KR101211826B1

KR101211826B1 - Apparatus and method for polishing workpiece using magnetorheological fluid)

Info

Publication number: KR101211826B1
Application number: KR1020100056056A
Authority: KR
Inventors: 이상조; 민병권; 장경인; 이승호
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-12-18
Also published as: KR20110136206A

Abstract

본 발명은 자기유변유체(Magneto-rheological fluid)를 이용하여 3차원 구조물 패턴의 균일가공이 가능한 연마장치 및 방법에 관한 것으로서, 전자석의 N극과 S극 사이에 피가공물의 가공을 위한 가공영역을 형성하고, 상기 전자석을 회전시키는 동시에 상기 피가공물을 직선이동시키면서 전자석에 부착된 자기유변유체를 통해 피가공물의 표면을 평탄하고 고르게 연마 가공할 수 있도록 하는 자기유변유체를 이용한 피가공물의 자기유변 연마장치 및 그 연마방법을 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polishing apparatus and method capable of uniformly processing a three-dimensional structure pattern by using a magneto-rheological fluid, and forming a processing region for processing a workpiece between the N pole and the S pole of an electromagnet. The magnetorheological polishing apparatus of the workpiece using a magnetorheological fluid which rotates the electromagnet and at the same time linearly moves the workpiece, thereby smoothly and smoothly polishing the surface of the workpiece through the magnetorheological fluid attached to the electromagnet. And a polishing method thereof.

Description

Apparatus and method for polishing workpiece using magnetorheological fluid

본 발명은 3차원 형상의 피가공물의 표면을 자기유변유체(Magneto-rheological fluid)를 이용하여 균일하고 고르게 연마할 수 있는 연마장치 및 연마방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자석의 양 극(N극과 S극) 사이에 피가공물의 가공을 위한 가공영역을 형성하여 상기 가공영역에 평행한 자기력선과 균일한 자속밀도가 분포되도록 함으로써, 피가공물의 표면을 곡면 없이 평탄하고 균일하게 연마 가공할 수 있는 연마장치 및 연마방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polishing apparatus and a polishing method for uniformly and evenly polishing a surface of a workpiece having a three-dimensional shape by using a magneto-rheological fluid, and more particularly, to an anode (N) of an electromagnet. Between the pole and the S pole) to form the processing area for processing the workpiece so that the magnetic force lines parallel to the processing area and the uniform magnetic flux density can be distributed, so that the surface of the workpiece can be smoothly and uniformly polished without a curved surface. The present invention relates to a polishing apparatus and a polishing method.

일반적으로, 마이크로 금형가공 기술은 크기가 수 mm의 공간적 개념을 갖는 미세부품을 반복적으로 대량으로 성형, 가공하기 위한 수 mm에서 수십 μm 크기의 몰드(mold)를 제작하는 기술이다. In general, the micro mold processing technology is a technology for manufacturing a mold (mold) of several millimeters to several tens of micrometers for repeatedly forming and processing micro parts having a spatial concept of several millimeters in size.

3차원 형상의 마이크로 몰드의 경우, 최근에는 MEMS 공정, 마이크로 방전, 그리고 미세기계가공(micro machining technology) 등을 이용하여 제작하고 있다.In the case of a three-dimensional micro mold, recently, a MEMS process, a micro discharge, and a micro machining technology have been manufactured.

MEMS 공정을 통해 제작된 구조물의 경우 폴리머나 실리콘 웨이퍼를 에칭이나 증착, 스퍼터링 등에 의해 표면을 가공하기 때문에 중심선 Ra(평균거칠기) 값이 수십 nm의 값을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 재료가 한정되어 있고 복잡한 형상을 제작하기 어려우며 다양한 제품을 제작하지 못하는 한계가 있었다. In the case of the structure fabricated by the MEMS process, the surface of the polymer or silicon wafer is processed by etching, vapor deposition, sputtering, etc., and therefore, the centerline Ra (average roughness) value has an advantage of obtaining tens of nm. However, the materials are limited, it is difficult to produce a complex shape, and there was a limit that cannot produce a variety of products.

한편, 마이크로 방전의 경우 가공 가능 표면 거칠기 Ra는 0.1μm 로써 만약 수 mm의 구조물을 생산하기 위한 몰드를 제작할 경우 몰드와 완성품의 형태가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 이는 표면 조도를 높이게 되고 수 nm의 표면 조도를 필요로 하는 회절격자, 렌즈의 가공을 위한 몰드로 사용이 어려운 문제가 있었다. 따라서 이러한 가공방법으로 제작한 구조물을 높은 표면 품위를 가질 수 있도록 연마가공할 수 있는 연마공정이 필요하게 되었다. On the other hand, in the case of micro discharge, the processable surface roughness Ra is 0.1 μm, and if a mold for producing a structure of several mm may be produced, the shape of the mold and the finished product may be damaged. This increases the surface roughness and has a problem that it is difficult to use as a mold for processing a diffraction grating and a lens that require several nm surface roughness. Therefore, there is a need for a polishing process that can be polished to have a high surface quality of the structure produced by such a processing method.

기존의 연마 방식인 ELID(Electrolytic in-process dressing), 래핑(lapping) 그리고 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 방식은 3차원 구조물의 형상을 유지하면서 표면을 연마하는 데에 어려움이 있었다. ELID의 경우에는 숫돌 내의 지립이 높은 가공 에너지를 필요로 하므로 쉽게 마모되어 재현성을 확보하기 힘들고, 미세 숫돌을 제작하는 것과 연마 패드를 적용하는 것 또한 많은 어려움이 있었다. Conventional polishing methods such as electrolytic in-process dressing (ELID), lapping and chemical mechanical polishing (CMP) have difficulty in polishing the surface while maintaining the shape of the three-dimensional structure. In the case of the ELID, since the abrasive in the grindstone requires high processing energy, it is easily worn and difficult to secure reproducibility, and there are also many difficulties in producing the fine grindstone and applying the polishing pad.

상기한 문제점 때문에 최근에 이러한 기존 표면연마 공정의 한계를 극복할 수 있는 방안으로 자기유변유체 (Magnetorheological Fluid, 자기유변 유체)를 이용한 표면 연마 방법이 제안되고 있다. Due to the above-mentioned problems, a method of surface polishing using magnetorheological fluids (magnet rheological fluids) has recently been proposed as a solution to overcome the limitations of the existing surface polishing process.

자기유변유체를 이용하는 연마 공정은 대상물의 표면 거칠기를 개선시킬 뿐만 아니라, 공작물이 가지고 있는 형상 정밀도를 유지할 수 있는 공정이다. 이는 연삭(grinding)과 같은 기존의 연마 공정이 고체와 고체가 직접 접촉하여 연마하는 방식과 달리 조절이 가능한(controllable) 점도를 가진 유체를 사용하여 연마하는 방식이기 때문에 시편에 가해지는 손상이 적다. 그리고 기본적으로 유체의 성질을 가지고 있기 때문에 가공물에 형성된 3차원 구조물의 형태를 유지하면서 매우 좋은 품질의 표면 처리가 가능하다는 장점이 있다. The polishing process using magnetorheological fluid is a process that can not only improve the surface roughness of the object but also maintain the shape precision of the workpiece. This is because the conventional polishing process such as grinding is a method of grinding using a fluid having a controllable viscosity, unlike the method of grinding a solid in direct contact with a solid, so there is little damage to the specimen. And because it has the nature of the fluid basically has the advantage that the surface treatment of very good quality can be maintained while maintaining the shape of the three-dimensional structure formed on the workpiece.

한편, 자기유변유체를 이용한 자기유변 연마공정에 사용되는 장비는 크게 리본 타입(ribbon type)과 휠 타입(wheel type)으로 구분할 수 있다. 도 1은 종래의 리본 타입 연마장비를 개략적으로 나타낸 것으로서, Ribbon type 연마장비는 현재 비구면 렌즈의 표면, 마이크로 몰드의 표면 연마 등에 널리 사용되고 있는 연마장비로서, 전자석의 N극(10)과 S극(20)극 사이에 회전하는 휠(wheel;30) 이 있고, 그 위에 자기유변유체가 공급되어 연마공정을 수행하도록 되어 있다. 그러나 이와 같은 리본 타입 연마장비는 공정영역과 자석(10)(20)과의 거리가 멀고, 자석(10)(20)이 직접 회전하는 것이 아니라 자석 주위에 있는 휠(30)이 회전하기 때문에 고경도 재료를 연마할 때는 재료 제거량이 작은 단점이 있다. On the other hand, the equipment used in the magnetorheological polishing process using a magnetorheological fluid can be largely divided into a ribbon type (ribbon type) and a wheel type (wheel type). Figure 1 schematically shows a conventional ribbon type polishing equipment, the ribbon type polishing equipment is a polishing equipment currently widely used for polishing the surface of the aspherical lens, the surface of the micro-mold, the N pole 10 and the S pole ( 20) There is a wheel (30) rotating between the poles, the magnetorheological fluid is supplied thereon to perform the polishing process. However, such ribbon type polishing equipment has a high diameter because the distance between the process area and the magnets 10 and 20 is large and the magnets 10 and 20 do not rotate directly, but the wheel 30 around the magnet rotates. Also, when polishing the material, the amount of material removal is small.

위와 같은 리본 타입 연마장비의 한계를 극복하기 위하여 최근에는 휠 타입(wheel type) 연마장비가 개발되어 적용되고 있다. 휠 타입 연마장비는 도 2에 도시한 바와 같이 자기유변유체가 자석(10)(20)에 직접 부착되어 회전하기 때문에 얻을 수 있는 전단응력과 수직항력이 크다. 따라서 고경도의 재료를 연마공정에 적용할 때도 높은 재료 제거량을 얻을 수 있는 장점이 있다. Recently, wheel type polishing equipment has been developed and applied to overcome the limitation of the ribbon type polishing equipment. As shown in FIG. 2, the wheel type grinding machine has a large shear stress and vertical drag which can be obtained because the magnetorheological fluid is directly attached to and rotated by the magnets 10 and 20. Therefore, there is an advantage that a high material removal amount can be obtained even when a high hardness material is applied to the polishing process.

