KR100561291B1

KR100561291B1 - 탁상용 전해 인프로세스 드레싱 가공장치

Info

Publication number: KR100561291B1
Application number: KR1020000019016A
Authority: KR
Inventors: 오모리히토시
Original assignee: 리켄
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2006-03-15
Also published as: KR20010020726A; CA2305832A1; HK1028750A1; DE60036506T2; EP1044767A2; JP2000296413A; DE60036506D1; SG109419A1; EP1044767A3; EP1044767B1

Abstract

피가공물(1)을 가공하기 위한 전도성 숫돌(2)과, 상기 전도성 숫돌의 가공면과 평행하게 설치가능한 전극(4)과, 상기 숫돌과 전극 사이에 전도성 가공액을 공급하는 가공액 공급장치(6) 및 상기 숫돌과 전극 사이에 전압을 인가하는 전원(8)이 구비된다. 상기 전원(8)은 의사 펄스 전압을 발생시키는 직류전원과 RC회로로 이루어지고, 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있다. 또한, 피가공물이 취부된 테이블을 수평직교방향(X,Y)으로 구동하기 위한 피가공물 구동장치(12)와, 상기 피가공물에 대하여 전도성 숫돌을 수직축(Z)을 중심으로 회전시킴과 아울러 수직방향으로 구동하기 위한 공구 구동장치(14) 및 상기 장치(12)(14)를 수치제어하기 위한 수치제어장치(16)(PC)가 구비된다. 따라서, 경질취성재료와 초경금속의 고정밀도 가공이 가능하며, 구동에 필요한 동력과 펄스 전원이 모두 소형이기 때문에, 저전압(100V)의 소전력으로 구동될 수 있어서 테이블상에 탑재될 수 있도록 소형화가 가능하다.

ELID 가공장치, 숫돌, 전극, 가공액 공급장치, 전원.

Description

탁상용 전해 인프로세스 드레싱 가공장치{TABLE-TOP ELID PROCESSING APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 탁상용 ELID 가공장치의 전체 사시도이고,

도 2는 전해 드레싱 및 방전 트루잉 겸용 전원 회로도이며,

도 3은 도 2의 전원의 부하특성을 나타낸 도면이고,

도 4는 도 2의 전원과 의사 펄스 전압의 예이며,

도 5는 피가공물 구동장치의 안내부의 구조를 나타낸 도면이고,

도 6은 경질다공성 탄소재의 소성온도와 마찰계수의 관계를 나타낸 도면이다.

본 발명은 소형부품의 연삭가공과 경면가공을 능률적이고 매우 정밀하게 실시하기 위한 탁상용 ELID 가공장치에 관한 것이다.

가정, 실험실 등에서 소형부품을 기계가공할 경우에는 탁상용 선반, 탁상용 밀링 머신 등을 주로 사용하게 된다. 이러한 탁상용 가공장치는 비교적 가공이 용이한 재료, 예를 들어 구리, 알루미늄, 목재, 플라스틱 등을 대상으로 한다. 그러 나, 가공이 어려운 재료, 예를 들어 파인 세라믹, 광학 글라스, 반도체 다결정, 경질 취성재료 및 초경금속 등으로 피가공물이 소형일 경우에는 종래의 범용 대형 기계가 사용되었다. 따라서, 탁상용 선반 등과 같이 사용될 수 있으며 매우 효율적이고 정밀하게 경질 취성재료 및 초경금속을 가공할 수 있는 탁상용 가공장치의 개발이 요구되었다.

그러나, 전술한 탁상용 가공장치의 개발에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.

(1) 경질 취성재료 및 초경금속 등을 가공함에 있어서, 숫돌을 사용하는 연삭가공이 가장 적절하다. 그러나, 연삭가공의 가공저항은 통상의 절삭가공에 비해 크고, 피가공물을 가이드하는 선형 가이드도 통상적으로 크다. 따라서, 모터 등이 대형화되고, 이를 구동하기 위해서는 많은 전력이 필요하다. 일반적으로, 전술한 가공기는 3상 200V의 전원에 의해 구동된다. 따라서, 가정용 또는 실험실용으로 소형화할 경우에도, 저전압(단상 100V)으로 구동될 수 있으며서 테이블상에 장착되어사용가능한 소형 소전력화가 곤란하다.

