KR20140125645A

KR20140125645A - 홀 가공 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140125645A
Application number: KR1020130043718A
Authority: KR
Inventors: 박상후; 이주철
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-29

Abstract

본 발명은 마이크로 방전가공 방식으로 미세 홀을 가공하는 공정 중 홀 내주면에 띠 형태의 홈(groove) 또는 딤플 형태의 홈 등의 미세 구조체를 용이하게 형성할 수 있는 홀 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 홀 가공 방법은, (a) 방전전극을 피가공물에 접근시키고 전원을 인가하여 피가공물에 홀을 가공하는 단계와; (b) 피가공물 또는 피가공물이 재치된 스테이지를 설정된 시간 간격으로 진동시켜 홀 내측에 미세 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

홀 가공 장치 및 방법{Apparatus and Method for Processing Minute Hole}

본 발명은 홀 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피가공물의 홀(hole) 내주면에 방전 전극을 삽입하여 방전 가공(EDM: electric discharge machining)을 수행하여 홀의 내주면에 미세한 홈(groove)과 같은 미세 구조체를 형성할 수 있도록 한 홀 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 산업 제품의 소형화 추세에 따라 미세 형상 가공 기술에 관심이 높아지고 있다. 특히 미세 홀(hole)은 1960년대 말 디젤 엔진의 연료분사 노즐홀(fuel injection nozzle orificen hole)에 이용하기 위해 미세홀의 필요성이 제기된 이후 오늘날 미세홀의 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 외에도 서보 제어용 밸브, 계측장비 요소부품, 의료장치, 합성섬유 가공, 위성통신 부품에 이르기까지 광범위하게 확대되고 있다.

이러한 미세홀 가공법으로는 마이크로 방전가공을 비롯하여, 마이크로 초음파가공, 마이크로 드릴링, 레이저 빔 가공, 마이크로 펀치 등이 있다.

국내 공개특허공보 제2012-73901호에는 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 마이크로방전가공을 위한 수조탱크 내부에 초음파진동자를 삽입하고, 방전액을 초음파 가진함으로써 마이크로방전이 간접적인 에너지의 전달에 의하여 효율적으로 이루어지도록 한 마이크로방전 가공 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 마이크로 방전가공을 이용하여 미세한 홀을 가공하는 종래의 미세홀 가공 기술들은 미세한 홀을 직선형으로 가공하는데에는 효과적이지만, 미세한 홀 내측에 띠 형태의 홈(groove) 또는 딤플(dimple) 형태의 홈 등의 미세 구조체를 가공하지는 못하는 문제가 있다.

공개특허공보 제2012-73901호(공개일 : 2012년 7월 5일) : 초음파진동을 부가한 마이크로방전가공용 하이브리드공정 장치 및 방법

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 방전가공 방식으로 미세 홀을 가공하는 공정 중 피가공물을 진동시킴으로써 홀 내주면에 띠 형태의 홈(groove) 또는 딤플 형태의 홈 등의 미세 구조체를 용이하게 형성할 수 있는 홀 가공 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 홀 가공 장치는, 피가공물이 재치되는 스테이지와; 전원이 인가됨에 따라 상기 피가공물과의 사이에 방전을 일으켜 피가공물에 홀을 가공하는 방전전극과; 상기 피가공물 또는 스테이지를 진동시키는 가진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 홀 가공 방법은, (a) 방전전극을 피가공물에 접근시키고 전원을 인가하여 피가공물에 홀을 가공하는 단계와; (b) 피가공물 또는 피가공물이 재치된 스테이지를 설정된 시간 간격으로 진동시켜 홀 내측에 미세 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 방전전극과 피가공물 간에 방전을 발생시켜 미세 홀을 가공하는 과정에서 피가공물을 직,간접적으로 초음파 가진 또는 가진함으로써 홀 내측면에 띠 형상의 홈이나 딤플 형태의 홈과 같은 미세 구조체를 용이하게 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 가공 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 홀 가공 장치에 의해 홀 및 미세 구조체가 형성된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 가공 장치의 방전전극을 나타낸 단면도이다
도 4a 및 도 4b는 도 1의 홀 가공 장치에 의한 홀 및 미세 구조체의 가공 과정을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 홀 가공 장치의 방전전극의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 방전전극의 변형 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 홀 가공 장치의 방전전극의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 홀 가공 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 가공 장치는 피가공물(1)이 재치되는 스테이지(20)와, 전원이 인가됨에 따라 상기 피가공물(1)과의 사이에 방전을 일으켜 피가공물에 홀(2)을 가공하는 방전전극(10)과, 상기 피가공물(1) 또는 스테이지(20)를 초음파 가진하는 가진기(30)를 포함한 구성으로 이루어진다.

