KR100888801B1

KR100888801B1 - 방전가공기용 노즐 제조방법

Info

Publication number: KR100888801B1
Application number: KR1020020071175A
Authority: KR
Inventors: 송근철; 김경운; 조정환
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2009-03-13
Also published as: KR20040042614A

Abstract

본 발명은 방전가공기용 노즐 제조방법을 제공한다. 본 발명의 노즐 제조방법은 관통홀을 갖는 노즐을 제조하는 단계와; 제조된 상기 노즐의 표면을 세정하는 단계와; 세정된 상기 노즐의 표면에 플라즈마 보강 기상증착에 의한 방법으로 0.5㎛ 내지 10㎛범위의 두께로 다이아몬드상 카본박막을 코팅하는 단계를 포함한다. 그리고 노즐을 세정하는 단계는, 노즐을 1차로 세정하는 단계와 2차로 세정하는 단계로 구성되며, 1차 세정은 초음파에 의한 방법으로 세정하고, 2차 세정은 스퍼터링에 의한 방법으로 세정한다. 이러한 본 발명에 의하면, 노즐의 표면에 다이아몬드상 카본박막을 코팅처리함으로써 높은 표면 평활성과 윤활성을 갖게 되며, 따라서 그 외면과 마찰접촉하는 오링의 마모를 최소화시키는 장점을 갖는다. 또한, 다이아몬드상 카본박막이 코팅된 노즐은 높은 내식성을 갖게 됨으로써 방전액에 의한 부식이 방지되며, 따라서 수명이 연장되는 효과를 갖는다.

Description

방전가공기용 노즐 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING NOZZLE IN ELECTRIC SPARK MACHINE}

도 1은 종래의 방전가공기용 노즐이 설치되는 방전가공기의 가공헤드를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 방전가공기용 노즐의 구성을 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 방전가공기용 노즐의 제조방법을 나타내는 블록도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 노즐 12: 관통홀

20: 다이아몬드상 카본박막 E: 전극

본 발명은 방전가공기용 노즐 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 평활성과 내식성이 우수하며 높은 표면 경도를 갖추고 있어 내마모성이 우수한 방전가공기용 노즐을 제조하는 방법에 관한 것이다.

방전가공기는 전극의 방전 현상을 이용하여 공작물을 가공하는 공작기계로서, 단단한 재질의 공작물을 높은 정밀도로 가공하는데 많이 사용한다. 이러한 방전가공기는 도 1에 도시된 바와 같이 가공헤드(1)를 갖추고 있다. 가공헤드(1)에는 고속회전이 가능한 스핀들(3)이 설치되며, 이 스핀들(3)의 하부에는 전극(E)을 장착하기 위한 전극척(5)이 설치된다. 아울러, 가공헤드(1)의 내부에는 노즐(7)이 설치되는데, 이 노즐(7)은 전극척(5)에 장착된 전극(E)의 상단부가 수용될 수 있도록 관통홀(7a)이 형성되어 있다. 노즐(7)은 방전액 튜브(9)와 연결되어 방전액을 공급받하도록 구성되며, 공급된 방전액을 전극(E)에 형성된 미세구멍(E1)으로 도입시킨다. 여기서, 노즐(7)과 스핀들(3)과의 사이에는 오링(3a)이 개재되며, 이 오링(3a)은 노즐(7)로부터 누출되는 방전액이 역류되는 것을 방지한다.

이러한 구성에 따라 전극척(5)에 전극(E)을 장착한 상태에서 방전가공기를 작동시키면, 가공헤드(1)에 설치된 스핀들(3)이 고속으로 회전하게 된다. 그리고 스핀들(3)이 고속으로 회전함에 따라 이에 장착된 전극(E)도 고속으로 회전하면서 공작물과 접촉하여 상기 공작물을 가공한다. 이때, 노즐(7)은 공급된 방전액을 전 극(E)의 미세구멍(E1)으로 도입시키는데, 미세구멍(E1)으로 도입된 방전액은 전극(E)의 단부로 이송되면서 방전가공을 원활하게 한다.

한편, 이와 같은 방전가공기는 상기 노즐(7)이 방전액에 의해 쉽게 부식된다는 단점이 지적되고 있다. 즉, 노즐(7)은 방전액과 항상 접촉하는 바, 부식성이 강한 방전액에 의해 쉽게 부식된다는 단점이 있는 것이다. 이같은 단점은 노즐(7)의 수명을 단축시키는 치명적인 원인이 된다. 또한, 상기 노즐(7)은 외면둘레에 배치되는 오링(3a)의 수명을 단축시키는 단점을 갖고 있다. 즉, 가공헤드(1)에 고정된 노즐(7)은 스핀들(3)과 함께 회전하는 오링(3a)과 항상 마찰접촉하게 된다. 따라서, 금속재질의 노즐(7)은 고무재질의 오링(3a)을 쉽게 마모시켜 그 수명을 단축시키는 것이다. 특히, 노즐(7)은 내마모성 확보를 위해 TiN, TiCN 코팅되는 바, 그 표면이 거칠어 오링(3a)의 마모를 더욱 가속화시킨다.

