KR20200093845A - 방전 밀링 가공 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밀링 가공 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 밀링 가공 시 방전가공과 절삭가공이 동시에 수행하는 것을 구현하기 위해, 다수의 블레이드로 이루어진 인덱서블 밀링공구에, 일부 블레이드는 구리 소재의 인서트를 사용해 방전가공을 수행하고, 나머지 블레이드는 탄화물 소재의 절삭인서트를 사용한, 방전 밀링 가공 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 가공 밀링 장치는 가공소재가 안착되는 고정부를 포함하는 작업테이블; 스핀들 회전축의 외주면을 따라 배열되어 설치되는 결합부, 결합부에 결합되는 블레이드부를 포함하며, 상기 블레이드부 중 적어도 하나 이상이 체결 및 해체가 가능하여, 교체될 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 스핀들에 장착되어 회전하여 상기 가공소재를 가공하는 엔드밀부; 상기 엔드밀부 및 상기 가공소재 간에 전원을 공급하여, 엔드밀부와 가공소재 사이에 방전가공이 수행되도록 하는 전원공급부; 상기 가공소재와 상기 엔드밀부 간의 간극을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 엔드밀부가 상기 가공소재를 가공 시, 기계 절삭가공과 방전가공이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 가공 밀링 장치는 가공소재가 안착되는 고정부를 포함하는 작업테이블; 스핀들 회전축의 외주면을 따라 배열되어 설치되는 결합부, 결합부에 결합되는 블레이드부를 포함하며, 상기 블레이드부 중 적어도 하나 이상이 체결 및 해체가 가능하여, 교체될 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 스핀들에 장착되어 회전하여 상기 가공소재를 가공하는 엔드밀부; 상기 엔드밀부 및 상기 가공소재 간에 전원을 공급하여, 엔드밀부와 가공소재 사이에 방전가공이 수행되도록 하는 전원공급부; 상기 가공소재와 상기 엔드밀부 간의 간극을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 엔드밀부가 상기 가공소재를 가공 시, 기계 절삭가공과 방전가공이 수행되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 밀링 가공 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 밀링 가공 시 방전가공과 절삭가공이 동시에 수행하는 것을 구현하기 위해, 다수의 블레이드로 이루어진 인덱서블 밀링공구에, 일부 블레이드는 구리 소재의 인서트를 사용해 방전가공을 수행하고, 나머지 블레이드는 탄화물 소재의 절삭인서트를 사용한, 방전 밀링 가공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 소재 표면 가공 방법에는 기계 밀링 가공, 화학가공, 방전가공, 및 기타 처리방법이 있다. 여기서 방전가공(EDM, Electrical Discharge Machining)은, 소재와 공구 사이에 전압을 인가하여 방전을 발생시켜 가공하는 방법이다. 재료의 경도, 강도, 또는 인성에 상관없이 가공이 가능하며, 진동에 의한 공구파손의 위험이 없는 것이 장점이다. 다만 열에너지에 의한 가공이기 때문에 공구의 파손은 없지만 공구가 용융될 수 있다. 또한 비전도성 재료는 가공할 수 없다는 것이 단점이다.
또한 기계 밀링 가공의 경우, 작업 후 표면의 거칠기는 낮으며 절삭가공 속도가 높아 완성도가 높으나, 고경도의 가공소재를 가공하는 것이 어려우며, 이에 반해 방전 가공의 경우, 고경도의 가공소재 가공이 가능하나 절삭가공 속도가 기계적 밀링 가공보다 떨어지고 표면의 거칠기가 높아, 작업 결과물의 완성도가 저하되는 단점이 있다.
이에 따라, 가공되는 가공소재의 재질 특성이나 가공 목적 패턴에 따라 선택적으로 기계가공 또는 방전가공을 채택하였으나, 절삭가공 속도가 우수하고 표면 거칠기가 낮은 소재 표면 가공 방법의 개선이 바람직하다.
대한민국 등록특허 제 10-1341117호(발명의 명칭: 기계적 밀링가공과 방전가공이 융합된 하이브리드 절삭가공장치 및 절삭가공방법)에서는, 가공소재를 목적하는 형태로 방전가공 및 기계적 밀링가공을 융합하여 절삭하기 위한 하이브리드 절삭가공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스핀들에 장착되어 회전하는 엔드밀과 상기 엔드밀과 접촉되어 절삭가공되는 가공소재에 플러스 전극 또는 마이너스 전극을 각각 인가함으로써 다수개의 절삭날부와 상기 절삭날부 사이의 홈저면에서 기계적 절삭가공 및 방전가공이 교번 수행하는 기계적 밀링가공과 방전가공이 융합된 하이브리드 절삭가공장치에 관한 것이다.
