KR20110000465A

KR20110000465A - 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치

Info

Publication number: KR20110000465A
Application number: KR1020090057965A
Authority: KR
Inventors: 신동식; 이제훈; 서정
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-03
Also published as: KR101184311B1

Abstract

본 발명은 기존에 세라믹의 외경선삭에 적용되어오던 LAM(Laser Assisted Machining)공정을 밀링공정에 적용하기 위해 안출된 것으로, 절삭공구로 스테이지에 고정된 공작물을 가공하는 밀링가공장치에 있어서, 상기 공작물에 조사되는 레이저광을 발생시키는 레이저발생기와, 상기 레이저발생기에서 조사된 레이저광을 반사시키고 동시에 상기 공작물의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작물의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경 및 제2 회전반사경과, 상기 제1,2 회전반사경을 통해 반사된 레이저광을 상기 공작물에 집광시키는 f-θ렌즈로 구성되는 레이저스캐너;를 포함하며, 상기 절삭공구는 상기 레이저스캐너에 의해 예열된 부위를 따라 공작물을 가공하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치에 관한 것이다.

상기와 같은 밀링가공장치는 세라믹, 돌, 주철 등과 같은 취성이 높은 재질의 난삭재를 용이하게 가공할 수 있어 일반 금속의 절삭과 비슷한 가공이 가능하고, 다양한 형상의 가공을 요하는 세라믹의 밀링공정 특성상 연삭기술의 접목의 어려움을 레이저스캐너를 이용하여 해소하였다.

레이저, 레이저 스캐너, LAM, 밀링, 예열

Description

예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치{Milling Machine}

본 발명은 절삭공구로 스테이지에 고정된 공작물을 가공하는 밀링가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 공작물에 조사되는 레이저광을 발생시키는 레이저발생기와, 상기 레이저발생기에서 조사된 레이저광을 반사시키고 동시에 상기 공작물의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작물의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경 및 제2 회전반사경과, 상기 제1,2 회전반사경을 통해 반사된 레이저광을 상기 공작물에 집광시키는 f-θ렌즈로 구성되는 레이저스캐너;를 포함하며, 상기 절삭공구는 상기 레이저스캐너에 의해 예열된 부위를 따라 공작물을 가공하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치에 관한 것이다.

예열선삭공정은 세라믹, 돌, 주철 등과 같이 취성이 높은 난삭재에 예열한 후 절삭가공하는 공정으로서, 세라믹, 돌, 주철 등과 같이 취성이 높은 난삭재의 가공에 있어 취성파괴를 방지함으로 일반 금속의 절삭공정과 같이 소성변형에 의한 절삭가공을 가능하게 유도하는 공정이다.

그러나 이와 같은 예열선삭공정(LAM: Laser Assisted Machining)은 도 1과 같이 세라믹의 외경선삭 등에 특정하여 사용되었고, 이 선반기반의 예열선삭공정은 최근 다양한 연삭기술의 발달로 인하여 널리 사용되기 어려운 문제점이 있다.

도 1의 100은 레이저 조사장치, L은 레이저, 401은 바이트(bite), 402는 바이트날, 200은 공작물 회전부, 500은 온도계, 300은 대표적으로 세라믹, 돌, 주철 등과 같이 취성이 높은 재질로 이루어진 공작물이다.

한편, 다양한 형상의 가공을 요하는 세라믹의 밀링공정은 연삭기술의 접목이 어려워 레이저 예열선삭공정(LAM)의 필요성이 더욱 더 증대되고 있으나, 현재 전용 가공장비의 부재로 인하여 현장접목을 위한 시도가 이루어지지 않고 있다.

본 발명의 목적은 세라믹, 돌, 주철 등과 같은 취성이 높은 재질의 난삭재를 가공하기 위해 개발된 예열선삭공정(LAM: Laser Assisted Machining)을 밀링공정에도 사용할 수 있게 한 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 예열구간의 온도를 실시간으로 체크하여 세라믹, 돌, 주철 등과 같은 취성이 높은 난삭재를 임계온도(예: 세라믹의 유리화 온도) 이상으로 예열하여 가공을 용이하게 하는 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 절삭공구로 스테이지에 고정된 공작물을 가공하는 밀링가공장치에 있어서, 상기 공작물에 조사되는 레이저광을 발생시키는 레이저발생기와, 상기 레이저발생기에서 조사된 레이저광을 반사시키고 동시에 상기 공작물의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작물의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경 및 제2 회전반사경과, 상기 제1,2 회전반사경을 통해 반사된 레이저광을 상기 공작물에 집광시키는 f-θ렌즈로 구성되는 레이저스캐너;를 포함하며, 상기 절삭공구는 상기 레이저스캐너에 의해 예열된 부위를 따라 공작물을 가공하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치에 의해 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 절삭공구로 스테이지에 고정된 공 작물을 가공하는 밀링가공장치에 있어서, 상기 공작물에 조사되는 레이저광을 발생시키는 레이저발생기와, 상기 레이저발생기에서 조사된 레이저광을 반사시키고 동시에 상기 공작물의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작물의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경 및 제2 회전반사경과, 상기 제1,2 회전반사경을 통해 반사된 레이저광을 상기 공작물에 집광시키는 f-θ렌즈로 구성되는 레이저스캐너;를 포함하고,