따라서, 오링(3a)의 마모를 최소화시킬 수 있도록 표면 평활성이 우수하고, 방전액에 의한 부식이 최소화될 수 있도록 내식성이 우수한 노즐의 개발이 시급히 요구되는 것이다.

한편, 이와 같은 요구에 따라 본 발명자는 각고의 실험과 연구 끝에 표면 평활성이 우수하고, 특히 높은 경도와 낮은 마찰계수의 물성을 갖는 비정질 결정구조의 다이아몬드상 카본박막을 이용하여 표면 평활성이 우수하고, 내식성이 강한 노즐을 개발하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 다이아몬드상 카본박막을 이용하여 방전액에 의한 부식이 최소화될 수 있도록 내식성이 우수하며, 오링의 마모를 최소화시킬 수 있도록 표면 평활성이 우수한 방전가공기용 노즐을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전극으로 방전액을 배출하는 방전가공기용 노즐을 제조하는 방법에 있어서, 관통홀을 갖는 노즐을 제조하는 단계와; 제조된 상기 노즐의 표면을 세정하는 단계와; 세정된 상기 노즐의 표면에 플라즈마 보강 기상증착에 의한 방법으로 0.5㎛ 내지 10㎛범위의 두께로 다이아몬드상 카본박막을 코팅하는 단계를 포함한다. 그리고 노즐을 세정하는 단계는, 상기 노즐을 1차로 세정하는 단계와 2차로 세정하는 단계로 구성되며, 상기 1차 세정은 초음파에 의한 방법으로 세정하고, 상기 2차 세정은 스퍼터링에 의한 방법으로 세정하는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명에 따른 방전가공기용 노즐 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 방전가공기용 노즐의 구성을 나타내는 단면도이다. 이를 살펴보면, 본 발명의 노즐(10)은 전극(E)을 수용할 수 있는 관통홀(12)을 갖추고 있다. 이 관통홀(12)은 방전액 튜브(14)와 연통되며, 도입된 방전액을 전극 (E)의 미세구멍(E1)으로 배출하도록 구성된다. 이러한 노즐(10)은 금속재질로 구성된다.

한편, 노즐(10)의 표면, 즉 내면과 외면(이하, "표면"이라 칭함.)에는 다이아몬드상 카본(diamond like carbon) 박막(20)이 코팅되어 있다. 다이아몬드상 카 본 박막(20)은 잘 알려진 바와 같이 독특한 물성을 갖는 재료로서, 높은 경도를 가지면서도 표면 평활성과 자체 윤활성이 우수한 특성을 갖는다. 특히, 다이아몬드상 카본 박막(20)은 탄소결합의 화학적 안정성으로 인하여 산성물질을 포함한 각종 부식성물질에 대한 내식성을 갖추고 있기 때문에 노즐(10)이 부식되는 것을 방지하는 특징을 갖는다.

이와 같은 다이아몬드상 카본 박막(20)은 증착에 의한 방법으로 노즐(10)에 코팅되는데, 이때 다이아몬드상 카본 박막(20)은 대략 0.5㎛ 내지 10㎛정도의 두께로 코팅된다. 이러한 다이아몬드상 카본 박막(20)은 노즐(10)의 표면에 평활성과 윤활성을 인가하여 낮은 마찰계수를 유지토록 함으로써 상기 노즐(10)과 직접적으로 마찰접촉하는 오링(3a)의 마모를 최소화시키는 역할을 한다. 특히, 다이아몬드상 카본 박막(20)은 노즐(10)의 내식성을 증진시킴으로써 상기 노즐(10)이 방전액에 장시간 노출되더라도 쉽게 부식되지 않게 한다. 뿐만 아니라, 다이아몬드상 카본 박막(20)은 노즐(10)의 표면 경도를 증대시킴으로써 노즐(10)의 내마모성을 최대로 증진시키는 역할도 한다.

결과적으로, 다이아몬드상 카본 박막(20)이 코팅된 노즐(10)은 높은 표면 평활성과 윤활성 그리고 내식성을 갖게 되어 그 수명이 연장될 수 있는 것이다.

이하에서는 이와 같은 구성을 갖는 노즐의 제조방법을 도 3을 참고로하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 본 발명의 제조방법은 노즐(10)을 제조하는 단계를 포함한다(S101). 물론, 노즐(10)에는 관통홀(12)이 형성되어야 한다. 여기서, 금속재질의 노즐(10)은 주조 또는 절삭에 의한 방법으로 제조된다.

