KR100861775B1 - 순환식 자기유변유체 연마장치 - Google Patents

Abstract

순환식 자기유변유체(Magneto-rheological fluid)를 통해 연마가 수행되는 연마장치를 제공한다. 상기 연마장치는 시편 고정틀과 자성을 가진 연마휠이 암수형태로 맞물리고, 시편 고정틀과 연마휠 사이는 이격되어 그 사이에 자기유변유체가 주입되며, 상기 시편 고정틀에는 상기 자기유변유체가 순환될 수 있는 순환경로가 형성되어, 상기 시편 고정틀 또는 연마휠의 회전에 따라 그 사이에 주입된 자기유변유체가 시편 고정틀 내부를 순환하면서 시편 고정틀에 고정된 시편 표면에 대한 연마가 수행되는 것을 요지로 한다.

연마, 자기유변유체, 순환, 자성체

Description

순환식 자기유변유체 연마장치{Circulation type Polishing device using magneto-rheological fluid}

본 발명은 자기유변유체(Magneto-rheological fluid)를 이용한 연마장치에 관한 것으로, 상세하게는 가공 대상물이 고정되는 시편 고정틀의 회전에 따라 시편 고정틀과 연마휠 사이를 자기유변유체 입자가 순환하면서 가공 대상물에 대한 연마를 수행하는 순환식 자기유변유체 연마장치에 관한 것이다.

자기유변유체(Magnetorheological fluid)는 10^-4 ∼10^-3㎝크기의 강자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로 자기장을 인가하지 않을 경우 상온에서 0.20∼0.30Pa-sec의 점성을 갖고 150∼250㎄/m(2∼3kOe)의 자기장이 가해지면 50∼100㎪의 높은 항복응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체는 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복응력이 제한되기는 하지만, 빠른 응답시간[1∼2msec(msec ; 10-3sec)]을 가지며, 또한 -40∼150℃의 작동 범위와 유입되는 불순 물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다.

이런 특성을 갖는 자기유변유체는 자기장이 가해질 경우에 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복응력이 변화하게 된다. 따라서, 자기장 비인가 시에 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만 자기장 인가 시에는 유체중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다. 즉, 자기유변유체는 자기장 비인가시 액체 상태이던 것이 자기장 인가시 젤 상태로 변하게 된다.

위와 같은 자기유변유체를 이용한 종래의 연마장치로는 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 가공 대상물 예컨대, 시편(1)이 고정되는 평판상의 고정틀(2)과, 자기유변유체(3) 입자가 그 표면에 부착된 휠 타입의 자성체(4)를 포함하는 구성으로 이루어져, 고정틀(2)에 시편(1)을 고정시킨 상태에서 자기유변유체(3) 입자가 자기적으로 부착된 상기 휠 타입의 자성체(4)를 빠른 속도로 회전시키면, 상기 자기유변유체(3) 입자와 시편(1) 표면과의 마찰에 의해 연마가 수행되는 것이 있다.

그러나, 종래기술에 의한 단순 휠 타입 자기유변유체 연마장치는 자성체 회전 시 원심력의 영향으로 인하여 자성체(4)로부터 자기유변유체(3) 입자들이 외부로 이탈하여 시간이 지남에 따라 연마효율이 감소하는 문제가 있었다. 즉, 종래에는 회전으로 인한 원심력의 증가로 자기유변유체(3) 입자가 자성체(4)로부터 이탈하려 할 때 이를 방지할 수 있는 수단이 없었고, 따라서 연마가 진행됨에 따라 자 기유변유체(3) 입자가 계속해서 장치 외부로 이탈하여 시간이 지남에 따라 연마 효율이 저하될 수 밖에 없었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 연마장치가 회전할 때 발생하는 원심력의 영향으로 자성체로부터 자기유변유체 입자들이 이탈되는 것이 방지되고, 따라서 시간이 경과해도 지속적인 연마성능을 기대할 수 있는 순환식 자기유변유체 연마장치를 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 시편 고정틀과 자성을 가진 연마휠이 암수형태로 맞물리고, 시편 고정틀과 연마휠 사이는 이격되어 그 사이에 자기유변유체가 주입되며, 상기 시편 고정틀에는 상기 자기유변유체가 순환될 수 있는 순환경로가 형성되어, 상기 시편 고정틀 또는 연마휠의 회전에 따라 그 사이에 주입된 자기유변유체가 시편 고정틀 내부를 순환하면서 시편 고정틀에 고정된 시편의 표면을 연마하는 순환식 자기유변유체 연마장치를 제공한다.