상기 레이저발생기와, 제1 회전반사경의 사이는 동적초점거리 조절장치를 더 구비하여 레이저발생기에서 발생되는 레이저광의 초점거리를 조절하며,

상기 동적초점거리 조절장치와 레이저발생기의 사이에 레이저광을 반사하는 반사경과, 상기 레이저광은 반사하고 공작물로부터 유입되는 적외선은 투과하는 빔스플릿터와, 상기 빔스플릿터에 의해 투과된 적외선을 체크하는 온도감지센서와, 상기 온도감지센서의 온도감지 신호를 기초로 레이저발생기의 레이저광 출력과, 동적초점거리장치와, 제1,2 회전반사경을 제어하는 제어부를 더 포함하며,

상기 절삭공구는 상기 레이저스캐너에 의해 예열된 부위를 따라 공작물을 가공하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치는 밀링가공에서 세라믹, 돌, 주철 등과 같은 취성이 높은 재질의 난삭재를 용이하게 가공할 수 있어, 다양한 형상의 가공을 요하는 세라믹의 밀링공정 특성상 연삭기술의 접목의 어려움을 해소하였다.

또한, 가공될 구간을 미리 예열하는데 있어, 예열구간의 온도를 실시간으로 체크하여 레이저 스캐너를 적절하게 조절함으로써 가공물을 임계온도 이상으로 유지할 수 있다. 따라서 불량율 및 전력손실이 저감되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 스캐너는 예열구간을 확장시키거나, 특정한 모양 그리고 균일하게 예열할 수 있어 엔드밀의 크기와 형상에 관계없이 적용이 가능하고, 엔드밀의 이송방향의 변화에 고속으로 대처가 가능한 장점이 있다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면들과 관련하여 상세히 설명한다.

본 발명의 특징은 밀링가공장치에 있어서, 절삭공구(10)로 스테이지(90)에 고정된 공작물(80)을 가공하기에 앞서 레이저스캐너(20)로 예열을 하는데 있다.(도 2 내지 도 4 참조)

이는 가공될 공작물(80)이 세라믹이나 돌, 주철 등과 같이 취성이 높은 재질일 경우 효과적이다.

즉, 절삭공구(10)가 상기 레이저스캐너(20)에 의해 예열된 부위(La)를 따라서 세라믹, 돌, 주철 등과 같은 공작물(80)을 가공하게 되면 가공도중 공작물(80)이 파손되는 것으로부터 방지된다.

이를 위해 상기 레이저스캐너(20)는 공작물(80)에 조사되는 레이저광(L)을 발생시키는 레이저발생기(22)와, 상기 레이저발생기(22)에서 조사된 레이저광(L)을 반사시키고 동시에 상기 공작물(80)의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작 물(80)의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경(23) 및 제2 회전반사경(24)과, 상기 제1,2 회전반사경(23,24)을 통해 반사된 레이저광(L)을 상기 공작물(80)에 집광시키는 f-θ렌즈(21)로 구성된다.(도 5 참조)

이때 상기 레이저스캐너(20)는 절삭공구(10)의 측면에 장착되어 스테이지(90) 이동시 엔드밀(11)이 공작물(80)을 가공하기 전 공작물(80)을 임계온도(예: 세라믹의 유리화 온도(glass temperature)) 이상으로 예열하도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 절삭공구(10)는 공작물(80)을 가공하는 엔드밀(11)의 일단을 고정하여 회전시키는 구성이고, 상기 스테이지(90)는 X,Y축 방향의 이송은 물론 회전 및 상,하 이동이 가능하도록 구성되는 통상의 밀링머신에 구비되는 구성이다.(도 2 및 도 3 참조)

한편, 본 발명은 상기 레이저발생기(22)와, 제1 회전반사경(23)의 사이는 동적초점거리 조절장치(25)를 더 구비할 수 있는데, 이러한 동적초점거리 조절장치(25)는 레이저발생기(22)에서 발생되는 레이저광(L)의 초점거리를 조절하기 위한 것이다.

