KR930012261B1 - 초음파 연마방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

초음파 연마방법

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에서 사용되는 초음파 가공기를 나타낸 개략도이고,

제2도 및 제3도는 본 발명의 효과를 나타낸 탄화물 성형체 다이(carbide compacting die)의 ＂연마전＂과 ＂연마후＂의 현미경사진이다.

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 초음파 진동의 수단에 의하여 금속 등과 같은 고형체(固形體)를 연마(polishing)하는 방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 본 발명은, 연마 동작 가공물(workpiece)의 표면 형상과 부합하는 형상으로 가공되는, 비교적 더 초음파적으로 연마가능한 공구에 의해 가공물의 표면을 초음파진동으로 연마하는 방법에 관한 것으로서 공구의 진동이 공구와 가공물 사이로 공급되는 엑상 연마 슬러리에 전달되는 것이다.

특히, 본 발명은, 미세한 부분이나 복잡한 부분을 가지며 미세부분이나 명료성(resolution)을 손상치 아니하고 표면 거칠기를 줄일 필요가 있는 복합적인 표면과 복잡한 형상을 연마하는 데에 적합한 방법인 것이다.

[배경기술]

초음파 가공은 널리 알려진 가공방법이며, 이 가공방법은 가공물의 표면과 동 표면과 인접한 진동하는 공구 사이에서 순환되는 슬러리에 함유된 연마사(grit)에 의하여 연마하는 방법이며, 이때의 진동은 그 주파수가 가청범위 이상 즉, 통상적으로 분당 19,500에서 20,500싸이클 범위 내에서 진동하게 되며, 진폭은 0.1mm미만, 통상적인 범위는 0.001에서 0.005mm이다.

또한 공구는 공구자체의 마멸을 최소화할 수 있도록 높은 충격저항을 갖기 위하여 고장력(high strength)과 연성(ductility)이 좋은 재질로 제조된다. 상기한 공구는 가공물과 접촉이 되지 않고, 실제적인 가공은 연마슬러리 속에 함유된 연마입자에 의하여 행해지며, 상기한 연마입자는 공구의 초음파 진동으로 가공물의 표면에 수직으로 충격을 주게되어 가공물의 표면을 가공하기 때문에 연마공구의 표면도 가공물의 표면을 가공할 때에 그 가공물의 표면과 부합되는 입체적인 형태로서 음각으로 연삭된다. 이러한 가공방법은 종래의 기계가공이거나, 또는 심지어 방전가공, 전해가공 등과 같은 특수가공으로도 가공하기 어려운 유리, 세라믹, 소성된, 또는 유리상의 내화물질, 고경도 및/또는 취성의 금속 등과 같은 소재를 가공하는 때에 특히 유용하게 사용되고 있다.

초음파 가공은 특히 가공물의 고유 특성 때문에 종래의 기계가공이나 또는 방전가공, 전해가공 등과 같은 특수가공으로도 가공할 수 없는 복잡한 형상을 가공할 수 있는 데에 유익하다는 것이 입증되었다.

그러나, 초음파 가공은 가공물뿐만 아니라 공구도 연마제에 의해 마멸되기 때문에, 공구가 사용되어 닳아 없어짐에 따라 미세부분의 마멸이 진행되고 또한 가중되어 명료성을 잃게된다. 상기와 같은 이유로서 공구의 소재를 보다 중요하게 생각하게 되었는데 이 공구의 소재로서는 그 마멸도가 가공물의 마멸도 보다는 훨씬 낮도록 비교적 경도가 높고, 연성이 좋은 재질, 초음파 가공에 의해서는 쉽게 마멸되지 않는 소재를 사용하게 되는데 그 예로서는 통상 냉간압연강, 오스테나이트스텐레스강, 구리, 알루미나움 등으로 만들어진다.

또한, 정상적인 초음파 가공은 공구표면과 가장 근접된 가공물의 표면만을 연마한다. 따라서 초음파 가공이, 그 연마작업시, 어떤 형상이 이미 형성되었거나, 또는 부분적으로 형성되어 있는 가공물에 대하여 행해질 경우에는 그 초음파 가공을 행한 가공물이 소망하는 바에 비하여 너무 지나치게 마멸이 생긴다던지, 또는 불균일하게 연마가 된다던지, 또는 가공물을 훼손하는 등의 불량발생이 생기지 않도록 공구와 가능한 한 정확하게 할출하고 위치맞춤을 행하는 것이 매우 중요하게 된다. 그러나 이처럼 공구와 가공물을 정확하게 할출하는 위치맞춤을 행하는 것은 많은 시간과 인력을 필요로 하는 것이다.

