KR20050042661A - 마이크로 방전가공장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공 방법으로서, 상기 전극을 방전가공장치의 고정척에 장착하는 제1단계; 상기 공작물의 표면에 가공할 미세형상에 따라 상기 전극의 굵기를 설정하는 제2단계; 상기 고정척에 장착된 상기 전극의 측면을 가공하여 상기 제2단계에서 설정된 굵기의 전극을 제작하는 제3단계; 가공된 상기 전극의 적어도 일부 표면을 절연액과 코팅분말을 이용하여 코팅하는 제4단계; 공작물을 방전가공장치의 작업대에 고정시키는 제5단계; 및 상기 전극을 상기 공작물에 근접시켜 방전을 일으키고 이를 통해 상기 공작물을 가공하는 제6단계를 포함한다. 또한, 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공장치로서, 공작물에 미세형상을 가공할 수 있도록 상기 전극을 가늘게 성형하는 전극가공수단; 및 상기 전극이 방전에 의해 쉽게 마모되지 않도록 전극의 일부 표면을 코팅시키는 코팅장치를 포함한다. 이 마이크로 방전가공장치 및 방법은 전극의 마모현상과 미세 전극을 장착에 따른 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

마이크로 방전가공장치 및 그 방법{MICRO ELECTRIC DISCHARGE MACHINING DEVICE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 공작물에 미세형상을 가공하는 방전가공장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방전가공장치에 장착되는 전극의 수명을 연장하고 장착과정에서 발생되는 오차를 낮출 수 있도록 전극이 장착된 상태에서 전극을 가공 및 코팅하는 방전가공장치 및 그 방법에 관한 것이다.
광 디지털 통신기술과 의료환경 그리고 전자가전 산업분야에서 고기능 초미세 마이크로 부품에 대한 기술개발연구가 활발히 진행 중이다. 첨단 제품의 크기, 성능, 기능 등은 가공될 수 있는 부품의 크기와 가공기술에 의해 많은 제약을 받게 된다. 이로 인해 기계기술은 점차 소형화, 기능화 및 다양화의 추세로 변화하고 있다.
현재 마이크로 공구의 가공방법은 물리적으로 절삭하여 가공하는 기계가공과 물리적, 전기적 작용을 이용한 방전가공이 있다. 기계가공은 물리적으로 접촉하여 공구를 가공하므로 세장비가 큰 드릴 또는 밀링공구의 가공에 어려움이 많다. 반면, 마이크로 방전가공은 물리적인 힘이 공구에 걸리지 않으므로 강성의 제약이 없어 원하는 마이크로 구멍이나 형상을 가공하는데 큰 장점이 있다. 마이크로 방전가공은 터빈엔진 노즐이나 잉크제트 노즐, 항공우주분야나 의학분야에서 사용되는 가스 또는 액체의 오리피스, 핵융합 측정장치, 엑스레이 전자총이나 고속 컴퓨터의 마이크로 연결부, 마이크로 터빈, 항공기 엔진부 등의 미세구멍 및 형상을 초정밀로 가공하는데 사용되고 있다.
마이크로 방전가공을 위해서는 미세한 전극이 제작되어야 한다. 일반적으로 전극제작은 연삭이나 WEDG(Wire Electro-Discharge Grinding)가공에 의해서 이루어지고 있다. 이러한, 미세 전극을 이용한 방전가공은 절삭저항이 발생하지 않으므로 가공속도와 효율이 좋다는 장점이 있지만, 방전에너지에 의해 전극이 마모되므로 전극을 자주 교체해야 하는 단점이 있다. 그러나, 현재까지 이와 같은 전극 마모현상에 대한 뚜렷한 대책이 없는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극의 마모현상과 미세 전극을 장착하는 과정에서 발생되는 장착오차를 줄일 수 있는 마이크로 방전가공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 이와 같은 방법을 한 기기상에서 수행할 수 있도록 전극 코팅수단과 전극 가공수단이 구비된 마이크로 방전가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 한 양태에 따르면 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공 방법으로서, 상기 전극을 방전가공장치의 고정척에 장착하는 제1단계; 상기 공작물의 표면에 가공할 미세형상에 따라 상기 전극의 굵기를 설정하는 제2단계; 상기 고정척에 장착된 상기 전극의 측면을 가공하여 상기 제2단계에서 설정된 굵기의 전극을 제작하는 제3단계; 가공된 상기 전극의 적어도 일부 표면을 절연액과 코팅분말을 이용하여 코팅하는 제4단계; 공작물을 방전가공장치의 작업대에 고정시키는 제5단계; 및 상기 전극을 상기 공작물에 근접시켜 방전을 일으키고 이를 통해 상기 공작물을 가공하는 제6단계를 포함하는 마이크로 방전가공방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공장치로서, 공작물에 미세형상을 가공할 수 있도록 상기 전극을 가늘게 성형하는 전극가공수단; 및 상기 전극이 방전에 의해 쉽게 마모되지 않도록 전극의 일부 표면을 코팅시키는 코팅장치를 포함하는 마이크로 방전가공장치가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 마이크로 방전가공방법의 한 실시예에 따른 블록도를 나타낸 것이다. 제1단계(S10)는 전극을 방전장치에 장착하는 단계이다. 방전가공은 전극에 불꽃을 일으키고 이때 발생된 고온의 열로 공작물을 용융 가공하는 것이다. 일반적으로 이용되는 전극은 철사보다 가는 형태로 방전장치에 마련된 별도의 고정척에 장착된다. 한편, 미세가공을 사용되는 전극은 매우 가늘어 파손되기 쉽다. 따라서 고정척에는 가공되지 않은 비교적 굵은 전극이 장착된다.
