KR20100032650A - 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법 - Google Patents

레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법 Download PDF

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제태진
조성학
최두선
황경현
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명에 따른 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법은 금속재 피가공물에 레이저를 조사하여 예비 홈을 형성하는 레이저 가공 단계, 및 절삭 공구로 상기 예비 홈을 확장하여 최종 홈을 형성하는 절삭 홈 가공 단계를 포함한다.
이와 같은 보 발명에 따르면 보다 용이하고, 빠르게 금속재 모재에 홈을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 가공 품질이 우수한 홈을 형성할 수 있다.
레이저, 절삭, 홈, 그루빙, 금속

Description

레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법{PROCESSING METHOD OF FORMING GROOVE USING LASER AND CUTTING TOOL}
본 발명은 홈 가공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법에 관한 것이다.
금형에 일정한 패턴을 형성하는 방법으로는 레이저를 이용하는 방법과 절삭 공구를 이용하는 방법이 있다.
그러나 레이저를 이용하여 금형을 제작하면, 레이저 열의 영향으로 인하여 가공된 홈의 품질이 양호하지 못한 문제가 발생한다. 또한, 절삭 공구만을 이용하여 금형에 패턴을 형성하는 경우에는 절삭 정도가 적어서 가공 시간이 매우 증가하고, 여러 번 가공해야 일정한 깊이를 얻을 수 있는 문제가 있다.
즉, 길이가 1m 이상인 롤 가공에 있어서, 수십 마이크로미터의 피치를 형성할 경우에는 가공 시간이 2일 이상이 걸리는 경우도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 레이저를 열원으로 하여 재료를 가열한 후, 절삭 공구를 이용하여 가공하는 방법이 제안되고 있으나, 이는 공구의 열화를 가져와 공구의 수명을 단축시키는 문제를 일으킨다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속재 피가공물에 홈을 용이하게 형성할 수 있는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금형에 홈을 형성함에 있어서 가공 시간을 단축할 수 있고 공구의 열화를 낮출 수 있는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법은 금속재 피가공물에 레이저를 조사하여 예비 홈을 형성하는 레이저 가공 단계, 및 절삭 공구로 상기 예비 홈을 확장하여 최종 홈을 형성하는 절삭 홈 가공 단계를 포함한다.
상기 레이저는 극초단 펄스 레이저로 이루어질 수 있으며, 상기 극초단 펄스 레이저는 펨토초(pemto sencond) 또는 피코초(pico second) 펄스 레이저로 이루어질 수 있다.
상기 절삭 홈 가공 단계는 예비 홈의 표면 거칠기를 다듬는 단계를 포함하할 수 있으며, 상기 최종 홈은 상기 예비 홈보다 크게 형성되고, 상기 절삭 홈 가공 단계는 예비 홈의 치수를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공 단계는 스캐너를 이용하여 상기 피가공물로 레이저를 조사 하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 피가공물은 평판 형상 또는 원통 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 절삭 공구는 다이아몬드로 이루어진 팁을 포함 할 수 있으며, 상기 최종 홈은 마이크로 또는 나노 크기로 이루어질 수 있다.
상기 예비 홈은 일방향으로 길게 이어져 형성될 수 있으며, 상기 최종 홈은 내측면이 이어져 형성된 내측 홈으로 이루어질 수 있다.
상기 절삭 홈 가공 단계에서 상기 절삭 공구는 그루빙 머신으로 이루어질 수 있으며, 상기 절삭 공구는 드릴링 머신으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법은 레이저를 이용하여 먼저 가공을 하고, 절삭 공구를 이용하여 더욱 정밀하게 가공함으로써, 미세한 홈을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 단단한 금형을 레이저를 이용하여 가공함으로써, 절삭 공구를 이용하는 경우에 비하여 가공시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
또한, 레이저를 이용하는 경우, 열의 영향 등으로 인하여 가공 품질이 양호지 못하지만, 레이저 가공된 홈을 절삭 공구를 이용하여 가공함으로써, 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서 극초단 펄스 레이저라 함은 펨토초(pemto second) 또는 피코초(pico second) 레이저를 말한다. 또한, 본 발명에 있어서 미세한 홈이라 함은 마이크로 또는 나노 피치를 갖는 홈을 말한다.