상기 시편 고정틀은 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태의 요홈 상에 상기 시편이 고정되고, 연마휠은 시편 고정틀의 상기 요홈과 맞물리는 테이퍼진 형상으로 이루어져서, 시편 고정틀의 회전에 의한 원심력의 영향으로 그 사이에 주입된 자기유변유체가 테이퍼면을 따라 점차 위로 밀려 올라가고, 상기 순환경로를 통해 다시 시편 고정틀 하부로 이동될 수 있다.

상기 시편 고정틀과 연마휠이 맞물렸을 경우의 상기 시편 고정틀과 연마휠 사이의 개구단 측 틈새는 연마휠 외주연 상단부 또는 시편 고정틀의 요홈 개구단 측에 설치되는 씰링부재를 통해 밀폐될 수 있다.

상기 씰링부재로는 테이퍼면을 따라 위로 밀려 올라가는 자기유변유체의 외부 유출을 방지하면서 연마휠에 대한 시편 고정틀의 상대회전을 원활하게 하는 베어링이 사용될 수 있다.

이와는 다르게, 상기 씰링부재는 외력에 의한 내압 증가로 인하여 좌우측방으로 탄성 변형되는 특성을 갖는 메카니칼 씰이 적용될 수 있다.

씰링부재로서 메카니칼 씰이 적용된 경우에는, 상기 요홈 입구 주변의 시편 고정틀 상면에 설치되며 복수의 볼 또는 니들 로울러를 갖는 내륜과, 연마휠 상면에 설치되며 상기 내륜과 분리 또는 정합 가능한 외륜으로 이루어진 스러스트 베어링을 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 시편 고정틀과 연마휠이 맞물렸을 경우에 상기 연마휠은 시편 고정틀을 향해 일정한 힘으로 가압되도록 하는 것이 좋다. 이처럼 시편 고정틀을 향하여 연마휠을 일정한 힙으로 누르면, 그 사이에 개입된 자기유변유체 역시 일정한 힘이 가압됨으로써 시편 표면과의 접촉성 향상되고, 이에 따라 연마효율을 일정하게 유지킬 수 있다.

상기 본 발명에 의하면, 자기유변유체가 연마휠과 시편 고정틀 사이에서 밀폐된 상태로 회전되기 때문에 원심력으로 인한 입자의 이탈현상이 발생하지 않으 며, 연마장치에 가해지는 일정한 가압력과 함께 자기유변유체가 고정틀 내부를 순환하면서 연마가 수행되므로, 연마성능을 일정하게 유지시킬 수 있다는 장점을 가진다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마장치의 분해 사시도 및 결합 상태를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A선 방향에서 바라본 본 발명의 단면도이다.

본 실시예에 따른 연마장치는 가공 대상물 예컨대, 시편(10)이 고정되는 시편 고정틀(20)과 자성을 가진 연마휠(40)이 암수형태로 상호 맞물리고 그 사이를 자기유변유체(30) 입자가 순환할 수 있는 구조로 이루어져, 상기 시편 고정틀(20)의 회전에 따라 시편 고정틀(20)과 연마휠(40) 사이를 자기유변유체(30) 입자가 순환하면서 상기 가공 대상물인 시편(10)에 대한 연마가 수행될 수 있는 구조이다. 본 발명의 구성을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 시편 고정틀(20)은 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태의 상부 개방형 요홈(200)을 구비한다. 상기 요홈(200)의 테이퍼 면 상에는 시편(10)을 고정시킬 수 있는 고정홈(202)이 형성되어 시편(10)을 착탈식으로 고정시킬 수 있으며, 상기 연마휠(40)은 시편 고정틀(20)의 상기 요 홈(200)에 형합되는 테이퍼진 형상을 지닌다. 따라서, 상기 두 구성요소는 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 암수형 결합형태로 상호 맞물릴 수 있다.

상호 맞물린 시편 고정틀(20)과 연마휠(40) 사이는 적당히 이격되고 그 이격된 사이에 자기유변유체(30)가 주입되어 위치한다. 상기 자기유변유체(30)는 연마휠(40) 외주연 상단 또는 시편 고정틀(20)의 요홈(200) 개구단 측에 설치된 씰링부재에 의해 외부 이탈이 저지된다.

상기 씰링부재는 바람직하게 베어링(50)일 수 있다. 이처럼 씰링부재로서 베어링이 적용되는 경우, 시편 고정틀(20)과 연마휠(40)이 상호 맞물렸을 때 베어링(50)을 통해 요홈(200)의 내부가 효과적으로 밀폐됨과 동시에 연마휠(40)에 대한 시편 고정틀(20)의 보다 안정된 회전이 유도될 수 있다.

