KR100601095B1 - 마찰 가공을 이용한 표면처리 장치 및 표면처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마찰 가공을 이용한 표면처리 장치 및 표면처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면처리 장치는, 피가공재가 배치될 지지 부재, 상기 피가공재의 표면에 밀착하여 회전하는 가공 부재, 상기 피가공재를 회전시키는 제1 구동기, 상기 가공부재를 상하로 이동시키는 제2 구동기, 상기 가공부재의 위치를 측정하는 위치 측정기, 상기 위치 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재의 위치를 제어하는 위치 제어기, 상기 가공부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 측정하는 압력 측정기, 상기 압력 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 제어하는 압력 제어기, 및 상기 위치 제어기 또는 압력 제어기의 제어에 따라 상기 제2 구동기를 제어하는 제어 밸브를 포함한다. 그리고, 본 발명에 따른 표면처리 방법은, 피가공재를 지지대에 위치시키는 단계, 상기 피가공재의 표면에 가공 부재를 위치시키는 단계, 및 상기 가공 부재의 위치 및 상기 가공 부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 교번하여 제어하면서, 상기 피가공재 표면에서 상기 가공부재를 회전시켜 표면을 개질하는 단계를 포함한다.
마찰 가공, 표면 개질, 회전 공구
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 장치의 제어부를 도시한 구성도이다.
본 발명은 표면처리 장치 및 표면처리 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 마찰 가공을 이용한 표면처리 장치 및 표면처리 방법에 관한 것이다.
마찰을 이용한 표면처리 방법에서는 회전 공구(tool)를 피가공재에 접촉시킨 상태에서 회전시켜 피가공재의 표면을 개질한다. 회전 공구와 피가공재의 상호마찰에 의해 발생된 마찰열에 의해 공구 주변의 피가공재 부분이 연화되고, 회전 공구의 회전에 의한 소성유동에 의해 표면이 개질된다.
마찰을 이용한 표면처리 방법은 아크, 레이저, 플라즈마를 이용한 표면처리 방법과는 달리 용융을 수반하지 않는다. 따라서, 마찰을 이용한 표면처리 방법은 용융 과정에서의 크랙 또는 조직의 변질 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 마찰을 이용한 표면처리 방법은 다른 표면처리 방법보다 우수한 열피로 수명, 내충격성 등의 특성을 갖도록 표면을 개질할 수 있다.
이러한 마찰을 이용한 표면처리 장치에서는 회전 공구를 일정한 속도로 회전시키고, 회전 공구가 피가공재에 일정하게 접촉하도록 유지하는 것이 중요하지만, 실제로 이러한 장치를 구현하는 것에 어려움이 있었다.
종래 기술에 따른 마찰을 이용한 표면처리 장치에서는 회전 공구를 상하로 이동시켜 회전 공구가 피가공재에 일정하게 접촉하게 하였다. 그런데, 이러한 방식에서는 피가공재에 굴곡이 있는 경우에는 표면을 균일하게 개질하는 것이 어렵고 굴곡 부근에서 비정상적인 개질이 일어날 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 피가공재에 굴곡이 있는 경우에도 표면을 균일하게 개질할 수 있어 다양한 형상의 부품에 적용할 수 있는 표면처리 장치 및 표면처리 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 표면처리 장치는, 피가공재가 배치될 지지 부재, 상기 피가공재의 표면에 밀착하여 회전하는 가공 부재, 상기 피가공재를 회전시키는 제1 구동기, 상기 가공부재를 상하로 이동시키는 제2 구동기, 상기 가공부재의 위치를 측정하는 위치 측정기, 상기 위치 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재의 위치를 제어하는 위치 제어기, 상기 가공부재가 상기 피가공 재에 가하는 압력을 측정하는 압력 측정기, 상기 압력 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 제어하는 압력 제어기, 및 상기 위치 제어기 또는 압력 제어기의 제어에 따라 상기 제2 구동기를 제어하는 제어 밸브를 포함한다.
