KR20120073901A - 초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드공정 장치 및 방법 - Google Patents

초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드공정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세구멍 가공에 있어서 많은 장점을 가지고 있는 마이크로 방전가공을 이용해서 직경 300㎛이하의 난삭성소재인 하이브리드 Al2O3/CNT 전도성세라믹 소재의 미세구멍을 가공하는 경우에 있어서 데브리스(Debris)와 같은 미세한 부스러기의 배출을 효과적으로 제거하고 가공시간을 효율적으로 감소시키기 위하여 마이크로 방전가공(micro electrical discharge machining) 공정에 초음파진동을 부가하여 하이브리드가공 공정을 실현하게 하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위해 마이크로 방전가공에 있어 효과적인 초음파 주파수 및 진폭을 설정하고, 적절한 초음파진동의 가진위치를 조사하였다. 그리고, 마이크로방전가공을 위한 수조탱크 내부에 초음파진동자를 삽입하도록 일체형 구조로 설계 및 제작하여, 방전액에 초음파진동을 가진함으로써 마이크로방전이 간접적인 에너지의 전달에 의하여 효율적으로 이루어지도록 하였다.

Description

초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드공정 장치 및 방법 {Device and method of hybrid process for micro electrical discharge machining assisted ultrasonic vibration}
본 발명은 미세 구멍가공을 하는 미세 방전가공 공정에 있어서, 가공중의 부스러기 배출을 원활하게 하는 방법에 관한 것이다.
최근 산업 제품의 소형화 추세에 따라 미세 형상 가공 기술에 관심이 높아지고 있다. 특히 미세 구멍은 1960년대 말 디젤 엔진의 연료분사 노즐구멍(fuel injection nozzle orificen hole)에 이용하기 위해 미세구멍의 필요성을 제기된 이후 오늘날 미세구멍의 용도는 잉크젯 프린터 헤드 노즐(inkjet printer head nozzles), 광전자섬유 컨넥터(optoelectric fiber connectors), 방사노즐(spinnerettes), 가스배출 오리피서(gas escapement orifice), 미세 섬유 사출 노즐(micro fiber injection nozzles), 반도체 검사용 조리개(apertures) 등의 일반용도 이에 서보 제어용 밸브, 계측장비 요소부품, 의료장치, 합성섬유 가공 및 최근에는 위성통신 부품에 이르기까지 광범위하게 확대되고 있다. 이러한 미세구멍가공법으로 마이크로 방전가공을 비롯하여, 마이크로 초음파가공, 마이크로 드릴링, 레이저 빔 가공, 마이크로 펀치 등이 있다. 이 중 세라믹 계의 가공으로 연삭가공, 초음파가공, 레이저 빔 가공, 방전가공 등이 있다. 초음파 가공과 레이저 빔 가공은 3차원가공과 고종횡비 가공이 어려운 단점이 있다.
방전의 효율성을 증대시키기 위해서는 가공 구멍에서 발생하는 가공 부스러기의 배출이 원활하게 이루어져야 한다. 가공 부스러기는 가공을 불안정하게 만들고 가공효율을 좋지 않게 하므로 이를 효과적으로 배출하기 위한 방안을 모색하고 이를 해결하고자 한다. 미세구멍 가공에 있어서 가공 구멍이 깊어질수록 가공 중 발생된 부스러기의 배출이 힘들어 진다. 가공면에 존재하고 있는 가공 부스러기들은 가공을 불안정하게 만들고 가공 효율을 떨어뜨린다. 범용 방전 가공기에서는 관통 전극을 사용해서 실제 가공면에 새로운 가공액을 공급하고 발생된 가공 부스러기를 제거함으로써 이 문제를 해결하고 있다. 하지만 이 방법을 미세 가공 공구에 적용하기는 불가능하다.