위에 서술한 바와 같은 요구에 따라, 절삭가공과 방전가공을 동시에 수행하는 하이브리드 가공장치가 이미 존재하지만, 방전 가공으로 인해 공구가 용융되는 단점이 존재했다. 따라서, 공구의 마모 또는 파손에 따른 교체가 가능한 가공용 공구 또는 장치가 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 밀링 가공에 있어서, 절삭 속도를 향상시키고 절삭 표면의 거칠기를 감소시키는, 기계적 밀링 가공과 방전가공을 동시에 수행하며, 공구의 부분 교체가 가능한 방전 밀링 가공 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 방전 밀링 가공 장치는, 가공소재가 안착되는 고정부를 포함하는 작업테이블; 스핀들 회전축의 외주면을 따라 배열되어 설치되는 결합부, 결합부에 결합되는 블레이드부를 포함하며, 상기 블레이드부 중 적어도 하나 이상이 체결 및 해체가 가능하여, 교체될 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 스핀들에 장착되어 회전하여 상기 가공소재를 가공하는 엔드밀부; 상기 엔드밀부 및 상기 가공소재 간에 전원을 공급하여, 엔드밀부와 가공소재 사이에 방전가공이 수행되도록 하는 전원공급부; 입력단자에 기준전압이 입력되는 비교기와, 상기 비교기의 출력전압에 기초하여, 상기 가공소재와 상기 엔드밀부 간의 간극을 제어하는 간극제어기를 포함하는 제어부;를 포함하며, 상기 엔드밀부가 상기 가공소재를 가공 시, 기계 절삭가공과 방전가공이 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원공급부가 저항, DC파워서플라이를 포함하고, 일단이 상기 전원공급부에 접속되어 상기 전원공급부로부터 인가되는 전압을 충전 또는 방전하는 것으로서, 일단이 상기 엔드밀부의 일측에 접속되고 타단이 상기 가공소재의 일측에 접속되는 커패시터;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 커패시터의 용량 또는 인가전원의 전압에 따라 결정되는 방전 특성에 의해, 상기 스핀들 또는 상기 작업테이블이 X, Y, 및 Z축 상으로의 이동과, 상기 제어부에서 설정된 상기 작업테이블 또는 상기 스핀들의 이동 속도 제어가 되는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 블레이드부가 제1블레이드 및 제3블레이드를 포함하고, 전압이 인가되어 방전이 되며, 전압이 인가되어 방전이 되며, 상기 가공소재에 인접할 때 방전가공이 수행되는 제1인서트날부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 블레이드부가 제2블레이드 및 제4블레이드를 포함하고, 상기 가공소재에 접촉될 때 기계 절삭가공이 수행되는 제2인서트날부를 포함할 수 있다. 더불어, 상기 제1인터스날부와 상기 제2인서트날부가, 가공소재를 가공 시 상호 교번적으로 기계 절삭가공과 방전가공을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1블레이드 및 제2블레이드가 구리 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 더불어, 상기 제3블레이드 및 제4블레이드가 탄화물 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1블레이드 및 제2블레이드는 황동, 철 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 엔드밀부의 결합부가 다단으로 형성되어, 상기 제1 내지 제4블레이드가 결합하도록 하고, 상기 엔드밀부의 다단 부위에 형성되는 슬롯과, 이에 볼트를 사용하여 결합하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 엔드밀부와 상기 제3블레이드 또는 제4블레이드 사이에 절연패드가 삽입되어 절연볼트로 결합되고, 방전가공 수행 시 상기 절삭 인서트를 절연시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연볼트가 세라믹 소재로 형성된 볼트인 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연패드가 PVC보드 또는 절연종이 소재로 형성된 패드인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 구리전극 인서트부 및 상기 절삭 인서트부의 실시간에 따른 위치 판단하여 상기 가공소재와 상기 엔드밀부의 갭(gap)을 변경할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서, 방전 밀링 가공 장치를 이용한 방전밀링가공 시스템은, 상기 가공소재가 안착되는 고정부(fixture)를 포함하는 상기 작업테이블; 상기 엔드밀부가 결합되고, 상기 엔드밀부를 회전시키는 상기 스핀들; 상기 스핀들에 동력을 공급하는 상기 전원공급부; 상기 스핀들에 공급되는 동력을 측정하는 동력계(dynamometer); 절삭가공 시, 상기 가공소재에 절삭유를 공급하는 절삭유 노즐(oil pipe); 상기 제어부와 컴퓨터에 연결되고, 가공 데이터를 전송하는 오실로스코프(Oscilloscope); 및 상기 가공 데이터의 그래프 및 사진이 표시되는 상기 컴퓨터;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 밀링가공에 있어서, 절삭 속도를 향상시키고 절삭 표면의 거칠기를 감소시키는 기계적 밀링가공과 방전가공을 동시에 수행하며, 공구의 부분 교체가 가능하여, 소재 표면 가공에 따른 작업 비용 절감을 기대할 수 있다. 