시편 고정틀(20) 내부에는 상기 자기유변유체(30)가 순환될 수 있는 순환경로(210)가 형성되어 있으며, 상기 순환경로(210)는 도 4에서와 같이 그 입구측(210a)은 요홈(200)의 테이퍼 면 상부와 연통되고 출구측(210b)은 요홈(200) 바닥면과 연통된다. 따라서 베어링(50)을 통해 요홈(200) 개구단 측이 밀폐된 상태에서 시편 고정틀(20)이 회전하면, 그 시편 고정틀(20)의 회전에 의한 원심력의 영향으로 그 사이에 주입된 자기유변유체(30)가 테이퍼면을 따라 점차 위로 밀려 올라가고 상기 순환경로를 통해 다시 시편 고정틀 하부로 이동된다.

상기한 구성에 따른 본 실시예에 따른 연마장치에 의해 수행되는 가공 대상물에 대한 연마과정을 본 발명의 동작과 연계하여 설명한다.

본 발명의 작동상태를 나타낸 도 5를 참조하면, 회전이 가능한 시편 고정 틀(20)과 자성체인 연마휠(40)을 서로 맞물리게 위치시키고, 그들 사이에 자기유변유체(30)를 주입한다. 이에 앞서 가공 대상물인 시편(10)은 시편 고정틀(20)의 테이퍼 면 상의 고정홈(202)에 고정시킨다.

이 상태에서 상기 시편 고정틀(20)이 회전하면, 회전 진행에 따른 원심력의 증가로 자기유변유체(30)가 요홈(200)의 테이퍼 면을 따라 점차 위로 밀려 올라간다. 이때 시편 고정틀(20)의 요홈(200)은 베어링(50)에 의해 밀폐되어 있다. 따라서, 위와 같이 요홈(200)의 테이퍼 면을 따라 위로 밀려 올라간 자기유변유체(30) 입자들은 외부로 이탈되지 않는다.

시편 고정틀(20)의 회전이 진행되는 동안 상기 연마휠(40)에는 고정틀(20)을 가압하는 방향으로 일정한 외력(P)이 가해진다. 따라서, 그 사이에 주입된 자기유변유체(30)는 일정한 압력으로 시편(10)과 마찰을 일으키며, 위와 같이 원심력에 의해 위로 밀려 올라간 자기유변유체(30)는 시편 고정틀(20) 내부의 순환경로(210)를 통해 다시 시편 고정틀(20)의 하부로 이동하는 순환을 반복하게 된다. 이러한 반복순환 과정에서 미세한 크기의 자기유변유체(30) 입자는 위와 같이 시편(10) 표면과 마찰을 일으켜 시편(10)에 대한 연마가 수행되는 것이다.

상기와 같이 연마가 수행되는 본 발명의 실시예에 따르면, 자기유변유체(30)가 밀폐된 공간내에서 순환하면서 시편(10)에 대한 연마가 수행되므로, 종래와는 달리 자기유변유체(30) 입자의 외부 유출이 발생되지 않으며, 연마휠(40)의 가압과 위와 같은 시편 고정틀(20) 내부에서의 자기유변유체(30)의 순환을 통해 연마효율이 일정하게 유지될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치는 씰링부재로서 외압에 의한 탄성 변형되는 특성을 갖는 메카니칼 씰(52)이 적용되고, 시편 고정틀(20) 상면과 연마휠(40) 상면에 분리 또는 정합가능한 형태의 스러스트 베어링(54)이 적용된 구성을 제외하고는 전술한 일 실시예와 동일한 구성 및 작용을 갖는다. 따라서, 전술한 일 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호 및 명칭을 사용하고 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 메카니칼 씰(52)은 시편 고정틀(20)과 연마휠(40)이 맞물렸을 때 그 개구단 측 틈새를 밀폐할 수 있을 정도의 직경을 갖는 링 형상을 취하며, 그 외연 및 내연을 따라 하향 돌출되어 서로 마주하는 한 쌍의 탄성편(520)을 가진다.

상기 메카니칼 씰(52)은 원심력의 영향으로 시편 고정틀(20)과 연마휠(40) 사이에 주입된 자기유변유체(30)가 상기 탄성편(520) 사이의 공간부로 유입되어 내부압이 상승하면, 도 6에서와 같이 상기 탄성편(520)이 좌우로 확장되면서 시편 고정틀(20)과 연마휠(40) 사이의 틈새를 보다 확실하게 밀폐시켜 준다.