제2단계(S20)는 전극의 굵기를 설정하는 단계이다. 방전가공장치에서 불꽃의 크기는 전극의 단면적과 비례한다. 따라서, 공작물의 가공형태와 그 크기에 따라 사용할 전극의 굵기를 정한다.
제3단계(S30)는 전극을 가공하는 단계이다. 제2단계(S20)에서 전극의 굵기가 결정되면 방전장치의 고정척에 물린 전극의 측면을 가공하여 미세가공에 알맞은 굵기의 전극을 제작한다. 방전장치의 전극을 고정척에 물린 후 가공하는 이유는 첫째, 가공된 전극은 수 ㎛ 굵기로 방전장치의 고정척에 장착하기 어렵고 둘째, 고정척에 고정시키는 과정에서 전극이 파손될 수 있기 때문이다. 따라서, 비교적 큰 굵은 가공되지 않은 전극을 방전장치의 고정척에 고정한 후 측면을 가공하여 원하는 굵기의 전극으로 제작하는 것이다.
한편, 전극가공방법으로는 연삭 또는 WEDG(Wire Electric Discharged Grinding)시스템이 있는데, WEDG가공의 일 예는 T.Mzsuzawa, M. Fujino 와 Kobayashi의 논문 '마이크로가공을 위한 WEDG(Wire Eletro-Discharge Grinding for Micro Machining, Annals of the CIRP Vol. 34, 1985)'에 개시되어 있다. 전극을 성형하는 전용장치로서, 가는 철사를 전극에 접근시키고 이 철사와 전극 사이에 방전을 유발시켜 전극을 가공한다. 이처럼 WEDG시스템은 가는 철사를 방전전극으로 삼아 대상물을 가공하므로 가공정밀도가 높다. 또한, 철사를 이동시키면서 연속적으로 방전을 일으키므로 가공속도가 빠르다.
제4단계(S40)는 전극의 표면을 코팅하는 단계이다. 방전장치의 전극은 계속해서 방전이 일어나므로 차츰 마모된다. 또한, 실질적으로 방전이 전극의 끝에서만 일어나지 않고 전극의 측면에서도 일어나 가공정밀도가 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같은 점을 고려하여 전극의 측면을 절연액과 코팅분말로 코팅시키는 것이다. 코팅된 전극을 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 높은 가공정밀도를 얻을 수 있다. 코팅된 전극표면은 절연성이 유지되므로 방전가공을 행할 때 벽면과 공구측면의 방전현상이 방지되므로 마이크로 구멍의 확장 갭이 작아지게 되며 경사도가 낮고 정밀도가 높은 구멍을 가공할 수 있다. 둘째, 불필요한 방전을 억제한다. 전극표면이 부도체이므로 가공 후에 나오는 부스러기들과의 2차 방전이 억제되며, 방전이 전극의 측면에서 일어나지 않고 단부면에서만 일어나므로 불필요한 방전으로 인한 전극의 마모를 줄일 수 있다. 셋째, 전극의 수명이 증대된다. 전극에 표면을 코팅하면 전극의 마모 저항성이 향상된다. 따라서, 방전에 따른 전극의 마모량이 줄어들어 전극의 수명을 연장시킬 수 있는 것이다.
전극의 코팅방법은 전극을 직접 절연액과 코팅분말이 담긴 전해조에 침잠시키는 방법과, 전극 측면에 분무장치를 이용하여 절연액과 코팅분말을 분사하고 방전시켜 고착시키는 방법이 있다. 이 중 전자는 고정척에 물린 전극이나 전해조를 이동시켜야 하는 번거로움이 있다. 반면, 후자는 비교적 이동이 용이한 분무장치를 이용하므로 전극 코팅작업이 간편하다.