본 발명에 있어서 절삭 가공이라 함은 광의의 절삭 가공을 의미하는 것으로, 그루빙 가공, 밀링 가공, 드릴링 가공 등을 포함하는 개념이다. 또한, 본 발명에 있어서 절삭 공구라 함은 광의의 절삭 공구를 의미하는 것으로 그루빙 머신, 밀링 머신, 드릴링 머신 등을 포함하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치를 도시한 개략도이고 도 2는 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 홈을 가공하는 과정을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치는 레이저 가공부(110)와 절삭 공구(140), 및 피가공물(130)이 설치된 이송 스테이지(120)를 포함한다.
레이저 가공부(110)는 레이저(115)를 발생시키는 레이저 발진기(112)와 발생된 레이저(115)를 가공하는 빔 전달 광학계(113), 레이저(115)를 피가공물(130)로 전달하는 반사판(116), 및 반사된 레이저(115)를 집속하는 집속 렌즈(117)를 포함 한다.
레이저 발진기(112)는 극초단 펄스 레이저를 발생시키는데, 극초단 펄스 레이저는 펨토초(pemto second) 또는 피코초(pico second) 레이저로 이루어진다. 이와 같이 극초단 펄스 레이저를 이용하면 금형 등의 금속재 피가공물(130)에 미세한 예비 홈(132)을 형성할 수 있다.
빔 전달 광학계(113)는 레이저 발진기(112)에서 출사된 레이저(115)를 가공할 수 있도록 반파장판, 편광판 등을 포함한다. 빔 전달 광학계(113)는 다양한 광학계를 포함하여 레이저(115)를 가공 조건에 따라 다양하게 변화시킨다.
반사판(116)의 위쪽에는 CCD 카메라(114)가 설치되는데, CCD 카메라(114)는 피가공물(130)의 가공 상황을 관찰한다. 또한, 레이저 가공부(110)는 레이저(115)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
피가공물(130)은 이송 스테이지(120)에 설치되는데, 이송 스테이지(120)는 피가공물을 장착하여 이송시키는 역할을 한다. 스테이지의 이송 운동에 따라 피가공물에 원하는 형상의 그루브가 가공될 수 있다.
피가공물(130)은 금속으로 이루어지는데, 특히 금형을 이루는 재료로 이루어질 수 있다. 이에 따라 피가공물(130)에 그루브가 형성되면 피가공물은 금형을 이룬다.
절삭 공구(140)는 지지부(142)와 지지부(142)의 일단에 고정된 팁(143)을 포함하는데, 팁(143)은 다이아몬드로 이루어진다.
팁(143)은 도 3a에 도시된 바와 같이 사각단면으로 이루어지질 수 있으며, 도 3b에 도시된 바와 팁(145)은 삼각단면으로 이루어질 수도 있다. 또한, 도 3c에 도시된 바와 같이 팁(146)은 호형단면으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 팁의 형상은 가공 조건과 홈의 형상에 따라 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 제1 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 방법을 설명한다.
본 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 방법은 피가공물(130)에 레이저(115)를 조사하여 예비 홈(132)을 형성하는 레이저 가공 단계와 절삭 공구(140)로 예비 홈(132)을 확장하여 최종 홈(135)을 형성하는 그루빙(grooving) 가공 단계를 포함한다.
레이저 가공 단계는 초벌 가공 단계로서 레이저(115)를 피가공물(130)에 조사하고, 이송 스테이지(120)를 이용하여 피가공물(130)을 이송함으로써 피가공물(130)의 표면에 예비 홈(132)을 형성한다. 레이저(115)를 이용하여 금속 재질의 피가공물(130)에 미세한 예비 홈(132)을 가공할 경우, 레이저(115)의 굵기와 파장에 의하여 가공면이 거칠게 형성된다. 이때, 예비 홈(132)은 마이크로 또는 나노 크기로 형성된다.