또한, 방전에 의한 가열로 인해 공작물이 연화되어 소재 가공이 더 쉬울 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 스핀들 및 엔드밀부의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 결합관계를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 실시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부 및 절연패드의 결합 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 방전파형의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 방전파형의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭력에 관한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전밀링가공 장치를 사용한 가공소재 표면 결과의 3D그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기계 절삭가공 전후의 가공소재 단면의 비교도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전가공 전후의 가공소재 면의 비교도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 스핀들 및 엔드밀부의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 결합관계를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 실시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 엔드밀부 및 절연패드의 결합 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 방전파형의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치의 방전파형의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭력에 관한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전밀링가공 장치를 사용한 가공소재 표면 결과의 3D그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기계 절삭가공 전후의 가공소재 단면의 비교도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전가공 전후의 가공소재 면의 비교도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치(100)의 구성도이다.
본 발명인 방전 밀링 가공 장치(100)는, 가공소재(300)가 안착되는 작업테이블(200); 스핀들(400) 회전축의 외주면을 따라 배열되어 설치되는 결합부, 결합부에 결합되는 블레이드부를 포함하며, 블레이드부 중 적어도 하나 이상이 체결 및 해체가 가능하여, 교체될 수 있는 것을 특징으로 하고, 스핀들(400)에 장착되어 회전하여 가공소재(300)를 가공하는 엔드밀부(500); 엔드밀부(500) 및 가공소재(300) 간에 전원을 공급하여, 엔드밀부(500)와 가공소재(300) 사이에 방전가공이 수행되도록 하는 전원공급부; 가공소재(300)와 엔드밀부(500) 간의 간극을 제어하는 제어부;를 포함하며, 엔드빌부(500)가 가공소재(300)를 가공 시, 기계 절삭가공과 방전가공이 수행되는 것을 특징으로 한다.
여기서 방전(Electric Discharge)은 아크 방전, 코로나 방전, 스파크 방전 및 글로우 방전으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 방전방법일 수 있다. 보다 상세하게는, 아크 방전의 경우, 전류를 매우 높게 가해주면 발생하고 가열된 열에너지로 인해 다량의 전자 방출할 수 있다. 코로나 방전은, 전극에 샤프(sharp)한 부분이 존재할 경우, 그 곳에 전하가 집중되어 방전, 발광 현상이 일어나고, 전력손실과 노이즈 발생이 있으며, 부분방전이라고도 한다. 스파크 방전은 전극모양이 평판전극에서 돌출부가 있어, 방전 시 돌출부에 순간적이고 강한 발광과 함께 소리가 발생할 수 있다.
여기서 스핀들(400)(spindle)은, 선반 또는 드릴링(drilling) 머신 등의 공작기계의 기계 부품의 하나로서, 축단(軸端)부에 공작물 또는 절삭 공구가 장착되며 회전축 또는 주축(主軸)이라고도 한다. 스핀들(400)에는 가공소재(300)를 절삭하기 위한 엔드밀(end mill)부가 장착되는데, 엔드밀부(500)는 엔드밀링 커터라고도 하며, 외관이 드릴과 비슷하나 드릴은 구멍 내기 가공에만 사용되는데 비하여, 엔드밀부(500)는 밑면과 옆면이 날로 되어 있기 때문에 가공소재(300)의 평면 및 옆면의 가공 수행을 할 수 있다.