상술한 문제점으로 인해 가공물 소재의 특성이 허용하는 한, 다른 가공기술을 강구하게 되었으며 다른 연마기술의 사용을 필요로 하게 되었다. 통상적으로 사용되는 어떠한 연마기술도 종래부터 노동집약적이고, 시간이 많이 소요되며, 또한 그 작업하는 데에 숙련된 기술자가 필요로하고, 더욱이 때에 따라 불균일한 가공이 발생하기도 한다. 어떠한 방법에 의하든지, 연마는 가공물로부터 그 가공물의 아주 적은 양을 연삭하여 제거하는 것이며 이상적으로는 균일하게 제거하여야 한다. 그런데, 수동식 연마, 진동 마무리(vibratory finishing) 버프연마, 브러쉬 연마 및 호닝압출연마는 가공물의 소재를 원하는 바대로 균일하게 제거할 수 없으며, 특히 그 가공물의 표면형상이 복잡한 경우에 그러하다. 한편, 바니싱(burnishing)은 가공물의 표면을 재형성하는 경향이 있어서 치수의 변경을 야기한다.

[발명의 개시]

본 발명은 가공물보다 초음파적으로 훨씬 더 연마성이 좋은 공구를 사용함으로써 이 공구에 가공물의 표면형상과 부합되는 형성을 미리 형성할 필요가 없어, 가공물을 초음파로 연마하는 방법을 제공하며, 표면에 어떠한 형상도 없는 도구 (blank tool face)를 사용한다.

본 발명에서는, 공구가 진동할 때, 그 진동이 공구와 가공물과의 사이에 공급된 연마슬러리에 전달됨으로써 그 공구가 가공물의 형상에 따라 고명료성과 미세함을 갖는 방식으로 빠르게 연삭된다. 그 후, 공구는 비교적 고비율로 연삭되어지는 것을 계속하면서 가공물의 형사에 따라 고명료성과 미세함을 유지하는데 이 때 가공물의 표면도 상기한 공구의 연삭정도보다는 훨씬 적은 정도로 연마되어서 공구가 점차적으로 다 마멸되어 없어지는 동안에 가공물의 표면이 연마되는 것이며, 이때 공구는 항시 가공물의 표면과 부합되는 명료성과 미세형상을 유지하게 되는 것이다.

본 발명은 공구의 소재보다 초음파 연삭성에 대한 저항이 더욱 강한 소재를 연마하는데 적용될 수 있다. 이러한 방식, 즉 공구가 가공물 보다 더욱 빠르게 연삭된다는 사실로 인해, 공구는 가공물과 부합하는 형상으로 지속적으로 또한 생득적(inherently)으로 재드레스(re-dressed)된다. 공구가 우선적으로 가공되어지는 것은 가공물에 대한 연마가 균일하게 되고 또한 미세부분의 형상에 대한 일치성(conformity)을 증진하는 결과로 됨으로써 연마에 있어서 가공물의 마멸에 의한 손상이 없게 되는 결과로 된다.

본 발명은 전술한 바와 같이 종전부터 초음파 가공을 행하고 있던 소재를 포함한, 경도가 매우 높은 소재뿐만 아니라 청동, 황동 또는 금 등과 같이 비교적 무르고(soft) 다루기 쉬운 가공물과, 중합물질(polymeric materials) 및 종전에는 초음프 가공으로는 적절하지 못하다고 생각되었던 수종의 다른 소재에도 적용할 수 있다.

본 발명의 초음파 연마방법은 가공물의 명료성이나 미세한 부분의 실제적인 형상을 변경하지 않으면서 그 가공물의 복잡성이나 미세부분에 대한 정밀도에 구애됨이 없이 소정의 정도(精度)의 연마범위에 따라 표면 다음기(surface finishes)를 할 수 있다. 표면 거칠기는 약 0.1미크론 Ra의 고정도(高情度)로 까지 감소될 수 있는데, 이러한 고정도의 연마가 항상 요구되는 것은 아니어서, 이보다 낮은 수준의 연마로도 주어진 조건을 충분히 만족시킬 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 가공물의 소재로부터 소재의 균일한 층을 제거하는 것이기 때문에, 방전가공(EDM)에 있어서 통상적으로 0.003에서 0.006mm의 두께로 재형성되는 불필요한 얇은 층을 제거하는 데에도 이상적으로 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 가공물의 표면의 버(burrs)를 제거하거나 가공물의 가장자리 연부를 곡면으로 가공하는데 사용될 수 있다.