그러나 현재 사용하고 있는 리본 타입과 휠 타입 연마장비는 도 1과 도 2에서 볼 수 있는 것처럼 모두 공정영역(W;점선으로 표시)에서 발생하는 자기력선(M)의 형태가 곡선으로 형성된다. 이러한 곡선의 자기력선(M)은 공정영역(W)에서의 불균일한 자기장의 형성으로 인하여 생성된다. However, the ribbon type and wheel type polishing equipments currently used have a curved shape of the magnetic force line M generated in the process region (W; indicated by dashed lines) as shown in FIGS. 1 and 2. The magnetic field lines M of these curves are generated due to the formation of non-uniform magnetic fields in the process region W.

이와 같이, 공정영역(W)에서 생성되는 자기력선(M)의 곡선형태로 인하여 자기유변유체에 포함되어있는 CI입자의 사슬구조도 자기력선(M)을 따라 곡선으로 형성된다. 이것은 연마공정을 적용할 때 피가공물(40) 표면의 형상에 곡면을 발생시키며, 이것으로 인하여 가공을 할 때 균일한 가공을 할 수 없다. As such, due to the curved shape of the magnetic force line M generated in the process region W, the chain structure of the CI particles included in the magnetorheological fluid is also formed in a curve along the magnetic force line M. FIG. This generates a curved surface in the shape of the workpiece 40 when the polishing process is applied, whereby a uniform processing cannot be performed when processing.

도 3은 곡선의 자기력선(M)을 따라 형성된 CI입자(22)의 사슬 구조와 그것을 이용하여 연마를 하였을 때의 표면 변화를 나타낸 개념도이다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 종래의 연마장비를 이용하여 연마된 피가공물(40)의 표면은 자석 주변에 형성된 곡선형 자기력선(M)에 의해 곡면 형태를 이루며 가공되는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 마이크로 구조물을 연마공정에 적용할 때 시편의 위치에 따라 가공량을 달라지게 하며, batch process에 적용할 수 없는 한계가 있다. 따라서, 현재는 곡선의 자기력선으로 인한 한계를 극복하기 위하여 피가공물의 위치를 지속적으로 바꾸어주기 위하여 부가적인 스테이지를 설치하고 그 위에 피가공물을 고정하여 지속적인 이송을 통하여 연마공정을 수행하고 있다. 그러나 이것은 가공된 표면의 형상이 복잡해지거나 정밀한 결과를 얻고자 할 때에는 사용할 수 없는 한계가 있었다. 따라서 이와 같은 공정의 한계를 극복하기 위하여 자기력선의 형태가 직선이면서 평행하게 형성될 수 있는 새로운 형태의 자기유변 연마장치의 설계가 필요한 실정 이었다.
3 is a conceptual diagram showing the chain structure of the CI particles 22 formed along the curved magnetic force line M and the surface change when polishing using the same. As can be seen in Figure 3, the surface of the workpiece 40 polished using a conventional polishing equipment can be seen to form a curved surface by the curved magnetic force line (M) formed around the magnet. This phenomenon causes a different amount of processing depending on the location of the specimen when the microstructure is applied to the polishing process, and there is a limitation that cannot be applied to the batch process. Therefore, in order to overcome the limitations caused by the curve of the magnetic lines of force, an additional stage is provided to continuously change the position of the workpiece, and the workpiece is fixed thereon to carry out the polishing process through continuous transfer. However, this has been a limitation that cannot be used when the shape of the machined surface becomes complicated or precise results are obtained. Therefore, in order to overcome the limitations of the process, it was necessary to design a new type of magnetorheological polishing apparatus in which the lines of the magnetic field lines were formed in a straight line in parallel.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기유변유체를 이용하여 3차원 구조물의 표면을 연마가공함에 있어, 전자석의 N극과 S극 사이에 피가공물의 가공영역을 형성하여 상기 가공영역상에 평행한 자기력선과 균일한 자속밀도가 분포되도록 한 상태에서 전자석을 회전시키는 동시에 피가공물을 직선이동시키면서 자화된 자기유변유체를 통해 피가공물의 표면을 연마 가공하도록 구성함으로써 피가공물의 표면을 평탄하고 균일하게 연마 가공할 수 있는 자기유변유체를 이용한 피가공물의 연마장치 및 연마방법을 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention in polishing the surface of the three-dimensional structure using a magnetorheological fluid, between the N and S poles of the electromagnet To form the machining zone and to polish the surface of the workpiece through the magnetized magnetorheological fluid while rotating the electromagnet while linearly moving the workpiece while the parallel magnetic field lines and uniform magnetic flux density are distributed on the machining zone. The present invention provides a polishing apparatus and a polishing method of a workpiece using a magnetorheological fluid that can smoothly and uniformly polish the surface of the workpiece.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 3차원 구조물 패턴의 균일 가공을 위한 자기유변 연마장치는, 모터의 구동에 의해 회전되는 회전축과, 상기 회전축에 연결되어 함께 회전되며 그 내부에 코일을 구비하는 전자석을 포함하되, 상기 전자석은 그 내부에 상기 코일이 감긴 중심부를 마련하는 것을 특징으로 하며, 상기 중심부의 양단은 상기 코일의 외부면을 감싸도록 연장되어 상호 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 원통 형상을 이루는 것을 특징으로 하며, 상기 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 원통 형상의 전자석은 각각 N극과 S극을 이루며, 상기 N극과 S극은 그 사이에 상기 회전축에 평행한 자기력선이 형성되어, 자기유변유체를 채워 상기 전자석과 함께 회전될 수 있도록 하는 가공영역이 마련되는 것을 특징으로 하고, 상기 피가공물이 상기 가공영역의 회전 반경 외부에서 그 내부로 이동됨에 따라, 상기 자기유변유체에 의해 그 회전면에 수직방향으로 상기 피가공물의 표면이 연마되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 회전축 상에 설치되며 상기 전자석의 코일에 전류를 인가하는 슬립링과 상기 슬립링에 전원을 공급하는 전원공급장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.The magnetorheological polishing apparatus for uniformly processing the three-dimensional structure pattern according to the present invention for solving the above technical problem, the rotary shaft is rotated by the drive of the motor, connected to the rotary shaft is rotated together and coils therein Including an electromagnet provided, the electromagnet is characterized in that to provide a central portion wound the coil therein, both ends of the central portion extending to surround the outer surface of the coil are spaced apart from each other and disposed oppositely And a pair of cylindrical electromagnets spaced apart from each other to form an N pole and an S pole, and between the N pole and the S pole, a magnetic force line parallel to the rotation axis is formed therebetween. And a processing region is provided to fill the magnetorheological fluid and rotate with the electromagnet. The surface of the workpiece is polished by the magnetorheological fluid in a direction perpendicular to the rotational surface as the magnetorheological fluid is moved from the outside to the inside of the rotation radius of the processing region. In addition, it is preferable to further include a slip ring installed on the rotating shaft for applying a current to the coil of the electromagnet and a power supply for supplying power to the slip ring.

여기서, 상기 전자석은 원통 형상의 외형을 갖도록 형성될 수 있다.Here, the electromagnet may be formed to have a cylindrical shape.

이때, 상기 가공영역에 위치한 상기 전자석의 모서리 부분은 모따기 가공하는 것이 바람직하다.At this time, the edge portion of the electromagnet located in the processing region is preferably chamfered.

아울러, 상기 가공영역에 위치한 상기 전자석의 N극과 S극 끝부분은 외부방향으로 일정각도로 경사지게 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the end of the N pole and the S pole of the electromagnet located in the processing region is preferably formed to be inclined at a predetermined angle in the outward direction.

한편, 상기 회전축은 2개가 구비되어 상기 전자석의 양단 중앙부에 각각 연결되도록 구성할 수 있다.On the other hand, the rotation shaft is provided with two may be configured to be connected to the central portion of both ends of the electromagnet, respectively.

그리고, 본 발명에는 상기 회전축을 지지하기 위한 베어링이 더 설치될 수 있다.And, in the present invention, a bearing for supporting the rotating shaft may be further installed.

여기서, 상기 회전축은, 상기 전자석과 연결되는 부분인 연결부와; 상기 베어링에 끼워져 지지되는 부분인 지지부와; 상기 슬립링 또는 타이밍 풀리를 조립하기 위한 부분인 조립부로 이루어지되, 상기 연결부, 지지부, 조립부로 갈수록 직경이 점차 줄어들도록 형성하는 것이 바람직하다.Here, the rotation shaft, and the connecting portion which is a portion connected to the electromagnet; A support part, which is a part supported by the bearing; Consists of an assembly part for assembling the slip ring or timing pulley, it is preferable to form so as to gradually reduce the diameter toward the connecting portion, the support portion, the assembly portion.

그리고, 상기 회전축은 자화되지 않는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the rotation shaft is preferably made of a material that is not magnetized.

이때, 상기 회전축과 연결되는 상기 전자석의 양단부에는 움푹 들어간 형태의 함몰부가 형성될 수 있다.At this time, both ends of the electromagnet connected to the rotating shaft may be formed with a recessed portion.

한편, 본 발명은 3차원 구조물 패턴의 균일 가공을 위한 자기유변 연마방법에 있어서, 서로 이격된 전자석의 N극과 S극 사이에 피가공물의 가공을 위한 가공영역을 형성하고, 상기 전자석 내부의 코일에 전류를 인가하여 N극과 S극 사이에 평행한 자기력선이 형성되도록 하여, 상기 전자석을 일정속도로 회전시키는 동시에 상기 피가공물을 상기 가공영역 내외로 직선운동시키면서 상기 평행한 자기력선을 따라 배열된 자기유변유체를 통해 피가공물의 표면을 연마하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention in the magnetorheological polishing method for the uniform processing of the three-dimensional structure pattern, forming a processing area for processing the workpiece between the N and S poles of the electromagnet spaced apart from each other, the coil inside the electromagnet A current is applied to the N pole and the S pole so that a parallel magnetic force line is formed, thereby rotating the electromagnet at a constant speed and linearly moving the workpiece in and out of the processing area while being arranged along the parallel magnetic force line. It is characterized by polishing the surface of the workpiece through the rheological fluid.

한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 3차원 구조물 패턴의 균일 가공을 위한 자기유변 연마용 전자석은, 서로 이격된 N극과 S극 사이에 피가공물의 가공을 위한 가공영역이 형성되고, 내부에는 코일이 구비되며, 상기 코일에 인가되는 전류에 의해 자화되어 N극과 S극 사이에 평행한 자기력선을 형성하며, 외부의 동력원에 의해 회전되면서 상기 가공영역상에 제공되는 자기유변유체에 의해 피가공물의 표면을 연마하도록 된 것을 특징으로 한다.On the other hand, in the magnetorheological polishing electromagnet for uniformly processing the three-dimensional structure pattern according to the present invention for solving the above technical problem, a processing region for processing the workpiece between the N and S poles spaced from each other is formed And a coil provided therein, and magnetized by a current applied to the coil to form a magnetic force line parallel between the N pole and the S pole, and a magnetorheological fluid provided on the processing region while being rotated by an external power source. It is characterized in that the surface of the workpiece to be polished by.