또한, 레이저 가공 단계는 빔 전달 광학계(113)를 이용하여 레이저(115)를 적정하게 가공하는 단계와 반사판(116)을 이용하여 레이저(115)를 피가공물로 입사시키는 단계, 및 집속 렌즈(117)를 이용하여 레이저(115)를 집속하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 절삭 홈 가공 단계는 예비 홈(132)의 표면 거칠기를 다듬는 단계와 예비 홈(132)의 치수를 보정하는 단계를 포함한다. 최종 홈(135)은 예비 홈(132)보 다 더 크게 형성되는데, 절삭 공구(140)를 이용하여 표면이 거친 예비 홈(132)의 내측 표면을 부드럽게 다듬을 뿐만 아니라, 예비 홈(132)을 더 크게 형성되어 원하는 치수로 최종 홈(135)을 가공한다. 이와 같이 레이저(115)를 이용하여 초벌가공을 한 후, 절삭 공구(140)를 이용하여 정밀하게 가공 하면, 보다 정밀하고 용이하게 홈을 가공할 수 있다. 또한 최종 홈(135)은 마이크로 또는 나노 크기로 이루어질 수 있는데, 레이저(115)와 절삭 공구(140)를 이용하여 정밀하게 미세한 홈을 가공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 레이저 및 절삭 가공 하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치는 집속 렌즈 대신에 스캐너(118)를 구비한다. 스캐너(118)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략한다.
스캐너(118)는 고속 스캐너로 이루어지며, 예를 들면 갈바노 스캐너로 이루어질 수 있다. 이와 같은 스캐너(118)는 가공하고자 하는 부위에 레이저(115)를 중첩적으로 조사하여 보다 깊고 정밀한 예비 홈을 형성할 수 있다.
스캐너(118)에 의하여 예비 홈이 형성되면 절삭 공구(140)를 이용하여 홈을 더욱 정밀하게 가공한다.
도 5는 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 원통형 피가공물에 홈을 가공하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 반사판(116)과 집속 렌즈(117)를 이용하여 레이저를 원통형 피가공물(150)에 조사하여 예비 홈을 형성한다. 피가공물(150)은 이송장치(미도시)에 의하여 회전하며, CCD 카메라(114)를 이용하여 레이저 가공 상태를 관찰하여 레이저를 제어한다.
예비 홈이 형성되면 피가공물(150)을 회전시키면서 절삭 공구(140)로 최종 홈을 형성한다. 이와 같이 본 실시예에 의하면 원통형 부재로 이루어진 피가공물(150)에 정밀한 홈을 용이하게 가공할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 그루빙 가공을 하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 6c를 참조하여 설명하면, 먼저 도 6a에 도시된 바와 같이 평평한 판형상으로 이루어진 금속 피가공물(180)에 레이저(115)를 이용하여 일 방향으로 길게 이어진 예비 홈(182)을 형성한다. 이에 따라 예비 홈(182)은 길이 방향과 폭 방향을 갖는다.
레이저(115)는 펨토초 또는 피코초의 펄스를 갖는 극초단 펄스 레이저로 이루어지며, 반사판(116)과 집속 렌즈(117)를 통해서 피가공물(180)로 입사한다. 레이저 가공 과정을 상부에 설치된 CCD 카메라(114)로 관찰하고 상황에 따라 레이저(115)를 적절하게 제어한다.
도 6b에 도시된 바와 같이 레이저 가공으로 형성된 예비 홈(182)에 절삭 공구(140)를 삽입하여 예비 홈(182)의 길이 방향과 거의 수직인 폭 방향으로 절삭 공구(140)를 이송하면서 대략 직사각형의 최종 홈(184)을 형성한다. 이때 절삭 공 구(140)는 그루빙 머신(grooving machine)으로 이루어지며, 최종 홈(184)은 그루빙 가공으로 형성된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 완성된 최종 홈(184)은 상부가 개방되고 내측면이 이어져 형성된 내측 홈으로 이루어진다.
