(34)을 가압자(36)로 압입하여 절삭 또는 연삭가공에서 생긴 거친 면에 생긴 가공흔적을 경면과 같이 매끈하게 다듬질하는 가공방법이다. 상기 가공물(30)은 도시하지 않은 고정수단에 의해 치공구(38)의 상면에 고정되어 있다.

그런데, 최근 기술진보에 따라 각종기계 및 기기류에서는 접촉면 등이 보다 유연하고 조용하게 작동될 뿐만 아니라 에너지 효율을 향상시키기 위해 1.5S보다 훨씬 미세한 0.8S이하의 표면거칠기를 요구되고 있다.

즉, 자동차, 산업용 중장비, 각종 자동화 기계, 제반 기계 기기류에 사용되는 유공압 실린더의 내면, 각종 기계 기기류 축의 외경면, 각종 기계 기기류의 평면 또는 기울기 면, 프레스 금형, 단조 금형, 사출금형, 다이캐스팅금형 등의 금형류의 평면 및 자유곡면의 표면의 다듬질에 고정도의 표면가공이 요구되고 있다.

이와 같은 표면가공에서 0.8S이하의 고정도의 표면가공을 하기 위해서는 통상의 정밀가공기보다 더욱 정밀한 연삭가공기나 정밀호닝기가 필요하며 작업시간이 많이 걸리어 제조비가 상승하게 된다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 초음파에너지 및 접촉압을 이용하여 초정밀가공을 할 수 있는 한편 가공시간을 대폭적으로 줄일 수 있는 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치를 제공하는 데 있다.

도1은 일반적인 초음파 가공장치의 구성도,

도2는 일반적인 버어니싱 가공원리를 설명하는 설명도,

도3는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치의 구성도,

도4는 본 발명의 장치로 실린더 등의 내면을 다듬질하는 상태도,

도5는 본 발명의 장치로 축 등의 외주면을 다듬질하는 상태도,

도6은 본 발명의 장치의 시험에 사용된 시험편,

도7은 본 발명의 가공장치로 다듬질 할 경우에 전달력과 경화깊이의 관계를 나타내는 그래프,

도8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 버니싱 장치의 구성도,

도9는 도8의 버니싱 헤드를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

40 : 버니싱 헤드 42 : 홀딩수단

44 : 초음파 발진자 46 : 고주파 발생수단

48 : 가압수단 50 : 케이스

52 : 가압조절수단 54 : 안내수단

56 : 볼 58 : 자루부

본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치는, 공작물의 표면에 접촉하는 버니싱 헤드와, 상기 버니싱 헤드를 잡는 홀딩수단과, 상기 홀딩수단에 가하는 초음파를 발생시키는 초음파 발진자와, 상기 초음파 발진자에 공급되는 고주파를 발생시키는 고주파 발생수단과, 상기 홀딩수단을 가압하여 버니싱 헤드를 공작물 표면에 밀착되게 하는 가압수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 발진자는 케이스에 고정되어 있으며, 상기 가압수단은 가압조절수단에 의해 상기 케이스를 가압하는 가압력을 조절할 수 있게 되어 있다.

그리고, 상기 케이스는 안내수단의 내부에서 상기 가압수단의 가압력에 따라 상하로 이동할 수 있게 되어 있다.

상기 안내수단은 구동(이송)수단 및 제어수단에 의해 이동가능케 되어 있다. 상기 구동(이송)수단은 볼 스크류 모터 등 다양한 수단으로 되어 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도3은 본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치의 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 장치는 공작물의 표면에 접촉하는 버니싱 헤드(40)와, 상기 버니싱 헤드(40)를 잡는 홀딩수단(42)과, 상기 홀딩수단(42)에 가하는 초음파를 발생시키는 초음파 발진자(44)와, 상기 초음파 발진자(44)에 공급되는 고주파를 발생시키는 발생시키는 고주파 발생수단(46)과, 상기 홀딩수단(42)을 가압하여 상기 버니싱 헤드(40)를 공작물 표면에 밀착되게 하는 가압수단(48)을 구비하고 있다.

상기 초음파 발진자(44)는 케이스(50)에 고정되어 있으며, 상기 가압수단(48)은 가압조절수단(52)에 의해 상기 케이스(50)를 가압하는 가압력을 조절할 수 있게 되어 있고, 상기 케이스(50)는 안내수단(54)의 내부에서 상기 가압수단(48)의 가압력에 따라 상하로 이동할 수 있게 되어 있으며, 케이스(50)에 있는 초음파 발진자(44)는 도시하지 않은 냉각수단에 의해 수냉, 공냉으로 냉각시킨다.