이를 위해 상기 동적초점거리 조절장치(25)는 좌,우 이동되는 볼록렌즈(25a)만으로 구성될 수 있고, 또는 고정된 볼록렌즈(25a)와 좌,우 이동되는 오목렌즈(25b)로 구성될 수 있다.(도 6 및 도 7 참조)

또한, 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치는 공작물(80)의 온도를 감지하기 위한 온도감지센서(61)와, 상기 온도감지센서(61)의 온도감지 신 호를 기초로 레이저발생기(22)의 레이저광(L) 출력과, 동적초점거리 조절장치(25)를 통한 레이저광(L)의 초점조절과, 제1,2 회전반사경(23,24)의 회전을 제어하는 제어부(50)를 더 구비하여 구성될 수 있는데, 여기서 온도감지센서(61)는 레이저스캐너(20)의 외부인 공작물(80)의 가공부위의 근접한 위치에 설치될 수 있다.(도 5 내지 도 7 참조)

또한, 다른 예로써 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치는 상기 동적초점거리 조절장치(25)와 레이저발생기(22)의 사이에 레이저광(L)을 반사하는 반사경(26)과, 상기 레이저광(L)은 반사하고 공작물(80)로부터 유입되는 적외선(I)은 투과하는 빔스플릿터(27)와, 상기 빔스플릿터(27)에 의해 투과된 적외선(I)을 체크하는 온도감지센서(61)와, 상기 온도감지센서(61)의 온도감지 신호를 기초로 레이저발생기(22)의 레이저광(L) 출력과, 동적초점거리 조절장치(25)를 통한 레이저광(L)의 초점조절과, 제1,2 회전반사경(23,24)의 회전을 제어하는 제어부(50)를 더 구비하여 구성될 수 있고, 여기에서의 온도감지센서(61)는 레이저스캐너(20)의 내부에 구비되어 레이저스캐너(20)의 내부로 유입되는 적외선을 통해 온도를 측정하는 것일 수 있다.(도 8 참조)

제1 회전반사경(23)과, 제2 회전반사경(24)은 각각 제1 반사경(23a)과 제1 모터(23b), 그리고 제2 반사경(24a)과 제2 모터(24b)로 구성된다. 제1,2 모터(23b,24b)는 각각 제1 반사경(23a)과 제2 반사경(24a)을 정회전/역회전 시킨다.

여기서, 레이저스캐너(20)는 사각빔, 가우시안 빔 등 모든 형태의 레이저를 조사할 수 있다. 즉, 상기 레이저스캐너(20)는 최소 1kW ~ 4kW의 출력을 낼 수 있 는데, 레이저광(L)을 반복조사함으로써 레이저광(L)를 통한 예열된 부위(La)의 형태를 제어할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 상기 예열된 부위(La)의 형태 제어는 제1,2 회전반사경(23,24)의 회전각 조절과, 동적초점거리 조절장치(25)의 초점 조절 및 레이저발생기(22)의 출력 ON/OFF의 단독 제어 또는 조합 제어로 가능해지는 것인데, 일예로, 제2 회전반사경(24)은 정지하고 제1 회전반사경(23)은 회전한다고 하면 예열부위(La)는 공작물(80)의 X축의 직선상태가 될 것이고, 제1 회전반사경(23)은 정지하고 제2 회전반사경(24)이 회전하면 예열부위(La)는 공작물(80)의 Y축의 직선상태가 될 것이다. 그리고 상기 제1,2 회전반사경(23,24)을 동시에 회전시키면 예열부위(La)는 직사각, 사각 등 다양한 형태가 될 것이고, 동적초점거리 조절장치(25) 및 레이저발생기(22)의 출력 ON/OFF까지 제어한다면 예열부위(La)가 다양한 형태로 이루어질 것이다.

제어부(50)는 통상의 마이크로 프로세서(Microprocesser)가 채택되어 사용될 수 있으며, 상기 온도감지센서(61)와, 레이저스캐너(20)와 전기적으로 연결되어 각 부품들을 제어한다.

여기서, 상기 제어부(50)의 역할은 온도감지센서(61)로부터 감지된 상기 공작물(80)의 온도를 실시간으로 입력받아 설정된 온도(공작물의 임계온도 이상의 온도, 열처리온도)와 비교, 판단하게 되는데, 이때, 상기 공작물(80)의 예열부위(La) 온도가 설정온도보다 높을 시 상기 제어부(50)는 레이저스캐너(20)를 제어해서 레이저광(L)의 열에너지가 공작물(80)에 축적되지 않도록 레이저발생기(22)의 출력을 실시간으로 제어하여 온도를 유지할 수 있게 한다.

또한, 반대로 공작물(80)의 온도가 설정온도보다 낮을 시 상기 제어부(50)는 레이저발생기(22)의 출력을 높이거나 하는 등의 제어를 실시하여 예열부위(La)의 온도를 상승시킨다.