가공중의 부스러기 배출을 원활하게 하기 위한 종래 방법으로 스크류 형상의 전극 사용, 전극의 회전속도, 축전용량을 순간적으로 높여서 폭발력을 이용는 방법, Flushing을 이용한 방법이 있지만 가공시간 단축에는 다소 효과가 있었지만, 마이크로 가공에 적용하기 위해서는 전극형상의 제한 및 사용환경 등의 설정이 어려워 미세 구멍 가공에 적용하기에는 한계성을 가지고 있다.
상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가공중에 발생되는 부스러기를 초음파진동 가진을 이용한 마이크로방전가공에 적용하기 위하여 새로운 하이브리드가공공정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 마이크로 방전 가공에 있어서 가공시험편(5) 하단부에 1.0Mhz ~ 2.0Mhz의 초음파진동자(4)를 간접적으로 가진하여 300㎛이하의 미세구멍형상을 가공하는 하이브리드가공에 관한 것이다.
고주파의 초음파 진동 부가로 인하여 방전가공액의 입자가속도가 커서 미세구멍가공시 가공시험편(5) 주위로의 침투력이 매우 뛰어난 하이브리드 마이크로방전가공은 기존의 마이크로방전가공에 비하여 원활한 가공부스러기(debris) 제거로 가공품질의 향상과 작업시간의 감소로 인한 작업능률의 증대효과를 얻을 수 있다. 이를 통하여 높은 고세장비 가공 및 Burr의 최소화를 통한 가공 형상 세밀화가 가능할 것으로 기대된다.
초음파진동이 없을 때는 미세구멍직경이 411㎛로 전극의 직경 200㎛에 비하여 상당히 크고, Burr도 심하고 입구형상이 좋지 않다. 반면에 1.6Mhz의 고주파의 초음파를 가진했을 때는 미세가공구멍 직경이 작아지고, Burr가 확연하게 줄어듦을 확인할 수 있다. 또한 초음파진동을 부가하게 되면 미세구멍에서 데브리스가 원활하게 배출되어 데브리스와 미세전극간에 발생하는 아크 단발방전횟수가 줄어들게 되고, 이로 인해 가공시간도 단축되는 효과를 얻을 수 있었다.
도1 : 초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드가공공정 장치.
도2 : 초음파진동자 발생장치(평면도).
도3 : 마이크로 방전가공용 수조탱크와 초음파진동 장치와의 일체형 모듈.
본 발명은 마이크로 방전 가공에 있어서 가공시험편(5) 하단부에 1.0Mhz ~ 2.0Mhz의 초음파진동자(4)를 간접적으로 가진하여 300㎛이하의 미세구멍형상을 가공하는 하이브리드가공방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 마이크로 방전가공용 수조탱크(9) 및 초음파진동자(4) 부가장치를 포함하고 있는 하이브리드 가공장치에 관한 것이다.
고주파의 초음파 진동 부가로 인하여 방전가공액의 입자가속도가 커서 미세구멍가공시 가공시험편(5) 주위로의 침투력이 매우 뛰어난 하이브리드 마이크로방전가공은 기존의 마이크로방전가공에 비하여 원활한 가공부스러기(debris) 제거로 가공품질의 향상과 작업시간의 감소로 인한 작업능률의 증대효과를 얻을 수 있다. 이를 통하여 높은 고세장비 가공 및 Burr의 최소화를 통한 가공 형상 세밀화가 가능할 것으로 기대된다.
하이브리드 마이크로방전가공의 가공형상 비교
초음파진동 없는 경우 초음파진동 가진한 경우
Figure pat00001
Figure pat00002