또한, 전원공급부가 저항(620), DC 파워서플라이(610)를 포함하고, 일단이 전원공급부에 접속되어 전원공급부로부터 인가되는 전압을 충전 또는 방전하는 것으로서, 일단이 엔드밀부(500)의 일측에 접속되고, 타단이 가공소재(300)의 일측에 접속되는 커패시터(600);를 포함할 수 있다. 또한, 전원공급부는 가공소재(300)의 재질에 따라 가공소재(300) 또는 엔드밀부(500)에 인가하는 전극의 극성이 설정될 수 있다.
보다 상세하게는, 전원공급부는 엔드밀부(500) 및 가공소재(300) 간에 전원을 공급하여 엔드밀부(500)와 가공소재(300) 간에 방전가공이 수행되도록 구비되는데, 이러한 전원공급부의 구성은 커패시터(600)가 구비되어 충전된 전압이 엔드밀부(500)와 가공소재(300) 간에 공급되어 방전이 발생된 후, 다시 커패시터(600)에 재충전하는 순환구성을 가질 수 있으며, 이는 종래기술을 활용한 것일 수 있다.
또한 제어부의 간극 조절 제어에 따라, 작업테이블(200)이 이동하거나 스핀들(400)이 이동하게 된다. 보다 상세하게는, 커패시터(600)의 용량(C) 또는 인가전원의 전압(V)에 따라 결정되는 방전 특성에 의해, 스핀들(400) 또는 작업테이블(200)이 X, Y, 및 Z축 상으로의 이동과, 제어부에서 설정된 작업테이블(200) 또는 스핀들(400)의 이동 속도 제어가 이루어질 수 있다.
또한 제어부는 앞서 서술한 바와 같이, 전원공급부의 공급전원 인가여부를 제어하며 가공소재(300)와 엔드밀부(500) 간의 간극을 제어하도록 구비되는데, 이러한 간극 제어는 별도로 구비된 비교기를 통해 검출된 전압차를 전달받아, 별도로 구비된 간극제어기가 분석하여 절삭 정도에 따라 스핀들(400) 또는 가공소재(300)의 이동제어가 가능할 수도 있으며, 이는 종래기술을 활용한 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치(100)의 스핀들(400) 및 엔드밀부(500)의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀부(500)의 평면도이고, 도 4 및 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀부(500)의 결합관계를 보여주는 사시도이다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 블레이드부가 제1블레이드 및 제3블레이드를 포함하고, 전압이 인가되어 방진이 되며, 가공소재(300)에 인접할 때 방전가공이 수행되는 제1인서트날부를 포함할 수 있다. 또한, 제2블레이드 및 제4블레이드를 포함하고, 가공소재(300)에 접촉될 때 기계 절삭가공이 수행되는 제2인서트날부를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 제1인서트날부와 제2인서트날부가 가공소재를 가공 시, 상호 교번적으로 기계 절삭가공과 방전가공을 수행하는 것이 바람직하다. 이를 통하여 본 발명의 실시 예 중 하나인 하이브리드 가공이 이루어질 수 있다.
여기서 엔드밀부(500)는, 전원공급부로부터 전원을 공급받을 수 있어, 기계 절삭가공이 가능하도록 초경합금 또는 고속도강 소재로 이루어지는 것이 좋을 수 있다. 초경합금은 경도가 다이아몬드에 가까울 정도로 극히 높고, 고온에서 내산화성이 뛰어나며, 초경합금 및 고속도강은 기존의 여타 공구에 비해 내열성이 우수하여, 방전가공 시 발생되는 열에 대한 내구성이 뛰어나 본 발명에 따른 엔드밀부(500)의 소재로 바람직하다.
또한, 엔드밀부(500)의 결합부가 다단으로 형성되어, 상기 제1인서트날부(510) 및 상기 제2인서트날부(520)가 결합하도록 하고, 엔드밀부(500)의 다단 부위에 형성되는 슬롯과, 이에 볼트를 사용하여 결합할 수 있다.
여기서 제1인서트날부는, 구리 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 황동, 철 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 형성될 수도 있다.
여기서 제2인서트날부는, 탄화물 소재로 형성될 수 있다. 탄화물(炭化物, carbide)이란, 탄소와 금속이 결합한 화합물로서, 대표적으로 철 탄화물, 텅스텐 탄화물 등이 있다. 철 탄화물은 시멘타이트(cementite)라고도 하며, 고온의 강철 속에 생긴다. 분포와 형상에 따라 강철의 강도가 다르고, 이것이 많을수록 내마모성이 뛰어나, 기계 세공에 사용될 수 있다. 금속합금이 철강재료인 경우에는 철금속이 탄소와 결합하여 시멘타이트를 형성하고, 철강재료 중 백주철과 같은 재료는 탄소가 거의 시멘타이트의 형태로 존재하며, 내마모성이 뛰어나서 볼밀(ball mill)과 같은 마모가 심한 부분에 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀부(500)와 가공소재(300) 간에 가공모습을 표현한 실시도이다.