(2) 연삭가공용 숫돌은 통상 단시간내에 연삭분말이 붙게 되기 때문에, 고능률화가 곤란하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전해 인프로세스 드레싱 연삭법(이하, ELID 연삭법)을 본 발명의 발명자 등이 개발중이지만, 이 연삭법을 적용하기 위해서는 소정의 펄스 전원이 불가결하다. 그러나, 상기 펄스 전원은 피가공물이 소형일 경우에도 비교적 높은 전압(예를 들어, 60 내지 150V)과 함께 1 내지 3A정도의 펄스 전류를 발생시키는 것이 필요하기 때문에, 전원장치가 대형화된다. 또한, ELID 연삭법은 전도성 가공액의 사용이 불가결하되, 가공액의 점성이 가공저항을 상승시키기 때문에 더 높은 전략이 필요하다. 또한, 상기 가공액이 선형 가이드에 침입할 경우, 가이드의 수명이 단축되고 섭동저항이 변동된다. 또한, 이러한 침입을 방지하고자 밀봉재 등을 설치할 경우, 저항은 증가하고 가공액에 의해 밀봉재의 수명이 단축된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 경질취성재료 및 초경금속의 고정밀가공이 가능하고, 구동에 필요한 동력과 펄스 전원이 모두 소형화될 수 있으며, 저전압(단상 100V)을 사용하여 소전력으로 작동될 수 있고, 테이블상에 장착할 수 있도록 소형화가 가능한 탁상용 ELID 가공장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 피가공물(1)을 가공하기 위한 전도성 숫돌(2)과, 상기 전도성 숫돌의 가공면과 일정 간격으로 설치가능한 전극(4)과, 상기 숫돌과 전극 사이에 전도성 가공액을 공급하는 가공액 공급장치(6) 및 상기 숫돌과 전극 사이에 전압을 인가하는 전원(8)을 구비하되, 상기 전원(8)은 의사 펄스 전압을 발생시키는 직류전원과 RC회로로 이루어지고, 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있으며, 또한, 피가공물이 취부된 테이블을 수평직교방향(X,Y)으로 구동하기 위한 피가공물 구동장치(12)와, 상기 피가공물에 대하여 전도성 숫돌을 수직축(Z)을 중심으로 회전시킴과 아울러 수직방향으로 구동하기 위한 공구 구동장치(14) 및 상기 피가공물 구동장치(12)와 공구 구동장치(14)를 수치제어하기 위한 수치제어장치(16)가 구비된 것을 특징으로 하는 탁상용 ELID 가공장치를 제공한다.

전술한 본 발명의 구성에 있어서, 전원(8)이 의사 펄스 전압을 발생시키는 직류전원과 RC회로로 이루어지고, 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있기 때문에, 상기 전원은 필요에 따라 ELID 가공 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있다. 또한, 회로가 단순하기 때문에, 동일한 펄스 전류를 발생시키는 경우 종래의 펄스 전원회로에 비해 대폭 소형화시킬 수 있다. 또한, 피가공물 구동장치(12)와 공구 구동장치(14)를 설치하고, 이들을 수치제어장치(16)(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터)로 제어함으로써, 간단한 수치제어가 가능하고 고정밀도의 가공이 가능하다.