초음파진동이 없을 때는 미세구멍직경이 411㎛로 전극의 직경 200㎛에 비하여 상당히 크고, Burr도 심하고 입구형상이 좋지 않다. 반면에 1.6Mhz의 고주파의 초음파를 가진했을 때는 미세가공구멍 직경이 작아지고, Burr가 확연하게 줄어듦을 확인할 수 있다. 또한 초음파진동을 부가하게 되면 미세구멍에서 데브리스가 원활하게 배출되어 데브리스와 미세전극간에 발생하는 아크 단발방전횟수가 줄어들게 되고, 이로 인해 가공시간도 단축되는 효과를 얻을 수 있었다.
아래에 첨부 도면을 참조해서 본 발명에 관한 초음파를 부가한 마이크로방전 가공장치 및 그 방법에 대해 설명한다.
실시예1
우선, 발명의 구성에 대하여 설명한다.
도1,2는 본 발명에서 구현한 초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드가공공정 장치의 체계적인 개념도이다.
동 도면에서 1은 마이크로 방전가공용 미세전극으로서 200㎛ 직경의 로드 (rod)형 텅스텐소재(Tungsten;W)이고, 2는 가공시험편 고정지지대(Steel소재), 3은 방전가공액(전용 방전가공유), 4는 초음파진동자(BLT종류, 1.0~2.0MHz), 5는 가공시험편(하이브리드전도성 세라믹소재, Al2O3/CNTs), 6은 가공시험편 고정 마그네틱자석, 7은 초음파진동자 발진회로(Generator)로 구성되어 있으며, 도면 2에서 8은 초음파진동자 고정지그용 볼트, 9는 수조탱크, 10은 초음파진동자 고정지그이다.
다음 동작에 대하여 설명한다.
도 1, 2에서
마이크로 방전가공을 실시하기 위하여 전극(1)과 가공시험편(5)의 갭(Gap)을 수 μm로 이내로 조정한다. 그리고 나서 마이크로 방전가공기에 전압을 인가한다. 그 후에 전극과 시편사이에 아크방전이 생기면 플라즈마 상태가 형성되어, 전자의 운동에너지가, 열에너지로 변환되어, 미소영역에 있어 가공이 시작된다. 가공이 시작되면서, 가공부스러기가 발생하며, 이를 원활히 배출하기 위하여 콜피츠 발진회로(7)에 전원을 인가하여 가공시험편(5) 하단에서 1.6Mhz의 초음파진동자(4)를 가진시킨다. 이때 발생하는 고주파의 초음파는 기존에 방전가공 장치의 전극부에 설치하여 사용하는 저주파 초음파(20Khz, 40Khz)에 비하여 방전가공액의 입자가속도가 커서 미세구멍가공시 가공시험편(5) 주위로의 침투력이 매우 뛰어나서 데브리스 제거가 매우 효율적으로 이루어진다.
실시예2
도3은 마이크로 방전가공용 수조탱크와 초음파진동 장치와의 일체형 모듈에 3차원 그림이다.
동 도면에서 4는 초음파진동자(BLT형태, 1.6MHz), 9와 10은 방전가공용 수조탱크와 초음파진동자 고정지그로서 일체형 구조를 가지며, 절연을 위하여 폴리카보나이트(polycarbonate)소재로 구성되어있다. 특히, 진동자(4)의 교체를 위하여 초음파진동자 고정지그용 볼트(8)로 체결되어있다.
1. 마이크로 방전가공용 미세전극(200㎛ 직경의 로드 (rod)형 텅스텐소재(Tungsten;W)
2. 가공시험편 고정지지대(Steel소재)
3. 방전가공액(전용 방전가공유)
4. 초음파진동자(BLT종류, 1.6MHz)
5. 가공시험편(하이브리드전도성 세라믹소재, Al2O3/CNTs)
6. 가공시험편 고정 마그네틱자석
7. 초음파진동자 발진회로(Generator)
8. 초음파진동자 고정지그용 볼트
9. 마이크로방전가공용 수조탱크(PC판)
10. 초음파진동자 고정지그

Claims (2)

  1. 마이크로 방전 가공에 있어서 가공시험편(5) 하단부에 1.0Mhz ~ 2.0Mhz의 초음파진동자(4)를 간접적으로 가진하여 300㎛이하의 미세구멍형상을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드가공방법.
  2. 마이크로 방전가공용 수조탱크(9) 및 초음파진동자(4) 부가장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가공장치.
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