한편, 분무장치를 이용하여 코팅하는 경우, 방전장치로는 WEDG시스템을 그대로 이용할 수 있으며 이 경우 설비가 간단해지는 장점이 있다.
본 실시예에서, 절연액으로는 실리콘 오일, 백등유 또는 이온수가 사용되고 코팅분말로는 티타늄이 사용된다. 절연액과 코팅분말은 1:1 질량비로 혼합되는 것이 좋다. 전극의 코팅은 40~200V 조건에서 방전되면서 이루어지며 이때 생성되는 코팅의 재질은 산화티타늄(Ti02)이다. 산화티타늄의 저항은 1013 ~ 1018 Ω 이다.
제5단계(S50)는 공작물을 방전장치에 고정하는 단계이고, 제6단계(S60)는 공작물을 가공하는 단계이다. 전극의 가공작업과 코팅작업이 끝나면 실질적인 공작물의 가공에 들어간다. 먼저, 공작물을 방전장치의 작업대에 고정시킨다. 이 공작물의 가공부위에 전극을 접근시켜 방전을 유발시킨다. 원하는 만큼의 가공이 이루어지면 전극을 공작물에서 후퇴시켜 방전이 더 이상 일어나지 않게 한다. 이와 같은 동작을 반복하여 공작물을 원하는 형태로 제작한다.
도 2는 도 1에 도시된 방전가공방법을 수행하기 위한 방전가공장치의 한 예를 나타낸 것이며, 도 3은 도 1에 도시된 방전가공장치의 전극 가공부를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 전극 가공부의 주요부분을 확대하여 나타낸 것이다.
방전가공장치(100)는 크게 방전부(120), 작업대(130), 전극 가공부(140), 및 전극 코팅부(150)로 구성되어 있다. 방전부(120)에는 모터(101)와 고정척(121)이 설치되어 있다. 고정척(121)은 모터(101)에 의해 상하로 이동되며 전극(160)이 설치된다.
방전부(120)의 전방에는 공작물이 놓여지는 작업대(130)가 마련되어 있다. 이 작업대(130)는 받침대(110)에 설치된 모터(102, 103)에 의해 수평면상에서 이동된다. 작업대(130) 위에는 전극 가공부(140)가 마련되어 있다. 이 전극 가공부(140)는 전극의 측면을 가공한다. 전극 가공부(140)를 이용하여 전극의 측면을 반복 가공하면 원하는 굵기의 전극을 제작할 수 있다. 본 실시예에서는 전극 가공부(140)로서 WEDG(Wire Electric Discharged Grinding)시스템을 사용하고 있다.
도 3은 전극 가공부(140)를 위에서 본 모습으로서, 전극 가공부(140)의 작동상태를 나타낸다. 전극 가공부(140)는 전극(160)을 가공하는 철사(145)와 이 철사(145)를 소정구간 왕복 이동시키는 구동모터(141), 그리고 철사(145)의 이동을 원활하게 하는 복수개의 롤러(142)와 가이드(143)로 구성되어 있다. 철사(145)는 2개의 구동모터(141)에 의해 롤러(142)와 가이드(143) 상을 왕복 이동한다. 작업대(130)에 설치된 전극 가공부(140)는 모터(102, 103)에 구동에 의해 수평면상에서 이동할 수 있다.
이와 같이 구성된 전극 가공부(140)의 작동방법은 다음과 같다.
작업대(130)를 이동시켜 전극 가공부(140)의 철사(145)를 전극(160)의 측면에 근접시킨다. 다음으로 철사(145)와 전극(160) 사이에 전류를 인가시킨 후, 철사(145)를 전극(160)으로 이동시켜 철사(145)와 전극(160) 사이의 방전을 유발하고 이를 통해 전극(160)을 용융 가공한다. 이때, 전극(160)은 측면이 골고루 가공될 수 있도록 자전함과 동시에 상하 이동한다. 원하는 굵기의 전극(160)을 제작될 때까지 이와 같은 동작을 반복 수행한다. 일반적으로 방전채널은 수 ㎛ 이므로 제작되는 전극을 수㎛의 직경을 가질 수 있다. 한편, 방전조건은 40 ~ 200V 전압 하에서 행해지며 전류는 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation)회로, RLC회로 또는 이들이 결합된 회로에 의해 만들어진다.
받침대(110)의 한편에는 전극 코팅부(150)가 마련되어 있다. 이 코팅부(150)에는 절연액과 코팅분말이 각각 보관되어 있으며, 이들 물질을 분사할 수 있는 분사장치가 비치되어 있다. 절연액으로는 실리콘 오일, 백등유, 이온수 등이 사용되며, 코팅분말로는 티타늄이 사용된다.
이와 같이 구성된 방전가공장치(100)의 작동방법은 다음과 같다.