[본 발명의 실시예]

초음파 가공기는 공지된 것이며, 본 발명은 진동주파수, 진폭 및 연마 입자 등과 같은 통상적인 변수를 이용하여 상기한 어느 초음파 가공기와도 함께 사용할 수 있는 초음파 연마방법이다. 전형적으로 이러한 초음파 가공기는 가공물을 고정할 수 있는 프레임과, 초음파발생기를 가진 공구홀더로 구성되며, 상기한 초음파 발생기는 약 20KHz 이상의 주파수로서 공구를 진동시키고, 때에 따라서는 10에서 40KHz, 가장 보편적인 것은 약 19에서 22KHz의 주파수로 공구를 진동시킨다. 또한, 상기한 공구홀더는 공구를 후퇴된 위치에서 작업위치로 전진되도록 구성되고, 작업중에는 가공물 쪽으로 이동되도록 구성된다. 그리고, 상기한 초음파 가공기는 공구와 가공물과의 사이에 슬러리(slurry)를 공급할 수 있도록 하기 위하여 대개 연마슬러리 조절수단을 구비하고 있다.

이 슬러리는 새롭고, 연마가 안된 연마제를 연속적으로 가공물의 표면에 공급하고 또한 기연마되어 떨어져 나온 연마물질과 파편을 세척해 내도록 하기 위하여 공구와 가공물과의 사이의 간격에 이따금씩 펌핑된다. 초음파 변환기는 통상적으로 전기로 구동되는 암전소자(piezoelectric element)의 적층으로 구성된 것이거나, 자기왜곡변환기(magnetostrictive transducer)를 사용한다.

상기한 연마 슬러리는 액상매체에 경질의 연마입자를 함유시켜서 된 것이며, 연마입자는 통상적으로 탄화규소, 산화알루미늄, 탄화붕소, 질화붕소, 다이아몬드 등과 같은 것을 사용하지만, 본 발명에 있어서 더 연질의 가공물을 연마할 때에는 연마제를 알루미나, 코탄덤, 가넷트 등과 같은 더 연질의 연마제를 사용할 수 있다는 것도 주목되어야 한다. 상기한 액상매체는 초음파 진동을 전달할 수 있어야 하고 가공물 및 전극재료와 화학반응을 일으키지 않는 것으로 선택되어야 한다. 물이 가장 적합한 매체이지만, 절삭유(cutting oil) 등과 같은 액체도 사용할 수 있으며, 물을 사용할 때에는 방청제를 첨가시킬 필요가 있다. 본 발명에 따른 연마과정에 있어서는 종래의 기계적 가공과는 반대로 연마입자는 상대적으로 알맞게 이동되는 것이 바람직하다.

따라서 절삭유와 같은 물 이외의 액체는 연마입자의 진폭을 낮추는 데에 사용할 수 있고, 또한 동력을 낮추면 물을 전달매체로서 사용할 수 있다.

일반적으로, 연마제의 입자의 크기는 이 입자가 연마슬러리 내에서 부유할 수 있는 정도의 크기라면 임계성을 가진 것은 아니며, 이에 따라 입자의 크기는 0.075mm(200메쉬), 바람직한 것은 0.025에서 0.015mm(600에서 1000메쉬)로서 입자의 농도는 연마슬러리에 대하여 10에서 20용적%이며, 이를 사용함으로서 최고 수준의 연마가 달성된다.

연마되는 가공물은, 종래의 기술과는 반대로 공구소재보다 초음파 가공성이 더 어려운 어떤 것이든 사용할 수 있으며, 전형적으로는 금속성 가공물이다. 요구되는 연마의 정도는 가공물의 초기의 표면거칠기와 연마후에 필요로 하는 다듬기(finish) 의하여 결정된다. 본 발명에 따른 방법의 장점이자 한계는 연마작업 중에 가공물의 형상이 변경되지 않는 다는 사실에 있다. 따라서 본 발명은 가공물의 미세한 부분의 명료성을 개선하지 않으며, 또한 최종제품의 품질은, 표면 다음기(surface finish)를 제외하고는, 가공물의 초기형태에 의하여 정해진다는 것을 이해하는 것이 중요하다.