이때, 상기 가공영역에 위치한 상기 전자석의 모서리 부분은 모따기 가공되는 것이 바람직하다.At this time, the edge portion of the electromagnet located in the processing region is preferably chamfered.

아울러, 상기 가공영역에 위치한 상기 전자석의 N극과 S극 끝부분은 외부방향으로 일정각도로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the end of the N pole and the S pole of the electromagnet located in the processing region is preferably formed to be inclined at a predetermined angle in the outward direction.

그리고, 상기 전자석의 양단에는 각각 회전축을 연결하여 구성하는 것이 바람직하다.And, it is preferable to configure by connecting the rotating shaft to both ends of the electromagnet, respectively.

이때, 상기 회전축과 연결되는 상기 전자석의 양단부에는 움푹 들어간 형태의 함몰부가 형성될 수 있다.
At this time, both ends of the electromagnet connected to the rotating shaft may be formed with a recessed portion.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 전자석의 양 극(N극과 S극) 사이에 피가공물의 가공을 위한 가공영역을 형성하여 상기 가공영역에 평행한 자기력선과 균일한 자속밀도가 분포되도록 함으로써, 3차원 형상을 갖는 구조물의 표면을 곡면 없이 평탄하고 균일하게 효율적으로 연마 가공할 수 있기 때문에 제품의 품질을 향상시킬 수 있다. According to the present invention having the above-described configuration, by forming a processing area for processing the workpiece between the two poles (N pole and S pole) of the electromagnet so that the magnetic force lines parallel to the processing zone and uniform magnetic flux density are distributed. In addition, since the surface of the structure having a three-dimensional shape can be polished smoothly and efficiently without curved surfaces, it is possible to improve product quality.

그리고, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 자기유변 연마장치를 이용하게 되면 고정밀도를 갖는 3차원 미세패턴 형상의 금형을 용이하게 제작할 수 있기 때문에 고품질의 제품을 사출 또는 스탬핑할 수 있어서 제품의 품질을 높이고 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, when the magnetorheological polishing apparatus of the present invention having the above-described configuration is used, it is possible to easily manufacture a metal mold having a three-dimensional fine pattern shape with high precision, so that the quality of the product can be injected or stamped. There is an advantage to increase and improve the competitiveness of the product.

또한, 본 발명은 기존 연마공정에서 해결하지 못한 3차원 패턴의 표면연마가 가능해지므로 본 발명의 연마장치를 사용하여 고정밀 부품을 고속 및 병렬공정으로 대량생산 할 수 있는 장점이 있다.
In addition, the present invention has the advantage that the surface polishing of the three-dimensional pattern that can not be solved in the conventional polishing process can be mass-produced high-precision parts in a high speed and parallel process using the polishing apparatus of the present invention.

도 1은 종래의 리본 타입(Ribbon type) 연마장비를 도시한 개략도.
도 2는 종래의 휠 타입(Wheel type) 연마장비를 도시한 개략도.
도 3은 종래의 자기유변유체에 의한 피가공물 연마시 피가공물의 표면변화를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체 연마장치를 도시한 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 전자석의 외형 구조를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 전자석의 단면구조를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 전자석의 가공영역에서의 자기력선 분포를 보여주는 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 전자석의 자속밀도 분포를 보여주는 시뮬레이션도.
도 9는 본 발명에 따른 회전축의 상세구조를 도시한 사시도.
도 10 및 도 11은 기존 연마장치 및 본 발명의 연마장치를 통해 자기유변 연마된 피가공물의 표면형상을 비교 도시한 그래프.
도 12 및 도 13는 기존 연마장치 및 본 발명의 연마장치를 통해 자기유변 연마된 피가공물 표면의 Ra 크기 분포를 비교 도시한 도면.
도 14 및 도 15는 기존 연마장치 및 본 발명의 연마장치를 통해 자기유변 연마된 시편 채널의 모습을 비교 도시한 사진.
도 16 및 도 17은 기존 연마장치 및 본 발명의 연마장치를 통해 자기유변 연마된 시편 표면형상을 비교 도시한 그래프.
도 18 및 도 19는 기존 연마장치 및 본 발명의 연마장치를 통해 자기유변 연마된 시편 채널의 모습을 비교 도시한 사진.
도 20은 본 발명에 따른 자기유변 연마장치를 적용하여 연마된 피가공물의 표면 변화를 보여주는 그래프.
도 21는 도 20의 형상을 DFT를 이용하여 표면분석한 결과를 보여주는 그래프.
도 22는 도 21에서 파장이 100㎛ 이하일 경우의 DFT 결과를 보여누는 그래프.
도 23은 피가공물의 연마시간에 따른 표면의 Ra 변화를 나타낸 그래프.
도 24는 전자석의 회전속도 변화에 따른 Ra 변화를 나타낸 그래프.
도 25는 전자석의 자속밀도 크기 변화에 따른 Ra 변화를 나타낸 그래프
도 26은 자기유변유체에 혼합되는 연마제의 종류와 크기 변화에 따른 Ra 변화를 나타낸 그래프Figure 1 is a schematic diagram showing a conventional ribbon type (Ribbon type) polishing equipment.
Figure 2 is a schematic diagram showing a conventional wheel type (Wheel type) polishing equipment.
Figure 3 is an exemplary view showing the surface change of the workpiece when polishing the workpiece by the conventional magnetorheological fluid.
Figure 4 is a block diagram showing a magnetorheological fluid polishing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing the external structure of the electromagnet shown in FIG. 4. FIG.
6 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of an electromagnet according to the present invention.
7 is an exemplary view showing a magnetic force line distribution in the processing region of the electromagnet according to the present invention.
8 is a simulation showing the magnetic flux density distribution of the electromagnet according to the present invention.
9 is a perspective view showing a detailed structure of a rotating shaft according to the present invention.
10 and 11 are graphs showing the surface shape of the workpiece polished magnetofluidically through the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention.
12 and 13 are views showing a comparison of the Ra size distribution of the surface of the workpiece polished by the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention.
14 and 15 are photographs showing the comparison of the state of the magnetorheologically polished specimen channel through the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention.
16 and 17 are graphs showing the surface shape of the magnetorheologically polished through the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention.
18 and 19 are photographs showing a comparison of the state of the magnetorheologically polished specimen channel through the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention.
20 is a graph showing the surface change of the workpiece polished by applying the magnetorheological polishing apparatus according to the present invention.
FIG. 21 is a graph illustrating a result of surface analysis of the shape of FIG. 20 using a DFT. FIG.
FIG. 22 is a graph showing a DFT result when the wavelength is 100 μm or less in FIG. 21. FIG.
23 is a graph showing the Ra change of the surface according to the polishing time of the workpiece.
24 is a graph showing a change in Ra according to the change in the rotational speed of the electromagnet.
25 is a graph showing a change in Ra according to the change in the magnetic flux density size of the electromagnet
FIG. 26 is a graph illustrating changes in Ra according to the type and size of an abrasive mixed in a magnetorheological fluid

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 자기유변유체를 이용한 연마공정에 의해 밀리미터 혹은 마이크로 크기의 3차원 구조물을 연마가공하여 표면 조도를 향상시킬 수 있는 자기유변 연마장치에 관한 것으로서, 자기유변연마의 공정영역을 전자석의 N극과 S극 사이로 배치하여 피가공물의 전면적에 걸쳐 균일한 자기력선과 자속밀도가 분포되도록 함으로써 피가공물의 표면을 평탄하고 고르게 연마 가공할 수 있는 연마장치를 제공한다.The present invention relates to a magnetorheological polishing apparatus capable of improving surface roughness by polishing a millimeter or micro-sized three-dimensional structure by a polishing process using a magnetorheological fluid. It is provided between the and S poles to distribute the uniform magnetic force lines and magnetic flux density over the entire surface of the workpiece to provide a polishing device that can smoothly and evenly polish the surface of the workpiece.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 자기유변 연마장치의 요부구성을 도시한 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 전자석의 외형 구조를 보여주는 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 전자석의 단면구조를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 7은 본 발명에 따른 전자석의 가공영역에서의 자기력선 분포를 보여주는 예시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 전자석의 자속밀도 분포를 나타낸 시뮬레이션도이며, 도 9는 본 발명에 따른 회전축의 상세구조를 도시한 사시도이다.Figure 4 is a block diagram showing the main configuration of the magnetorheological polishing apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a perspective view showing the external structure of the electromagnet shown in Figure 4, Figure 6 is an electromagnet according to the present invention It is sectional drawing which shows the cross-sectional structure of. 7 is an exemplary view showing a distribution of magnetic force lines in a processing region of an electromagnet according to the present invention, FIG. 8 is a simulation diagram showing a magnetic flux density distribution of the electromagnet according to the present invention, and FIG. 9 is a view of a rotating shaft according to the present invention. It is a perspective view showing the detailed structure.

