KR20040044778A

KR20040044778A - 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기

Info

Publication number: KR20040044778A
Application number: KR1020020072951A
Authority: KR
Inventors: 최헌종; 이석우
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-05-31
Also published as: KR100527459B1

Abstract

본 발명은 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연삭숫돌(34)이 축설된 에어 스핀들(3)과, 트루잉장치(5)가 설치되며, 하부에는 초음파 진동 테이블(Ultrasonic Vibration Table)(10)이 장착되어 구성된 연삭가공부(2)와; 상기 에어 스핀들(3)을 제어하는 스핀들 제어부(40)와, 상기 초음파 진동 테이블(10)에 전원을 공급하는 초음파 발전부(42), 상기 트루잉장치(5)에 전원을 공급하는 이엘아이디 엠프(44), 연삭가공시 가공점에 절삭유를 미스트(mist) 형태로 공급하기 위한 미스트 탱크(47)와 콤프레셔(48), 쿨런트탱크(46) 및 콘크롤러(43)로 구성된 주변장치부(4)와: 사용자가 직접 가공작업 데이터를 입력시켜 상기 연삭가공부(2) 및 상기 주변장치부(4)의 동작을 제어할 수 있게 한 PC제어부(6)를 포함하는 것으로, 직경 30 ㎛ 이하의 다양한 형상(원형,타원형,사각형,직사각형,모딴 사각형 등)의 마이크로 공구의 정밀제작이 가능하며, 또한 제작된 마이크로 공구를 곧바로 에어 스핀들의 주축에 장착시킨 후 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴가공이 이루어질 수 있어 공구의 회전정밀도가 향상됨은 물론 오차발생이 거의 없어 편심량이 배제되므로 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴가공작업시 공구의 파괴현상이 현저히 감소될 수 있게 한 것이다.

Description

초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기 { a micro cutting and grinding machine make use of ultrasonic vibration }

본 발명은 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 기계에서 마이크로 공구를 제작한 후 이를 이용하여 곧바로 피가공물에 대한 드릴링가공이나 패턴가공이 이루어질수 있는 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 공구는 강재나 난삭재에 미세 구멍이나 미세 패턴을 가공하기 위해 주로 사용되고 있다.

따라서 이러한 미세 구멍을 형성하기 위한 마이크로 드릴과 같은 마이크로 공구가 상품화되어 사용되고 있는데, 이는 대개 직경 70 ㎛ 이상의 것이 주종을 이루고 있으나, 근래들어 가공기술의 발달과 더불어 초정밀 제품의 제작이 요구되면서 이에 부합되도록 직경 30 ㎛ 이하의 미세 구멍을 가공할 수 있는 마이크로 공구의 필요성이 대두되었다.

그러나 종래에는 마이크로 공구를 절삭 및 연삭작업에 의해 제작하였으나 마이크로 공구의 직경이 30 ㎛ 이하로 작아질수록 가공시 발생하는 절삭 저항력에 의해 공구 가공중 파쇄현상 및 휨현상이 발생되어 불량률이 증가되는 문제점이 있었다.

또한 직경 30 ㎛ 이하로 가공된 마이크로 공구를 가공기의 주축에 장착시 미세한 오차가 발생되기 쉽고, 이로인해 마이크로 공구의 회전시 편심현상이 발생하게 되어 가공된 미세 구멍의 크기와 형태가 불량하게 형성되는 문제점이 있었다.

