KR100561771B1 - 플라즈마 방전 트루잉 장치 및 그 장치를 이용한미세가공방법 - Google Patents

Abstract

전도성 숫돌(12)과, 상기 숫돌의 가공면(12a)에 접근가능한 외주연(14a)을 갖는 원판상의 방전전극(14)과, 전극회전장치(16)와, 전극의 외주연과 숫돌의 상대위치를 제어하는 위치제어장치(18)와, 숫돌과 전극간에 전압을 펄스적으로 인가하는 전압인가장치(20) 및 숫돌과 전극간에 가압 미스트(mist)를 공급하는 미스트 공급장치(22)가 구비된다. 상기 가압 미스트는 약전도성 수용액과 압축공기의 혼합물이다. 상기 가압 미스트를 통해 숫돌과 전극간에 플라즈마 방전이 발생하며, 숫돌은 트루잉(truing)된다. 이러한 방식으로, 숫돌의 편심과 진동을 효과적으로 제거할 수 있고, 숫돌 자체의 변형이 없이 고정밀 연삭이 이루어지며, 전원설비가 소형, 소출력이면 족하고, 복잡한 제어회로 또는 제어장치가 필요하지 않으며, 전극등 소모품의 제작과 재가공이 용이하다.

플라즈마 방전, 트루잉 장치, 숫돌, 전극, 가압 미스트.

Description

플라즈마 방전 트루잉 장치 및 그 장치를 이용한 미세가공방법{PLASMA DISCHARGE TRUING APPARATUS AND FINE-MACHINING METHODS USING THE APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 방전 연삭장치의 전체 구성을 도시한 도면이고,

도 2는 플라즈마 방전의 원리를 도시한 도면이며,

도 3은 임계 방전 갭을 비교한 도면이고,

도 4는 실입력 전압을 비교한 도면이며,

도 5는 입력전압과 연삭효율간의 관계를 나타낸 도면이고,

도 6은 연삭 정밀도를 비교한 도면이다.

본 발명은 매우 미세하고 얇은 특수형상을 가진 전도성 숫돌을 기계상에서 연삭하는 기상 플라즈마 방전 트루잉 장치와, 그 장치를 이용한 미세 가공방법에 관한 것이다.

광통신 시스템과 광학기술의 급속하게 진보함에 따라, 파인 세라믹, 광학 글라스, 광학결정, 반도체단결정 등의 경질 취성재료가 광범위하게 사용되었다. 따라 서, 상기 경질 취성재료를 효율적이고 정밀하게 깎거나 성형하기 위한 기술이 생산분야에서 강하게 요구되었다.

이와 같은 경질 취성재료의 성형가공에 특히 적합한 가공방법으로서, 전해 인프로세스 드레싱 연삭법(이하, ELID 연삭법이라 칭함)이 주목받았다. ELID 연삭법은 미세 다이아몬드 입자를 포함한 매우 미세하고 얇은 전도성 숫돌을 사용하고, 상기 숫돌을 전해 드레싱할 때 피가공물을 가공하는 가공법이며, 가공정밀도가 높고, 고품질의 표면 거칠기를 얻을 수 있으며, 경질 3차원형상부품의 가공이 비교적 용이한 특징이 있다.

마이크로 미세가공에 적용하도록 매우 미세하거나 매우 얇은 특수형상을 가진 숫돌이라도, 제작시 편심 또는 진동이 발생할 수 있다. 따라서, ELID 연삭가공과 같은 정밀가공에 적용하기 이전에, 편심 또는 진동을 트루잉으로 제거해야 할 필요가 있다.