도 4 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 구조물 패턴의 균일 가공을 위한 자기유변 연마장치는, 전자석(110)이 회전되면서 피가공물(200)의 연마가공을 수행하는 휠 타입(wheel type) 연마장치로서, 모터의 구동에 의해 회전되는 회전축(130)과 상기 회전축(130)에 연결되어 함께 회전되며, 그 내부에 코일(120)을 구비하는 전자석(110)을 포함하되, 상기 전자석(110)은 그 내부에 상기 코일(120)이 감긴 중심부를 마련하는 것을 특징으로 하며, 상기 중심부의 양단은 상기 코일(120)의 외부면을 감싸도록 연장되어 상호 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 원통 형상을 이루는 것을 특징으로 하며, 상기 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 원통 형상의 전자석(110)은 각각 N극과 S극을 이루며, 상기 N극과 S극은 그 사이에 상기 회전축(130)에 평행한 자기력선이 형성되어, 자기유변유체를 채워 상기 전자석(110)과 함께 회전될 수 있도록 하는 가공영역(W)이 마련되는 것을 특징으로 하고, 상기 피가공물(200)이 상기 가공영역(W)의 회전 반경 외부에서 그 내부로 이동됨에 따라, 상기 자기유변유체에 의해 그 회전면에 수직방향으로 상기 피가공물(200)의 표면이 연마되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 회전축 상에 설치되며 상기 전자석의 코일에 전류를 인가하는 슬립링(150)과 상기 슬립링(150)에 전원을 공급하는 전원공급장치(160)를 더 포함하는 것이 바람직하다.4 to 9, the magnetorheological polishing apparatus for uniformly processing the three-dimensional structure pattern according to the present invention, a wheel type (wheel) for performing the polishing processing of the workpiece 200 while the electromagnet 110 is rotated type) a polishing apparatus, including a rotating shaft 130 that is rotated by a driving of a motor and an electromagnet 110 that is connected to the rotating shaft 130 and rotates together and includes a coil 120 therein, wherein the electromagnet 110 is characterized in that to provide a center in which the coil 120 is wound therein, both ends of the center extending to surround the outer surface of the coil 120 are spaced apart from each other and a pair of oppositely disposed Characterized by forming a cylindrical shape, the pair of cylindrical electromagnets 110 are spaced apart and opposed to each other to form an N pole and an S pole, the N pole and the S pole between the rotating shaft 130 therebetween. Parallel lines of magnetic force are formed The processing region (W) is provided to fill the transformer fluid so that it can be rotated together with the electromagnet (110), the workpiece 200 from the outside of the rotation radius of the processing region (W) to the inside As it moves, the surface of the workpiece 200 is polished by the magnetorheological fluid in a direction perpendicular to the rotation surface thereof. In addition, it is preferable to further include a slip ring 150 is installed on the rotating shaft for applying a current to the coil of the electromagnet and the power supply 160 for supplying power to the slip ring 150.

구체적으로, 본 발명의 연마장치에 적용되는 전자석(110)은 원통 형상의 외형을 가지고 있으며, 그 중앙부 N극(112)과 S극(114) 사이에는 피가공물(200)의 가공을 위한 개방된 공간인 가공영역(W)이 형성된다. 그리고, 상기 전자석(110)의 내측 중심부(111)에는 외부로부터 전류의 인가시 상기 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114)에 자기장을 발생시킬 수 있도록 코일(120)이 감겨 설치된다.Specifically, the electromagnet 110 applied to the polishing apparatus of the present invention has a cylindrical shape, and is open for the processing of the workpiece 200 between the central N pole 112 and the S pole 114. The processing area W which is a space is formed. The coil 120 is wound around the inner central portion 111 of the electromagnet 110 to generate a magnetic field in the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110 when an electric current is applied from the outside. Is installed.

상기 코일(120)에 전류의 인가시 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114) 사이에서 생성되는 자기력선(M)은 그 형태가 직선이며 평행하다. 따라서, N극(112)과 S극(114) 사이에 형성된 피가공물(200)의 가공영역(W;점선으로 표시)에는 항상 직선이며 평행한 자기력선이 생성된다. 이러한 경향은 전자석(110) 외에 영구자석일 경우에도 동일한 결과가 도출되고, 전자석(110)의 형태와 크기 등의 변화를 주어도 N극(112)과 S극(114) 사이에서는 항상 평행한 자기력선이 형성되는 특성이 있다. 본 발명은 위와 같은 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114) 사이에 형성되는 균일하고 평행한 자기력선(M)을 이용하여 피가공물(200)의 연마를 수행하도록 되어 있다.The magnetic force lines M generated between the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110 when the current is applied to the coil 120 are straight and parallel in shape. Therefore, a straight and parallel magnetic force line is always generated in the processing area W (indicated by the dotted lines) of the workpiece 200 formed between the N pole 112 and the S pole 114. This tendency is the same result in the case of permanent magnets in addition to the electromagnet 110, even if a change in the shape and size of the electromagnet 110, the parallel magnetic field lines always between the N pole 112 and the S pole 114 There is a characteristic to be formed. The present invention is to perform the polishing of the workpiece 200 by using a uniform and parallel magnetic force line (M) formed between the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110 as described above.

여기서, 상기 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114) 사이에 형성되는 자속밀도의 크기가 동일하게 분포되도록 하기 위하여, 상기 가공영역(W)을 중심으로 좌우 양쪽의 전자석 형태가 대칭이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.Here, in order to distribute the same magnetic flux density formed between the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110, the form of the electromagnets on both sides of the left and right around the processing area (W) It is preferable to form so as to be symmetrical.

아울러, 상기 전자석(110)의 중심부(111)에 설치되는 코일(120)의 개수는 하나로 구성하는 것이 바람직하다. 이 이유는 코일의 개수가 여러 개인 경우에는 코일 근처에서의 자속밀도의 크기는 크게 나타나지만 그 외에 부분에서는 자속밀도의 크기가 작아져서 N극(112)과 S극(114) 사이에 자기장이 불균일하게 형성되기 때문이다.In addition, the number of coils 120 installed in the central portion 111 of the electromagnet 110 is preferably configured as one. This is because when the number of coils is large, the magnetic flux density in the vicinity of the coil is large, but in other parts, the magnetic flux density becomes smaller, resulting in an uneven magnetic field between the N pole 112 and the S pole 114. Because it is formed.

그리고, 본 발명의 연마장치는 영구자석 대신에 전자석(110)을 적용하여 구성함으로써, 코일(120)로 공급되는 전류의 조절을 통하여 자속밀도의 크기를 용이하게 조절할 수 있으며, 피가공물의 가공 전?후에 자기유변유체의 공급과 제거가 용이한 장점이 있다.In addition, the polishing apparatus of the present invention is configured by applying the electromagnet 110 instead of the permanent magnet, it is possible to easily adjust the size of the magnetic flux density through the adjustment of the current supplied to the coil 120, before processing the workpiece Afterwards, it is easy to supply and remove the magnetorheological fluid.

이와 같은 전자석(110)은 고정식이 아닌 회전방식으로 설계하여 피가공물(200)의 연마공정 중 자기유변유체의 공급과 순환이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.Such an electromagnet 110 is preferably designed in a rotational manner rather than a fixed type so that the magnetorheological fluid can be easily supplied and circulated during the polishing of the workpiece 200.

그리고, 상기 전자석(110)의 재료로는 순철을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 코일(120)에 전류가 공급될 경우 전자석(110)이 자속밀도를 가지고 있다가 전류의 제거시 전자석(110)에 발생된 자속밀도가 쉽게 0T될 수 있기 때문이다. In addition, it is preferable to use pure iron as the material of the electromagnet 110. The reason is that when the current is supplied to the coil 120, the electromagnet 110 has a magnetic flux density and the electromagnet 110 is removed when the current is removed. This is because the magnetic flux density generated at) can be easily 0T.

그리고, 상기 전자석(110) 내부의 중심부(111) 외측에는 나일론 재질을 이용하여 실패 형상의 구조물을 제작하고 그 외주부에 코일(120)을 감아 설치하게 된다. 이와 같은 구조로 형성하게 되면, 코일(120)이 전자석(110)의 중심부(111)와 직접 접촉을 하지 않고 코일(120)의 형태를 유지하며 전자석(110)에 자기장을 발생시킬 수 있다.In addition, outside the central portion 111 of the inside of the electromagnet 110, a failure-shaped structure is manufactured using a nylon material, and the coil 120 is wound around the outer periphery thereof. When formed in such a structure, the coil 120 may maintain the shape of the coil 120 without directly contacting the central portion 111 of the electromagnet 110 and generate a magnetic field in the electromagnet 110.

아울러, 상기 전자석(110)에서 코일(120)이 감기는 횟수는 자속밀도의 최대 크기에 영향을 주기 때문에, 최대한 큰 부피의 공간을 확보하도록 제작하는 것이 바람직하다.In addition, since the number of windings of the coil 120 in the electromagnet 110 affects the maximum size of the magnetic flux density, it is preferable to manufacture so as to secure the largest volume of space.

한편, 전자석(110)의 모서리 부분에서는 자기력의 손실이 크게 발생하는 경향이 있다. 이러한 문제점으로 인해 본 발명의 전자석(110)은 각 모서리마다 모따기 가공을 수행하여 자기력의 손실을 최소화하고 있다.On the other hand, in the corner portion of the electromagnet 110, the loss of magnetic force tends to occur large. Due to this problem, the electromagnet 110 of the present invention minimizes the loss of magnetic force by performing chamfering at each corner.

즉, 전자석(110) 둘레에 형성된 가공영역(W) 근처의 양극(N,S극)의 모서리 형상이 직선과 직각으로 이루어져 자기력의 손실이 크게 발생할 수 있기 때문에, 상기 가공영역(W) 근처에서 발생하는 자기력의 손실을 줄이기 위하여 양극(112)(114)의 모서리 부분에 모따기 가공을 수행하고 상기 가공영역(W)에 위치된 양극(112)(114)의 끝 부분이 전자석(110)의 반경방향을 향하여 벌어지도록 일정각도 경사지게 형성하는 것이 바람직하다. That is, since the edge shape of the anodes (N, S poles) near the processing region (W) formed around the electromagnet 110 is formed at a right angle to a straight line, a loss of magnetic force may occur largely. In order to reduce the loss of magnetic force generated, chamfering is performed at the corners of the anodes 112 and 114, and the ends of the anodes 112 and 114 positioned in the processing area W are the radius of the electromagnet 110. It is preferable to form a predetermined angle inclined so as to open in the direction.

도 7은 위와 같이 전자석(110)의 양극(112)(114) 모서리 부분에 모따기 가공을 수행하고 양극(112)(114)의 끝 부분에 경사진 면을 형성한 전자석(110)에 형성된 자기력선(M)의 형태를 보여주고 있다. 도 7에서 볼 수 있듯이, 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114) 사이의 가공영역(W)에서 직선으로 평행한 자기력선(M)이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 전자석(110) 모서리 부분의 모따기 가공과 가공영역(W) 부분에서의 경사면의 형성으로 인하여 자기력의 손실이 작아 자속밀도 값이 크게 나타나게 되는 것이다. 7 is a magnetic force line formed in the electromagnet 110 is formed by performing a chamfering process on the edges of the anode 112, 114 of the electromagnet 110 and the inclined surface on the end of the anode 112, 114 ( It shows the form of M). As can be seen in FIG. 7, it can be seen that the magnetic field lines M are formed in a straight line in the processing region W between the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110. This is due to the chamfering of the edge of the electromagnet 110 and the formation of the inclined surface in the processing region (W), the magnetic force loss is small, the magnetic flux density value is large.

