KR101914841B1 - 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치 - Google Patents

초정밀 자기연마 마이크로 가공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치에 관한 것으로서, 특히 구조가 단순하고 재료의 정경이 매우 작은 가공품도 초정밀한 상태로 효율적으로 가공할 수 있는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치에 관한 것으로서,
피가공물을 고정하여 고속으로 회전시키는 피가공물 회전부와; 상기 피가공물의 일측과 타측에 각각 배치되고, 간극에 자성 연마재가 충전되며, 대향하는 면의 극성이 다른 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자기장형성부와; 상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 가열시키는 가열부와; 상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 냉각시키는 냉각부와; 상기 자기장형성부를 상기 피가공물 회전부의 축 방향으로 진동운동시키는 전후진동부와; 상기 피가공물 회전부, 상기 가열부, 상기 냉각부 및 상기 전후진동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초정밀 자기연마 마이크로 가공장치{Magnetic abrasive micro finishing apparatus}
본 발명은 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치에 관한 것으로서, 특히 구조가 단순하고 재료의 정경이 매우 작은 가공품도 초정밀한 상태로 효율적으로 가공할 수 있는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치에 관한 것이다.
최근 산업이 발달함에 따라 정보, 통신기기, 나노바이오, 광전자, 인공관철, 항공우주산업 분야 등에서도 경량화, 소형 및 초정밀 부품에 도입하여 가혹한 조건에서도 우수한 기계적 특성치 및 기능을 발휘하도록 하는 시도가 활발히 시도되고 있다. 이러한 것들을 실현하기 위하여 특수 가공 방법 중의 하나로서 최근 자기연마법이 많이 적용되고 있다.
그리고 정밀가공면의 품질은 가공면의 표면품위 즉 표면조도, 잔류응력의 존재여부 등에 따라 좌우된다. 가공면의 품질향상에 영향을 주는 요인으로는 소성변형, 잔류응력의 변화, 미세조직의 변화 등이 있다. 그 중 정밀가공면에 형성된 소성 변형층은 기계부품의 물리적 특성에 여러 형태로 영향을 주게 된다.
한편, 자기연마장치와 관련하여 특허문헌 0001 내지 0003이 제안된 바 있다.
특허문헌 0001 내지 0003은 피가공물의 표면을 자기 연마재를 이용하여 연마하는 자기연마장치에 관한 것으로서, 피가공물의 표면을 자기 연마할 수 있는 이점은 있으나, 가공시간이 많이 소요되고, 초정밀 가공에 부적절한 문제가 있다.
KR10-2009-0059202A (2009.06.11) JP2007-268689A (2007.10.18) JP2512364B2 (1996.04.16)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 구조가 단순하고 재료의 정경이 매우 작은 가공품도 초정밀한 상태로 효율적으로 가공할 수 있는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
피가공물을 고정하여 고속으로 회전시키는 피가공물 회전부와;
상기 피가공물의 일측과 타측에 각각 배치되고, 간극에 자성 연마재가 충전되며, 대향하는 면의 극성이 다른 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자기장형성부와;
상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 가열시키는 가열부와;
상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 냉각시키는 냉각부와;
상기 자기장형성부를 상기 피가공물 회전부의 축 방향으로 진동운동시키는 전후진동부와;
상기 피가공물 회전부, 상기 가열부, 상기 냉각부 및 상기 전후진동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치를 제공한다.
그리고, 서로 대향하는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 단부에 자성체 재질의 자극부재가 각각 설치되고, 상기 자극부재는 선단부로 갈수록 두께가 점점 작게 형성되는 것이 좋다.
또한, 상기 자기장형성부에는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 간극의 폭을 조절하는 폭 조절부가 구비되고,
상기 자기장형성부에는 상기 전후진동부에 의해 전후로 진동운동하고, 상부면에 상기 피가공물 회전부의 축방향과 직교하는 방향으로 설치되어 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 이동을 안내하는 가이드레일이 구비되는 상자성체 또는 비자성체 재질의 베이스판이 구비되며
상기 폭 조절부는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석을 각각 이동시키는 액츄에이터로 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 자기장형성부에는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 자기장을 연결하는 요크(yoke)가 구비되고,
상기 요크는 상기 베이스판에 상기 피가공물 회전부의 축방향과 직교하는 방향으로 고정설치되는 고정요크와, 한면이 상기 고정요크의 면과 접촉되도록 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석에 각각 고정설치되는 이동요크로 구성되는 것이 좋다.