그러나, ELID 연삭가공에 사용되는 메탈 본드 숫돌은 본드 물질의 경도가 높기 때문에, 종래의 트루잉 방법으로는 수정 효율이 낮고 수정 정밀도에도 한계가 있어서 적용이 곤란하다. 더욱이, 경질취성재료에 적용되는 숫돌이 매우 미세하고 얇으며(예를 들어, 직경 1㎜이하, 두께 1㎜이하) 특수형상을 가질 경우, 기계적 트루잉을 하는 동안 공구가 상기 숫돌과 접촉한다면, 숫돌자체가 변형되기 때문에 정밀한 트루잉이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

한편, 비접촉으로 피가공물을 가공하는 가공법과 같은 방전가공(Electric Discharge Machining)이 알려져 있다. 이 가공법은 피가공물과 가공전극을 절연성 가공액내에서 소정 간격으로 대향하도록 위치시키고, 단시간의 펄스성 아크 방전을 반복함으로써, 피가공물의 잉여부분을 제거하게 된다.

그러나, 상기 가공법은 (1) 전극의 형상을 원하는 가공형상에 따라 미리 조절하여야 하고, (2) 전극과 피가공물간의 간격을 일정하게 유지하기 위한 정밀한 위치제어가 필요하며, (3) 전극과 피가공물간에 대전류 펄스를 공급할 필요가 있고, 대형이면서 복잡한 전원설비가 필요하며, (4) 전극소모로 인해 전극형상이 변화하기 때문에 전극의 빈번한 교환이 필요하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 매우 소형이거나 얇은 특수형상을 가진 숫돌의 편심 및 진동을 효율적으로 제거할 수 있고, 숫돌자체의 변형없이 고정밀의 트루잉이 가능하며, 소형 소출력의 전원설비를 필요로 하고, 복잡한 제어회로 또는 제어장치가 불필요하며, 전극 등 소모품의 제작/재가공이 용이한 플라즈마 방전 트루잉 장치와 그 장치를 이용한 미세가공방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 발명자 등은 원판상의 전극을 회전시키면서 전극의 외주연과 숫돌사이에 균일하고 고효율인 스파크(플라즈마 방전)를 발생시킴으로써, 비접촉이면서 매우 효율적이고 정밀한 트루잉이 가능하고, 전원설비를 소형 소출력화할 수 있으며, 전극 소모로 인한 형상변화를 대폭 줄일 수 있다는 것에 착안하였다. 환언하면, ELID 연삭가공에 사용되는 금속 본드 숫돌의 전도성을 이용하되, 숫돌과 전극 사이의 미소 간격에 플라즈마 방전현상을 일으키도록 하여 메탈 본드 부분을 비접 촉으로 정밀하게 용해 제거함으로써, 숫돌표면을 원하는 형상으로 수정할 수 있다.

상세하게, 본 발명에 따르면, 피가공물(1)을 가공하기 위한 전도성 숫돌(12)과, 상기 전도성 숫돌의 가공면(12a)에 접근가능한 외주연(14a)을 가진 원판상의 방전전극(14)과, 상기 방전전극을 그 축(Z)을 중심으로 회전구동시키는 전극회전장치(16)와, 전극의 외주연과 숫돌의 상대위치를 제어하는 위치제어장치(18)와, 숫돌과 전극사이에 소정의 전압을 펄스적으로 인가하는 전압인가장치(20)와, 숫돌과 전극사이에 가압 미스트를 공급하는 미스트 공급장치(22)를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전 트루잉 장치가 제공된다.

전술한 본 발명의 구성에 따라, 회전하는 원판상의 방전전극(14)의 외주연과 위치제어장치(18)에 의해 위치가 제어되는 전도성 숫돌(12)의 가공면(12a) 사이에 전압인가장치(20)가 상술한 스파크(플라즈마 방전)를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에, 전도성 숫돌의 메탈 본드 부분을 비접촉으로 정밀하게 효율적으로 용해제거할 수 있고, 숫돌표면을 원하는 형상으로 수정할 수 있다.

또한, 방전전극(14)이 전극회전장치(16)에 의해 축(Z)을 중심으로 회전하기 때문에, 플라즈마 방전에 의해 소모되어도 적절한 진원도를 유지할 수 있고, 장시간 연속사용이 가능하다.