그리고, 본 발명은 전자석(110)에서 발생하는 자속밀도를 증가시키기 위하여 코일(120)이 감긴 횟수를 증가시키기 위하여 전자석(110)의 형태를 수정하였다. 코일(120)이 감긴 횟수가 증가하면 같은 전류를 공급할 때 발생하는 자속밀도는 더 커지게 된다. 그리고, 양극(112)(114) 사이의 간격이 멀어지면 가공영역(W)의 양 끝 부분과 가운데 부분에서의 자속밀도의 차이가 증가하게 되고, 양극(112)(114)의 폭이 증가하게 되면 가공영역(W)에서 평행한 자기력선을 얻을 수 있는 면적은 넓어지지만, 생성되는 자속밀도의 크기가 작아지는 현상이 발생한다. 이를 감안하여 본 발명의 전자석(110)은 양극(112)(114) 사이의 간격과 폭을 각각 15mm 크기로 정하고, 설계를 변경하면서 전자석(110)과 축이 연결되는 부분의 두께를 두껍게 형성하였다. 이는 두께가 증가할수록 전자석과 연결된 축으로 손실되는 자기력선의 양을 감소시킬 수 있기 때문이다.In addition, the present invention modified the shape of the electromagnet 110 to increase the number of times the coil 120 is wound in order to increase the magnetic flux density generated in the electromagnet 110. As the number of times the coil 120 is wound increases, the magnetic flux density generated when the same current is supplied increases. When the distance between the anodes 112 and 114 increases, the difference between the magnetic flux densities at both ends and the center of the processing region W increases, and the width of the anodes 112 and 114 increases. In this case, an area in which parallel magnetic field lines can be obtained in the processing region W becomes wider, but a phenomenon in which the magnitude of the generated magnetic flux density becomes smaller occurs. In consideration of this, the electromagnet 110 according to the present invention has a thickness and a width between the anodes 112 and 114 to be 15 mm, respectively, and the thickness of the portion where the electromagnet 110 and the shaft are thickened is changed while changing the design. . This is because as the thickness increases, the amount of magnetic force lines lost to the axis connected with the electromagnet can be reduced.

도 8은 상기와 같은 설계사항을 반영하여 제작된 본 발명에 따른 전자석(110)의 자속밀도 분포 해석결과를 보여주는 도면이다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 가공영역(W)을 사이에 두고 전자석(110)의 끝 부분 전체가 같은 색인 것을 볼 수 있는데, 이는 자속밀도가 가공영역(W)의 둘레를 따라서 같은 것을 의미한다. 8 is a view showing a magnetic flux density distribution analysis result of the electromagnet 110 according to the present invention manufactured by reflecting the design matters as described above. As can be seen in Figure 8, it can be seen that the entire end of the electromagnet 110 is the same index with the processing area (W) in between, which means that the magnetic flux density is the same along the circumference of the processing area (W).

한편, 위와 같은 구조로 설계된 전자석(110)을 자기유변연마 공정에 사용하기 위해서는 피가공물(200)과 자기유변유체 사이의 상대적인 운동이 요구된다. 따라서 자기유변유체가 공급되었을 때 전자석(110)을 회전시키기 위한 회전축(130)의 구성이 필요하다.On the other hand, in order to use the electromagnet 110 designed in the above structure in the magnetorheological polishing process, a relative movement between the workpiece 200 and the magnetorheological fluid is required. Therefore, when the magnetorheological fluid is supplied, the configuration of the rotating shaft 130 for rotating the electromagnet 110 is required.

상기 회전축(130)의 재료는 자화되지 않는 재료로 적용된다. 그 이유는 회전축(130)의 재료가 자화되는 물질이라면 전자석(110)에서 발생한 자속밀도의 손실이 발생하게 되어 가공영역(W)에서 발생하는 자속밀도가 작아지기 때문이다. The material of the rotating shaft 130 is applied to a material that is not magnetized. The reason is that if the material of the rotating shaft 130 is a magnetized material, the loss of magnetic flux density generated in the electromagnet 110 is generated and the magnetic flux density generated in the processing region W is reduced.

이때, 회전축(130)의 설계시 주의하여야 할 점은 회전축(130)의 재료선정인데, 전자석(110)에서 발생한 자기력선이 회전축(130)을 자화시키는 데에 사용된다면 가공영역에서의 자속밀도의 크기가 작아지기 때문에, 따라서 회전축의 재료는 자화되지 않는 재료로 선정하는 것이 바람직하다.At this time, the design point of the rotating shaft 130 is to be selected the material of the rotating shaft 130, if the magnetic force lines generated in the electromagnet 110 is used to magnetize the rotating shaft 130, the magnitude of the magnetic flux density in the processing area Therefore, it is preferable to select the material of the rotating shaft as a material that is not magnetized.

그리고, 회전하는 전자석(110)의 중심부에 있는 코일(120)에 외부의 전원공급장치(160)로부터 지속적인 전류의 공급이 이루어지도록 회전축(130)을 설계하는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 회전축(130)의 중심부에 형성된 중공(미도시)에 전선을 삽입하여 외부의 전원공급장치(160)와 전자석(110) 내부의 코일(120)과 연결되도록 한다. In addition, it is preferable to design the rotating shaft 130 to supply a continuous current from the external power supply device 160 to the coil 120 at the center of the rotating electromagnet 110. To this end, a wire is inserted into a hollow (not shown) formed at the center of the rotating shaft 130 to be connected to an external power supply device 160 and the coil 120 inside the electromagnet 110.

이때, 상기 회전축(130)상에는 회전축(130)의 중심부에 삽입된 전선과 외부의 전원공급장치(160)를 상호 연결할 수 있도록 슬립링(150)을 설치하는 것이 바람직하다. 이러한 슬립링(150) 설치구조로 인하여 회전축(130)의 회전운동이 발생해도 전자석(110) 내부의 코일(120)로 전류가 흐르게 된다.At this time, it is preferable to install a slip ring 150 on the rotary shaft 130 so as to interconnect the wire inserted in the center of the rotary shaft 130 and the external power supply device 160. Due to the installation structure of the slip ring 150, the current flows to the coil 120 inside the electromagnet 110 even when the rotational movement of the rotation shaft 130 occurs.

또한, 전자석(110)의 회전시 전자석(110)의 무게로 인한 쳐짐현상을 방지할 수 있도록 상기 전자석(110) 양단에 연결된 회전축(130)상에 각각 두 개의 베어링(140)을 설치하여 회전축(130)이 지지되도록 함으로써, 회전축(130)의 쳐짐이 발생되는 것을 최대한으로 방지할 수 있다. 이때, 편심으로 인한 진동을 줄이기 위하여 회전축(130)축과 전자석(110)의 조립을 할 때 끼워맞춤 방식으로 조립될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.In addition, in order to prevent sagging due to the weight of the electromagnet 110 during rotation of the electromagnet 110, two bearings 140 are respectively installed on the rotary shaft 130 connected to both ends of the electromagnet 110 to rotate the shaft ( By supporting the 130, it is possible to prevent the deflection of the rotation shaft 130 from occurring to the maximum. At this time, in order to reduce the vibration caused by the eccentricity, it is preferable to configure the assembly so that it can be assembled in a fitting manner when assembling the rotating shaft 130 and the electromagnet 110.

상기 회전축(130)은 전자석(110)의 양단 중앙부에 나사를 이용하여 조립된다. 이때, 전자석(110)과 회전축(130)의 조립을 쉽게하고 장비의 회전시 편심으로 인한 진동이 발생하지 않도록 상기 회전축(130)이 결합되는 전자석(110) 양단의 중앙부에 안쪽으로 움푹 들어간 형태의 함몰부(115)를 형성한다. The rotating shaft 130 is assembled using a screw in the center of both ends of the electromagnet 110. At this time, to facilitate the assembly of the electromagnet 110 and the rotating shaft 130 and to prevent the vibration caused by the eccentricity during the rotation of the equipment of the form of the form in the inner portion of the center of both ends of the electromagnet 110 to which the rotating shaft 130 is coupled The depression 115 is formed.

그리고 상기 함몰부(115) 내부에 나사구멍(116)을 형성하게 된다. 이때, 상기 나사 구멍(116)은 그 위치가 좌우 대칭이 되도록 가공하는 것이 바람직하다. 그 이유는 나사 구멍(116)의 비대칭으로 인하여 가공영역에서 형성되는 자속밀도의 크기가 균일하지 않을 수 있기 때문이다. In addition, a screw hole 116 is formed in the recess 115. At this time, the screw hole 116 is preferably processed so that the position is symmetrical. This is because the magnetic flux density formed in the processing region may not be uniform due to the asymmetry of the screw hole 116.

상기 슬립링(150)은 회전축(130)의 끝 부분에 위치하도록 설치되며, 전자석(110) 내부의 코일(120)로부터 상기 회전축(130) 중심부를 통과하여 나온 전선과 연결된다. 이를 위해 전자석(110)의 한쪽은 그 중심부(111)에 전선이 지나가서 일측 회전축(130)상에 설치된 슬립링(150)과 연결될 수 있도록 통로(미도시)가 형성된다. 이때, 상기 전자석(110)을 관통한 통로는 회전축(130)을 관통하는 통로(중공)과 동심이며 코일(120)은 이들 통로를 통과하는 전선을 통해 회전축(130) 끝에 설치된 슬립링(150)과 전기적으로 연결되어 전류를 공급 받게 된다. The slip ring 150 is installed to be located at the end of the rotation shaft 130, and is connected to the wires passing through the center of the rotation shaft 130 from the coil 120 inside the electromagnet 110. To this end, a passage (not shown) is formed at one side of the electromagnet 110 so that an electric wire passes through the center 111 thereof and is connected to the slip ring 150 installed on one side rotation shaft 130. At this time, the passage passing through the electromagnet 110 is concentric with the passage (hollow) passing through the rotating shaft 130 and the coil 120 is a slip ring 150 installed at the end of the rotating shaft 130 through the wires passing through these passages. And are electrically connected to each other.