상기 안내수단(54)은 도시하지 않은 구동(이송)수단 및 제어수단에 의해 이동가능케 되어 있다. 상기 구동(이송)수단은 볼 스크류 모터 등 다양한 수단으로 되어 있다.

상기 버니싱 헤드(40)는 상기 공작물과 직접 접촉하는 볼(55)과 이 볼이 끼워지는 자루부(56)로 되어 있다. 상기 볼(55)은 상기 자루부(56)에 고정된 형태로 되어 있으며, 상기 볼(55)의 재질은 연질가공물을 가공할 경우에는 강구를 사용하며 강재가공물을 가공할 경우에는 초경합금재를 사용한다. 상기 버니싱 헤드(40)의 재질은 전체가 크롬-몰리브덴강(예를 들어 SCM4), 고합금강(예를 들어 SKD11)으로 되어 있을 수도 있다. 상기 볼(55)의 재질은 공구강(SKD,SKH,SKS등), 초경합금강, 세라믹계 공구, CBN, 인조다이아몬드 등으로 되어 있을 수도 있다. 상기 볼(55)은가공재질과 조건에 따라 다양한 재질을 선택하여 사용한다.

상기 버니싱 헤드(40)의 자루부(56)는 상기 홀딩수단(42)에 끼워져 있다.

상기 홀딩수단(42)은 혼(horn)이라고 불리어 질 수도 있으며 상기 초음파 발진자(44)의 하부에 나사끼움되어 있다. 상기 홀딩수단(42)은 상기 초음파 발진자(44)와 일체로 이루어질 수도 있다. 상기 버니싱 헤드(40)는 도시하지 않은 볼트에 의해 상기 홀딩수단(42)에 고정되어 있다.

상기 초음파 발진자(44)는 상기 고주파 발생수단(46)에 연결된 코일이 그 외주면에 감겨져 있는 공지의 구조로 되어 있다. 상기 초음파 발진자는 압전세라믹을 사용한 구조로 이루어 질 수도 있다.

상기 초음파 발진자(44)는 상기 고주파 발생수단(46)의 고주파를 받아 16,000 ~ 100,000,000 cycles/sec의 초음파 진동을 발생시킨다.

상기 고주파 발생수단(46)은 마그네트론 등으로 되어 있으며, 공지의 여러 발생장치로 대용할 수 있으며, 도시하지 않은 전원에 연결되어 있다.

상기 가압수단(48)은 압축스프링으로 되어 있으며, 통형상으로 된 상기 안내수단(54)의 내부에 수용되어 그 탄성력에 의해 상기 케이스(50)를 가압하게 되어 있다. 상기 스프링에 의한 가압력은 상기 버니싱 헤드(40)의 볼(55)에 전달된다.

가압수단은 일정한 압력을 소재와 버니싱공구(볼)사이에 유지하고자 하는 것으로서 다양한 수단을 사용할 수 있다. 즉, 스프링, 유공압, 공구의 Compliance값, 버니싱공구(볼)의 작업면에 강제 압입등의 수단이 사용될 수 있다.

상기 안내수단(54)의 바닥에는 상기 가압수단(48)의 탄성력을 조정하도록 스크류로 된 상기 가압조절수단(52)이 결합되어 있다. 이 가압조절수단(52)은 상기 스프링이 안착하는 베이스판(58)의 스크류의 회전에 따라 상하로 이동하면서 상기 가압수단(48: 스프링)의 길이를 변경하여 탄성력을 조절하게 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치에서, 도시하지 않은 구동수단 및 이송수단에 의해 안내수단(54)을 이동시켜 표면가공하고자 하는 가공물의 표면에 상기 버니싱 헤드(40)의 볼이 접촉하게 한 다음, 수동 또는 자동으로 상기 가압조절수단(52)을 조절하여 스프링(48)이 상기 케이스(50)를 미는 힘을 조정하여 상기 버니싱 헤드(40)의 볼(54)이 가공물의 표면에 가하는 밀착력을 조정하고, 고주파 발생수단(46)의 스위치를 온하면 초음파 발진자(44)에서 초음파가 발생하여 이 초음파가 버니싱 헤드(40)를 진동시켜 가공물의 표면을 매끄럽게 다듬게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 버니싱 장치를 이용하면, 0.05S 정도의 표면거칠기까지도 단시간에 얻을 수 있으며 표면경화의 효과도 부수적으로 얻을 수 있다.