본 발명에 따른 표면처리 장치는 상기 가공 부재를 일방향으로 이동시키는 제3 구동기와 상기 지지 부재를 상기 제3 구동기에 교차하는 방향으로 이동시키는 제4 구동기를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 표면처리 장치는 상기 제1 구동기의 회전속도를 측정하는 회전속도 측정기와, 상기 회전속도 측정기의 측정치에 따라 상기 제1 구동기의 회전속도를 제어하는 회전속도 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면처리 방법은, 피가공재를 지지대에 위치시키는 단계, 상기 피가공재의 표면에 가공 부재를 위치시키는 단계, 및 상기 가공 부재의 위치 및 상기 가공 부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 교번하여 제어하면서, 상기 피가공재 표면에서 상기 가공부재를 회전시켜 표면을 개질하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 표면처리 장치는 지지 부재(10), 가공 부재(20), 제1 구동 기(31), 제2 구동기(33), 제3 구동기(35), 제4 구동기(37), 회전속도 측정기(41), 회전속도 제어기(43), 및 제어부(50)를 포함한다.
지지 부재(10) 상에는 표면개질을 하고자 하는 피가공재(60)가 장착된다.
가공 부재(20)는 가공 부재(20)에 연결된 구동기(31, 33)에 의해 피가공재(60)의 표면에 피가공재(60)에 소정의 힘을 가하면서 회전되어 피가공재(60)의 표면을 개질시킨다. 이 때, 가공 부재(20)는 소모성 재료로 이루어질 수 있고, 비소모성 재료로 이루어질 수도 있다.
지지 부재(10)와 가공 부재(20)에는 표면 개질을 위해 구동기(31, 33, 35, 37)들이 연결된다. 제1 구동기(31), 제2 구동기(33) 및 제3 구동기(35)는 가공 부재(20)에 연결되고, 제4 구동기(37)는 지지 부재(10)에 연결된다.
제1 구동기(31)는 가공 부재(20)를 회전시키는 구동기로, 모터 등이 적용될 수 있다. 제2 구동기(33)는 가공 부재(20)를 피가공재(60)의 표면에 위치하도록 가공 부재(20)를 상하(도면의 z축 방향)로 이동시키고 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 일정한 압력을 가하도록 하는 구동기로, 유압 실린더나 모터 등이 적용될 수 있다.
제1 구동기(31)와 제2 구동기(33)는 가공 부재(20)를 피가공재(60)에 일정한 압력을 가하면서 회전시키는 역할을 하므로 표면 개질에 직접 관련되는 구동기이다.
제3 구동기(35)는 가공 부재(20)를 피가공재(60)의 표면 상에서 일방향(도면의 x축 방향)으로 이동시키며, 제4 구동기(37)는 제3 구동기(35)에 의해 가공 부재 (20)가 이동하는 방향과 교차하는 방향(도면의 y축 방향)으로 지지 부재(10)를 이동시킨다. 제3 구동기(35) 및 제4 구동기(37)로는 유압 실린더나 모터 등이 적용될 수 있다.
제3 구동기(35) 및 제4 구동기(37)는 가공부재(20)를 개질하고자 하는 피가공재(60)의 상부에 가공 부재(20)를 위치시키고, 표면 개질 공정 중에 가공 부재(20)를 개질하고자 하는 부분으로 계속하여 이동시켜 연속적인 표면 개질을 가능하게 한다.
상기한 바와 같이 제1 구동기(31)와 제2 구동기(33)는 표면 개질에 직접 관련되는 구동기이므로, 균일한 표면 개질을 위해서는 제1 구동기(31)와 제2 구동기(33)를 이용하여 가공 부재(20)를 적절하게 제어하여야 한다. 이를 위하여 본 실시예에 따른 표면처리 장치는 제1 구동기(31)를 제어하는 회전속도 측정기(41)와 회전속도 제어기(43)와, 제2 구동기(32)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
회전속도 측정기(41)가 가공 부재(20)의 회전속도를 측정하고, 회전속도 제어기(43)는 기설정된 회전속도 기준치와 측정된 회전속도를 대비하여 가공 부재(20)의 회전속도를 제어한다. 즉, 회전속도 제어기(43)는 측정치가 기준치보다 높은 경우에는 가공 부재(20)의 회전속도를 낮추고 측정치가 기준치보다 낮은 경우에는 가공 부재(20)의 회전속도를 높여, 가공 부재(20)를 기설정된 회전속도 기준치로 회전시킨다. 따라서, 가공 부재(20)를 일정한 속도로 회전시키는 역할을 한다.
