webzine배너 잡지배너 정기구독배너
   
MFG블로그 광고문의
기사제보 미디어킷
개인정보
취급방침
문의사항
회원탈퇴 정기구독신청
서울시 영등포구 경인로 775
에이스하이테크시티 3동 206호 ㈜MFG Inc.
Tel (02)3439-0011 Fax (02)3273-0989

Copyright (c) Since 1974~2016
MFG Inc.
All right reserved.

MAGIC 숫돌의 특징과 가능성
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
| 전체보기 | 인쇄 | 스크랩
 
휴대전화 기기의 생활화가 급속히 확산됨에 따라 플라스틱 제품을 위한 성형용 금형과 정밀 금속 부품을 위한 프레스 금형의 단납기 제조 프로세스가 요구되고 있다. 그 생산성을 율속(rate controlling)하고 있는 공정에 금형 연마 공정이 있다. 정밀 금형은 내면이 복잡하고 또 촘촘하기 때문에 작업원이 손으로 마무 리하고 있어 아직도 자동화는 되어 있지 않다. 그리고 종전과 같이 단단한 숫돌을 사용하는 한 균일하게 연마 하려면 균일한 연마 압력을 주는 로봇 핸드가 필요한데 충분한 성능을 가진 장치를 개발하기가 쉽지 않다.
 한편 저자 일행의 한 사람인 우메하라 씨는 종전의 절삭 ·연삭·방전가공 등과 다른 연마의 장(場)을 주는 가공법으로서 세라믹스의 「플로트(float)」 를사용한 자성(磁性) 유체 연마법을 발명하여 종전법의 40배에 달하는 고배율로 세라믹구를 연마할 수 있음을 밝혔다.
  그후 평면간의 틈새에 있는 자성 유체 중의 비자성 입자 배열 상태가 자장에 의해 2차원적으로 제어될 수 있음을 이용하여 국소 영역이기는 하나 연마면을 균일하게 연마시켰다. 이 연구는 자성 유체에 의한 입자의 2차원 배열을 이용한 연구이나 마찬가지로 자성 유체 중의 연마재도 자장에 의해 3차원 배열이나 분포를 제어할 수있을 것으로 생각했다. 만일 연마재의 3차원 분포 제어가 가능해지면 연마재의 분포를 제어한 숫돌을 세계에서 처음으로 제작할 수 있게 된다.
  그래서 우메하라 씨는 혼합한 고분자로써 창성한 자기(磁氣)응집 유체에 의해 자기응집 유체 숫돌을 고안하고 자장을 인가함으로써 연마재의 3차원 분포 제어가 가능해져 2배의 연마 능률과 1/3의 표면 거칠기를 얻을 수 있음을 시사하여 이 새로운 숫돌에 의한 연마 법을 고안하였다. 이 숫돌은 연마재가 규칙적으로 분포 되어 있기 때문에 미소한 스트로크에 의해서도 균일하게 연마할 수 있으므로 형상이 복잡하고 연마에 있어서 스트로크가 크게 주어지지 않는 금형 연마에 가장 적당 하다고 생각할 수 있다. 이같이 유효한 응용 전개를 기대할 수 있다는 점에서 이 숫돌을 자기 배향성 복합체 (Magnetic Intelligent Compound) 숫돌(MAGIC 숫돌)이라고 명명하였다.
 이 MAGIC 숫돌을 사용한 연마법을 실용화하려면 적합한 결합재 개발, 연마재 분포 제어법의 확립, 리사 이클 프로세스의 확립, 연마 장치의 개발 등 많은 요소 기술이 필요하다. 그러므로 하나의 조직이나 연구실만 으로는 실용화 단계를 신속히 진행시키기는 어렵다.
  그래서 MAGIC 가공의 연구 촉진을 위한 스터디 그룹 으로서 「MAGIC 가공 연구회」를 2001년 4월에 설립하고 그 주요 연구원인 저자 일행들이 주로 그 응용 개발을 진행해 왔다. 그 결과들을 정리하여 여기에 소개 한다.
1. MAGIC 가공의 원리와 특징