공구는, 전술한 바와 같이 가공물보다 초음파 연삭성이 더 좋은 소재로 형성되어야 한다. 상기한 초음파 연삭성이 더 좋은 소재라는 것은 더 연질(softer)이라는 것을 의미하는 것은 아니며, 더 취성(more brittle)을 가진 소재를 의미하는 것이다. 즉, 초음파 연삭성을 이해하기 위해서는, 가공물의 표면을 초음파로 가공할 때, 액체에 함유되어 부유하고 있는 작은 연마입자가 초음속으로 가공물의 표면에 부딪침에 따라 그 작은 연마입자가 가공물의 표면의 극히 미세한 부분을 낸다는 것을 이해하여야만 한다. 이러한 방식으로 극히 미세한 부분을 떼어내기 위해서는 가공물은, 그것이 경질이거나 또는 그렇지 않던 간에, 어느 정도의 취성을 갖지 않으면 안된다. 강하고(tough) 유연한(ductile) 강재와 같은 연성(soft) 내지 탄성의(resilient) 소재는 상기하는 작은 연마입자가 이 소재로부터 단지 되튀어나올 뿐이어서 이러한 방식의 초음파 가공이 잘되지 않는다는 것은 명백하다. 따라서 연질 강재로부터 경화 합금강 및 티탄니음과 탕스텐과 같은 내열금속에 이르기까지의 모든 것을 포함하는 금속가공물을 연마하기 위한 이상적인 공구소재는 흑연, 유리, 석영, 그 외 재료 등과 같이 종래 일반적으로 가공물로서는 생각하였지만 공구소재로서는 생각하지 않았던 상당히 높은 정도의 초음파 연마성을 갖는 소재일 것이다.

공구가 소정의 장치에 설치될 때, 공구에는 가공물과 공구 사이의 틈새와 연통하는 통로가 구비되는데, 연마슬러리가, 상기 틈새로부터 연마한 파편을 세척해 내도록 하기 위하여, 상기 통로를 통해 펌핑된다. 본 발명에 있어서, 상기한 연마된 파편은 공구로부터 연삭되어 나오는 공구 소재의 입자가 대부분이고, 이에 가공물의 표면으로부터 연마되고 나온 가공물 소재의 입자는 단지 소량 포함되어진 것이다. 또한 상기 펌핑은 연마도중 절삭가장자리(cutting edges)가 지나체 닳지 않도록 하기 위하여 공구와 가공물 사이의 틈새로 새로운 연마슬러리를 공급한다.

본 발명은 선행기술과는 상반되게 미리 가공물과 부합되는 형상을 가진 공구로 연마공정을 시작할 필요가 없는 것이어서 이에 따라 공구와 가공물의 할출 및 위치맞춤을 행할 필요가 없다. 본 발명의 방법에 있어서는, 가공물의 표면형상이 우선 공구표면에 그 동일한 형상을 형성시키는 역할을 행한다. 이어서 연마가 진행되는 동안 공구는 지속적으로 연마되며, 계속하여 제자리에서 정확한 위치결정을 만들어 내고 또한 유지한다. 공구의 우선적인 연삭이 본 발명의 특징이며, 이에 의하여 가공물의 표면을 매우 얇게, 또한 균일하게 연마하여 제거함으로써 가공물의 표면을 고정도로 연마할 수 있는 것이다.

본 발명은 일정한 경우, 특히 가공물이 그 연마하고자 하는 표면에 깊은 요홈을 갖는 경우는 공구에 가공물의 형상의 일부분 또는 전체의 형상과 부합되는 형상을 사전에 형성시켜서 사용하면, 그 공구가 가공물과 위치결정을 위하여 형상이 형성되는 시간을 단축할 수 있어서 연마공정을 신속하게 행할 수 있고, 동시에 공구가 충분하게 연삭됨으로 인하여 상기한 가공물의 깊은 요홈이 형성된 부위의 가공을 시작하기 전에 가공물의 볼록한 부위가 지나치게 연마되는 것도 방지할 수 있다.

초음파 가공에서 흔히 사용되는 소재로서, 예컨대 흑연 또는 유리와 같은 비교적 질량이 낮은 소재를 공구로서 사용할 시에는 초음파 변환기에 의하여 충분하게 구동될 수 있는 크기 보다 더 크게 하여도 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 가공물의 표면으로부터 어떠한 불필요한 소재층을 제거하는 데에도 이상적으로 적용할 수 있다. 예컨대, 방전가공기(EDM)의해 통상적으로 생기는 0.003mm에서 0.006mm(0.0001에서 0.0002인치) 두께의 층을 본 발명에 따른 방법에 의하여 용이하게 제거할 수 있는데 그 결과 상기한 방전가공으로 생긴 층을 가공표면으로부터 그 세부적인 형상의 아무런 파손없이 제거할 수 있다. 또한, 동일한 방법으로 세라믹과 같은 재로가 코팅된 가공물에 대하여 그 표면의 세부적인 형상의 파손 없이, 세라믹 피복층의 전체 또는 일부를 선택적으로 제거할 수가 있는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 가공물의 표면상에 돌출된 버(burrs)를 제거하는 데에 사용할 수 있고, 또한 가공물의 가장자리에 예리한 모서리를 둥글게 가공할 수도 있다. 이러한 목적은 가공물의 미세한 부분을 전혀 파손함이 없이, 초음파적으로 연삭성이 좋은 공구를 사용하는 것에 의하여 이루어진다.

