KR20160137225A - 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템 - Google Patents

화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자 유동 베드 기술, 화학 반응층 생성 기술, 자유 입자를 이용한 표면 가공 기술 및 마이크로 나노 액적 생성 기술이 연계 및 융합되어 다양한 형태의 3차원 형상 부품의 표면 가공이 가능하고 난삭재의 표면 가공이 가능하며 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공이 가능한 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템은 피삭재에 산화층 또는 수화층 생성 반응이 일어나고 연마 입자의 기계적 제거력으로 상기 피삭재의 표면 가공 작업이 이루어지는 챔버 모듈; 화학액을 마이크로/나노 크기 입자의 화학액 미스트로 변조하고 상기 챔버 모듈로 주입하는 화학액 미스트 공급 모듈; 상기 챔버 모듈 내 상기 연마 입자 및 상기 화학액 미스트가 동시에 부유 및 유동하도록 압축 공기를 주입하는 공압 펌핑 모듈; 상기 피삭재의 가공 정밀도 향상을 위하여 상기 챔버 모듈 내에서 축을 중심으로 상기 피삭재를 회전시키고 상기 피삭재의 높이를 조절하며 상기 피삭재의 기울기 조절이 가능한 회전 레일 모듈; 상기 챔버 모듈 내 상기 연마 입자를 수거하여 재사용이 가능하도록 하고 상기 화학액 미스트를 외부로 배출하는 집진 배출 모듈;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템{Chemically and Mechanically Abrasive Fluidized Bed Machining System}
본 발명은 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자 유동 베드 기술, 화학 반응층 생성 기술, 자유 입자를 이용한 표면 가공 기술 및 마이크로 나노 액적(droplet) 생성 기술이 연계 및 융합되어 다양한 형태의 3차원 형상 부품의 표면 가공이 가능하고 난삭재의 표면 가공이 가능하며 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공이 가능한 기술에 관한 것이다.
입자 유동 베드(abrasive fluidized bed) 가공 공정은 1977년 소비에트 공화국의 한 연구소에서 터보 입자 피니싱(turbo-abrasive finishing)이라는 명칭으로 최초로 개발되었고, 2001년 이탈리아의 한 대학에서 복잡한 3차원 형상의 캐스트 알루미늄(cast aluminum) 부품의 피니싱(finishing)에 적용되면서 최근 재조명 받기 시작하였다. 이후 다양한 종류의 난삭재의 피니싱 및 표면 클리닝(cleaning) 등으로 그 적용 영역을 확대해 오고 있으며, 입자 유동 베드 기술을 응용한 정전 유동 베드(electrostatic fluidized bed) 코팅(coating), 유동 베드 피닝(peening), 유동 베드를 이용한 입자 분사 가공(fluidized bed assisted abrasive jet machining) 기술로의 응용도 이루어지고 있다.
입자 유동 베드 가공은 자유 입자를 이용하는 표면 가공법으로 제품의 최종 표면 후처리를 위한 버(burr)의 제거 및 에지 윤곽 형성(edge contouring) 등에 적용 가능하며 복잡한 형상을 지닌 회전체 부품의 가공에 유리하다. 도 1은 피삭재(10)의 표면을 가공하기 위한 일반적인 형태의 입자 유동 베드 가공 시스템에 대한 개략도이다. 도 1(a)는 챔버 모듈(100) 내에서 연마 입자(20)가 유동하기 전의 입자 유동 베드 가공 시스템을 도시한 것이고, 도 1(b)는 수평으로 회전하고 있는 상기 피삭재(10)에 압축 공기(40)가 주입되는 상태에서 상기 연마 입자(20)의 유동에 의하여 가공되고 있는 상태를 도시한 것이며, 도 1(c)는 상기 피삭재(10)를 수직으로 위치시키고 상기 압축 공기(40)가 주입되는 상태에서 회전시키면서 상기 연마 입자(20)의 유동에 의하여 가공되는 상태를 도식화한 것이다.
입자 유동 베드 가공은 입자의 유동에 의해 3차원 형상의 외면 및 내면의 연마 가공을 수행할 수 있다는 점에서 일반적인 입자 유동 가공과 유사하다. 그러나 입자 유동 가공의 경우 입자 흐름에 의해 발생하는 전단력(shear stress)에 의하여 가공이 이루어지지만, 입자 유동 베드 가공은 연마 입자를 챔버 모듈 내에 부유시켜 베드를 형성한 후 피삭재를 회전시켜 발생하는 전단력에 의해 가공이 이루어지는 점에서 차이가 있다. 또한, 입자 유동 베드 가공은 배럴 연마(barrel polishing)에 비하여 높은 재료 제거율(material removal rate)을 보인다고 알려져 있다. 입자 유동 베드 가공에 이용되는 입자로는 피삭재의 종류에 따라 세라믹 입자, 금속 입자 및 플라스틱 등 다양하며, 그 크기는 대략 직경 0.02~2.0mm로 연마 가공과 같이 주로 피삭재와 동일하거나 연질의 입자를 이용한다.