따라서 이와같은 미세 공구를 이용하여 드릴링이나 패턴 가공을 할 경우 가공면이 깨끗하지 못하거나 버(burr)가 많이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 전해연속 드레싱(ELID : Electrolytic In-process Dressing )에 의해 트루잉과 드레싱 된 연삭숫돌을 초경합금으로 된 공구재료를 연삭시키면서 동시에 초음파 진동을 가하여 직경 30 ㎛ 이하의 마이크로 공구의 정밀제작이 가능하게 한 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 동일한 가공기에서 제작된 마이크로 공구를 곧바로 주축에 장착시킴으로써 공구의 회전정밀도가 향상되어 오차발생이 거의 없어 편심량이 배제되므로 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴가공작업시 공구의 파괴현상이 현저히 감소될 수 있어 고품질의 가공작업이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도

도 2는 도 1에서 연삭가공부의 실시예에 대한 요부 확대 정면도

도 3은 전해 연속 드레싱(ELID)의 메커니즘을 보여주는 예시도

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기에 의해 가공된 마이크로 공구를 예시한 사시도

도 5는 가공된 마이크로 공구의 일실시예를 보여주는 정면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 연삭가공부 3 : 에어 스핀들

4 : 주변장치부 5 : 트루잉장치

6 : PC제어부 7 : 작업테이블

9 : 노즐 10 : 초음파 진동 테이블

32 : 척 34 : 연삭숫돌

52 : 트루잉숫돌 100 : 마이크로 공구

110 : 공구재료 200 : 피가공물

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공구재료에 대해 에어 스핀들에 구비된 연삭숫돌로 연삭가공을 실시함과 동시에 일측에 설치된 트루잉장치에 의해 트루잉공정과, 초음파 진동 테이블에 의한 초음파 가공이 병행되도록 함으로써 직경 30 ㎛ 이하의 미세 공구로 연삭시킬 수 있는 연삭가공부와; 상기 에어 스핀들을 제어하는 스핀들 제어부와, 상기 초음파 진동 테이블에 전원을 공급하는 초음파 발전부, 상기 드레싱 장치(ELID)에 전원을 공급하는 이엘아이디 엠프, 연삭가공시 가공점에 절삭유를 공급하기 위한 미스트 탱크와 콤프레셔, 쿨런트탱크 및 콘크롤러로 구성된 주변장치부와; 사용자가 직접 가공작업 데이터를 입력시켜 상기 연삭가공부 및 상기 주변장치부의 동작을 제어할 수 있게 한 PC제어부;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바른 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기의 구성을 개략적으로 보여주는 구성도이고, 도 2는 도 1에서 연삭가공부의 실시예에 대한 요부 확대 정면도, 도 3은 전해 연속 드레싱(ELID)의 메커니즘을 보여주는 예시도이다.

상기 연삭가공부(2)는 장방형의 작업테이블(7)의 상면 일측에 공구재료(110)를 고정시킬 수 있도록 하기 위해 정밀 척(chuck)(72)이 장착되고, 타측에는 선단에 트루잉숫돌(52)이 축설된 트루잉장치(5)가 수평되게 설치되며, 하부에는 초음파 진동 테이블(Ultrasonic Vibration Table)(10)이 장착되어 이루어진다.

또한 상기 정밀 척(72)의 직상부에는 하부에 연삭숫돌(34)이 축설된 에어 스핀들(air spindle)(3)이 수직되게 설치되어 있다.

상기 작업테이블(7)은 상기 PC제어부(6)의 출력신호를 받아 하부에 설치된 X축 모터(도시되지 않음)와 Y축 모터(도시되지 않음)의 구동에 의해 X,Y축을 따라이동되며, 상기 에어 스핀들(3)은 Z축을 따라 이동하도록 하였으며, X,Y,Z축의 최소 분해능은 각각 0.25 ㎛ 로 제어가 가능하며, 반복위치정도는 ±0.5㎛ 를 실현하고 있고, 에어 스핀들(3)의 주축의 최고 회전수는 40000rpm이며, 상기 작업테이블(7) 및 에어 스핀들(3)의 이동은 NC 장치를 토대로 PC제어부(6)에 의해 제어되도록 하였다.