또한, 미스트 공급장치(22)를 통해 숫돌과 전극 사이에 가압 미스트(더 바람직하게, 약전도성 수용액과 압축공기의 혼합물)가 공급되기 때문에, 드라이 상태 또는 절연성 액체가 직접 공급되는 경우와 비교하면, 저전압에서 고전류의 플라즈마 방전을 안정적으로 발생시킬 수 있고, 전원설비를 소형 소출력화할 수 있다. 더 욱이, 실험결과, 전술한 가압 미스트를 사용할 경우, 트루잉의 효율 및 정밀도가 높아질 수 있음을 확인하였다.

또한, 본 발명에 따르면, (A) 전도성 숫돌(12)의 가공면(12a)에 접근 가능한 외주연(14a)을 가진 원판상의 방전전극(14)과, 상기 방전전극을 축(Z)을 중심으로 회전구동시키는 전극회전장치(16)를 구비하고, 상기 숫돌과 전극사이에 가압 미스트를 공급하면서, 전도성 숫돌과 방전전극 사이에 직류전압을 펄스적으로 인가하여 방전으로 가공면을 성형하는 플라즈마 방전 트루잉 공정과; (B) 상기 전도성 숫돌(12)의 가공면으로부터 분리된 대향면(28a)을 가진 드레싱 전극(28)을 구비하고, 숫돌과 드레싱 전극 사이에 전도성 액체를 공급하면서, 전도성 숫돌과 드레싱 전극 사이에 직류전압을 인가하여 전도성 숫돌을 전해 드레싱하는 전해 드레싱 공정과; (C) 전도성 숫돌로 피가공물을 가공하는 연삭공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 방전 트루잉 공정(A)으로 편심 또는 진동이 제거된 매우 미세하거나 얇은 특수형상을 가진 전도성 숫돌을 이용하여 전해 드레싱 공정(B)과 연삭공정(C)을 동일한 기계상에서 동시에 또는 신속하게 실시함으로써, 편심 또는 진동의 악영향을 방지할 수 있고, 피가공물 등의 재취부시에 발생할 수 있는 위치결정오차를 방지할 수 있어서, 경질취성재료를 효율적으로 정밀하게 가공할 수 있다.

더욱이, 가압 미스트를 공급하여 방전 트루잉을 실시하기 때문에, 전술한 바와 같이, 트루잉의 효율 및 정밀도가 향상될 수 있다.

본 발명의 다른 목적과 유리한 특징은 첨부도면을 참조하여 이하의 설명을 통해 명료해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 각 도면에서 공통된 부분에는 동일한 번호를 부여하였고, 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 방전 트루잉 장치의 전체구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 방전 트루잉 장치(10)는 전도성 숫돌(12), 원판상의 방전전극(14), 전극회전장치(16), 위치제어장치(18), 전압인가장치(20) 및 미스트 공급장치(22)를 구비한다.

본 실시예에서, 전도성 숫돌(12)은 미세 다이아몬드 입자를 이용한 메탈 본드 숫돌이며, 도면의 좌측으로 이동할 때 피가공물(1)을 그루브 가공 또는 슬라이스 가공 또는 성형가공하게 된다. 또한, 상기 전도성 숫돌(12)은 그 축을 중심으로 회전구동되며, 위치제어장치(18)에 의해 전극(14)의 외주연(14a)과 숫돌(12)의 상대위치가 제어된다.

상기 메탈 본드 숫돌의 두께는 임의의 값, 예를 들어, 1㎜ 이하가 될 수 있다. 또한, 전도성 숫돌(12)은 매우 소형인 메탈 본드 숫돌일 수 있다.