한편, 본 발명에서의 온도감지센서(61)는 고온계(Pyromater)로써 설치상 두 가지 타입으로 나뉘어지는데 하나는 레이저스캐너(20)의 외부에 구비되는 타입이고, 다른 하나는 레이저스캐너(20)의 내부에 구비되는 타입이다. 전자는 도 7과 같이 외부에 노출된 구성이어서 외부 이물질 등에 의한 잔고장이 발생할 소지가 다분하나, 예열부위(La)에 근접해서 측정하기 때문에 후자에 비해 상대적으로 온도감지 능력이 우수하다. 반면, 후자는 도 8과 같이 레이저스캐너(20)의 내부에 구비됨으로써 전자에 비해 외부 이물질 등으로부터 보호되나, 반사경(26) 및 빔스플릿터(27)가 추가로 요구된다.

이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래에 사용되어지던 선반기반의 예열선삭공정을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치의 동작일예를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

I: 적외선 L: 레이저광

10: 절삭공구 11: 엔드밀

20: 레이저스캐너 21: f-θ렌즈

22: 레이저발생기 23: 제1 회전반사경

24: 제2 회전반사경 25: 동적초점거리 조절장치

25a: 볼록렌즈 25b: 오목렌즈

26: 반사경 27: 빔스플릿터

50: 제어부 61: 온도감지센서

80: 공작물 90: 스테이지

Claims

절삭공구(10)로 스테이지(90)에 고정된 공작물(80)을 가공하는 밀링가공장치에 있어서,

상기 공작물(80)에 조사되는 레이저광(L)을 발생시키는 레이저발생기(22)와, 상기 레이저발생기(22)에서 조사된 레이저광(L)을 반사시키고 동시에 상기 공작물(80)의 X-Y축방향으로 조사하도록 회전되어 공작물(80)의 예열범위를 확장시키는 제1 회전반사경(23) 및 제2 회전반사경(24)과, 상기 제1,2 회전반사경(23,24)을 통해 반사된 레이저광(L)을 상기 공작물(80)에 집광시키는 f-θ렌즈(21)로 구성되는 레이저스캐너(20);를 포함하며,

상기 절삭공구(10)는 상기 레이저스캐너(20)에 의해 예열된 부위(La)를 따라 공작물을 가공하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 공작물은 세라믹, 돌, 주철 중 어느 하나와 같이 취성이 높은 재질인 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 절삭공구(10)는 공작물(80)을 가공하는 엔드밀(11)의 일단을 고정하여 회전시키며, 상기 레이저스캐너(20)는 절삭공구(10)의 측면에 장착되어 스테이 지(90) 이동시 엔드밀(11)이 공작물(80)을 가공하기 전 공작물(80)을 임계온도 이상으로 예열하는 것을 특징으로 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 스테이지(90)는 X,Y축 방향의 이송은 물론 회전 및 상,하 이동이 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 레이저발생기(22)와, 제1 회전반사경(23)의 사이는 동적초점거리 조절장치(25)를 구비하여 레이저발생기(22)에서 발생되는 레이저광(L)의 초점거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 5항에 있어서,

상기 동적초점거리 조절장치(25)는 좌,우 이동되는 볼록렌즈(25a)만으로, 또는 고정된 볼록렌즈(25a)와 좌,우 이동되는 오목렌즈(25b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 5항에 있어서,

상기 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치는 공작물(80)의 온도를 감지하기 위한 온도감지센서(61)와;

상기 온도감지센서(61)의 온도감지 신호를 기초로 레이저발생기(22)의 레이저광(L) 출력과, 동적초점거리 조절장치(25)를 통한 레이저광(L)의 초점조절과, 제1,2 회전반사경(23,24)의 회전을 제어하는 제어부(50);

를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 7항에 있어서,

상기 온도감지센서(61)는 레이저스캐너(20)의 외부인 공작물(80)의 가공부위의 근접한 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 5항에 있어서,

상기 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치는,

상기 동적초점거리 조절장치(25)와 레이저발생기(22)의 사이에 레이저광(L)을 반사하는 반사경(26)과;

상기 레이저광(L)은 반사하고 공작물(80)로부터 유입되는 적외선(I)은 투과하는 빔스플릿터(27)와;

상기 빔스플릿터(27)에 의해 투과된 적외선(I)을 체크하는 온도감지센서(61)와;

상기 온도감지센서(61)의 온도감지 신호를 기초로 레이저발생기(22)의 레이 저광(L) 출력과, 동적초점거리 조절장치(25)를 통한 레이저광(L)의 초점조절과, 제1,2 회전반사경(23,24)의 회전을 제어하는 제어부(50);

를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 9항에 있어서,

상기 온도감지센서(61)는 레이저스캐너(20)의 내부에 구비되어 레이저스캐너(20)의 내부로 유입되는 적외선을 통해 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.
제 7항 또는 제 9항에 있어서,

상기 온도감지센서(61)는 고온계인 것을 특징으로 하는 예열선삭공정이 적용된 밀링가공장치.