그리고, 전자석(110)에 연결되는 회전축(130)의 형태는 도 9에 나타낸 바와 같이, 전자석(110)과 연결되는 부분인 연결부(131)와, 베어링(140)에 끼워져 지지되는 부분인 지지부(134)와, 슬립링(150) 또는 타이밍 풀리(171)를 조립하기 위한 부분인 조립부(136)의 3단 형태로 이루어져 있다.And, as shown in Figure 9, the shape of the rotary shaft 130 is connected to the electromagnet 110, the connecting portion 131 which is a portion connected to the electromagnet 110, and the support portion that is a part that is supported by the bearing 140 ( 134 and the assembly portion 136, which is a part for assembling the slip ring 150 or the timing pulley 171, is formed in three stages.

상기 연결부(131)는 끝단이 플랜지 형태로 형성되어 전자석(110) 양단에 형성된 함몰부(15) 내에 꽉 끼어져 나사를 통해 연결 조립된다. 이때, 상기 회전축(130)의 형상은 상기 전자석(110)과 결합되는 쪽에서 반대쪽으로 갈수록 축의 직경이 점차 줄어드는 형태로 형성하는 것이 바람직한데, 그 이유는 전자석(110)과 회전축(130)을 연결한 후 바닥에 고정할 때 베어링(140)의 위치를 정확하게 설정할 수 있고, 아울러 가공 중에 발생할 수 있는 회전축(130)의 좌우 움직임 발생을 미연에 방지할 수 있기 때문이다.The connection part 131 is formed in the form of a flange end is tightly fitted in the recess 15 formed on both ends of the electromagnet 110 is connected and assembled through a screw. At this time, the shape of the rotating shaft 130 is preferably formed in a form that the diameter of the shaft gradually decreases toward the opposite side from the side coupled with the electromagnet 110, the reason is that connecting the electromagnet 110 and the rotating shaft 130 This is because it is possible to accurately set the position of the bearing 140 when fixed to the bottom, and also prevent the left and right movement of the rotating shaft 130 that may occur during processing.

상기 회전축(130)의 지지부(134)는 상기 연결부(132)보다 작은 직경을 갖는 부분으로서 2개의 베어링(140)에 삽입되어 지지되는데, 이와 같이 회전축(130)을 두 개의 베어링(140)을 사용하여 지지하는 이유는 회전축(130)에 구동을 위한 타이밍 풀리(171)를 조립하고 벨트(172)를 연결할 때 벨트(172)의 장력으로 인한 축의 중심축이 뒤틀릴 수 있기 때문이다. 이때, 상기 베어링(140)은 SN형의 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.The support part 134 of the rotating shaft 130 is inserted into two bearings 140 as a portion having a smaller diameter than the connecting portion 132, and thus, the rotating shaft 130 uses two bearings 140. The reason for the support is to assemble the timing pulley 171 for driving on the rotation shaft 130 and the central axis of the shaft due to the tension of the belt 172 when connecting the belt 172 may be distorted. At this time, it is preferable that the bearing 140 uses a SN-type bearing.

상기 회전축(130)의 조립부(136)는 직경이 제일 작은 부분으로서, 타이밍 풀리(171) 혹은 슬립링(150)을 연결하기 위한 부분이다. 그리고, 상기 2개의 회전축(130) 중에서 전선이 관통되는 중심부 통로가 있는 회전축(130)의 끝단 조립부(136) 부분에 슬립링(150)이 조립된다. 반면, 다른 회전축(130) 끝단에는 타이밍 풀리(171)가 결합되어 외부의 모터(170)와 타이밍 벨트(172)를 통해 연결됨으로써 전자석(110)을 회전시키게 된다. 이때 회전축(130)과 타이밍 풀리(171)를 연결할 때는 키를 이용하여 회전축(130)과 타이밍 풀리(171) 사이에서 미끄럼 현상이 없이 동력을 모두 전달할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.The assembly portion 136 of the rotating shaft 130 is the smallest diameter, the portion for connecting the timing pulley 171 or slip ring 150. In addition, the slip ring 150 is assembled to the end assembly portion 136 of the rotary shaft 130 having a central passage through which the electric wire passes through the two rotary shafts 130. On the other hand, the timing pulley 171 is coupled to the other end of the rotation shaft 130 is connected to the external motor 170 and the timing belt 172 to rotate the electromagnet 110. At this time, when connecting the rotation shaft 130 and the timing pulley 171, it is preferable to transmit all the power without the sliding phenomenon between the rotation shaft 130 and the timing pulley 171 by using a key.

이때, 상기 전자석(110)을 회전시키기 위한 동력원으로는 서보모터(170)가 적용될 수 있다. 이러한 서보모터(170)의 용량은 전자석(110)의 무게 및 관성모멘트에 따라 적정하게 채용하는 것이 바람직하다. 그리고, 서보모터(170)에서 발생하는 회전력을 전달하기 위하여 서보모터(170)의 구동축과 타이밍 풀리(171) 사이를 타이밍 벨트(172)를 통해 연결하게 된다.In this case, the servo motor 170 may be applied as a power source for rotating the electromagnet 110. The capacity of the servomotor 170 is preferably appropriately employed according to the weight and moment of inertia of the electromagnet 110. In addition, in order to transfer the rotational force generated by the servomotor 170, the timing shaft 172 is connected between the drive shaft of the servomotor 170 and the timing pulley 171.

이때, 타이밍 벨트(172)와 타이밍 풀리(171)는 선정에 있어 주의를 요해야 하는데, 본 실시 예에서는 전자석(110)의 관성모멘트가 크고 회전속도가 높기 때문에 타이밍 벨트(172)와 풀리의 치형이 사다리꼴 모양(S5M type)을 갖는 벨트와 풀리를 선택하였다. 그리고, 전자석의 높은 관성 모멘트로 인하여 모터에 발생할 수 있는 부하를 줄이기 위해서 모터(170)의 구동축과 전자석(110)의 회전축의 회전비는 2:1로 설정하였다. At this time, the timing belt 172 and the timing pulley 171 should be careful in the selection, in this embodiment, because the moment of inertia of the electromagnet 110 is large and the rotation speed is high, the teeth of the timing belt 172 and the pulley The belt and pulley having this trapezoidal shape (S5M type) were selected. In addition, in order to reduce the load that may occur in the motor due to the high moment of inertia of the electromagnet, the rotation ratio of the driving shaft of the motor 170 and the rotation shaft of the electromagnet 110 is set to 2: 1.

이와 함께 상기 서보모터(170)와 전자석(110)의 회전축(130)을 연결하는 타이밍 벨트(172), 전자석(110) 회전축(130)을 지지하는 베어링(140) 부분은 자기유변유체 혹은 외부에서 유입될 수 있는 오염물에 의한 오염을 방지하기 위하여 덮개를 통해 보호되도록 하였다.Along with this, the timing belt 172 connecting the servo motor 170 and the rotating shaft 130 of the electromagnet 110 and the bearing 140 supporting the rotating shaft 130 of the electromagnet 110 may be formed in a magnetorheological fluid or externally. It is protected by a cover to prevent contamination by contaminants that may be introduced.

그리고 위와 같은 회전축(130)에 전자석(110)이 조립이 되었을 때 전자석(110)의 가공영역(W)에서 발생하는 자속밀도의 분포를 측정할 필요가 있는데, 앞서 언급한 바와 같이, 전자석(110)의 가공영역(W)에서 발생하는 자속밀도는 코일(120)에 공급되는 전류의 양과 가공영역(W) 내에서의 위치에 따라서 결정된다. 우선 가공영역(W)에서의 위치가 전자석(110)의 바깥 부분을 기준으로 하였을 때 중심방향으로 이동할수록 자속밀도는 증가한다. 그리고 코일(120)에 공급되는 전류의 양이 증가하면 자속밀도는 증가한다. 이때, 상기 코일(120)에 공급되는 전류의 양은 전원공급장치에서 제어가 가능하다. And when the electromagnet 110 is assembled to the rotating shaft 130 as described above, it is necessary to measure the distribution of the magnetic flux density generated in the processing area (W) of the electromagnet 110, as mentioned above, the electromagnet 110 The magnetic flux density generated in the machining region W of the φ) is determined according to the amount of current supplied to the coil 120 and the position in the machining region W. First, the magnetic flux density increases as the position in the machining area W moves toward the center when the position of the electromagnet 110 is referenced to the outer part of the electromagnet 110. When the amount of current supplied to the coil 120 increases, the magnetic flux density increases. At this time, the amount of current supplied to the coil 120 can be controlled by the power supply.

한편, 피가공물의 자기유변 연마가공 중 피가공물을 고정하기 위한 지그(jig)와 피가공물을 이송시키기 위한 스테이지가 요구된다. 본 실시 예에서는 피가공물을 고정하기 위한 여러가지 고정 방법 중에서 공기의 흡입을 통한 방법을 적용하였다. 이와 같은 공기의 흡입을 통한 고정방식은 피가공물에 손상을 줄 가능성 없고, 밸브를 통해서 피가공물을 쉽게 고정시키거나 떼어낼 수 있기 때문에 피가공물을 교체할 때 소요되는 시간이 적게 드는 장점을 갖는다. Meanwhile, a jig for fixing a workpiece and a stage for transferring the workpiece are required during magnetorheological polishing of the workpiece. In this embodiment, a method of inhaling air is applied among various fixing methods for fixing a workpiece. The fixing method through the suction of air has the advantage of less time required to replace the workpiece because the workpiece can be easily fixed or detached through the valve without damaging the workpiece.

그리고, 본 발명에 있어서 피가공물을 이송시키기 위한 스테이지는, 가공 중에는 피가공물(200)을 전자석(110) 쪽으로 가까이하고 가공이 끝난 후에는 피가공물(200)의 교체를 위하여 밖으로 빼낼 수 있도록 X축 방향으로 직선운동을 수행하는 X축 스테이지와, 가공 중 전자석(110)의 가공영역(W)에서 위?아래의 왕복 운동을 수행하는 Z축 스테이지가 설치될 수 있다. And, in the present invention, the stage for transferring the workpiece, X-axis so as to bring the workpiece 200 closer to the electromagnet 110 during processing and to be taken out for replacement of the workpiece 200 after the processing is finished X-axis stage for performing a linear motion in the direction, and Z-axis stage for performing the reciprocating motion up and down in the machining area (W) of the electromagnet 110 during the processing may be installed.