원판상 방전전극(14)은 전도성 숫돌(12)(박도숫돌; sharp edged grindston)의 가공면(12a)에 접근 가능한 외주연(14a)을 갖는다. 방전전극(14)의 외주연(14a)은 그 축(Z)을 중심으로 완전한 진원을 형성한다. 상기 방전전극(14)의 두께는 안정된 플라즈마 방전이 이루어지도록 진원도를 유지할 수 있는 한 얇아야 하며, 예 를 들어 2㎜ 이하가 바람직하다.

방전전극(14)은 전극회전장치(16)(예를 들어, 전동기)의 회전축에 취부되며, 그 축(Z)을 중심으로 회전구동될 수 있다.

전압인가장치(20)는 직류전원(24), 펄스 방전회로(25) 및 전류공급 라인(26)을 포함한다. 직류전원(24)은 소정의 직류전압(예를 들어, DC 60 내지 100V)을 발생시켜, 펄스 방전회로(25)의 입력단자에 인가하게 된다. 또한, 전류공급 라인(26)은 숫돌(12)의 회전축과 방전전극(14)의 표면에 미끄러지며 접촉하는 브러쉬(26a)(급전체)와, 브러쉬(26a)와 펄스 방전회로(25)의 출력단자를 전기적으로 접속하는 접속선(26b)을 포함하며, 출력단자의 양극은 숫돌에 접속되며 음극은 전극에 접속된다.

미스트 공급장치(22)는 숫돌(12)과 전극(14) 사이에 가압 미스트를 공급하게 된다. 상기 가압 미스트는 예를 들어, ELID 연삭에 사용되는 수용성 연삭액과 압축공기의 혼합체임이 바람직하다. 또한, 상기 액체는 완전 절연액은 아니나, 어느 정도의 전기 전도도(예를 들어, 1300 내지 1800 ㎲/㎝)를 가지며, 숫돌(12)과 전극(14) 사이에 전기저항을 저감시키는 기능을 가진 약전도성 수용액임이 바람직하다.

도 2는 플라즈마 방전의 원리를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 숫돌(12)을 양극에 전극(14)을 음극에 인가하면, 숫돌의 메탈부(12A)는 입자화(이온화)되어 플라즈마 상태에서 고효율로 해리된다. 이 상태에서 숫돌(12)과 전극(14) 사이에 전도성 미스트 입자가 존재할 경우, 그 사이의 전류 루틴이 안정 적으로 확보되어 방전현상이 안정화된다. 그 결과, 고 에너지 상태가 되고, 전극간의 온도가 용이하게 상승될 수 있기 때문에, 트루잉 효율이 급상승하고, 플라즈마 상태가 되면서 방전 트루잉이 실시된다.

도 1에 도시된 플라즈마 방전 트루잉 장치(10)의 구성에 있어서, 방전전극(14)은 일정한 원주속도로 회전된다. 또한, 숫돌(12)은 다른 일정한 원주속도로 회전되고, 위치제어장치(18)에 의해 축방향으로 왕복됨과 동시에 방사상으로 소정의 속도로 움직이게 된다. 또한, 숫돌(12)과 전극(14) 사이에 일정한 간격이 유지되며, 가압 미스트가 공급되고, 안정된 방전 스파크가 발생되며, 플라즈마 방전 트루잉이 실시된다.

전술한 본 발명의 구성에 따라, 회전하는 방전전극(14)의 외주연(14a)과 위치제어장치(18)에 의해 위치가 제어되는 전도성 숫돌(12)의 가공면(12a) 사이에 전압인가장치(20)가 스파크(플라즈마 방전)를 안정적으로 발생시킴으로써, 전도성 숫돌(12)의 메탈 본드 부분을 비접촉 고효율로 정밀하게 용해 제거하기 때문에, 숫돌표면을 원하는 형상으로 수정할 수 있다.

또한, 방전전극(14)이 전극회전장치(16)에 의해 축(Z)을 중심으로 회전하기 때문에, 플라즈마 방전으로 소모되어도 진원도를 유지할 수 있으며, 장시간 연속사용될 수 있다.