그리고, 적어도 피가공물을 감싸는 폐쇄커버가 구비되고, 상기 가열부 또는 상기 냉각부는 상기 폐쇄커버 내의 피가공물에 가열된 공기 또는 냉각된 공기를 공급하는 것이 바람직하다. 상기 폐쇄커버 내에는 온도센서가 구비되고, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도에 의해 상기 가열부 및 상기 냉각부를 제어하는 것이 좋다.
본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치는 구조가 단순하고 피가공물의 정경이 매우 작은 가공품도 초정밀한 상태로 효율적으로 가공할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치는 피가공물을 가열한 상태에서 자기연마할 수 있어, 정밀가공시간을 단축시킬 수 있고, 피가공물을 냉각한 상태에서 자기연마할 수 있어 가공오차을 최소화하여 정밀가공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 2는 폐쇄커버를 절개한 초절밀 자기연마 마이크로 가공장치의 평면상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 피가공물 회전부와 자기장형성부의 평면상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 자극부재가 형성된 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 폭조절부에 의해 제1 영구자석 및 제2 영구자석의 간극이 넓어진 상태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 전후진동부에 의해 자기장형성부가 전후로 진동되는 상태를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치를 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 폐쇄커버(60)를 절개한 초절밀 자기연마 마이크로 가공장치의 평면상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
본 발명의 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치는 피가공물 회전부, 자기장형성부(30), 가열부(40), 냉각부(50), 전후진동부(70) 및 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 피가공물 회전부는 피가공물(100)을 고정하여 고속 회전시키기 위한 것으로서, 프레임(10)의 일측에 고정설치된다. 상기 피가공물 회전부는 구동모터(20)와, 상기 구동모터(20)를 상기 프레임(10)의 일측에 고정하는 모터 고정부(210)와, 상기 구동모터(20)의 회전축(20a)에 설치되어 상기 피가공물(100)을 고정하기 위한 고정척(220)을 포함하여 구성된다.
상기 구동모터(20)는 정밀가공성 및 가공효율을 향상시키기 위해 20,000 내지 80,000 rpm으로 고속회전하는 모터를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 구동모터(20)의 회전속도는 상기 제어부에 의해 제어된다.
도 3은 피가공물 회전부와 자기장형성부의 평면상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
그리고 상기 자기장형성부(30)는 자성 연마재를 이용하여 상기 피가공물(100)의 표면을 정밀가공하기 위한 것이다.
상기 자기장 형성부는 도 3과 같이 상기 전후진동부(70)에 의해 전후로 진동하는 베이스판(318)과, 상기 베이스판(318) 상에 간극이 형성되도록 배치되고 대향하는 면의 극성이 다른 제1 영구자석(310a) 및 제2 영구자석(310b)과, 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)을 연결하는 요크(yoke)(314)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 영구자석(310a) 및 상기 제2 영구자석(310b)의 자기력이 상기 베이스판(318)에 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 베이스판(318)은 알루미늄 등의 상자성체 또는 비자성체로 이루어진다. 상기 베이스판(318)이 상자성체 또는 비자성체로 이루어짐에 따라 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 자기력을 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 간극에 집중시킬 수 있어 효과적으로 상기 피가공물(100)의 표면을 자기연마시킬 수 있다.
상기 베이스판(318)은 상기 전후진동부(70)에 의해 상기 구동모터(20)의 축방향으로 일정폭 진동된다.
도 4는 자극부재가 형성된 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
그리고 상가 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b) 사이의 간극의 자기밀도를 향상시켜 상기 피가공물(100)의 표면과 상기 자성 연마재의 마찰력을 극대화시키기 위해, 도 3 및 도 4와 같이 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 단부에 각각 자극부재(312a)(312b)가 구비되는 것이 좋다.
상기 자극부재(312a)(312b)는 도 4와 같이 선단부로 갈수록 두께가 점차 작아지도록 형성되는 자성체로 구성됨으로서, 간극의 자기밀도를 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 피가공물(100)의 설치 및 교체를 용이하게 하기 위해 상기 제1 영구자석(310a) 및 제2 영구자석(310b)의 간극의 폭을 조절하는 폭 조절부(316a)(316b)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 폭 조절부(316a)(316b)는 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 간극을 좁게 또는 넓게 하기 위해 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)을 상기 구동모터(20)의 축방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 공압실린더 등의 엑츄에이터로 구성된다.
상기 폭 조절부(316a)(316b)에 의해 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)이 상기 구동모터(20)의 축방향과 직교하는 방향으로 원활히 이동하도록 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 이동을 안내하기 위한 가이드레일이 상기 베이스판(318)에 구비된다.