상술한 바와 같이, 본 발명은 서로 이격된 전자석(110)의 N극(112)과 S극(114) 사이에 피가공물(200)의 가공을 위한 가공영역(W)을 형성하고, 상기 전자석(110) 내부의 코일(120)에 전류를 인가하여 N극(112)과 S극(114) 사이에 평행한 자기력선(M)이 형성되도록 하여, 상기 전자석(110)을 일정속도로 회전시키는 동시에 상기 피가공물(200)을 상기 가공영역(W) 내외로 직선운동시키면서 상기 평행한 자기력선(M)을 따라 배열된 자기유변유체를 통해 피가공물의 표면을 연마하도록 함으로써, 미세형상의 3차원 구조물을 효율적으로 연마할 수 있다. As described above, the present invention forms a processing region (W) for processing the workpiece 200 between the N pole 112 and the S pole 114 of the electromagnet 110 spaced apart from each other, the electromagnet ( The current is applied to the coil 120 inside the 110 so that a parallel magnetic force line M is formed between the N pole 112 and the S pole 114, thereby rotating the electromagnet 110 at a constant speed. The micro-dimensional three-dimensional structure can be efficiently cleaned by grinding the surface of the workpiece through the magnetorheological fluid arranged along the parallel magnetic force line M while linearly moving the workpiece 200 into and out of the machining zone W. It can be polished by

한편, 위와 같은 본 발명의 자기유변 연마장치에 의한 연마성능을 검증하기 위하여 피가공물의 표면 연마를 수행하고, 같은 조건 하에서 기존의 장비를 이용하여 피가공물 평면에 연마 공정을 수행한 결과와 서로 비교하였다. On the other hand, in order to verify the polishing performance by the magnetorheological polishing apparatus of the present invention as described above, performing the surface polishing of the workpiece, and compared with the results of performing the polishing process on the workpiece plane using the existing equipment under the same conditions It was.

여기서, 표면 연마 대상의 시편은 실리콘 웨이퍼의 뒷면을 사용하였으며 그때의 초기 Ra(중심선 평균 거칠기)값은 약 470nm이고, 두 실험에의 가공시간과 각 장비의 자속밀도와 시편과 자기유변유체와의 상대속도는 모두 동일하게 설정하였다. Here, the surface polished specimens used the back side of the silicon wafer, and the initial Ra (center line average roughness) value was about 470 nm, and the processing time for the two experiments, the magnetic flux density of each device, and the specimen and the magnetorheological fluid. The relative speeds were all set the same.

이러한 조건에서 전자석(110)의 가공영역(W)에서 평행한 자기력선과 균일한 자속밀도의 분포로 인하여 시편 구조물의 표면이 어떻게 변화하는지 알기 위한 실험을 수행하였다. Under these conditions, an experiment was performed to determine how the surface of the specimen structure changes due to the parallel distribution of magnetic field lines and uniform magnetic flux density in the processing region (W) of the electromagnet 110.

도 10 및 도 11은 기존의 연마장치와 본 발명의 연마장치를 사용하여 연마한 시편 표면의 형상을 보여주고 있다. 기존의 장비를 이용하여 표면을 연마하였을 경우에는 도 10에서 보는 것과 같이 기존 장비의 전자석에 형성되는 곡선 형태의 자기력선 모양으로 인하여 연마된 시편 표면의 가운데 부분이 가장자리보다 많이 가공되어 움푹 패인 형상이 나타난 것을 볼 수 있다. 반면, 본 발명의 연마장치를 이용하여 연마한 표면은 도 11에서 보는 것처럼 연마된 시편의 표면이 평평한 표면 형태로 균일하게 가공된 것을 확인할 수 있다. 이처럼 본 발명의 연마장치를 사용하여 가공시 전자석(110)의 가공영역(W)에서 발생하는 평행하고 균일한 자기력선 모양으로 인해 시편의 표면이 고르게 연마됨을 확인할 수 있다.10 and 11 show the shape of the specimen surface polished using the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention. When the surface was polished using the existing equipment, as shown in FIG. 10, due to the curved magnetic field lines formed on the electromagnet of the existing equipment, the center portion of the polished specimen surface was processed more than the edges to show a recessed shape. You can see that. On the other hand, the surface polished using the polishing apparatus of the present invention can be seen that the surface of the polished specimen is uniformly processed into a flat surface form as shown in FIG. As such, it can be seen that the surface of the specimen is uniformly polished due to the parallel and uniform magnetic field lines generated in the processing region W of the electromagnet 110 when the polishing apparatus of the present invention is processed.

도 12와 도 13은 기존 연마장치와 본 발명의 연마장치를 사용하여 자기유변 연마된 시편 표면의 Ra 크기 분포를 비교 도시한 것이다. 여기서, 기존 장비를 이용한 경우에는 도 12에 나타난 색 분포에서 확인할 수 있듯이 자기장이 집중되는 곳에서 표면의 높이가 낮은 것을 볼 수 있다. 또한, Ra값의 분포가 표면에 고르게 나타나지 않고 파란 부분에서만 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 연마장치를 이용한 경우에는 도 13의 색 분포에서 확인할 수 있듯이 표면의 가운데 부분에서 색이 비슷하게 분포되는 것을 볼 수 있고, 또한 Ra의 분포가 가운데 부분에서 고르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 12 and 13 show a comparison of the Ra size distribution of the surface of the magnetorheologically polished specimen using the conventional polishing apparatus and the polishing apparatus of the present invention. Here, in the case of using the existing equipment, as can be seen from the color distribution shown in Figure 12 it can be seen that the height of the surface is low where the magnetic field is concentrated. In addition, it can be seen that the distribution of Ra values does not appear evenly on the surface and shows a low value only in the blue part. On the other hand, in the case of using the polishing apparatus of the present invention, as shown in the color distribution of FIG. 13, the color is similarly distributed in the center portion of the surface, and it can be seen that the distribution of Ra appears evenly in the center portion.

한편, 본 발명의 연마장치 사용에 따른 연마성능을 알아보기 위한 또 하나의 실험으로써 채널 구조를 갖는 마이크로 크기의 3차원 구조물을 제작하고 연마 공정을 수행하였다. On the other hand, as another experiment to determine the polishing performance according to the use of the polishing apparatus of the present invention to produce a micro-sized three-dimensional structure having a channel structure and performed a polishing process.

시편은 알루미늄 재질의 높이 75 μm, 폭 500 μm인 채널을 마이크로 밀링을 이용하여 제작하였다. 마이크로 밀링을 통하여 제작된 채널 구조는 공정 중 발생한 미세한 버(burr)와 표면의 날자국과 스크래치 형상으로 인하여 초기의 Ra가 약 430nm 정도였다.Specimens were fabricated by micro milling a channel of 75 μm in height and 500 μm in width in aluminum. The channel structure produced through micro milling had an initial Ra of about 430 nm due to the minute burrs, the surface of the surface, and the scratch shape.

도 14와 도 15는 본 발명의 자기유변 연마장치를 적용하기 전과 적용 후의 채널 형상의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 사진이다. 도 14에서 볼 수 있듯이 채널 형상으로 가공된 시편은 채널의 모서리 부분에 미세한 버(burr)가 형성된 것을 볼 수 있다. 그러나 본 발명의 자기유변 연마장치를 사용하여 표면 연마한 경우 도 15와 같이 시편의 표면에 형성되어 있던 버가 제거된 것을 알 수 있으며, 표면의 거칠기도 향상된 것을 볼 수 있다. 14 and 15 are photographs of the surface of the channel shape before and after applying the magnetorheological polishing apparatus of the present invention using a scanning electron microscope (SEM). As can be seen in Figure 14, the specimen processed into the channel shape can be seen that a fine burr (burr) is formed in the corner portion of the channel. However, when surface polishing using the magnetorheological polishing apparatus of the present invention, it can be seen that burrs formed on the surface of the specimen are removed as shown in FIG. 15, and the surface roughness is also improved.

또한, 도 16 및 도 17은 자기유변 연마가공 전과 후의 채널 구조의 표면 형상을 나타낸 그래프로서, 도 16에서 보는 것처럼 자기유변 연마가공 전에는 시편 구조물의 모서리 부분이 버의 형성으로 인해 날카로운 형상으로 되어 있었으나, 본 발명의 자기유변 연마가공 후에는 도 17에서 보는 것과 같이 시편의 모서리 부분에 버가 제거되어 고른 평탄면을 유지하는 것을 볼 수 있다. 16 and 17 are graphs showing the surface shape of the channel structure before and after magnetorheological polishing. As shown in FIG. 16, before the magnetorheological polishing, the edge portion of the specimen structure was sharp due to burr formation. After the magnetorheological polishing of the present invention, burrs are removed from the corners of the specimen as shown in FIG. 17 to maintain an even flat surface.

한편, DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 시편 구조물의 형상 변화로 인한 특정 주파수 영역대의 값을 비교함으로써 본 발명에 의한 연마장치의 성능을 관찰하였다. Meanwhile, the performance of the polishing apparatus according to the present invention was observed by comparing the values of specific frequency bands due to the change of the shape of the specimen structure using the Discrete Fourier Transform (DFT).

도 18 및 도 19는 본 발명의 자기유변 연마공정을 적용하기 전과 적용 후의 채널 형상의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 사진이다. 도 18에서 보는 것과 같이 자기유변 연마공정 전에는 밀링 가공된 시편 표면에 미세한 버와 공구의 이동으로 인한 날자국이 남아있는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 자기유변 연마 후에는 도 19에서 보는 것처럼 시편의 표면에 형성되어 있던 날자국과 스크래치 형상이 구조물의 변화 없이 제거된 것을 볼 수 있다. 18 and 19 are photographs of the surface of the channel shape before and after applying the magnetorheological polishing process of the present invention using a scanning electron microscope (SEM). As shown in FIG. 18, before the magnetorheological polishing process, it can be seen that the blades due to the movement of the fine burr and the tool remain on the milled specimen surface. However, after the magnetorheological polishing of the present invention, as shown in FIG. 19, it can be seen that the blades and the scratch shape formed on the surface of the specimen were removed without changing the structure.

