KR100647199B1 - 초음파 절단 가공장치 및 그 방법 - Google Patents

초음파 절단 가공장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 절단 가공장치 및 그 방법에 관한 것으로, 하나의 절단 공정만으로 사용자가 원하는 다양한 모양의 가공물을 제작하여 절단 후 면취 또는 연마를 해서 가공물을 생산하는 방식에 비해 공정을 단순화하여 수율과 생산성을 높이는 데 목적이 있다.
이를 위해 초음파를 이용한 절단 가공장치에 있어서, 몸체(100)의 일측에 형성되어 초음파신호를 발생시키는 초음파신호발생부(170);와, 몸체(100)의 상측에 형성되어 상기 초음파신호발생부(170)로부터 초음파신호가 전달되어 물리적인 진동으로 변환하는 초음파진동부(110);와, 상기 초음파진동부(110)의 하부에 형성되어 초음파진동를 전달받아 가공부재(200)를 절단 가공하는 절단혼(120);과, 상기 절단혼(120)의 하방에 형성되어 가공부재(200)를 고정시키는 가공테이블(140);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 절단 가공장치 및 그 방법 {ULTRASONIC CUTTER AND ITS CUTTING METHOD}
도 1은 종래의 초음파 절단 가공장치의 구성상태도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 구성상태도.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 사시상태도.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 임의의 모양으로 금형제작된 가공날의 일실시상태도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 가공날을 중심으로 나타내는 사용상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110. 초음파진동부 120. 절단혼
121. 가공날 122. 연마재
130. 얼라인 카메라 140. 가공테이블
150. 연마탱크펌프 160. 이동부
170. 초음파신호발생부
본 발명은 초음파의 진동을 이용하여 가공부재를 절단 가공하는 초음파 절단 가공장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 진동을 전달해주는 초음파진동부 하부에 가공날이 형성된 절단혼이 형성되고, 가공날은 임의의 모양으로 금형제작되어 절단하고자 하는 가공부재를 하나의 공정만으로 절단하는 초음파 절단 가공장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 초음파 절단 가공장치는, 가공부재를 가공하는 가공칼날(20)과，초음파 진동을 발진하는 초음파진동자(30)와，이 초음파 진동을 증폭하여 상기 가공칼날에 전달하는 혼부(40)와, 상기 각 구성을 지지하는 본체프레임(60)을 구비하고，상기 가공칼날의 칼끝 부분에 해당 가공칼날보다 경도가 센 경질입자를 분산 형성함과 동시에，상기 가공칼날에 상기 초음파 진동과는 다른 왕복이동동작을 가하는 왕복가세기구(70)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 종래의 초음파 절단 가공장치는 사각형 이외의 모양을 절단가공하기 위해서 사각형으로 절단을 한 후 면취공정이나 연마공정을 통한 가공공정을 거쳐 원하는 모양으로 가공하고 있다.
그러나 이와 같이 제작된 가공물은 면취공정이나 연마공정에서 공정 불량이 많이 발생하고, 복잡한 형상을 가공하기 위해서는 많은 시간이 소요되고 제작공정이 복잡해지는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, 하나의 절단 공정만으로 임의의 사용자가 원하는 다양한 모양의 가공물을 제작하여 절단 후 면취 또는 연마를 해서 가공물을 생산하는 방식에 비해 공정을 단순화하여 수율과 생산성을 높이는 초음파 절단 가공장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초음파 절단 가공장치는, 초음파를 이용한 절단 가공장치에 있어서, 몸체(100)의 일측에 형성되어 초음파를 발진시키는 초음파신호발생부(170);와, 몸체(100)의 상측에 형성되어 상기 초음파신호발생부(170)로부터 초음파신호가 전달되어 물리적인 진동으로 변환하는 초음파진동부(110);와, 상기 초음파진동부(110)의 하부에 형성되어 초음파진동을 전달받아 가공부재(200)를 절단 가공하는 절단혼(120);과, 상기 절단혼(120)의 하방에 형성되어 가공부재(200)를 고정시키는 가공테이블(140);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
절단혼(120)의 단부에는 가공하고자 하는 임의의 형상으로 금형 제작된 가공날(121)이 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공장치를 제공한다.
절단혼(120)의 가공날(121)에는 연마재(122)인 Al2O3 이나 다이아몬드 파우더 가 전착되어 절단 가공시 마찰력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공장치를 제공한다.
몸체(100)의 일측에는 얼라인 카메라(130)가 설치되어 절단혼(120)과 가공부재(200)의 가공간격과 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공장치를 제공한다.