제어부(50)는 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 일정한 압력을 가하면서 피가공재(60)에 접하도록 한다. 이하에서 도 2를 참조하여 제어부를 보다 상세하게 설 명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 장치의 제어부를 도시한 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(50)는 위치 측정기(51), 압력 측정기(53), 위치 제어기(55), 압력 제어기(57) 및 제어 밸브(59)를 포함한다.
위치 측정기(51)는 가공 부재(도 1의 도면부호 20 참조, 이하 동일)의 상하 위치를 측정하고, 압력 측정기(53)는 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 가하는 압력을 측정한다. 위치 측정기(51) 및 압력 측정기(53)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
위치 제어기(55)는 피가공재(도 1의 도면부호 60 참조, 이하 동일)의 표면 상태, 가공 부재(20) 재료 등을 고려하여 기설정된 위치 기준점과 위치 측정기(51)가 측정한 측정치의 편차, 및 제어 변수에 근거하여 가공 부재(20)가 적절한 상하 위치에 위치시킨다.
이 때, 가공 부재(20)가 비소모성 재료로 이루어지는 경우에는 가공 부재(20)의 위치를 고려하여 가공 부재(20)의 위치를 제어하고, 가공 부재(20)가 소모성 재료로 이루어지는 경우에는 가공 부재(20)의 위치 및 소모속도를 고려하여 가공 부재(20)의 위치를 제어한다.
그리고, 압력 제어기(57)에는 피가공재(60)의 표면 특성 및 가공 부재(20)의 재료 등을 고려하여 기설정된 압력 기준점과 압력 측정기(53)가 측정한 측정치의 편차, 및 제어 변수에 근거하여 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 가하는 압력을 일 정하게 유지시킨다.
본 실시예에서 위치 제어기(51)와 압력 제어기(53)는 PID(Proportional- Intergral-Derivate) 제어기일 수 있다. PID 제어기는 비례, 적분, 미분 제어기로, 제어 변수와 기준 입력 사이의 편차에 근거하여 기준점을 유지할 수 있도록 하는 피드백 제어의 일종이다.
제어 밸브(59)는 위치 제어기(51) 및 압력 제어기(53) 중 어느 하나의 제어에 따라 제2 구동기(33)를 구동시킨다. 제어 밸브(59)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명을 생략한다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 장치의 작용 및 표면처리 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
지지 부재(10)에 표면을 개질하고자 하는 피가공재(60)를 위치시킨다.
제3 구동기(35)와 제4 구동기(37)가 가공 부재(20)와 지지 부재(10)를 이동시켜 표면 개질을 하고자 하는 피가공재(60) 부분 상부에 가공 부재(20)를 위치시킨다. 제3 구동기(35)와 제4 구동기(37)는 가공 부재(20)와 지지 부재(10)를 개질하고자 하는 부분으로 이동시켜 연속적으로 표면을 개질시킬 수 있도록 한다.
제2 구동기(33)는 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 밀착되도록 가공 부재(20)를 상하로 이동시키고, 제1 구동기(31)가 가공 부재(20)를 회전시킨다. 가공 부재(20)가 피가공재(60)의 표면에서 회전시켜 가공 부재(20)와 피가공재(60) 사이에 마찰열을 발생시켜 피가공재(60)를 연화시키고 피가공재(60)의 표면을 교반한 다. 가공 부재(60)가 회전되는 부분의 표면에 가소성 유동층이 비융해 상태로 교반되어 표면이 개질된다.
가공 부재(20)가 비소모성 재료로 이루어지는 경우에는 가공 부재(20)가 일정한 길이를 유지하면서 피가공재(60)의 표면을 개질시킨다. 그리고 가공 부재(20)가 소모성 재료로 이루어지는 경우에는 가공 부재(20)가 회전하면서 가공 부재(20)의 일부가 피가공재(60)의 표면에 적층된다. 따라서, 소모성 가공 부재(20)는 표면 개질 공정 중에 점점 길이가 짧아진다.
이 때, 회전속도 제어기(43)가 제1 구동기(31)의 회전속도를 일정하게 유지시켜 가공 부재(20)의 회전속도를 일정하게 유지한다. 그리고, 위치 제어기(55)는 가공 부재(20)의 상하 위치를 피가공재(60)의 표면 형상에 따라 적절하게 유지하고, 압력 제어기(57)는 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 가하는 압력을 일정하게 유지한다. 이 때, 가공 부재(20)가 소모성 재료로 이루어지는 경우에 위치 제어기(55)는 가공 부재(20)가 소모되는 속도도 고려하여 가공 부재(33)의 상하 위치를 제어한다.