여기서 구리전극은, 커패시터(600)로부터 100 내지 1,000,000pF(pico Farad, 피코패럿)을, 전원공급부로부터 100 내지 250V의 전압을 공급받아 방전이 일어날 수 있다. 이때, 구리전극 인서트부(510)와 가공소재(300) 간의 갭(gap, 또는 radial cutting depth)은 0.15 내지 0.2mm이 바람직할 수 있다. 이는 반복 실험 결과 방전가공이 발생하는 최적의 갭을 찾아낸 것으로서, 도 11에서 알 수 있다.
방전에 의한 가열로 인해 가공소재(300)의 절삭부위가 어느 정도 연화된 상태에서, 후속으로 기계 절삭가공이 수행되면, 절삭 속도가 대폭 향상되게 되며, 가공소재(300) 절삭표면의 매끄러움이 향상되고, 소재 가공의 난이도를 감소할 수 있다.
또한, 방전가공이 90분 전후로 일어난 후, 구리전극 인서트부(510) 전체가 마모될 수 있다. 이러한 이유로, 위에서 서술한 바와 같이 교체가 쉬운 구조를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 구리전극 인서트부(510)와 절삭 인서트부는 마모속도가 다를 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀부(500)와 절연패드(540) 간의 결합 예시도이다.
엔드밀부(500)와 절삭 인서트부(520) 사이에 절연패드(540)가 삽입되어 절연볼트(530)로 결합되고, 방전가공 수행 시 상기 절삭 인서트를 절연시킬 수 있다. 여기서, 절연볼트(530)가 세라믹 소재로 형성된 볼트일 수 있으며, 절연패드(540)는 PVC보드 또는 절연종이 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서 절연패드(540)는, 방전가공 시 엔드밀부(500)에 상시 잔류하는 전류를 차단하여, 절삭 인서트부(520)를 보호할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 밀링 가공 장치(100)의 방전파형의 그래프이다.
엔드밀부(500)의 1회전당 20ms의 주기를 갖는다. 스핀들(400) 회전속도를 3,000rpm으로 하여 측정하였다. 이에 따라 검출된 방전전압은 최대 250V를 넘지 않고, 전파형을 살펴보면, 방전 주기는 약 20ms이므로 이것을 주파수로 변환하면 50Hz로 방전이 일어나고 있음을 확인할 수 있다. 또한 절삭 주파수는 50Hz이므로 엔드밀부(500)가 1회전 할 때 가공소재(300)와 접촉하여 50회 절삭하게 된다.
이를 통해 측정된 방전 주기로 방전 주파수를 계산하면 방전가공은 엔드밀부(500) 1회전 동안 기계 절삭가공이 2회 수행되고 방전 가공은 50번 가까이 가공에 참여하고 있음을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 기계 절삭가공 주파수보다 방전 주파수가 훨씬 큼을 알 수 있는데, 이러한 방전 주파수와 기계 가공 주파수의 큰 차이에 따라 본 발명에 따른 가공특성이 향상될 수 있는 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭력(cutting force)에 관한 그래프이다.
해당 실험에서의 절삭관련변수(cutting parameter)로는, 가공소재(300)가 철이며, 엔드밀 직경 7mm, 가공속도(Feed rate) 1, 2, 5, 10, 또는 15mm/min, 스핀들(400) 속력 3000rpm, 가공전압 220V, 정전용량(capacitance) 10000pF, 방사형 절삭 깊이(radial cutting depth) 0.1mm, 그리고 축방향 절삭 깊이(axial cutting depth)는 1mm이다.