도4는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱장치로 실린더(60)의 내면을 가공하는 상태도이고 도5는 봉의 외면을 가공하는 상태도이다. 도시한 바와 같이 버니싱 장치는 화살표 P방향으로 표면으로 가압되고 있고, 화살표 s방향으로 이송되면서 가공물 표면을 다듬질한다.

본 발명의 마이크로 버니싱 장치는 자유곡면, 평면 및 브레이크 디스크의 양면 등 다양한 면을 가공하는 데 사용되며, 머시닝 센터나 로봇에 본 발명의 마이크로 버니싱 장치를 부가하여 사용할 수도 있다.

버니싱 과정에 있어서, 표면 다듬질 정도를 결정하는 기본적인 인자는 상기 볼(55)이 가공물의 표면에 접촉하는 접촉압력, 접촉면적, 공구에서 가공표면까지 전달되는 전달력, 가공물의 치수, 이송속도, 가공물의 회전수 등이다. 초음파의 주파수, 진동, 공구의 형상 등도 다듬질의 정도에 영향을 미친다.

상기 접촉압력은 표면경화와 효율을 결정한다.

도7은 전달력(F)과 경화깊이(h)의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 곡선 1은 진폭이 10 μm 일 경우이고, 곡선 2는 진폭이 20 μm 일 경우이다.

이중에서 이송속도는 직접 반복되는 표면의 변형율을 결정한다. 표면의 질은 기본적으로 공작물에 작용하는 정적인 하중과 진폭에 좌우된다. 따라서, 이송속도, 회전수의 적당한 선택은 가공효율, 즉 경화과정의 제어에 중대한 영향을 미친다.

도6에 도시한 바와 같이 다수의 단이 진 축에 측정개소(A, B, C, D)를 정하고, 주파수 20 kHz, 이송속도 0.16mm/rev, 회전수 450 rev/min, 전달력 12 kg 의 조건에서 3분 동안 본 발명의 버어니싱 장치로 다듬질을 한표면거칠기의 결과가 하기 표1에 나타나 있다. 표1에서 표면거칠기의 단위는 최대높이(Rmax, 단위 μm)이다.

[표1]

	A	B	C	D
다듬질 전	10.88	10.84	10.52	11.24
다듬질 후	0.144	0.152	0.208	0.252

도8 및 도9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버니싱 장치를 나타내는 구성도이다.

본 실시예는 버니싱 헤드(40')의 팁(55')이 긴 봉상으로 그 단부가 둥글게 된 형상으로 되어 있다. 상기 팁(55')은 자루부(56')에 억지 끼움되어 있으며, 상기 자루부(56')는 홀딩수단(42')에 나사결합되어 있다.

상기 자루부(56')는 크롬-몰리브덴 강(SCM4)등으로 되어 있고, 팁(55')은 탄화텡스텐(WC)으로 되어 있는 것이 바람직하다.

본 실시예의 기본적인 구조는 도3의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치에 의하면, 상기 볼이 공작물에 접촉하면서 진동되어 상기 공작물의 표면을 다듬질하므로, 표면경도를 높일 뿐 아니라 표면거칠기의 정도가 향상되고 가공시간을 대폭적으로 줄일 수 있다는 효과가 있다. 또 본 발명은 수직형머시닝센터, 수평형머시닝센터, 로봇에 부착하고 사용하면 금형류의 표면사상에 큰 효과가 있다.

Claims

공작물의 표면에 접촉하는 버니싱 헤드와, 상기 버니싱 헤드를 잡는 홀딩수단과, 상기 홀딩수단에 가하는 초음파를 발생시키는 초음파 발진자와, 상기 초음파 발진자에 공급되는 고주파를 발생시키는 고주파 발생수단과, 상기 홀딩수단을 가압하여 버니싱 헤드를 공작물 표면에 밀착되게 하는 가압수단을 포함하되,

상기 초음파 발진자는 케이스에 고정되어 있으며,

상기 가압수단은 가압조절수단에 의해 상기 케이스를 가압하는 가압력을 조절할 수 있게 되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치.
제2항에 있어서,

상기 버니싱 헤드는 회전하지 않는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 마이크로 버니싱 장치.