이러한 입자 유동 베드 가공이 적용되는 대상 범위는 다음과 같다. 제트 엔진용 디스크와 같이 모서리가 각지거나 둥글게 처리되는 곡면을 연속으로 가공하는 에지 윤곽 형성이 필요한 경우에 입자 유동 베드 가공이 적용될 수 있고, 연속적 압축 응력을 인가하여 표면을 가공하는 쇼트(shot) 피닝이 필요한 경우에 입자 유동 베드 가공이 적용될 수 있다. 또한 벌크(bulk) 기계 가공에 이은 버(burr)의 제거를 위하여 디버링(deburring) 방법이 적용될 수 있으며, 철 또는 비철금속의 표면으로부터 오염 물질을 제거하기 위하여 클리닝(cleaning) 방법이 적용될 수 있다. 그리고 표면 변질층을 제거하고 표면 등방성 경화와 표면 왜도(skewness)의 향상을 위하여 표면 처리(surface preparation) 방법을 적용할 수 있으며 복잡한 부품의 형상을 유지하면서 표면 조도를 개선하고 피삭재를 연마하고 일반적인 연마 장치로 가공할 수 없는 부위의 가공이 필요한 경우에도 연마(polishing) 방법이 적용될 수 있다.
전술한 입자 유동 베드 가공의 장점은 티타늄, 초경합금, 표면 경화강 및 난삭재를 포함한 모든 금속 소재에 적용 가능하고 복잡한 3차원 형상의 표면 가공 및 일반적인 피니싱 가공이 어려운 부품의 적용이 가능한 것이다. 또한 높은 반복 재현성 및 품질 확보가 가능하고 박리 현상이 없는 표면 코팅층 가공이 가능하며 대량 생산이 가능하여 비용 효율이 높은 기계 가공 공정을 구축할 수 있는 특징이 있다. 그리고 친환경적 기계 가공 공정이고 높은 에너지 효율의 특성이 있어서 입자 유동 가공 및 입자 코팅 기술 등으로의 확장 가능성이 높다는 장점이 있다. 하지만 전통적 연삭 가공에 비하여 낮은 재료 제거율과 상대적으로 긴 가공 시간이 필요하고 가공 후에 피삭재로부터 발생하는 가공 부산물(debris)의 배출이 어려우며 장시간 가공 후에는 입자의 오염이 발생할 수 있다. 또한 입자 종류, 크기 및 가공 조건 등의 제한적인 공정 변수로 인한 효율성 향상이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템을 개시하려는 유사 선행 기술에는 대한민국 특허청에 등록된 KR-10-2003-0011008A; KR-10-2005-0112283A; KR-10-2006-0065398A; KR-10-2011-0030721A; KR-10-0412478B1 등이 있다. 상기한 종래의 기술에서는 입자 유동 베드 기술, 화학 반응층 생성 기술, 자유 입자를 이용한 표면 가공 기술 및 마이크로 나노 액적 생성 기술이 연계 및 융합되어 다양한 형태의 3차원 형상 부품의 표면 가공이 가능하고 난삭재의 표면 가공이 가능하며 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공이 가능한 기술이 제공되지 못하였다.