이와 같은 조건에 따른 결과로, 기계 절삭가공의 경우(CM)에 15mm/min의 가공속도에서 공구 파손이 일어났으며, 기계 절삭가공과 방전가공의 경우(ED-Milling) 모두 최대 50N(Newton, 뉴턴)에 가까운 절삭력을 보여줬다. 이를 통해, 기계 절삭가공이 방전가공 보다 높은 절삭력을 지니나, 가공속도의 한계로 인해 공구 파손이 발생하므로, 이를 보완하기 위해 방전가공이 더불어 수행됨이 필요함을 다시 한번 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전밀링가공 장치를 사용한 가공소재(300) 표면 결과의 3D 표현도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 가공 실험에서, 절삭관련변수로는, 가공소재(300)가 철이며, 엔드밀의 직경은 7mm, 가공속도는 2mm/min, 스핀들(400) 속력은 3000rpm, 가공전압은 220V, 정전용량은 10000pF, 방사형 절삭 깊이는 0.2mm, 그리고 축방향 절삭 깊이는 1mm이다. 이와 같은 조건에 따른 결과로 기계 절삭가공의 경우(d1)에는 1.7950μm, 방전가공의 경우(d2)에는 0.5812μm의 표면 거칠기(Ra, Roughness average)가 나타났다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기계 절삭가공 전후의 가공소재(300) 단면의 비교도이며, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전가공 전후의 가공소재(300) 면의 비교도이다.
도 12에서 e1는 80배 확대, e2는 500배 확대한 가공소재(300) 표면의 모습이다. 도 13에서 또한, f1은 80배 확대, f2는 500배 확대한 가공소재(300) 표면의 모습으로서, 기계 절삭가공 후 방전가공을 거친 결과물의 표면이 훨씬 매끄러워진 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 방전 밀링 가공 장치(100)는, 절삭 속도를 대폭 개선시킴에도 불구하고 기존 방전 가공방식의 높은 표면 거칠기를 기계 절삭가공 방식 수준으로 낮출 수 있어 절삭 효율 및 가공 결과가 대폭 향상된다.
가공소재(300)가 알루미늄 재질인 경우, 엔드밀부(500)에 마이너스 전원을 피공작물에 플러스 전원을 인가한 경우 목적하는 절삭가공이 이루어지지 않고 불규칙한 형상으로 절삭됨을 알 수 있다. 이에 반해 반대로 전원을 인가할 경우 규칙적으로 목적하는 형태로 절삭됨을 알 수 있으며 이러한 공급 전원의 전극 형태는 산화피막 생성여부에 따라 피공작물의 재질을 고려하여 결정하여야 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예인 방전 밀링 가공 시스템은, 가공소재(300)(work piece); 가공소재 고정부(210)(fixture)를 포함하는 작업테이블(200); 엔드밀부(500)가 결합되고, 엔드밀부(500)를 회전시키는 스핀들(400); 스핀들(400)에 동력을 공급하는 전원공급부; 스핀들(400)에 공급되는 동력을 측정하는 동력계; 절삭가공 시, 가공소재(300)에 절삭유를 공급하는 절삭유 노즐(oil pipe); 제어부와 컴퓨터(800)에 연결되고, 가공 데이터를 전송하는 오실로스코프(700); 및 가공 데이터의 그래프 및 사진이 표시되는 컴퓨터(800);를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서 동력계(動力計, dynamometer)는, 그 종류로 흡수동력계, 공기동력계, 수동력계, 및 전달동력계 등이 있으며, 흡수동력계는 기계에서 발생하는 마력(馬力)의 대부분을 흡수하여, 그 토크를 측정하고, 회전계로 측정한 회전수로부터 마력을 계산한다. 전달동력계는 전동축에 가해진 토크를 계산하여 이것과 축의 회전수로부터 전달마력을 구한다. 축의 비틀림에 의해 생기는 축의 변형을 저항선의 전기 저항 값의 변화로 바꾸고, 오실로스코프(700)를 사용하여 동력을 표시할 수 있다.