이 실시예에서 상기 가진기(30)는 스테이지(20)에 결합되어 외부에서 인가되는 전원에 의해 스테이지(20)를 좌우 측방향으로 초음파 진동시킴으로써 피가공물(1)의 측방향으로 초음파 진동시킨다. 물론, 이 실시예와 다르게 상기 가진기(30)를 초음파 가진기 대신 일반적인 가진기를 사용하여 구성할 수도 있을 것이다.

상기 방전전극(10)은 도 3에 도시된 것과 같이, 원형 봉형상으로 된 도전성 재질의 전극본체(11)와, 상기 전극본체(11)의 하단부가 외부로 노출되도록 전극본체(11)의 외면을 둘러싸는 절연성의 유전체(12)로 구성된다. 상기 전극본체(11)의 중앙부에는 외부의 물공급원(미도시)과 연결되어 하단부 외측으로 물을 분사하는 물분사홀(2)이 축방향을 따라 관통되게 형성되어 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 홀 가공 장치를 이용하여 피가공물에 홀(2)과 이 홀(2)의 내주면에 미세 구조체인 복수의 띠 형상 홈(3)(groove)을 가공하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

방전전극(10)을 피가공물(1)의 상부면에 접근시키고, 전원을 인가하면 방전전극(10)의 하부단와 피가공물(1) 사이에 방전이 일어나 피가공물(1)에 홀(2)이 가공된다. 이와 같이 방전전극(10)과 피가공물(1) 간에 방전을 발생시키고 방전전극(10)을 점진적으로 하강시켜 홀(2)을 가공하는 도중 상기 가진기(30)를 설정된 주기로 on/off 시키면 스테이지(20)와 이에 고정된 피가공물(1)이 측방향으로 초음파 가진된다.

이에 따라 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이 방전전극(10)과 홀(2)의 내주면 간의 거리가 가변되고, 가공되는 홀(2)의 직경이 가변되면서 홀(2)의 내주면에 띠 형상 홈(3)이 가공된다.

상기 홀(2) 내측에서 마이크로 방전을 통해 홀(2)과 미세 구조체를 가공하는 도중 방전전극(10)의 전극본체(11) 중앙부에는 형성되어 있는 물분사홀(2)을 통해 하단부 외측으로 물을 분사하여 가공 과정에서 발생한 부스러스를 홀(2) 외측로 배출하여 가공이 원활하고 정확하게 진행되도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따르면 방전전극(10)과 피가공물(1) 간에 방전을 발생시켜 홀(2)을 가공하는 과정에서 피가공물(1)을 측방향으로 초음파 가진시켜 홀(2) 내면에 홈(3)과 같은 미세 구조체를 형성할 수 있다.

한편 이 실시예에서는 방전전극(10)이 피가공물(1)에 홀(2)을 가공하는 도중에 피가공물(1)을 초음파 가진하여 홀(2) 내면에 미세 구조체를 동시에 형성하고 있지만, 이와 다르게 피가공물(1)에 홀(2)을 먼저 가공한 다음, 상기 방전전극(10) 또는 미세 구조체 가공에 적합하게 설계된 구조의 다른 방전전극(10)을 상기 홀(2)에 삽입하여 하강하게 하면서 피가공물(1)을 주기적으로 초음파 가진하여 미세 구조체를 가공할 수도 있다.

그리고, 도 5에 도시된 것과 같이 방전전극(10)의 전극본체(11)의 측면부에 돌출전극(14)을 돌출되게 형성하되, 돌출전극(14)이 유전체(12)의 외측으로 노출되도록 하여, 피가공물(1)을 직,간접적으로 초음파 가진했을 때 홀(2) 내주면과 돌출전극(14) 간의 간격을 가변시키고, 방전전극(10)을 수직한 축을 중심으로 회전시켜 홀(2) 내주면에 띠 형태의 홈(3)과 같은 미세 구조체를 형성할 수 있다.