[실시예]

제2도 및 제3도는 탄화탕스텐 성형체 다이를 3000배율로 확대한 현미경 사진으로서, 제2도는 원래 CNC에 의하여 조각가공을 시행한 원래의 다의의 초기표면을 나타낸 것이며, CNC의 조각가공에 의하여 가공된 다이의 마크가 선명하게 볼 수 있다. 제3도는 상기한 동일한 탄화탕스텐 다이를 본 발명에 따른 방법으로 연마를 행한 것을 나타낸 것으로서, 이 때에 흑연을 소재로 한 공구를 사용하고, 연마제는 입자의 크기가 15미크론인 탄화붕소를 사용하고, 연마를 15분간 행한 결과, 가공물의 소재를 0.005mm(0.0002인치)를 제거시켰다. 또한, 현미경 사진에 분명하게 나타난 바와 같이, 표면정도가 현저하게 향상되고, 이 다이의 가장자리가 CNC의 조각가공에 의하여 생긴 직각모서리를 둥글게 가공된 것도 알 수 있다.

.

Claims (14)

1. A.가공물보다 초음파 연삭성이 더 좋은 소재로 공구를 형성하는 공정과; B.상기 공구를 가공물에 대하여 초음파 진동이 되게 장착하는 공정과; C.상기 공구와 가공물 사이의 틈새에 액상 연마슬러리를 공급하는 공정과; D.상기 도구를 상기 가공물의 표면 형상의 음각이미지와 상대적으로 일치되도록 연마하고 성형하는 데에 충분한 초음파 주파수 및 진폭으로 상기 도구와 가공물 사이에서 상대적인 진동운동을 일으키는 공정과; E.상기 도구의 상기 가공물의 표면 형상 이미지와의 상대적 일치를 계속하여 유지하고 재형성하도록 상기 진동운동을 계속하는 한편, 동시에 상기 가공물의 표면에 연마작용을 가하는 공정과; 그리고 F.상기한 가공물의 표면이 소정의 연마정도로 연마되었을 때 상기한 진동을 중지하는 공정으로 구성하여 가공물의 형상과 부합되는 형상을 미리 형성시킬 필요가 없는 공구를 사용하여 소정의 형상이 형성된 상기한 가공물의 표면으로부터 얇고 균일한 층을 제거하도록 가공물의 표면을 초음파적으로 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 공정이 가공물의 표면을 연마(polish)하는 데에 사용됨을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
3. 제1항에 있어서, 상기한 공정이 가공물의 표면으로부터 불필요한 소재층을 제거하는 데에 사용됨을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
4. 제1항에 있어서, 상기한 공정이 가공물의 표면에 돌출된 불필요한 버(burrs)를 제거하는 데에 사용됨을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
5. 제1항에 있어서, 상기한 공정이 가공물의 가장자리를 둥글게 형성하는 데에 사용됨을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
6. 제1항에 있어서, 상기한 공구가 상기한 가공물에 형성된 표면의 형상과 대체로 부합되는 형상으로 사전에 형성됨을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
7. 제1항에 있어서, 상기한 연마슬러리에 함유된 연마제의 입자의 크기가 약 0.075mm(200메쉬)이하인 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
8. 제7항에 있어서, 상기한 연마제의 입자가 0.025에서 0.015mm(600에서 1000메쉬) 까지의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
9. 제7항에 있어서, 상기한 연마제가 상기한 슬러리 내에 10에서 20용적%의 농도로 함유된 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
10. 제1항에 있어서, 상기한 공구의 소재가 흑연, 유리 및 석영으로 된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
11. 제1항에 있어서, 상기한 공구의 소재가 부정형(unformed)의 흑연블록인 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
12. 제1항에 있어서, 상기한 액상 연마슬러리가 상기한 공구와 상기한 가공물의 사이의 틈새에 연속적으로 흐르는 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.
13. 제12항에 있어서, 상기한 액상 연마슬러리가 상기한 공구로부터 연삭되어 나오는 입자와 상기한 가공물로부터 연삭되어 나오는 입자를 상기 틈새로부터 씻어내어 제거하는 것을 특징으로 하는 초음파 연마 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기한 슬러리 내에 함유된 상기한 연마제가 탄화탕스텐, 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 알루미나, 코란덤, 다이아몬드 및 이들의 합성물로 된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 초음파 연마방법.

Images