따라서, 전해 인프로세스 드레싱 연삭법(ELID 연삭법)이 소형이면서 단순한 전원(8)을 사용하여 실현될 수 있기 때문에, 연삭숫돌의 드레싱에 따른 절삭저항이 대폭 줄어들고, 필요동력이 저감되며, 경질취성재료 및 초경금속을 매우 능률적이고 정밀하게 가공할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 피가공물 구동장치(12)는 무윤활시와 수중에서 동마찰계수와 정마찰계수가 항상 동일한 경질 다공성 탄소재에 의해 가이드된다. 전술한 경질다공성 탄소재(예를 들어, RB 세라믹)를 섭동부의 가이드로 사용하기 때문에, 가공액이 선형 가이드에 침입하여도 마찰계수가 변동되지 않으며, 수치제어에 의한 위치결정의 정확도를 높게 유지할 수 있다. 또한, 마찰계수가 변동되지 않고 가공액이 상기 탄소재를 침입하지 않기 때문에, 밀봉재가 불필요하고 섭동저항을 낮게 유지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 각 도면에서, 공통된 부분에는 동일한 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 탁상용 ELID 가공장치의 전체 사시도이다. 도 1에서, 본 발명의 탁상용 ELID 가공장치(10)는 전도성 숫돌(2), 전극(4), 가공액 공급장치(6), 및 숫돌(2)과 전극(4) 사이에 전압을 인가하는 전원(8)이 구비된다. 또한, 상기 탁상용 ELID 가공장치(10)는 피가공물(1)이 취부된 테이블(11)을 수평직교방향(X,Y)으로 구동하기 위한 피가공물 구동장치(12)와, 상기 피가공물(1)에 대하여 전도성 숫돌(2)을 수직축(Z)을 중심으로 회전시킴과 아울러 수직방향으로 구동하기 위한 공구 구동장치(14) 및 상기 피가공물 구동장치(12)와 공구 구동장치(14)를 수치제어하기 위한 수치제어장치(16)가 구비된다.

본 실시예에서, 피가공물(1)은 테이블(11)의 상면에 직접고정되며, 상기 상면이 가공된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 테이블(11)에 피가공물(1)을 고정하는 별도의 테이블을 취부하고, 그 테이블을 이용하여 피가공물(1)을 임의의 축(X,Y,Z 등)을 중심으로 회전시킬 수도 있다.

전동성 숫돌(2)은 수직축(Z)을 중심으로 회전하는 원통형 숫돌 또는 컵형 숫돌이며, 그 하면으로 피가공물(1)을 가공하게 된다. 또한, 바람직하게, 상기 전도성 숫돌(2)은 미세한 다이아몬드 입자를 사용한 메탈 본드 숫돌일 수 있다. 그러나, 전도성 숫돌(2)은 이에 한정되지 않고, ELID가공에 적당한 종류가 자유롭게 사용될 수 있다.

전극(4)은 전도성 숫돌(2)의 가공면과 일정 간격으로 설치될 수 있다. 상기 전극(4)은 전도성 숫돌(2)의 가공면으로부터 이격되어 설치되기 때문에 ELID 가공중 전해 드레싱된다. 또한, 피가공물로부터 분리하여 테이블 상면에 설치함으로써, 전도성 숫돌(2)의 가공면을 필요에 따라 전해 드레싱 및 방전 트루잉할 수 있다.

가공액 공급장치(6)는 숫돌(2)과 전극(4) 사이에 전도성 가공액을 공급하게 된다. 도 1에서, 참조번호 13은 가공액조를 나타내며, 상기 가공액조(3)에 저장된 가공액을 펌프(미도시)를 이용하여 숫돌(2)의 가공면과 전극(4) 사이에 공급하게 된다. 가공액은 ELID 가공에 적당한 전해액이 바람직하다. 또한, 방전 트루잉에 적당하도록 전기 전도도를 조절할 수도 있다. 또한, 바람직하게, 계면 활성제 등이 첨가되어 표면장력을 줄임으로써, 가공액에 의한 가공저항을 줄일 수 있다.

본 실시예에서, 피가공물 구동장치(12)는 가공액조(13)의 상부에 설치된 Y축 테이블(12a)과, 그 상부에 설치된 X축 테이블(12b)로 구성된다. 전술한 테이블(11)은 X축 테이블(12b)의 상면에 고정된다. Y축 테이블(12a)과 X축 테이블(12b)은 각각 선형 가이드, 구동 모터 및 위치검출 스케일을 구비하고, 수치제어에 의해 정밀하게 위치가 결정될 수 있다.

또한, 도 1에서 참조번호 15는 X축 테이블(12b)을 감싸도록 설치된 커버로서, 상면과 전면의 일부(15a)만이 개구되어 가공시 가공액의 비산을 방지하게 된다. 개구부(15a)에는 투명 커버가 취부되어 작업자가 가공상태를 접근하여 관찰할 수 있다.