도 6은 전술한 방전전극(10)의 변형례를 나타낸 것으로, 이 실시예에서는 방전전극(10)에 복수개의 돌출전극(14)이 축방향으로 소정 간격으로 형성되어, 방전전극(10)이 홀(2) 내측에 삽입된 상태에서 회전하여 한 번에 복수개의 띠 형상 홈(3)을 형성할 수도 있다.

물론, 전술한 실시예들과 같이 방전전극(10)에 하나 또는 복수개의 돌출전극(14)이 형성된 상태에서 방전전극(10)을 회전시키지 않고 피가공물(1)만 직,간접적으로 초음파 진동시키면 오목한 딤플(dimple) 구조의 미세 구조체를 형성할 수 있다.

예를 들어 도 7에 도시한 것과 같이 측면부에 돔 형태로 된 복수개의 돌출전극(14)이 형성되어 있는 방전전극(10)을 피가공물(1)의 홀(2) 내측에 삽입하고, 방전전극(10)을 정지시킨 상태에서 피가공물(1)을 초음파 가진하여 홀(2) 내측에 복수개의 딤플 형태의 홈(4)을 형성할 수 있다.

상술한 것과 같이, 본 발명에 따르면 방전전극과 피가공물 간에 방전을 발생시켜 미세 홀(2)을 가공하는 과정에서 주기적으로 가진 시간을 조절하면서 피가공물(1)을 직,간접적으로 가진 또는 초음파 가진함으로써 홀(2) 내측면에 띠 형상의 홈(3)이나 딤플 형태의 홈(4)과 같은 미세 구조체를 용이하게 형성할 수 있다.

상기 피가공물(1)의 홀(2) 내측면에 형성된 미세 구조체는 홀(2) 내측을 유동하는 유체에 인위적인 와류(vortex) 등을 발생시켜 열전달 효과나 혼합 성능 등을 향상시키는 작용을 하게 된다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1 : 피가공물 2 : 홀
3, 4 : 홈(미세 구조체) 10 : 방전전극
11 : 전극본체 12 : 유전체
13 : 물분사홀 14 : 돌출전극
20 : 스테이지 30 : 가진기

Claims

피가공물(1)이 재치되는 스테이지(20)와;
전원이 인가됨에 따라 상기 피가공물(1)과의 사이에 방전을 일으켜 피가공물에 홀(2)을 가공하는 방전전극(10)과;
상기 피가공물(1) 또는 스테이지(20)를 진동시키는 가진기(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 방전전극(10)은 봉형상으로 된 도전성 재질의 전극본체(11)와, 상기 전극본체(11)의 하단부가 외부로 노출되도록 전극본체(11)의 외면을 둘러싸는 절연성의 유전체(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 장치.
제2항에 있어서, 상기 방전전극(10)은 상기 전극본체(11)에 측방향으로 돌출되게 형성되어 상기 유전체(12)의 외측으로 노출되는 도전성 재질의 돌출전극(14)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 장치.
제4항에 있어서, 상기 돌출전극(14)은 복수개가 전극본체(11)에 상하 방향으로 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 홀 가공 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방전전극(10)은 외부의 물공급원과 연결되어 하단부 외측으로 물을 분사하는 물분사홀(2)이 축방향을 따라 관통되게 형성된 것을 특징으로 하는 홀 가공 장치.
(a) 방전전극을 피가공물에 접근시키고 전원을 인가하여 피가공물에 홀을 가공하는 단계와;
(b) 피가공물 또는 피가공물이 재치된 스테이지를 설정된 시간 간격으로 진동시켜 홀 내측에 미세 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계는 (a) 단계를 진행하는 도중에 수행되는 것을 특징으로 하는 홀 가공 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계는 (a) 단계를 완료하여 홀을 가공한 후 방전전극을 홀 내측으로 진입하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계를 수행하는 동안 방전전극의 중앙에 축방향으로 형성된 물분사홀(2)을 통해서 물을 분사하여 홀 내측의 부스러기(debris)를 홀 외측으로 방출하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계를 수행하는 동안 방전전극을 일정 속도 회전시키면서 미세 구조체를 가공하는 것을 특징으로 하는 홀 가공 방법.