이때 상기 연삭숫돌(34)은 효율적으로 공구를 가공하기 위하여 결합력이 크고 가공 중에 연마 입자의 탈락이 적은 것을 요하므로 가공능률이 높고 숫돌의 탄성 변형이 다른 결합재의 숫돌보다 낮은 메탈 본드 숫돌(metal bonded wheel)을 이용하였다.

상기 연삭숫돌(34)은 상기 트루잉장치(5)와 근접되게 설치되되, 연삭숫돌(34)에는 (+)전극을 연결시키고, 트루잉숫돌(52)에는 (-)전극을 연결시켜 전해 연속 드레싱(ELID : Electrolytic In-process Dressing)이 이루어지게 하였다.

상술한 전해 연속 드레싱(ELID) 공정을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

미세한 다이아몬드 연마재를 가진 메탈 본드 숫돌은 트루잉(truing) 작업 후에는 연마재와 결합재는 평탄화 되며(510) 연마성이 저하된다.

그래서 초기 전해 드레싱을 통하여 결합재를 용출하여 연마재를 돌출시킨다. (520)

상기 전해현상에서는 연삭 숫돌의 결합재가 수 ㎛ 용출된 후 빠르게 부도체피막(수산화철, 산화철등)에 의한 절연층이 숫돌 표면에 형성되고 과도한 용출은 방지된다.(530)

그리고 가공을 시작하면 공작물이 이 부도체 피막과 접촉하여 연마재가 마멸된 분량만큼 피막이 벗겨진다.(540)

숫돌의 메탈 결합재를 전기 분해에 의하여 필요 최적량을 제거하여 연마 입자를 돌출 시켜 안정된 가공을 유지한다.(550)

아래의 반응식은 숫돌 표면에서 일어나는 산화 반응을 표현한 것으로써 전극(－)과 메탈본드 숫돌(＋)사이에 전해액(mist 절삭유)을 통과시키고 펄스형 전류를 인가하면 철은 2가 양이온 및 3가 양이온이 되며 OH 음이온과 결합하여 수산화 철( Fe(OH)₂, Fe(OH)₃)을 형성하여 숫돌 표면에 부착이 되면서 산화막이 형성된다.

Fe -> Fe²⁺+ 2e^_

Fe²⁺-> Fe³⁺+ e^_

Fe²⁺+ 2OH^_-> Fe(OH)₂

Fe³⁺+ 3OH^_-> Fe(OH)₃

상기 연삭숫돌(34)의 타측에는 냉각제 역할과 전해액 역할을 하는 절삭유를 미스트(mist) 형태로 공급할 수 있는 노즐(9)을 설치하여, 연삭작업이 이루어지는동안 플라즈마 방전 트루잉(plasma discharge truing)이 동시에 수행되도록 하였다.

상기 에어 스핀들(air spindle)(3)은 하부 주축에 척(32)을 구비함으로써 공구재료(110)를 가공할 때는 연삭숫돌(34)을 상기 척(32)에 고정시켜 회전되도록 하며, 또한 마이크로 공구(100)가 완성되면 상기 연삭숫돌(34)을 분리시킨 후 척(32)에 완성된 마이크로 공구를 곧바로 장착시킨 다음 이를 회전시키면서 피가공물(200)에 대해 드릴링이나 패턴가공을 할 수 있도록 한 것으로, 회전수가 0∼40,000 rpm 까지 조정이 가능하며 회전정밀도가 1 ㎛ 이내가 되도록 하였다.

또한 공기압에 의해 회전동작되므로 고속회전시에도 열 발생이 없으며, 소음이 절감된다.

상기 주변장치부(4)는 상기 에어 스핀들(3)을 제어하는 스핀들 제어부(40)와, 상기 초음파 진동 테이블(10)에 전원을 공급하는 초음파 발전부(42), 상기 트루잉장치(ELID)(5)에 전원을 공급하는 이엘아이디 엠프(44), 연삭가공시 절삭유를 공급하기 위한 미스트 탱크(47)와 콤프레셔(48) 및 쿨런트 탱크(46)로 구성된다.