이와 같이 측면이 개방되지 않은 최종 홈(184)을 형성하기 위해서는 절삭 공구를 이용하여 일정한 깊이의 홈을 먼저 형성하는 것이 어려운데, 레이저(115)를 이용하여 예비 홈(182)을 가공하고 이에 절삭 공구(140)를 삽입하면 최종 홈(184)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 레이저 가공 장치와 드릴링 머신을 이용하여 드릴링 가공하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명하면, 먼저 도 7a에 도시된 바와 같이 평평한 판 형상으로 이루어진 금속 피가공물(191)에 레이저(115)를 이용하여 예비 홈(192)을 형성한다. 예비 홈(192)은 깊이 방향으로 길게 이어져 형성되며, 횡단면은 대략 원형을 이룬다.
레이저(115)는 펨토초 또는 피코초의 펄스를 갖는 극초단 펄스 레이저로 이루어지며, 반사판(116)과 집속 렌즈(117)를 통해서 피가공물(180)로 입사한다. 레이저 가공 과정을 상부에 설치된 CCD 카메라(114)로 관찰하고 상황에 따라 레이저(115)를 적절하게 제어한다.
도 7b에 도시된 바와 같이 레이저 가공으로 형성된 예비 홈(192)에 절삭 공구인 드릴링 머신(193)의 드릴을 삽입하여 예비 홈을 넓히면서 원형의 횡단면을 갖 는 최종 홈(195)을 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 드릴링 머신을 이용하여 홈을 가공함에 있어서, 레이저(115)를 이용하여 미리 예비 홈(192)을 형성한 후, 드릴링 머신을 이용하여 최종 홈(195)을 형성함으로써 보다 용이하게 드릴링 가공을 실시할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 홈을 가공하는 과정을 나타낸 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 절삭 공구의 팁을 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 레이저 및 절삭 가공 하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 원통형 피가공물에 홈을 가공하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 레이저 및 절삭 가공 장치를 이용하여 그루빙 가공을 하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 7a 및 도 7b는 레이저 가공 장치와 드릴링 머신을 이용하여 드릴링 가공하는 과정을 나타낸 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 레이저 가공부 112: 레이저 발진기
113: 빔 전달 광학계 114: CCD 카메라
115: 레이저 116: 반사판
117: 집속 렌즈 118: 스캐너
120: 이송 스테이지 130: 피가공물
132: 예비 홈 135: 최종 홈
140: 절삭 공구 142: 지지부
143: 팁 150: 피가공물

Claims (14)

  1. 금속재 피가공물에 레이저를 조사하여 예비 홈을 형성하는 레이저 가공 단계; 및
    절삭 공구로 상기 예비 홈을 확장하여 최종 홈을 형성하는 절삭 홈 가공 단계;
    를 포함하는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 극초단 펄스 레이저인 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저는 펨토초(pemto sencond) 또는 피코초(pico second) 펄스 레이저인 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절삭 홈 가공 단계는 예비 홈의 표면 거칠기를 다듬는 단계를 포함하는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 최종 홈은 상기 예비 홈보다 크게 형성되고, 상기 절삭 홈 가공 단계는 예비 홈의 치수를 보정하는 단계를 포함하는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 가공 단계는 스캐너를 이용하여 상기 피가공물로 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물은 평판 형상으로 이루어진 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물은 원통 형상으로 이루어진 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 다이아몬드로 이루어진 팁을 갖는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 최종 홈은 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 예비 홈은 일방향으로 길게 이어져 형성되어 길이 방향과 폭 방향을 갖는 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절삭 홈 가공 단계는 절삭 공구를 예비 홈에 삽입하여 상기 예비 홈의 폭방향으로 이송하면서 상기 예비홈을 확장하고,
    상기 최종 홈은 내측면이 이어져 형성된 내측 홈으로 이루어진 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 홈 가공 단계에서 상기 절삭 공구는 그루빙 머신으로 이루어진 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    절삭 홈 가공 단계에서 상기 절삭 공구는 드릴링 머신으로 이루어진 레이저 및 절삭 공구를 이용한 홈 가공 방법.
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