공구 구동장치(14)는 컬럼(14a)과 그 상부에 설치된 스핀들부(14b)로 구성된 다. 상기 스핀들부(14b)에는 숫돌(2)을 유지하여 회전시키는 스핀들, 스핀들을 구동하는 모터, 및 숫돌(2)을 수직방향(Z)으로 구동시키는 Z축 테이블이 내장된다. Z축 테이블도 Y축 테이블(12a) 및 X축 테이블(12b)과 동일하게 선형 가이드, 구동 모터, 위치검출 스케일을 구비하기 때문에, 수치제어로 정밀하게 위치가 결정될 수 있다.

수치제어장치(16)는 평행 및/또는 직렬 인터페이스(예를 들어, RS-232C)가 구비된 퍼스널 컴퓨터이고, Y축 테이블(12a), X축 테이블(12b) 및 Z축 테이블을 NC 제어로 구동하게 된다. 그러나, 퍼스널 컴퓨터를 사용하는 대신, 맞춤석(custom chip) 및 마이크로 서보 콘트롤러를 사용하는 소형이면서 단순한 NC 제어장치가 사용될 수도 있다.

도 2는 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용되는 전원회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 탁상용 ELID 가공장치(10)에 적용되는 전원(8)은 도시되지 않은 직류전원회로와 그 회로에 접속된 RC회로를 가지며, 의사 펄스 전압을 발생시킬 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회로는 양극측의 입출력 단자(9a)(9b) 사이에 위치된 가변저항(R)과, 출력단자(9b)의 양극/음극 사이에 위치된 가변 커페시터(C)를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 직류전원회로는 AC 단상 100V의 저압전원을 사용하여 DC 30 내지 150V의 출력전압을 제공한다. 또한, 가변저항(R)은 50 내지 500Ω의 범위에서 단계적 또는 연속적으로 저항이 변경될 수 있고, 가변 커페시터(C)는 0.01 내지 10㎌의 범위에서 단계적 또는 연속적으로 용량이 변경될 수 있 다.

이와 같은 구성에 의하여, 단순한 회로로 출력단자(9b)의 단자 사이가 개방되었을 때 커페시터(C)를 충전하고, 출력단자의 단자간 저항이 감소되었을 때 커페시터(C)를 방전함으로써, 숫돌(2)과 전극(4) 사이에 소정 전압을 펄스적으로 인가할 수 있다.

도 3은 상기 전원의 부하특성을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 가변저항(R)과 가변 커페시터(C)를 조절함으로써, 최대전압 약 150V, 최대전류 약 1.2Ω의 범위에서 임의의 전압을 발생시킬 수 있다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 2의 전원에 의해 발생된 의사 펄스 전압의 예를 나타낸 도면이다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 R=50Ω, R=100Ω, R=200Ω인 경우를 나타내며, 커페시터(C)는 모두 1㎌이다. 상기 도면으로부터, 가변저항(R)과 가변 커페시터(C)를 조절함으로써, 완전한 펄스파는 아니지만 의사 펄스 전압을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, R=50Ω, R=100Ω, R=200Ω인 모든 경우에서, C=10㎌는 펄스파의 전후에서 펄스 강하를 야기하였으나, 용량을 작게 할수록 완전한 펄스파에 근접되며, C=0.1 및 0.01㎌는 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 것보다 완전한 펄스파임을 확인할 수 있다. 또한, R=500Ω인 경우에도 C=0.01㎌는 도 4a, 도 4b 및 도 4c와 동일한 펄스파를 나타낸다.

도 3과, 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 결과로부터, 상기 전원은 필요에 따라 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 전원(8)은 도 1에 도시된 콘트롤러(8a)에 의해 출력전압, 가변저항, 가변 커페시터 등이 자유롭게 조절될 수 있다.

도 5는 피가공물 구동장치의 안내부의 구조도이다. 도 5에서, 참조번호 17은 고정측의 가이드 레일, 18은 구동측의 가이드 블록, 19는 그 사이에 위치된 섭동재를 나타낸다. 바람직하게, 상기 섭동재(19)는 무윤활시와 수중에서의 동마찰계수와 정마찰계수가 항상 동일한 경질 다공성 탄소재로 제조된다. 이러한 경질 다공성 탄소재로는 탈지 쌀겨(rice bran)에 페놀수지를 혼합하여 성형가공한 후, 질소가스 분위기에서 탄화소성시킨 RB 세라믹이 포함된다.