한편, 초음파 절단 가공방법은 상기 초음파 절단 가공장치를 이용한 초음파 절단 가공방법에 있어서, 절단혼(120)과 가공테이블(140) 사이의 거리를 측정해서 가공높이와 가공속도를 결정하는 단계(S100);와, 가공물을 가공테이블(140)에 고정시킨 후 얼라인 카메라(130)를 이용해 가공물과 가공테이블(140)의 가공간격과 위치를 확인하는 단계(S200);와, 연마수를 뿌려주면서 절단혼(120)을 전 단계(S100)에서 결정한 가공높이로 맞추는 단계(S300);와, 절단혼(120)이 가공부재(200) 상에 위치되어 초음파진동부(110)로부터 전달된 초음파에 의해 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
가공부재(200)를 가공하는 단계(S400)는 가공속도를 줄이고 연마재(122)의 입자 크기를 작게 하여 치핑을 줄이는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공방법제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 구성상태이고, 도 3은 본 발 명에 따른 초음파 절단 가공장치의 사시상태도이며, 도 4는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 임의의 모양으로 금형제작된 가공날의 일실시상태도이다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치는 몸체(100)의 일측에 초음파신호발생부(170)가 형성되어 초음파신호를 발생시키고, 몸체(100)의 상측에 초음파진동부(110)가 형성되어 상기 초음파신호발생부(170)로부터 발생된 신호가 전달된다.
또한 상기 초음파진동부(110)의 하부에 절단혼(120)이 형성되어 초음파를 전달받아 가공부재(200)를 절단 가공하고, 상기 절단혼(120)의 하방에 가공테이블(140)이 형성되어 가공부재(200)를 고정시킨다.
상기와 같은 구성요소에 대해 다시 설명하면, 초음파신호발생부(170)는 사용자가 미리 설정한 진폭과 주파수를 가진 초음파신호를 생성하고, 초음파진동부(110)는 초음파신호발생부(170)에서 생성된 초음파신호를 전달받아 전기적인 신호를 물리적인 진동으로 변환함과 동시에 상기의 물리적 진동을 절단혼(120)에 전달하는 역할을 한다. 절단혼(120)에서는 전달된 초음파진동을 증폭시켜 후술될 절단혼(120) 단부의 가공날(121)을 진동(28kHz의 주파수와 20㎛의 진폭을 가지는 초음파)시킨다.
절단혼(120)의 단부에는 가공하고자 하는 임의의 형상으로 금형 제작된 가공날(121)이 형성되고, 상기 절단혼(120)의 가공날(121)에는 연마재(122)인 Al2O3 이나 다이아몬드 파우더가 전착되어 절단 가공시 마찰력을 증가시킨다.
가공날(121)은 일반적인 금속(스테인레스 등)으로 이루어지고, 가공부재(200)를 절단시키는 가공날(121)의 첨단부위는 비스듬하게 절단되며, 가공날(121)을 움직여 사용자가 절단 가공하고자 하는 형상을 절단 가공하지 않고 가공날(121) 자체가 사용자가 절단 가공하고자 하는 형상의 금형으로 이루어져 절단혼(120)의 상하진동에 의해 면취 등 별도의 가공공정 없이 절단 가공이 이루어진다.
한편 가공날(121)의 단부에 전착되는 연마재(122)는 가공날(121) 자체보다 경도가 센 경질입자로서 다이아몬드는 입경Φ0.4mm로 약 1mm간격으로 전착본드(도금의 수법)로 가공날(121)의 칼끝 부분에 부착되고, 다이아몬드의 형상은 둥근형과 모퉁이가 긴 형이 있는데, 둥근형의 다이아몬드는 절삭 속도가 뒤떨어지지만 내구성은 높고, 모퉁이가 긴 형은 절삭 속도는 빠르지만 내구성은 저하된다. 이러한 다이아몬드는 그 특성 응해 용도에 적절한 것이 선택된다.
다이아몬드는 누프경도가 7000kg/mm2로 매우 딱딱하기 때문에, 경도의 낮은 가공부재(200)로부터 경도의 센 가공부재(200)까지 폭넓은 소재를 절단 할 수 있지만, 상황에 따라 다른 소재에도 사용된다.
이러한 경우에는, 경질 입자로서 Cubic Boron Nitride(CBN)를 사용해도 좋다. 이 CBN의 누프 경도는 4700kg/mm2 로 다이아몬드보다 약간 낮아지지만, 철의 가공의 경우에서도 소모를 일으키는 일없이 높은 내구성을 발휘한다. 이와 같이, 경질입자는 가공부재(200)의 소재나 가공환경에 따라 선정하는 것이 바람직하다. 본 발명의 초음파 가공장치에 따른 가공부재는 실리콘 기판 혹은 유리판으로 하는 것 이 더욱 좋다. 특히 다수의 기판이나 유리판을 적층시켜 테이블에 고정시키고 절단혼의 가공날을 길게 형성하게 되면 한번의 가공으로 다수개의 임의의 형상을 갖는 유리판을 용이하게 제작할 수 있다.