그리고 노즐(10)을 제조하는 과정에서 노즐(10)의 표면은 각종 유기물과 먼지, 원자, 분자, 이온 등에 의해 오염될 수 있으므로 그 표면을 세정해 주어야만 하는데, 이때 상기 노즐(10)의 표면오염이 극소화될 수 있도록 1차(S103)와 2차 (S105)에 걸쳐 세정한다. 1차적인 세정(S103) 방법으로는 초음파세정을 이용한다. 초음파세정은 잘 알려진 바와 같이 세척액이 담겨 있는 세정조에 노즐(10)을 침지(浸漬)시키고, 침지된 노즐(10)에 초음파를 가하여 노즐(10)의 표면을 세정한다. 초음파세정에 대해서는 이미 공지된 것이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고 노즐(10)의 2차적인 세정(S105) 방법으로는 스퍼터링(sputtering)세정을 이용한다. 스퍼터링세정은 잘 알려진 바와 같이 진공조 내의 불활성 가스에 전압을 인가하여 플라즈마 상태로 만들고, 상기 플라즈마의 이온을 노즐(10)의 오염된 표면에 물리적으로 충돌시켜 표면 세정을 한다. 스퍼터링세정에 대해서는 이미 공지되어 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 스퍼터링세정은 구동전압 -800Ｖ로 30분간 시행하며, 불활성 가스로는 아르곤(Ar)을 사용한다.

다음으로, 노즐(10)의 표면세정이 완료되면, 이어서 노즐(10)의 표면에 다이아몬드상 카본박막(20)을 코팅한다(S107). 다이아몬드상 카본박막(20)의 코팅은 플라즈마 보강 기상증착(plasma enhanced CVD)에 의한 방법으로 시행한다. 플라즈마 보강 기상증착은 잘 알려진 바와 같이 진공조 내의 원료가스에 전압을 인가하여 플라즈마 상태로 만들고, 이온화된 원료가스들이 큰 에너지를 얻어 피처리물에 증착 되는 방법으로서, 증착률이 좋고 두께가 균일한 박막(薄膜)을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 플라즈마 보강 기상증착법에 대해서는 이미 공지되어 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 다이아몬드상 카본박막(20)을 코팅하기 위한 플라즈마 보강 기상증착은 메탄(CH₄)을 원료가스로 하여 작동압력 300mTorr, 구동전압 -300Ｖ로 시행한다. 아울러 다이아몬드상 카본박막(20)은 증착 시간에 따라 각기 다른 두께를 갖는 바, 증착 시간을 적절히 조절하여 박막(20)의 두께가 0.5㎛ 내지 10㎛범위가 되도록 증착한다.

증착결과에 의하면, 작동압력 300mTorr, 구동전압 -300Ｖ로 60분간 증착할 경우, 다이아몬드상 카본박막(20)이 대략 2㎛정도의 두께로 코팅되는 것으로 나타났으며, 2㎛ 두께의 다이아몬드상 카본박막(20)을 갖는 노즐(10)은, 5% 염분농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 분무시험을 한 결과, 100시간이 지난후에도 부식되지 않은 것으로 나타났다. 이는 5% 염분농도의 염화나트륨 수용액을 분무하여 72시간만에 부식되는 TiN 코팅된 노즐에 비해 월등히 우수한 내식성을 갖는 것으로 나타났다.

한편, 노즐(10)의 표면에 다이아몬드상 카본박막(20)이 코팅되면, 최종적으로 노즐(10)을 가공 처리한다(S109). 노즐(10)의 가공 처리 단계(S109)는 다이아몬드상 카본박막(20)이 코팅된 노즐(10)의 표면을 가공 처리함으로써 정밀도를 높여 준다.

이상에서와 같이 여러 단계를 통하여 제조된 노즐(10)은 그 표면에 다이아몬드상 카본박막(20)이 코팅되며, 이에 따라 상기 노즐(10)은 평활성과 윤활성을 갖게 되어 그 외면과 마찰접촉하는 오링(3a)의 마모를 최소화시킨다. 특히, 다이아몬드상 카본박막(20)이 코팅되는 노즐(10)은 높은 내식성을 갖게 되어 방전액에 장시간 동안 노출되더라도 쉽게 부식되지 않는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 방전가공기용 노즐 제조방법은 노즐의 표면에 다이아몬드상 카본박막을 코팅처리함으로써 높은 표면 평활성과 윤활성을 갖는 노즐을 얻게 되며, 따라서 그 외면과 마찰접촉하는 오링의 마모를 최소화시키는 장점을 갖는다. 또한, 다이아몬드상 카본박막이 코팅된 노즐은 높은 내식성을 갖게 됨으로써 방전액에 의한 부식이 방지되며, 따라서 수명이 연장되는 효과를 갖는다.

Claims

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전극으로 방전액을 배출하는 방전가공기용 노즐을 제조하는 방법에 있어서,

관통홀을 갖는 노즐을 제조하는 단계와, 제조된 상기 노즐의 표면을 세정하는 단계와, 세정된 상기 노즐의 표면에 플라즈마 보강 기상증착에 의한 방법으로 0.5㎛ 내지 10㎛범위의 두께로 다이아몬드상 카본박막을 코팅하는 단계를 포함하고,

상기 노즐을 세정하는 단계는, 상기 노즐을 1차로 세정하는 단계와 2차로 세정하는 단계로 구성되며, 상기 1차 세정은 초음파에 의한 방법으로 세정하고, 상기 2차 세정은 스퍼터링에 의한 방법으로 세정하는 것을 특징으로 하는 방전가공기용 노즐 제조방법.
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