더욱이, 미스트 공급장치(22)에 의해 숫돌과 전극 사이에 가압 미스트가 공급되기 때문에, 드라이 상태 또는 절연성 액체가 공급되는 경우와 비교하면, 저전압에서 고전류의 플라즈마 방전을 안정적으로 발생시킬 수 있고, 전원설비를 소형 소출력화할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 방전 트루잉 장치(10)는 직류 펄스화 전원(전압인가장치;20)과 전동기(16)에 의해 회전구동되는 원판상의 방전전극(14)을 포함한다. 또한, 숫돌(12)을 축선방향으로 왕복운동시키고, 숫돌의 외주면과 전극의 외주면을 오버랩시키며 트루잉하는 왕복 트루잉 모드를 채용한다.

또한, 방전 트루잉에 사용되는 트루잉 매체로는 (1) AFG-M(ELID 연삭에 사용되는 약전도성 수용액), (2) AFG-M을 압축공기로 미스트화 한 가압 미스트 및 (3) 가압공기를 사용하고, 이들 매체를 사용하지 않은 경우(4), 즉 공기 갭의 경우와 비교하였다.

전기화학의 기초이론에 따라, 전술한 시스템과 같은 전기가공 모드는 트루잉 숫돌, 전극 및 작동매체의 상호작용을 수반한다. 또한, 전도성 수용액(AFG-M)을 사용한 트루잉 메카니즘은 다양한 전기가공작용이 공존하는 복잡한 프로세스로 설명된다. 본 발명의 플라즈마 방전 트루잉 장치와 그 장치를 이용한 미세가공방법의 목적은 가공목적에 부합하는 트루잉 프로세스를 제공하는 것이기 때문에, 전기적 트루잉의 메카니즘을 제어함으로써 그 효율을 최적화하기 위한 시스템으로 이해될 수 있다. 결론적으로, 유사한 종류의 공구에도 적용될 수 있다.

(프로세스 특성)

프로세서 특성을 연구하기 위하여, 전술한 트루잉 시스템을 종형의 머시닝 센터에 취부하고 다양한 실험을 실시하였다. 그 실험에서, 두께 1㎜, 직경 150㎜의 # 2000 주철 본드 다이아몬드 숫돌이 트루잉되었다. 실험중, 숫돌을 200 rpm으로 회전시켰으며, Z방향에 100㎜/min로 왕복운동시킴과 동시에, 트루잉 전극을 100 rpm으로 회전시켰다.

(임계방전 갭)

도 3은 4종류의 작동매체, 즉 공기, AFG-M, 가압 미스트 및 가압 공기에 대한 임계방전 갭을 나타낸다. 상기 갭은 g_air＜g_pair＜g_mist＜g_APG의 순으로 크다.

(전압강하)

도 4는 동일조건의 4종류의 작동매체에 대한 실전압을 나타낸다. 전압강하는 AFG-M 및 가압 미스트를 사용한 트루잉에 유용하다. 이는 동시에 별도의 전기적 가공작용이 일어난 결과이다.

(트루잉 효율)

도 5는 동일조건의 4종류의 작동매체에 대하여 입력전압과 트루잉 효율의 관계를 나타낸다. 숫돌과 전극 사이의 갭은 30㎛로 일정하게 설정하였다. 실험결과는 4종류의 작동매체에 대하여 입력전압이 상승할수록 트루잉 효율도 상승하는 것을 명확하게 보여준다. 또한, 작동매체로 가압 미스트, 가압공기 및 AFG-M이 사용된 경우, 트루잉 효율은 그 순서에 따라 공기를 사용한 경우보다 더 크고, 입력전압이 증가할수록 이러한 경향은 더 현저해진다.

(트루잉 정밀도)

도 6은 4종류의 작동매체에 대한 트루잉 정밀도를 나타낸다. 작동매체로서 가압 미스트를 사용한 트루잉 정밀도가 가장 높고, 그 외의 작동매체도 거의 유사한 정밀도를 달성할 수 있다.