상기 스핀들 제어부(40)는 마이크로 공구(100)를 제작할 경우나 제작된 마이크로 공구(100)를 이용하여 가공을 할 경우에 에어 스핀들(3)의 주축의 상태를 파악하여 주축의 회전수를 조절하는 장치로써 회전수가 0∼40,000 rpm 까지 조정이 가능하며 1,000rpm 단위로 조정이 가능하도록 하였다.

상기 이엘아이디 엠프(ELID Amp)(44)는 ELID 연삭 가공 중에 가공물의 표면품위를 향상시키기 위하여 전압과 전류값이 균일하게 유지하도록 하기 위한 것이다.

상기 쿨런트 탱크(Coolant Tank)(46)는 트루잉 또는 연마 가공 중에 발생되는 마찰열과 절삭물의 비산을 방지하기 위해 공급되는 절삭유를 냉장 보관하기 위해 설치된다.

상기 미스트 탱크(mist tank)(47)는 트루잉 시나 연마 가공 시에 가공점, 즉 공구재료(110)와 연삭숫돌(34)이 접하는 가공점에 대해 미스트 형태의 절삭유를 공급하여 주는 장치이다.

이때 상기 절삭유를 식물성 오일 등을 사용할 경우를 고려하여 분리된 미스트용 탱크(47)를 설치할 수도 있다.

상기 콤프레셔(compressor)(48)는 트루잉이나 연마가공 시에 절삭유를 미스트 상태로 분사시키기 위해 요구되는 압축공기를 제공하기 위한 것으로, 현장에서 압축공기가 공급이 되지 않는 경우를 고려하여 설치하였다.

상기 콘트롤러(controller)(43)는 PC제어부에서 출력된 제어신호를 받아 이를 NC 제어로 각 장치부품에 전달하여 이 제어신호에 따라 동작하도록 하기 위한 것이다.

상기 PC제어부(6)는 사용자가 가공되어야 할 치수와 형태를 입력하면 프로세서에 의해 상기 주변장치부(4) 및 연삭가공부(2)의 동작이 제어되면서 마이크로 공구(100)의 가공이 진행되도록 하였다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작동관계를 설명하면 다음과 같다.

상기 작업테이블(7)의 정밀 척(72)에 가공하고자 하는 초경합금의공구재료(110)를 고정시킨 후 PC제어부(6)에 가공하고자 하는 공구의 칫수와 형태에 관한 데이터를 입력시킨다.

상기 PC제어부(6)에서 출력된 제어신호에 의해 상기 작업테이블(7)이 X,Y축으로 이동하고, 상기 에어 스핀들(3)이 Z축을 따라 승하강 되면서 연삭숫돌(34)이 공구재료(110)에 접하여 정위치된 후 상기 스핀들 제어부(40)에 의해 연삭숫돌(34)이 적정한 속도로 회전되면서 연삭가공이 실시된다.

이와 병행하여 상기 초음파 진동 테이블(10)이 초당 20,000번 또는 40,000번 상하 진동을 하도록 함으로써 마이크로 공구의 형상 정밀도를 향상시켰으며, 가공 시에 작용하는 가공력에 의해 가공물이 휘어지는 현상이 방지될 수 있어 기존의 ELID 연삭 또는 일반적인 연삭가공으로는 가공할 수 없는 아주 작은 직경(30 ㎛)의 마이크로 공구를 제작할 수 있는 것이다.

또한 상기 초음파 진동 테이블(10)의 진동에 의해 마이크로 공구(100)를 이용하여 피가공물(200)에 대한 드릴링이나 패턴 가공시 가공 면의 회전 공구에 의한 자국을 제거할 수 있으며, 패턴가공 시 발생하는 미세 버(burr)의 발생량을 감소시킬 수 있는 것이다.