여기서 오실로스코프(700)(oscilloscope)는, 시간에 따른 입력전압의 변화를 화면에 출력하는 장치로서, 전기진동이나 펄스처럼 시간적 변화가 빠른 신호를 관측한다. 일반적으로 브라운관에 녹색 점으로 영상을 나타내지만, 액정화면을 사용하는 전자식도 있으며, 이는 종래기술을 활용한 것일 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 밀링가공에 있어서, 절삭 속도를 향상시키고 절삭 표면의 거칠기를 감소시키는 기계적 밀링가공과 방전가공을 동시에 수행하며, 공구의 부분 교체가 가능하여, 소재 표면 가공에 따른 작업 비용 절감을 가져오며, 방전에 의한 가열로 인해 공작물이 연화되어 소재 가공의 난이도를 감소할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 방전 밀링 가공 장치
200 : 작업테이블
210 : 고정부
300 : 가공소재
400 : 스핀들
500 : 엔드밀부
510 : 제1인서트날부
520 : 제2인서트날부
530 : 절연볼트
540 : 절연패드
600 : 커패시터
610 : DC 파워서플라이
620 : 저항
700 : 오실로스코프
800 : 컴퓨터
200 : 작업테이블
210 : 고정부
300 : 가공소재
400 : 스핀들
500 : 엔드밀부
510 : 제1인서트날부
520 : 제2인서트날부
530 : 절연볼트
540 : 절연패드
600 : 커패시터
610 : DC 파워서플라이
620 : 저항
700 : 오실로스코프
800 : 컴퓨터
Claims (14)
- 가공소재가 안착되는 고정부를 포함하는 작업테이블;
스핀들 회전축의 외주면을 따라 배열되어 설치되는 결합부, 결합부에 결합되는 블레이드부를 포함하며, 상기 블레이드부 중 적어도 하나 이상이 체결 및 해체가 가능하여, 교체될 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 스핀들에 장착되어 회전하여 상기 가공소재를 가공하는 엔드밀부;
상기 엔드밀부 및 상기 가공소재 간에 전원을 공급하여, 엔드밀부와 가공소재 사이에 방전가공이 수행되도록 하는 전원공급부;
상기 가공소재와 상기 엔드밀부 간의 간극을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 엔드밀부가 상기 가공소재를 가공 시, 기계 절삭가공과 방전가공이 수행되는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전원공급부가 저항, DC파워서플라이를 포함하고, 일단이 상기 전원공급부에 접속되어 상기 전원공급부로부터 인가되는 전압을 충전 또는 방전하는 것으로서, 일단이 상기 엔드밀부의 일측에 접속되고 타단이 상기 가공소재의 일측에 접속되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어부가, 상기 커패시터의 용량 또는 인가전원의 전압에 따라 결정되는 방전 특성에 의해, 상기 스핀들 또는 상기 작업테이블이 X, Y, 및 Z축 상으로의 이동과, 상기 제어부에서 설정된 상기 작업테이블 또는 상기 스핀들의 이동 속도 제어가 이루어지도록하는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 블레이드부가 제1블레이드 및 제3블레이드를 포함하고, 전압이 인가되어 방전이 되며, 상기 가공소재에 인접할 때 방전가공이 수행되는 제1인서트날부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 블레이드부가 제2블레이드 및 제4블레이드를 포함하고, 상기 가공소재에 접촉될 때 기계 절삭가공이 수행되는 제2인서트날부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 제1인서트날부와 상기 제2인서트날부가, 가공소재를 가공 시 상호 교번적으로 기계 절삭가공과 방전가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 제1인서트날부가 구리 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 제1인서트날부는 황동, 주석, 철 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 제2인서트날부가 탄화물 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 엔드밀부의 결합부가 다단으로 형성되어, 상기 제1 내지 제4블레이드가 결합하도록 하고, 상기 엔드밀부의 다단 부위에 형성되는 슬롯과, 이에 볼트를 사용하여 결합할 수 있는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 엔드밀부와 상기 제2인서트날부 사이에 절연패드가 삽입되어 절연볼트로 결합되고, 방전가공 수행 시 상기 제2인서트날부를 절연시키는 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 11에 있어서,
상기 절연볼트가 세라믹 소재로 형성된 볼트인 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 11에 있어서,
상기 절연패드가 PVC보드 또는 절연종이 소재로 형성된 패드인 것을 특징으로 하는 방전 밀링 가공 장치.
- 청구항 1의 방전 밀링 가공 장치를 이용한 방전밀링가공 시스템에 있어서,
상기 가공소재가 안착되는 상기 고정부를 포함하는 상기 작업테이블;
상기 엔드밀부가 결합되고, 상기 엔드밀부를 회전시키는 상기 스핀들;
상기 스핀들에 동력을 공급하는 상기 전원공급부;
상기 스핀들에 공급되는 동력을 측정하는 동력계;
절삭가공 시, 상기 가공소재에 절삭유를 공급하는 절삭유 노즐;
상기 제어부와 컴퓨터에 연결되고, 가공 데이터를 전송하는 오실로스코프; 및
상기 가공 데이터의 그래프 및 사진이 표시되는 상기 컴퓨터;를 포함하는 방전밀링가공 시스템.
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