본 발명에 따라, 전기적 트루잉 수단으로서 플라즈마 방전 트루잉을 적용하고, 마이크로 연삭가공에 사용되는 메탈 본드 숫돌의 미세한 트루잉을 정밀하게 실시함으로써, ELID연삭에 필요한 가공정밀도를 확보할 수 있음을 확인하였다.

또한, 전술한 플라즈마 방전 트루잉을 적용함으로써, 하기된 잇점이 이용가능한 것으로 밝혀졌다.

1. 메탈 본드 또는 수지-메탈 복합 본드와 같은 전도성 본드 숫돌의 트루잉에 적용할 수 있다.

2. 전기적 트루잉법이 비접촉의 가공법을 제공하기 때문에, 소직경의 숫돌과 박도숫돌의 정밀 트루잉이 가능하다.

3. NC 머신을 이용하여 복잡한 표면형상을 가진 숫돌의 트루잉이 가능하다.

4. 전기적 트루잉으로 숫돌의 진동을 제거할 수 있음과 아울러, 큰 숫돌입자도 본드부분으로부터 돌출되도록 할 수 있기 때문에, 숫돌형상을 유지하면서 복잡한 형상을 가진 면의 정밀한 연삭가공이 가능하다.

따라서, 본 발명의 플라즈마 방전 트루잉 장치와 그 장치를 이용한 미세가공방법은 매우 소형이거나 얇은 숫돌의 편심 또는 진동을 효율적으로 제거할 수 있기 때문에, 숫돌자체의 변형없이 정밀한 트루잉이 가능하고, 전압설비가 소형 소출력이면 족하고, 복잡한 제어회로 또는 제어장치가 필요하지 않으며, 전극등 소모품의 제작/재가공이 용이한 효과가 있다.

한편, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명에 포함된 권리범위는 그 실시예에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 역으로, 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구범위에 포함된 모든 개량, 수정 및 그 균등물을 포함한다.

Claims (3)

1. 피가공물(1)을 가공하기 위한 전도성 숫돌(12)과, 상기 전도성 숫돌의 가공면(12a)에 접근가능한 외주연(14a)을 가진 원판상의 방전전극(14)과, 상기 방전전극을 그 축(Z)을 중심으로 회전구동시키는 전극회전장치(16)와, 전극의 외주연과 숫돌의 상대위치를 제어하는 위치제어장치(18)와, 숫돌과 전극사이에 소정의 전압을 펄스적으로 인가하는 전압인가장치(20), 및 숫돌과 전극사이에 가압 미스트를 공급하는 미스트 공급장치(22)를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전 트루잉 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가압 미스트는 약전도성 수용액과 압축공기의 혼합물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전 트루잉 장치.
3. (A) 전도성 숫돌(12)의 가공면(12a)에 접근 가능한 외주연(14a)을 가진 원판상의 방전전극(14)과, 상기 방전전극을 축(Z)을 중심으로 회전구동시키는 전극회전장치(16)를 구비하고, 상기 숫돌과 전극사이에 가압 미스트를 공급하면서, 전도성 숫돌과 방전전극 사이에 직류전압을 펄스적으로 인가하여 방전으로 가공면을 성형하는 플라즈마 방전 트루잉 공정과;

   (B) 상기 전도성 숫돌(12)의 가공면으로부터 분리된 대향면(28a)을 가진 드레싱 전극(28)을 구비하고, 숫돌과 드레싱 전극 사이에 전도성 액체를 공급하면서, 전도성 숫돌과 드레싱 전극 사이에 직류전압을 인가하여 전도성 숫돌을 전해 드레싱하는 전해 드레싱 공정; 및

   (C) 상기 전도성 숫돌로 피가공물을 가공하는 연삭공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공방법.

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