경질입자의 입경에 대해서 전술한 것으로 한정하는 것은 아니다. 경질입자의 입경은 크면 가공 속도가 향상하고, 작으면 절단면을 보다 평활하게 할 수가 있다. 따라서 이것들의 용도에 따른 입경으로 설정하면 좋다. 통상, 다이아몬드의 입경은 큰 것으로 50 메쉬(300μm), CBN의 입경은 큰 것으로 20 메쉬(850μm)를 들 수 있다.
가공날(121)에 대한 다이아몬드의 고정 방법에 대해서 설명한다. 전술 바와 같이, 다이아몬드의 고정에는 전착본드라는 방법이 있다. 이 전착본드라는 것은 니켈 도금에 다이아몬드를 혼합해 도금하면서 다이아몬드를 가공날(121)의 표면에 고정하는 방법이다.
다이아몬드의 다른 고정방법으로서는, 메탈본드라고 하는 방법을 선택해도 좋다. 메탈 본드라는 것은 강인한 접착제를 사용해 다이아몬드를 가공날(121)의 표면에 고정하는 방법이다. 이 고정방법은 전착본드와 비교해 다이아몬드가 묻히는 깊이를 얕게 해 노출높이를 높게 확보할 수 있으므로 가공 속도의 향상을 꾀할 수 있다.
상기 몸체(100)의 일측에는 얼라인 카메라(130)가 설치되어 절단혼(120)과 가공부재(200)의 가공간격과 위치를 확인하고, 가공테이블(140)의 하부에는 이동부(160)가 형성되어 얼라인 카메라(130)를 통해 가공부재(200)의 가공간격과 위치를 확인한 후 가공부재(200)를 이동시킨다. 특히 정밀한 가공을 할 시에는 가공이 진행중에 수시로 얼라인 카메라를 통해 모니터링하는 것도 가능하다.
몸체(100)의 하부에는 연마탱크펌프(150)가 설치되어 연마제와 연마수를 저장했다가 가공부재(200)의 절단 가공시 순환시키며, 절단혼(120)의 측부에는 공급노즐(도시 생략)이 형성되어 가공부재(200)의 절단 가공부위에 순환되는 연마제와 연마수를 공급한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초음파 절단 가공방법 및 초음파 절단 가공장치의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 초음파 절단 가공장치의 가공날을 중심으로 나타내는 사용상태도이다.
우선 절단혼(120)과 가공테이블(140) 사이의 거리를 측정해서 가공높이와 가공속도를 결정하는 단계(S100)를 거친 후, 가공물을 가공테이블(140)에 고정시킨 후 얼라인 카메라(130)를 이용해 가공물과 가공테이블(140)의 가공간격과 위치를 확인하는 단계(S200)를 거친다.
그리고 연마수를 뿌려주면서 절단혼(120)을 전 단계에서 결정한 가공높이로 맞추는 단계(S300)를 거친 후, 절단혼(120)이 가공부재(200) 상에 위치되어 초음파진동부(110)로부터 전달된 초음파에 의해 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400)를 거친다.
상기 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400)는 초음파신호발생부(170)에서 가공부재(200)의 절단 가공에 적합한 진폭과 주파수 신호를 초음파진동부(110)로 보 내면, 초음파진동부(110)에서는 전달받은 전기적 신호를 물리적 신호로 전환시켜서 절단혼(120)에 전달해주며, 절단혼(120)에서는 초음파를 증폭시키면서 연마재(122)와 연마수를 진동시켜서 가공부재(200)를 절단 가공한다. 이때 가공날(121)과 가공부재(200)를 고정하는 가공테이블(140) 중 어느 것 하나 이상을 초음파신호발생부(170)로부터 발생되는 초음파에 의해 물리적으로 진동시켜서 가공부재(200)를 절단 가공할 수 있음은 물론이다.
도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이 가공부재(200)는 열강화성 수지, FRP, 유리, 도기, 세라믹스 또는 금속 등을 대상으로 하고, 절단의 개시에 있어 가공부재(200)는 가공날(121)과 수직을 이루며 위치시킨다.
그리고 초음파진동부(110)를 구동시키면, 절단혼(120)에 의해 증폭된 초음파 진동이 가공날(121)에 전달되어 해당 가공날(121)은 상하 방향으로 진동을 시작한다. 걸리는 상태로 가공날(121)의 칼끝이 가공부재(200)에 대어지면, 무수한 다이아몬드파우더가 초음파 진동에 의해 가공부재(200)에 충돌하여 절삭한다.