그리고, 상기 요크(314)는 상기 폭 조절부(316a)(316b)에 의해 간극의 폭이 변화되도록 상기 제1 영구자석(310a) 및 상기 제2 영구자석(310b)이 이동하더라도, 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)의 자기장을 연결시켜 간극에 자기밀도가 집중되도록 유도하기 위해,
상기 베이스판(318)에 상기 구동모터(20)의 축방향과 직교하는 방향으로 고정설치되는 고정요크(314b)와, 한면이 상기 고정요크(314b)의 면과 접촉되도록 상기 제1 영구자석(310a)과 상기 제2 영구자석(310b)에 각각 고정설치되는 이동요크(314a)로 구성된다. 상기 고정요크(314b) 및 상기 이동요크(314a)로 구성되는 상기 요크(314)는 자성체로 구성된다.
상기 제1 영구자석(310a) 및 상기 제2 영구자석(310b)이 상기 폭 조절부(316a)(316b)에 의해 간극의 폭이 변화되도록 각각 이동할 때, 상기 제1 영구자석(310a) 및 상기 제2 영구자석(310b)에 각각 고정된 이동요크(314a)의 면이 상기 이동요크(314a)의 한면에 접촉된 상태로 이동된다. 이에 항상 상기 요크(314)는 상기 제1 영구자석(310a) 및 상기 제2 영구자석(310b)의 자기장을 연결시킬 수 있다.
다음으로, 상기 가열부(40)는 상기 피가공물(100)을 연마가공시간을 단축시키기 위해 상기 피가공물(100)을 가열시키기 위한 것이다.
상기 가열부(40)는 상기 구동모터(20)에 의해 회전하는 피가공물(100)을 효과적으로 가열시키기 위하여, 150℃ 이상의 가열된 공기를 공급하여 상기 피가공물(100)을 가열시키는 가열공기 공급부로 이루어지는 것이 좋다.
상기 가열부(40)에 의해 상기 피가공물(100)을 가열시킨 상태에서 자기연마할 경우 피가공물(100)의 표면거칠기가 좋지 못하나 마모량이 증가되어 정밀가공시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
그리고, 상기 냉각부(50)는 상기 피가공물(100)을 정밀가공시키기 위하여 상기 피가공물(100)을 냉각시키기 위한 것이다.
상기 냉각부(50)는 상기 구동모터(20)에 의해 회전하는 피가공물(100)을 효과적으로 냉각시키기 위해, 액체질소를 이용항 상기 피가공물(100)을 냉각시키는 액체질소 공급부로 이루어지는 것이 좋다.
상기 냉각부(50)에 의해 상기 피가공물(100)을 냉각시킨 상태에서 자기연마할 경우 마모량이 감소되어 가공시간이 증가되나, 정밀가공 오차를 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 가열부(40) 또는 상기 냉각부(50)에 의해 상기 피가공물(100)을 가열 또는 냉각시킬 때 열손실을 최소화하고 균일한 온도로 가열 또는 냉각시키기 위해, 도 1 및 도 2와 같이 적어도 피가공물(100)을 감싸는 폐쇄커버(60)가 구비되는 것이 좋다.
상기 폐쇄커버(60) 내에는 온도센서가 구비되고, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도에 의해 상기 가열부(40) 및 상기 냉각부(50)를 제어한다.
한편, 상기 가열부(40)에 의해 공급되는 가열된 공기에 의해 상기 제1 영구자석(310a) 및 제2 영구자석(310b)의 자기력이 저하되는 것을 방지하기 위해 상기 피가공물(100)에 한해 가열할 수 있는 구조로 상기 폐쇄커버(60)를 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 폐쇄커버(60)를 상기 제1 영구자석(310a)의 자극부재(312a)와 상기 제2 영구자석(310b)의 자극부재(312b)에 한하여 삽입된 상태로 상기 피가공물(100)을 감쌀 수 있는 구조로 이루어지면 좋다. 상기 폐쇄커버(60)의 한측면에는 상기 제1 영구자석(310a)의 자극부재(312a)가 삽입되는 삽입구가 형성되고, 다른 측면에는 상기 제2 영구자석(310b)의 자극부재(312b)가 삽입되는 삽입구가 형성된다.
도 6은 전후진동부(70)에 의해 자기장형성부(30)가 전후로 진동되는 상태를 나타내는 평면도이다.