KR-10-2003-0011008A KR-10-2005-0112283A KR-10-2006-0065398A KR-10-2011-0030721A KR-10-0412478B1
본 발명은 상기한 발명의 배경으로부터 요구되는 기술적 필요성을 충족하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 표면 화학 반응을 이용한 고효율 하이브리드 입자 유동 베드 가공 시스템을 제공하고 3차원 부품 형상의 피니싱 가공을 위한 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템을 제공하며 마이크로 및 나노 미스트를 이용한 표면 화학 반응층을 기계적 입자 유동 베드 가공으로 제거할 수 있는 고효율 입자 가공 시스템을 제공하는 것이다. 또한 금속 3차원 프린팅 부품 및 난삭재, 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공을 위한 가공 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템은 피삭재에 산화층 또는 수화층 생성 반응이 일어나고 연마 입자의 기계적 제거력으로 상기 피삭재의 표면 가공 작업이 이루어지는 챔버 모듈; 화학액을 마이크로/나노 크기 입자의 화학액 미스트로 변조하고 상기 챔버 모듈로 주입하는 화학액 미스트 공급 모듈; 상기 챔버 모듈 내 상기 연마 입자 및 상기 화학액 미스트가 동시에 부유 및 유동하도록 압축 공기를 주입하는 공압 펌핑 모듈; 상기 피삭재의 가공 정밀도 향상을 위하여 상기 챔버 모듈 내에서 축을 중심으로 상기 피삭재를 회전시키고 상기 피삭재의 높이를 조절하며 상기 피삭재의 기울기 조절이 가능한 회전 레일 모듈; 상기 챔버 모듈 내 상기 연마 입자를 수거하여 재사용이 가능하도록 하고 상기 화학액 미스트를 외부로 배출하는 집진 배출 모듈;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명은 입자 유동 베드 기술, 화학 반응층 생성 기술, 자유 입자를 이용한 표면 가공 기술 및 마이크로/나노 액적 생성 기술이 연계 및 융합되어 다양한 형태의 3차원 형상 부품의 표면 가공이 가능하고 난삭재의 표면 가공이 가능하며 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 입자 유동 베드 가공 시스템의 기술 개시에 대한 예시도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템의 세부 구성을 나타낸 개략도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템의 피삭재 기울기 조정 예시도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템의 피삭재 높이 조정 예시도이다.
이하에서는, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템의 기술 구성은 크게 입자 유동 베드 기술, 화학 반응층 생성 기술, 자유 입자를 이용한 표면 가공 기술 및 마이크로/나노 액적 생성 기술이 연계 및 융합되어 다양한 형태의 3차원 형상 부품의 표면 가공이 가능하고 난삭재의 표면 가공이 가능하며 전자 재료 및 코팅층의 표면 가공이 가능한 특징이 있다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템을 구성하는 세부적인 모듈의 구성 요소는,
피삭재(10)에 산화층 또는 수화층 생성 반응이 일어나고 연마 입자(20)의 기계적 제거력으로 상기 피삭재(10)의 표면 가공 작업이 이루어지는 챔버 모듈(100);
화학액(30)을 마이크로/나노 크기 입자의 화학액 미스트(31)로 변조하고 상기 챔버 모듈(100)로 주입하는 화학액 미스트 공급 모듈(200);
상기 챔버 모듈(100) 내 상기 연마 입자(20) 및 상기 화학액 미스트(31)가 동시에 부유 및 유동하도록 압축 공기(40)를 주입하는 공압 펌핑 모듈(300);
상기 챔버 모듈(100) 내에서 축을 중심으로 상기 피삭재(10)를 회전시켜 가공하고, 가공 정밀도 향상을 위하여 도 3과 같이 상기 피삭재(10)의 기울기를 조절하여 가공하거나 도 4와 같이 상기 피삭재(10)의 높이를 조절하여 가공하는 것이 가능한 회전 레일 모듈(400);
상기 챔버 모듈(100) 내 상기 연마 입자(20)를 수거하여 재사용이 가능하도록 하고 상기 화학액 미스트(31)를 외부로 배출하는 집진 배출 모듈(500);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버 모듈(100)의 일측에는 상기 화학액 미스트 공급 모듈(200)및 상기 공압 펌핑 모듈(300)과 연통할 수 있는 연결로가 구비되는데, 상기 연결로는 내화학성 정밀 밸브가 장착되어 개폐 조작이 용이하도록 하고 상기 화학액 미스트(31)와 상기 압축 공기(40) 주입량의 정밀 조절이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 챔버 모듈(100)의 상부 일측에는 상기 피삭재(10)의 회전 운동 전달, 기울임 및 높이 조절을 위한 상기 회전 레일 모듈(400)이 장착되는 체결부가 구비되며, 상기 체결부는 회전, 기울임 및 높이 조절이 모두 가능하도록 볼(ball) 형태의 금속구 성형물인 것이 바람직하다. 그리고 상기 챔버 모듈(100)과 상기 회전 레일 모듈(400)은 강성의 재료 구조물(600)에 장착하여 회전 및 진동에 의한 구조적 변형이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 화학액 미스트 공급 모듈(200)에는 상기 화학액(30)의 저장 공간(210);과 상기 저장 공간(210) 내에서 상기 화학액(30)을 미스트화 하기 위한 초음파 트랜스듀서(220); 상기 미스트 화학액(31)을 상기 챔버 모듈(100)로 이송하기 위한 미스트 화학액 수송 장치(230)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 공압 펌핑 모듈(300)에는 상기 챔버 모듈(100)과 연통할 수 있는 연결로가 구비되는데, 도면에 도시되어 있지 않지만 상기 챔버 모듈(100)로부터의 역류 방지를 위하여 일방향 체크 밸브가 장착되는 것이 바람직하다.