아울러 초음파진동부(110)와 절단혼(120)을 상하이동시키면, 가공날(121)은 상하방향으로 초음파 진동보다 큰 진폭과 짧은 주기로 왕복 동작을 개시한다. 이 왕복 동작에 의해 가공부재(200)에 대해서 가공날(121)은 파고 들 수 있는 보다 깊은 심도까지 절단을 실시한다. 또한 절단혼(120)을 상향이동시키면 가공날(121)은 가공부재(200)로부터 이격되어 각 다이아몬드 간에 침입한 가공부재(200)의 절삭 조각이 배출된다.
가공부재(200)의 치핑 허용량이나 가공속도에 따라서 연마재(122)의 입자크 기를 결정하는데 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400)는 가공속도를 줄이고 연마재(122)의 입자크기를 작게 하여 치핑을 줄인다.
한편 본 발명은 절단혼(120)에 초음파 진동을 주어 가공물을 충격 연마하는 가공법으로 1회당의 가공량은 극히 적지만, 매초 수 만 번의 주기로 마찰이 반복됨으로써 실용적인 가공속도를 낼 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 초음파 절단 가공장치는 초음파 진동을 전달받는 가공날을 임의의 사용자가 원하는 모양으로 금형제작함으로써, 하나의 절단 공정만으로 다양한 모양의 가공물을 제작할 수 있어 절단 후 면취 또는 연마를 해서 가공물을 생산하는 방식에 비해 공정을 단순화하여 수율과 생산성을 높일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
특히 모서리진 형상 등의 종래의 절단 후 면취 또는 연마공정을 거치는 가공방법으로는 가공이 어려운 형상도 가공이 가능하며, 원형의 경우 기존의 센터링 가공방식에서 발생하는 편심 가공 및 치핑 등의 불량 요인을 제거할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 초음파 절단 가공방법은 절단혼과 가공테이블 사이의 거리를 측정해서 가공높이와 가공속도를 결정하고, 얼라인 카메라를 이용해 가공물과 가공테이블의 가공간격과 위치를 확인하는 단계를 거침으로써, 가공속도와 형상의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 초음파를 이용한 절단 가공장치에 있어서,
    몸체(100)의 일측에 형성되어 초음파를 발생시키는 초음파신호발생부(170);
    몸체(100)의 상측에 형성되어 상기 초음파신호발생부(170)로부터 초음파신호가 전달되는 물리적인 진동으로 변환하는 초음파진동부(110);
    상기 초음파진동부(110)의 하부에 형성되어 초음파를 전달받아 가공부재(200)를 절단 가공하는 절단혼(120);
    상기 절단혼(120)의 하방에 형성되어 가공부재(200)를 고정시키는 가공테이블(140);
    상기 몸체(100)의 하부에 설치되어 연마제와 연마수를 저장했다가 가공부재(200)의 절단 가공시 순환시키는 연마탱크펌프(150); 및
    절단혼(120)의 측부에 형성되어 가공부재(200)의 절단 가공부위에 순환되는 연마제와 연마수를 공급하는 공급노즐을 포함하여 이루어지고,
    상기 절단혼(120)의 단부에는 가공하고자 하는 임의의 형상으로 금형 제작된 가공날(121)이 형성되며, 상기 절단혼(120)의 가공날(121)에는 연마재(122)인 Al2O3 , CBN 이나 다이아몬드 파우더가 전착되어 절단 가공시 마찰력을 증가시키고,
    상기 연마재는 전착본드방식이나 메탈본드방식으로 가공날에 전착되는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체(100)의 일측에는 얼라인 카메라(130)가 설치되어 절단혼(120)과 가공부재(200)의 가공간격과 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공장치.
  5. 청구항 1의 초음파 절단 가공장치를 이용한 초음파 절단 가공방법에 있어서,
    절단혼(120)과 가공테이블(140) 사이의 거리를 측정해서 가공높이와 가공속도를 결정하는 단계(S100);와,
    가공물을 가공테이블(140)에 고정시킨 후 얼라인 카메라(130)를 이용해 가공물과 가공테이블(140)의 가공간격과 위치를 확인하는 단계(S200);와,
    연마수를 뿌려주면서 절단혼(120)을 전 단계(S100)에서 결정한 가공높이로 맞추는 단계(S300);와,
    절단혼(120)이 가공부재(200) 상에 위치되어 초음파진동부(110)로부터 전달 된 초음파에 의해 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가공부재(200)를 가공하는 단계(S400)는 가공속도를 줄이고 연마재(122)의 입자 크기를 작게 하여 치핑을 줄이는 것을 특징으로 하는 초음파 절단 가공방법.
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