다음으로, 상기 전후진동부(70)는 상기 자기장형성부(30)를 전후로 진동시키기 위한 것이다. 상기 전후진동부(70)의 전후 진동폭은 상기 피가공물(100)의 가공 길이에 따라 조절된다. 예를 들면, 상기 피가공물(100)의 가공 길이가 길 경우 상기 전후진동부(70)의 전후 진동폭을 상기 피가공물(100)의 가공 길이에 맞게 조절한다.
상기 전후진동부(70)는 상기 자기장형성부(30)를 전후로 일정폭 진동시킬 수 있는 장치이면 족하고, 크게 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제어부의 제어신호에 의해 정역회전하는 스태핑 모터와, 상기 스태핑 모터에 의해 회전하여 상기 자기장형성부(30)의 베이스판(318)을 전후이동시키는 리드스크류를 포함하여 구성할 수 있다.
도 6과 같이 상기 전후진동부(70)에 의해 상기 자기장형성부(30)를 전후로 진동시킬 수 있다.
상기 피가공물 회전부의 구동모터(20), 상기 자기장형성부(30)의 엑츄에이터, 상기 가열부(40), 상기 냉각부(50) 및 상기 전후진동부(70)는 상기 제어부에 의해 제어된다.
특히, 상기 제어부는 상기 피가공물(100)의 가공초기에는 상기 피가공물(100)의 마모량을 증가시켜 가공시간을 단축시키기 위해 상기 가열부(40)에 의해 상기 피가공물(100)을 가열시킨 상태에서 자기연마시킨 후, 상기 가열부(40)에 의한 가열을 중단한 후 상기 냉각부(50)에 의해 상기 피가공물(100)을 냉각시켜 상기 피가공물(100)의 표면을 정밀가공할 수 있도록 제어하는 것이 좋다. 그 후 표면조도 등을 향상시키기 위해 상기 냉각부(50)에 의해 냉각을 중단시킨 후 상온분위기에서 상기 피가공물(100)의 표면을 자기연마시킨다.
10:프레임,
20: 구동모터,
30: 자기장형성부,
40: 가열부,
50: 냉각부,
60: 폐쇄커버,
70: 전후진동부

Claims (7)

  1. 피가공물을 고정하여 고속으로 회전시키는 피가공물 회전부와;
    상기 피가공물의 일측과 타측에 각각 배치되고, 간극에 자성 연마재가 충전되며, 대향하는 면의 극성이 다른 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자기장형성부와;
    상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 가열시키는 가열부와;
    상기 피가공물 회전부에 의해 고속회전하는 피가공물을 냉각시키는 냉각부와;
    상기 자기장형성부를 상기 피가공물 회전부의 축 방향으로 진동운동시키는 전후진동부와;
    상기 피가공물 회전부, 상기 가열부, 상기 냉각부 및 상기 전후진동부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    적어도 피가공물을 감싸는 폐쇄커버와, 상기 폐쇄커버 내에는 온도센서가 구비되고,
    상기 가열부 또는 상기 냉각부는 상기 폐쇄커버 내의 피가공물에 가열된 공기 또는 냉각된 공기를 공급하며,
    상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도에 의해 상기 가열부 및 상기 냉각부를 제어하여 상기 피가공물의 가공초기에는 상기 가열부에 의해 상기 피가공물을 가열시킨 상태에서 자기연마시킨 후, 상기 가열부에 의한 가열이 중단된 상태에서 상기 냉각부에 의해 상기 피가공물을 냉각시켜 상기 피가공물의 표면을 정밀가공할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    서로 대향하는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 단부에 자성체 재질의 자극부재가 각각 설치되고, 상기 자극부재는 선단부로 갈수록 두께가 점점 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 간극의 폭을 조절하는 폭 조절부가 구비되는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자기장형성부에는 상기 전후진동부에 의해 전후로 진동운동하고, 상부면에 상기 피가공물 회전부의 축방향과 직교하는 방향으로 설치되어 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 이동을 안내하는 가이드레일이 구비되는 상자성체 또는 비자성체 재질의 베이스판이 구비되고,
    상기 폭 조절부는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석을 각각 이동시키는 액츄에이터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자기장형성부에는 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석의 자기장을 연결하는 요크(yoke)가 구비되고,
    상기 요크는 상기 베이스판에 상기 피가공물 회전부의 축방향과 직교하는 방향으로 고정설치되는 고정요크와, 한면이 상기 고정요크의 면과 접촉되도록 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석에 각각 고정설치되는 이동요크로 구성되는 것을 특징으로 하는 초정밀 자기연마 마이크로 가공장치.
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