상기 회전 레일 모듈(400)은 상기 피삭재(10)를 회전시키기 위한 회전 모터(410); 상기 피삭재(10)의 기울기를 조정하는 기울기 암(420); 상기 피삭재(10)의 높이 조절을 위한 승강판(430)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 집진 배출 모듈(500)의 일측에 구비된 미스트 화학액 배출부(510)는 도면에 도시되어 있지는 않지만 환경적인 측면과 작업 공정의 안정성 확보를 위하여 화학 물질 정화 및 처리 장치에 연결되는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용, 변형 및 개작을 행하는 것이 가능할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10 : 피삭재
20 : 연마 입자
30 : 화학액
40 : 압축 공기
100 : 챔버 모듈
200 : 화학액 미스트 공급 모듈
300 : 공압 펌핑 모듈
400 : 레일 모듈
500 : 집진 배출 모듈

Claims (7)

  1. 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템의 세부적인 모듈은,
    피삭재(10)에 산화층 또는 수화층 생성 반응이 일어나고 연마 입자(20)의 기계적 제거력으로 상기 피삭재(10)의 표면 가공 작업이 이루어지는 챔버 모듈(100);
    화학액(30)을 마이크로/나노 크기 입자의 화학액 미스트(31)로 변조하고 상기 챔버 모듈(100)로 주입하는 화학액 미스트 공급 모듈(200);
    상기 챔버 모듈(100) 내 상기 연마 입자(20) 및 상기 화학액 미스트(31)가 동시에 부유 및 유동하도록 압축 공기(40)를 주입하는 공압 펌핑 모듈(300);
    상기 피삭재(10)의 가공 정밀도 향상을 위하여 상기 챔버 모듈(100) 내에서 축을 중심으로 상기 피삭재(10)를 회전시키고 상기 피삭재(10)의 기울기를 조절하며 상기 피삭재(10)의 높이 조절이 가능한 회전 레일 모듈(400);
    상기 챔버 모듈(100) 내 상기 연마 입자(20)를 수거하여 재사용이 가능하도록 하고 상기 화학액 미스트(31)를 외부로 배출하는 집진 배출 모듈(500);로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 모듈(100)의 일측에는 상기 화학액 미스트 공급 모듈(200)및 상기 공압 펌핑 모듈(300)과 연통할 수 있는 연결로가 구비되며, 상기 연결로는 내화학성 정밀 밸브가 장착되어 개폐 조작이 용이하도록 하고 상기 화학액 미스트(31)와 상기 압축 공기(40) 주입량의 정밀 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 모듈(100)의 상부 일측에는 상기 피삭재(10)의 회전 운동 전달, 기울임 및 높이 조절을 위한 상기 회전 레일 모듈(400)이 장착되는 체결부가 구비되며, 상기 체결부는 회전, 기울임 및 높이 조절이 모두 이루어지도록 볼 조인트 결합으로 형성되며, 상기 챔버 모듈(100)과 상기 회전 레일 모듈(400)은 강성의 재료 구조물(600)에 장착하여 회전 및 진동에 의한 구조적 변형이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학액 미스트 공급 모듈(200)에는 상기 화학액(30)의 저장 공간(210);과 상기 저장 공간(210) 내에서 상기 화학액(30)을 미스트화 하기 위한 초음파 트랜스듀서(220); 상기 미스트 화학액(31)을 상기 챔버 모듈(100)로 이송하기 위한 미스트 화학액 수송 장치(230)가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공압 펌핑 모듈(300)에는 상기 챔버 모듈(100)과 연통할 수 있는 연결로가 구비되며, 상기 챔버 모듈(100)로부터의 역류 방지를 위하여 일방향 체크 밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 레일 모듈(400)은 상기 피삭재(10)를 회전시키기 위한 회전 모터(410); 상기 피삭재(10)의 기울기를 조정하는 기울기 암(420); 상기 피삭재(10)의 높이 조절을 위한 승강판(430)이 구비되는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 집진 배출 모듈(500)의 일측에 구비된 미스트 화학액 배출부(510)는 화학 물질 정화 및 처리 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 화학적 및 기계적 입자 유동 베드 가공 시스템.
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