상기 스러스트 베어링(54)은 요홈(200)의 입구 측 주변 시편 고정틀(20) 상면에 설치되며 복수의 볼 또는 니들 로울러(도면부호 생략)를 갖는 내륜(54a)과, 연마휠(40) 상면에 설치되며 상기 내륜(54a)과 분리 또는 정합 가능한 외륜(54b)을 포함한다.

상기 스러스트 베어링(54)은 시편 고정틀(20)과 연마휠(40)의 맞물림에 따라 상기 내륜(54a)과 외륜(54b) 역시 서로 맞물려 연마휠(40)에 가해지는 축방향 하중을 지지하면서 반경 방향으로는 연마휠(40)에 대한 시편 고정틀(20)의 상대회전을 원활하게 유지시켜 주는 역할을 하며, 도 7과 같이 시편 고정틀(20)로부터의 연마휠(40)이 분리되면 상기 내륜(54a)과 외륜(54b)이 상호 분리될 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 외압에 의해 탄성 변형되는 특성을 갖는 메카니칼 씰(52)의 적용으로 보다 완벽한 밀폐를 구현할 수 있어 자기유변유체(30) 입자의 외부 유출을 보다 확실하게 방지할 수 있으며, 시편 고정틀과 연마휠의 맞물림과 연계하여 분리 또는 정합되는 스러스트 베어링(54)의 적용으로 시편 고정틀(20)로부터 연마휠(40)이 분리되는 경우에 있어 매우 유리한 구조이다.

이상에서 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 종래 자기유변유체를 이용한 연마장치의 개략 구성도.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마장치의 분해 사시도 및 결합 상태를 나타낸 사시도.

도 4는 도 3의 A-A선 방향에서 바라본 본 발명의 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마장치의 작동 상태도.

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마장치의 구성을 나타내는 개략적으로 나타내는 도면.

<도면의 주요부위에 대한 부호 설명>

10...시편 20...시편 고정틀

30...자기유변유체 40...연마휠

50...베어링 200...요홈

202...고정홈 210...순환경로

Claims (7)

1. 자기유변유체를 이용한 연마장치로서,

   시편을 고정하는 시편 고정틀;

   시편 고정틀과 암수형태로 맞물리는 자성을 가진 연마휠;

   상호 맞물린 시편 고정틀과 연마휠 사이는 이격되어 있고, 상기 이격된 사이에 주입되는 자기유변유체; 및

   시편 고정틀 내부에 형성되며 자기유변유체가 순환될 수 있는 순환경로;로 이루어져,

   상기 시편 고정틀의 회전에 따라 그 사이에 주입된 자기유변유체가 시편 고정틀 내부의 상기 순환경로를 순환하면서 시편 고정틀에 고정된 시편의 표면을 연마하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   시편 고정틀은 아래로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태의 요홈 상에 상기 시편이 고정되고,

   연마휠은 시편 고정틀의 상기 요홈과 맞물리는 테이퍼진 형상으로 이루어져서,

   시편 고정틀의 회전에 의한 원심력의 영향으로 그 사이에 주입된 자기유변유 체가 테이퍼면을 따라 점차 위로 밀려 올라가고, 상기 순환경로를 통해 다시 시편 고정틀 하부로 이동하는 것을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   시편 고정틀과 연마휠이 맞물렸을 경우에, 상기 시편 고정틀과 연마휠 사이의 개구단 측 틈새는 연마휠 외주연 상단부 또는 시편 고정틀의 요홈 개구단 측에 설치되는 씰링부재를 통해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 씰링부재는, 테이퍼면을 따라 위로 밀려 올라가는 자기유변유체의 외부 유출을 방지하면서 연마휠에 대한 시편 고정틀의 상대회전을 지지하는 베어링인 것을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 씰링부재는, 외력에 의한 내압 증가에 따라 좌우측방으로 탄성 변형되는 특성을 갖는 메카니칼 씰인 것을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   씰링부재로서 메카니칼 씰이 적용된 경우에, 상기 요홈 입구 주변의 시편 고정틀 상면에 설치되며 복수의 볼 또는 니들 로울러를 갖는 내륜과, 연마휠 상면에 설치되며 상기 내륜과 분리 또는 정합 가능한 외륜으로 이루어진 스러스트 베어링이 더 설치됨을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   시편 고정틀과 연마휠이 맞물렸을 경우에 상기 연마휠은 시편 고정틀을 향해 일정한 힘으로 가압되는 것을 특징으로 하는 순환식 자기유변유체 연마장치.

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