먼저, 방전부(120)의 고정척(121)에 미 가공된 전극(160)을 설치한다. 이 전극(160)에 전극 가공부(140)를 근접시키고 철사(145)와 전극(160)에 전압을 걸어 방전을 일으킨다. 철사(145)를 상하로 이동시켜 전극(160)의 끝부분을 원하는 굵기로 제작한다. 이때, 전극의 가공량 및 방전조건은 콘덴서 용량, 인가전압, 저항용량, 펄스 폭, 전류크기, 철사의 이송속도 등의 수치를 조절하여 변경할 수 있다.
전극(160)이 원하는 굵기 또는 형태로 가공되면, 이 전극(160)의 측면을 코팅한다. 전극(160)의 코팅은 절연액과 코팅분말을 전극(160) 측면에 분사하고, 전극 가공부(140)를 다시 전극(160)에 근접시켜 방전을 일으킨 다음 절연액과 코팅분말을 고착화 시킴으로써 이루어진다. 방전조건은 전극(160) 가공 때보다 낮게 하여 전극(160)의 가공은 일어나지 않으나 절연액과 코팅분말이 전극(160)에 융착되게 한다. 전극(160)의 코팅작업이 마무리되면, 작업대(130)에 공작물을 고정시킨 후 가공한다.
본 발명의 따르면, 하나의 장치상에 전극 가공수단과 전극 코팅수단을 구비하므로 가공오차와 전극의 마모현상을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 전극의 코팅을 가공장치 상에서 수행하므로 공작물의 가공시간이 단축되는 효과가 있다.
이상에서 마이크로 방전가공장치 및 그 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명 마이크로 방전가공방법의 한 실시예에 따른 블록도를 나타낸 것이고,
도 2는 도 1에 도시된 방전가공방법을 수행하기 위한 방전가공장치의 한 예를 나타낸 것이며,
도 3은 도 1에 도시된 방전가공장치의 전극 가공부를 나타낸 것이고,
도 4는 도 3에 도시된 전극 가공부의 주요부분을 확대하여 나타낸 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 방전가공장치 101, 102, 103 : 이송모터
110 : 받침대 120 : 방전부
130 : 작업대 140 : 전극 가공부
141 : 구동모터 142 : 롤러
143 : 철사 가이드 145 : 철사
150 : 전극 코팅부 151 : 전해조
152 : 절연액 160 : 전극

Claims (9)

  1. 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공 방법으로서,
    상기 전극을 방전가공장치의 고정척에 장착하는 제1단계;
    상기 공작물의 표면에 가공할 미세형상에 따라 상기 전극의 굵기를 설정하는 제2단계;
    상기 고정척에 장착된 상기 전극의 측면을 가공하여 상기 제2단계에서 설정된 굵기의 전극을 제작하는 제3단계;
    가공된 상기 전극의 적어도 일부 표면을 절연액과 코팅분말을 이용하여 코팅하는 제4단계;
    공작물을 방전가공장치의 작업대에 고정시키는 제5단계; 및
    상기 전극을 상기 공작물에 근접시켜 방전을 일으키고 이를 통해 상기 공작물을 가공하는 제6단계를 포함하는 마이크로 방전가공방법.
  2. 청구항 1 에 있어서, 상기 제4단계는 절연액과 코팅분말을 전극에 분사하는 단계와 방전에너지를 이용하여 전극의 일부 표면에 코팅막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공방법.
  3. 청구항 2 에 있어서, 상기 절연액은 케로신, 실리콘 오일, 이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공방법.
  4. 청구항 2 에 있어서, 상기 코팅분말은 티타늄인 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공방법.
  5. 청구항 2 에 있어서, 상기 절연액과 코팅분말은 1:1의 질량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공방법.
  6. 전극과 공작물 사이에 전기방전을 일으켜 공작물의 표면에 미세형상을 가공하는 방전가공장치로서,
    공작물에 미세형상을 가공할 수 있도록 상기 전극을 가늘게 가공하는 전극가공수단; 및
    상기 전극이 방전에 의해 쉽게 마모되지 않도록 전극의 일부 표면을 코팅시키는 코팅장치를 포함하는 마이크로 방전가공장치.
  7. 청구항 6 에 있어서, 상기 전극가공수단은 WEDG(Wire Electric Discharge Grinding)시스템인 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공장치.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7 에 있어서, 상기 코팅장치는 절연액과 코팅분말을 전극의 일부 표면에 분사하는 분사장치와, 전극의 표면에 부착된 절연액과 코팅분말을 방전에너지를 이용하여 코팅막으로 형성시키는 방전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공장치.
  9. 청구항 8 에 있어서, 상기 방전장치는 WEDG시스템인 것을 특징으로 하는 마이크로 방전가공장치.
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