도 6은 상기 경질 다공성 탄소재의 소성온도와 마찰계수의 관계를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 소성온도가 600℃ 이상이면 마찰계수는 낮아져 0.13 내지 0.17의 일정한 값을 나타낸다. 또한, 상기 경질 다공성 탄소재는 수중에서도 대기중에서와 동일하게 낮은 마찰계수를 나타내기 때문에, 넓은 압력범위에서 정마찰계수와 동마찰계수가 항상 일정하다. 따라서, 전술한 경질 다공성 탄소재(예를 들어, RB 세라믹)를 섭동부의 가이드로 사용할 경우, 가공액이 선형 가이드에 침입하여도 마찰계수가 변동되지 않아서 수치제어에 의해 위치결정이 정밀하게 유지될 수 있다. 또한, 마찰계수가 변동되지 않고 상기 탄소재가 가공액에 의해 침입되지 않기 때문에 밀봉재가 필요하지 않고, 섭동저항을 낮게 유지할 수 있다.

전술한 본 발명의 구성에 따르면, 전원(8)이 의사 펄스 전압을 발생시키는 직류전원과 RC회로로 구성되어, 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있으며, 상기 전원을 사용하여 ELID 가공과 방전 트루잉을 필요에 따라 모두 실시할 수 있다. 또한, 회로가 간단하기 때문에, 종래의 펄스 전원회로에 비해 동일한 펄 스 전류를 발생시키는 경우에도 대폭 소형화시킬 수 있다. 또한, 피가공물 구동장치(12)와 공구 구동장치(14)를 설치하고, 이를 수치제어장치(16)(퍼스널 컴퓨터)로 제어함으로써, 단순한 수치제어가 가능하고 고정밀도의 가공이 가능하다.

따라서, 전해 인프로세스 드레싱 연삭법(ELID 연삭법)을 소형이면서 간단한 전원(8)을 사용하여 실현할 수 있고, 상기 숫돌의 드레싱에 의해 절삭저항을 대폭 낮출 수 있으며, 필요동력을 절감할 수 있고, 경질 취성재료 및 초경금속을 고능률적으로 정밀하게 가공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 탁상용 ELID 가공장치는 경질 취성재료와 초경금속을 매우 정밀하게 가공할 수 있고, 구동에 필요한 동력과 펄스전원을 모두 소형화할 수 있으므로, 저전압(단상 100V)을 사용한 소전력으로 작동될 수 있고, 테이블상에 탑재될 수 있도록 소형화가 가능하는 등의 효과를 갖는다.

이상, 본 발명을 다수개의 바람직한 실시예에 따라 설명하였으나, 본 발명에 포함된 권리범위는 상기 실시예에 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다. 역으로, 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구범위에 속하는 모든 개량, 수정 및 균등물을 포함한다.

Claims

피가공물(1)을 가공하기 위한 전도성 숫돌(2)과, 상기 전도성 숫돌의 가공면과 일정 간격으로 설치가능한 전극(4)과, 상기 숫돌과 전극 사이에 전도성 가공액을 공급하는 가공액 공급장치(6) 및 상기 숫돌과 전극 사이에 전압을 인가하는 전원(8)을 구비하되,

상기 전원(8)은 의사 펄스 전압을 발생시키는 직류전원과 RC회로로 이루어지고, 전해 드레싱 및 방전 트루잉에 모두 적용될 수 있으며, 또한, 피가공물이 취부된 테이블을 수평직교방향(X,Y)으로 구동하기 위한 피가공물 구동장치(12)와, 상기 피가공물에 대하여 전도성 숫돌을 수직축(Z)을 중심으로 회전시킴과 아울러 수직방향으로 구동하기 위한 공구 구동장치(14) 및 상기 피가공물 구동장치와 공구 구동장치를 수치제어하기 위한 수치제어장치(16)가 구비된 것을 특징으로 하는 탁상용 전해 인프로세스 드레싱 가공장치.
제 1 항에 있어서, 상기 피가공물 구동장치(12)는 무윤활시와 수중에서 동마찰계수와 정마찰계수가 항상 동일한 경질 다공성 탄소재에 의해 가이드되는 것을 특징으로 하는 탁상용 전해 인프로세스 드레싱 가공장치.