도 20은 기존의 자기유변 연마장치와 본 발명의 자기유변 연마장치를 적용하였을 때 시편 표면 형상의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 20에서 보는 바와 같이, 기존 연마공정을 적용한 경우에는 균일하지 않은 자기장의 영향으로 인하여 시편의 양 끝은 가공되는 양이 적고, 가운데 부분은 상대적으로 가공량이 많아서, 표면에 의도하지 않은 곡면 형상이 나타나게 된다.(붉은색 표시) 그러나, 새로운 공정을 적용한 경우에는 채널 구조가 변화하지 않으며 Ra를 초기 430nm에서 약 180nm로 낮출 수 있었다. 20 is a graph showing the change of the surface shape of the specimen when applying the conventional magnetorheological polishing apparatus and the magnetorheological polishing apparatus of the present invention. As shown in FIG. 20, when the conventional polishing process is applied, both ends of the specimen are less processed due to the influence of the non-uniform magnetic field, and the center portion is relatively large, resulting in an unintended curved shape on the surface. However, with the new process, the channel structure did not change and Ra could be lowered from the initial 430 nm to about 180 nm.

그리고, 도 21은 시편의 표면 형상을 DFT(Discrete Fourier Transform)로 분석한 결과이고, 도 22는 특정 파장 이하에서의 DFT 결과를 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 표면이 연마되어 파장이 약 100μm이하 영역의 PSD(power spectral density)는 모두 감소하였다. 기존공정의 경우 시편의 중앙 부분이 많이 가공되어 표면에 곡면형상이 형성되고 이로 인하여 파장이 1000μm 근처 영역에서의 PSD가 증가한 반면, 새로운 공정을 적용한 경우에는 채널의 형상이 유지되며 표면 거칠기가 향상되었기 때문에 100μm이하의 영역에서의 PSD는 감소하였지만 100 μm 이상의 영역에서 PSD는 변화가 거의 발생하지 않았다. In addition, FIG. 21 is a result of analyzing the surface shape of the specimen by a Discrete Fourier Transform (DFT), and FIG. 22 illustrates a DFT result at a specific wavelength or less. As can be seen from the graph, the surface was polished to reduce the power spectral density (PSD) in the wavelength region below about 100 μm. In the case of the existing process, the center part of the specimen is processed to form a curved shape on the surface, which increases the PSD in the region around 1000μm.However, when the new process is applied, the channel shape is maintained and the surface roughness is improved. As a result, the PSD in the area of 100 μm or less decreased, but the PSD hardly changed in the area of 100 μm or more.

그리고, 도 23은 시편의 표면연마시 시간의 변화에 따른 Ra의 변화를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 초기에는 Ra가 급격하게 감소하지만 시간이 지날수록 기울기자 작아지고 약 30분 후에는 Ra의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. And, Figure 23 is a graph showing the change in Ra with the change in the surface polishing time of the specimen. As shown, Ra initially decreases rapidly, but as time goes by, the slope becomes smaller and after about 30 minutes there is little change in Ra.

한편, 본 발명에 따른 자기유변 연마공정에서 전자석의 회전속도, 자속밀도의 크기 그리고 연마제의 종류와 입자의 크기에 따른 Ra의 변화를 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 이때, 실험 시간은 도 24에 나타난 결과를 바탕으로 각 30분으로 설정하였다. 실험 조건은 아래의 <표 1>에 나타난 것과 같다.
On the other hand, in the magnetorheological polishing process according to the present invention, an experiment was performed to determine the change of Ra according to the rotational speed of the electromagnet, the magnitude of the magnetic flux density, and the type of abrasive and the particle size. At this time, the experiment time was set to 30 minutes each based on the results shown in FIG. Experimental conditions are as shown in Table 1 below.

공정특성 분석을 위한 실험 조건Experimental Conditions for Process Characteristic Analysis LevelLevel Rotation speed(rpm)Rotation speed (rpm) Magnetic flux density(T)Magnetic flux density (T) AbrasivesAbrasives Diamond(㎛)Diamond (㎛) Alumina(㎛)Alumina (μm) 1One 100100 0.120.12 0.50.5 0.50.5 22 200200 0.150.15 1One 1One 33 300300 0.180.18 33 33

도 24는 본 발명의 자기유변 연마공정에서 회전속도 변화에 따른 Ra의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 24에서 볼 수 있듯이, 회전속도가 증가하면서 초기에는 Ra값이 감소하지만, 속도가 계속 증가함에 따라 Ra값이 다시 증가함을 볼 수 있다. 여기서, Ra가 감소하는 이유는 회전속도의 증가로 인하여 제거되는 재료의 양이 증가하기 때문이다. 그러나 속도가 계속 증가하면 표면에 전자석의 회전방향을 따라 스크래치가 발생하기 때문에 Ra가 증가하게 된다. 24 is a graph showing the change of Ra according to the rotational speed change in the magnetorheological polishing process of the present invention. As can be seen in Figure 24, Ra value initially decreases as the rotational speed increases, but as the speed continues to increase, the Ra value increases. Here, Ra decreases because the amount of material removed due to the increase in the rotational speed increases. However, if the speed continues to increase, Ra increases due to scratches along the rotational direction of the electromagnet on the surface.

도 25는 자속밀도의 크기가 변화할 때 Ra의 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 자속밀도의 크기가 증가하면 자기유변유체의 입자들이 형성하는 사슬구조의 항복응력이 증가하고, 이로 인하여 표면에 스크래치 형상이 발생하기 때문에 Ra가 높아진다는 것을 확인할 수 있다. 25 is a graph showing the change of Ra when the magnitude of the magnetic flux density changes. As shown in the graph, it can be seen that as the magnetic flux density increases, the yield stress of the chain structure formed by the particles of the magnetorheological fluid increases, which causes Ra to increase due to the scratch shape on the surface.

도 26은 연마제의 종류와 입자의 크기에 따른 Ra의 변화를 보여주는 그래프로서, 도시한 바와 같이, 입자의 크기가 0.5μm인 경우에는 재료제거율이 향상되어Ra의 값이 작게 나타난다. 그러나 입자의 크기가 3μm가 되면 연마제의 높은 경도로 인해 표면에 큰 스크래치를 더 쉽게 형성하기 때문에 Ra가 증가함을 알 수 있다. FIG. 26 is a graph showing the change of Ra according to the type of abrasive and the size of the particles. As shown, when the particle size is 0.5 μm, the material removal rate is improved and the value of Ra is small. However, when the particle size is 3 μm, the Ra increases because the high hardness of the abrasive makes it easier to form large scratches on the surface.

상술한 바와 같이, 본 발명의 자기유변 연마장치는 기존의 전자석의 바깥부분에서 수행하던 자기유변연마의 가공영역을 전자석의 양극(N극과 S극) 사이로 변경하여, 피가공물 표면을 균일하고 고르게 연마 가공할 수 있다. As described above, the magnetorheological polishing apparatus of the present invention changes the processing region of the magnetoresistive polishing performed on the outer portion of the conventional electromagnet between the anodes (N pole and S pole) of the electromagnet, thereby making the workpiece surface uniform and even. It can be polished.

110 : 전자석 112,114 : N극,S극
115 : 함몰부 116 : 나사구멍
120 : 코일 130 : 회전축
131 : 플랜지 132 : 연결부
134 : 지지부 136 : 조립부
140 : 베어링 150 : 슬립링
160 : 전원공급장치 170 : 모터
171 : 타이밍 풀리 172 : 타이밍 벨트
200 : 피가공물 W : 가공영역110: Electromagnet 112,114: N pole, S pole
115: depression 116: screw hole
120: coil 130: rotating shaft
131: flange 132: connection
134: support 136: assembly
140: bearing 150: slip ring
160: power supply device 170: motor
171: Timing Pulley 172: Timing Belt
200: Workpiece W: Machining area

Claims

A rotating shaft rotated by the driving of the motor; In the polishing apparatus of the workpiece using the magnetorheological fluid comprising a; electromagnet having a coil therein, connected to the rotary shaft and rotated together;
The electromagnet is characterized in that to provide a central portion in which the coil is wound therein, both ends of the central portion is extended to surround the outer surface of the coil to form a pair of cylindrical shape spaced apart from each other arranged oppositely ,
The pair of cylindrical electromagnets spaced apart from each other constitute the N pole and the S pole, and the N pole and the S pole have magnetic force lines parallel to the rotation axis therebetween, filling the magnetorheological fluid to fill the electromagnet. Characterized in that the processing area is provided to be rotated with the,
As the workpiece is moved from the outside to the inside of the rotation radius of the processing region, the magnetorheological fluid causes the surface of the workpiece to be polished in a direction perpendicular to the rotational surface. Polishing of the workpiece.

The method of claim 1,
And a slip ring configured to be provided on the rotating shaft and supplying electric current to the coil of the electromagnet, and a power supply device for supplying power to the slip ring.

delete

The polishing apparatus of claim 1, wherein end portions of the N pole and the S pole of the electromagnet disposed opposite to the processing area are inclined at a predetermined angle in an outward direction.

The polishing apparatus of claim 2, wherein two rotation shafts are provided and connected to central portions of both ends of the electromagnet, respectively.

6. An apparatus according to claim 5, further comprising a bearing for supporting the rotating shaft.

The method of claim 6, wherein the rotation axis,
A connection part which is a part connected to the electromagnet;
A support part, which is a part supported by the bearing;
Consists of an assembly that is a part for assembling the slip ring or timing pulley,
Polishing apparatus of the workpiece using the magnetorheological fluid, characterized in that the diameter is gradually reduced toward the connecting portion, the support portion, the assembly portion.

The polishing apparatus of claim 1, wherein the rotating shaft is made of a non-magnetized material.

The polishing apparatus of claim 1, wherein recessed portions having a recessed shape are formed at both ends of the electromagnet connected to the rotating shaft.

The center of the coil is wound inside the electromagnet so that both ends of the center are magnetized to the N pole and the S pole, respectively, and both ends of the center are extended to surround the outer surface of the coil, respectively, which are spaced apart from each other. Formed into a pair of cylindrical shapes having an N pole and an S pole,
By connecting the rotating shaft driven by the motor to the electromagnet to be rotatable with the rotating shaft,
A machining region is provided between the N pole and the S pole of the electromagnet to form a magnetic force line parallel to the rotation axis, and a magnetorheological fluid is filled in the machining region to rotate together with the electromagnet.
A method of polishing a workpiece using a magnetorheological fluid that moves the workpiece from outside the rotation radius of the processing zone to the surface of the workpiece in a direction perpendicular to the rotational surface by the magnetorheological fluid. .

delete

12. The method of claim 10, wherein the end portions of the N pole and the S pole of the electromagnet which are disposed facing the processing area are inclined at a predetermined angle in the outward direction.

delete

11. The method of claim 10, wherein both ends of the electromagnet connected to the rotating shaft is formed with depressions in the form of depressions.