표면 개질 중 피가공재(60)의 표면 상태, 피가공재(60)의 형상, 가공 부재(20)의 재료 등에 따라 위치 제어기(55) 및 압력 제어기(57) 중의 어느 하나를 가공 부재(20)를 제어할 제어기로 선택한다. 위치 제어기(55) 및 압력 제어기(57) 중에서 선택된 제어기의 결과에 따라 제어밸브(59)가 제2 구동기(33)를 구동시킨다.
제2 구동기(33)가 위치 제어기(55)에 의해 제어되는 경우 제2 구동기(33)는 가공 부재(20)의 위치를 이동시켜 가공 부재(20)가 위치 기준점에 위치하도록 하 고, 제2 구동기(35)가 압력 제어기(57)에 의해 제어되는 경우 제2 구동기(33)는 가공 부재(20)가 피가공재(60)에 가하는 압력을 변화시켜 압력 기준점의 압력을 갖도록 한다.
즉, 본 실시예에 따른 표면처리 장치는 표면 개질 중 공정 조건에 따라 위치 제어 및 압력 제어를 교번하여 가공 부재(20)가 적절한 위치에서 일정한 압력을 가지며 피가공재(60)에 밀착되는 것이 가능하다. 따라서, 가공 부재(20)가 소모성 재료로 이루어지는 경우에는 피가공재(60) 표면에 가공 부재(20)재료를 균일한 두께로 적층하면서 표면을 개질할 수 있고, 가공 부재(20)가 비소모성 재료로 이루어지는 경우에는 피가공재(60)의 표면을 균일하게 개질할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 가공 부재의 위치를 제어하거나 가공 부재가 피가공재에 가하는 압력을 제어함으로써 피가공재의 표면을 균일하게 개질할 수 있다.
그리고, 가공 부재를 상하로 구동시키는 구동기를 표면 개질 공정 중 위치 제어와 압력 제어를 번갈아가면서 할 수 있으므로 다양한 공정 조건에서 표면을 균일하게 개질하는 것이 가능하다. 따라서, 표면에 굴곡이 있거나 형상이 복잡한 피가공재을 마찰 가공으로 균일하게 개질할 수 있다.
또한, 피가공재를 용융하지 않고 피가공재의 표면을 개질시킬 수 있으므로 용융을 수반하는 다른 개질 기술보다 비용이 절감되고 품질을 향상할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구 범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명에 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
Claims (4)
- 피가공재가 배치될 지지 부재,상기 피가공재의 표면에 밀착하여 회전하는 가공 부재,상기 피가공재를 회전시키는 제1 구동기,상기 가공부재를 상하로 이동시키는 제2 구동기,상기 가공부재의 위치를 측정하는 위치 측정기,상기 위치 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재의 위치를 제어하는 위치 제어기,상기 가공부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 측정하는 압력 측정기,상기 압력 측정기의 측정치에 따라 상기 가공부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 제어하는 압력 제어기, 및상기 위치 제어기 또는 압력 제어기의 제어에 따라 상기 제2 구동기를 제어하는 제어 밸브를 포함하는 표면처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가공 부재를 일방향으로 이동시키는 제3 구동기와 상기 지지 부재를 상기 제3 구동기에 교차하는 방향으로 이동시키는 제4 구동기를 더 포함하는 표면처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 구동기의 회전속도를 측정하는 회전속도 측정기와, 상기 회전속도 측정기의 측정치에 따라 상기 제1 구동기의 회전속도를 제어하는 회전속도 제어기를 더 포함하는 표면처리 장치.
- 피가공재를 지지대에 위치시키는 단계,상기 피가공재의 표면에 가공 부재를 위치시키는 단계, 및위치 측정기 및 압력 측정기를 이용하여 상기 가공 부재의 위치 및 상기 가공 부재가 상기 피가공재에 가하는 압력을 교번하여 제어하면서, 상기 피가공재 표면에서 상기 가공부재를 회전시켜 표면을 개질하는 단계를 포함하는 표면처리 방법.
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