한편 상기 연삭가공을 실시하기 전에 상기 이엘아이디 엠프(44)에서 상기 트루잉장치(5)에 적정한 전원을 공급하고, 상기 노즐에서 미스트 형태의 절삭유가 공급됨으로써 트루잉 및 드레싱공정이 이루어지게 되어 연삭숫돌(34) 표면의 메탈 결합재가 충분히 용출되어 숫돌과 공구재료 사이에 완충작용을 하는 절연피막이 형성되며, 또한 다이아몬드 입자를 적절히 유지시켜주어 가공저항을 감소시킬 수 있어고능률, 초정밀 가공이 가능하게 만든다.

도 4a 및 도 4b는 상기 연삭작업에 의해 완성된 마이크로 공구의 형태를 보여주는 것으로, 비젼시스템을 이용하여 육안으로 확인하면서 단면이 정사각형 또는 라운드진 사각형과 같이 여러가지 형태로 가공할 수 있다.

도 5에서 보이듯이, 상기 가공이 완료된 마이크로 공구(100)를 정밀 척(72)에서 분리시키고, 또한 상기 에어 스핀들(3)의 주축의 연삭숫돌(34)을 분리 제거시킨 다음 상기 마이크로 공구(100)를 주축에 장착시킨 후 에어 스핀들(3)을 회전시키면서 곧바로 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴 가공이 이루어질 수 있다.

따라서 마이크로 공구를 제작한 후 이 제작된 마이크로 공구를 이용하여 곧바로 피가공물에 대한 가공작업이 이루어질 수 있어 작업의 효율과 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기는 초경합금으로 된 공구재료를 가공기에 설치한 후 이를 전해연속 드레싱(ELID : Electrolytic In-process Dressing )에 병행하여 연삭작업과 함께 초음파 진동 테이블의 진동을 가함으로써 직경 30 ㎛ 이하의 다양한 형상(원형,타원형,사각형,직사각형,모딴 사각형 등)의 마이크로 공구의 정밀제작이 가능하며, 또한 제작된 마이크로 공구를 곧바로 에어 스핀들의 주축에 장착시킨 후 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴가공이 이루어질 수 있어 공구의 회전정밀도가 향상됨은 물론오차발생이 거의 없어 편심량이 배제되므로 피가공물에 대한 드릴링이나 패턴가공작업시 공구의 파괴현상이 현저히 감소될 수 있는 유용한 효과를 제공한다.

Claims

작업테이블(7)의 상면 일측에 공구재료(110)를 고정시킬 수 있도록 하기 위해 정밀 척(chuck)(72)이 장착되고, 타측에는 선단에 트루잉숫돌(52)이 축설된 트루잉장치(5)가 수평되게 설치되며, 하부에는 초음파 진동 테이블(Ultrasonic Vibration Table)(10)이 장착된 후 상기 정밀 척(72)의 직상부에는 하부에 연삭숫돌(34)이 축설된 에어 스핀들(air spindle)(3)이 수직되게 설치되어 구성된 연삭가공부(2);

상기 에어 스핀들(3)을 제어하는 스핀들 제어부(40)와, 상기 초음파 진동 테이블(10)에 전원을 공급하는 초음파 발전부(42), 상기 트루잉장치(5)에 전원을 공급하는 이엘아이디 엠프(44), 연삭가공시 가공점에 절삭유를 미스트(mist) 형태로 공급하기 위한 미스트 탱크(47)와 콤프레셔(48), 쿨런트탱크(46) 및 콘크롤러(43)로 구성된 주변장치부(4) 및

사용자가 직접 가공작업 데이터를 입력시켜 상기 연삭가공부(2) 및 상기 주변장치부(4)의 동작을 제어할 수 있게 한 PC제어부(6)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기.
제1항에 있어서, 상기 에어 스핀들(3)의 주축의 척(32)에 완성된 마이크로 공구(100)를 고정시킨 후 피가공물(200)에 대해 드릴링이나 패턴가공이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 마이크로 복합 가공기.