MAGIC 숫돌은 <그림 1>에 나타내는 바와 같이 연마재, 자성 입자 및 결합재의 복합체이다. 결합재는 70℃ 정도에서 액체로 되기 때문에 자장을 인가하였을 경우 자성 입자의 분포나 배열을 제어할 수 있다. 만일 자장이 자장 구배를 갖고 있는 자장일 경우에는 비자성 연마재가 배출된다. 이 배출력에 의해 연마재의 분포를 제어할 수 있다. 그리고 MAGIC 숫돌 중에 2개의 자성 입자끼리는 <그림 2>에 나타내는 것처럼 외부 자장 방향으로 최대의 흡인력을 받아 외부 자장과 수직 방향으로 최대의 반발력을 받게 된다. 또 만일 자성 입자가 다수개 있을 경우 자성 입자는 자장 방향으로 늘어난 클러스터를 형성하게 된다. 자장을 걸면서 MAGIC 숫돌을 고화시켰을 경우 연마재가 배열된 모습을 광학 현미경으로 관찰했다. 수평 자장 및 수직 자장을 가하였을 경우 관찰된 결과를 <그림 3>과 <그림 4>에 각각 나타낸다. 그림에서 볼 때자성 입자가 자장 방향으로 클러스터를 형성하면서 배열되고 동시에 그 사이에 연마재가 배열됨을 알 수있다.
  이같이 연마재의 분포와 배열을 제어할 수 있는 MAGIC 숫돌에 의한 금형 측면 연마법을 <그림 5>에 나타낸다. 자성 입자와 연마재를 현탁한 수지(자장 배향성 복합체)를 액상화 온도 이상으로 가열하고 금형의 오목부에 그 액체를 흘려 넣어 핸들을 끼워넣은 후연마면인 금형 측면에 수직 방향으로 자장을 인가하면서 실온까지 서랭(徐冷)한다. 그후 핸들에 상하 방향으로 왕복 운동을 미소하게 줌으로써 금형 측면이 연마 된다. 그때 가공력은 외부로부터 핸들을 통해 주어진다. 이 연마법의 장점은 자장에 의해 연마재가 응집되는 일없이 균일하게 분포되고 또 연질의 결합재에 지지되어 있기 때문에 깊은 스크래치 상처를 주지 않는 점, 연마재가 균일하게 분포되어 있기 때문에 미소한 진동으로도 균일하게 연마할 수 있는 점, 금형의 오목 부에 대응한 총형(總型) 숫돌을 연마 현장에서 제작할수 있는 점, 셰딩(shedding)된 연마재나 결합재를 반복 사용할 수 있기 때문에 리사이클성이 좋은 점 그리고 표면 수지를 용해시킴으로써 드레싱이 용이한 점을들 수있다.
.
.
.
.
2. 최근의 연구
가. 연마 특성에 미치는 숫돌 경도의 영향
  MAGIC 숫돌은 연질 숫돌로 미소한 진동 하에서 사용되는 초정밀 다듬질과 비슷한 연마 방식이다. 그러므로 초정밀 다듬질과 마찬가지로 숫돌의 로딩을 잘 이용할 필요가 있다. 즉 고(高)연마 능률을 얻고자 할 경우 에는 숫돌의 로딩을 막고 숫돌을 적극적으로 마모시킨다. 그리고 다듬질로 매끈한 표면을 얻고자 할 경우에는 숫돌의 마모가 적고 로딩하기 쉬운 숫돌 및 연마 조건을 사용해야 한다. 이같은 숫돌의 마모는 숫돌 경도의 영향을 받을 것으로 본다. 그래서 MAGIC 숫돌의 결합재와 자장 강도를 변화시킴으로써 경도를 변화시킨 MAGIC 숫돌을 제작하여 그 숫돌 경도의 연마 능률과 표면 거칠기에 미치는 영향을 밝혔다.
  MAGIC 숫돌은 연마면에 수직 방향으로 평행한 자장 중에서 영구자석에 의해 제작되었다. 그리고 숫돌의 경도를 변화시키기 위해 연화 온도 st가 20~60℃ 범위내에 있는 결합재의 재료로서 결합제 1(연화 온도 st: 약 30℃), 결합제 1(연화 온도 st : 약 40℃), 결합제3(연화 온도 st : 약 50℃)를 사용하였다. 또 연마재는 GC#150을 30Vol% 첨가하였다. 숫돌의 경도는 강구 (鋼球)를 밀어 넣을 때 소성 변형을 일으킨 압흔 지름과 압입시의 최대 하중에서 구하였다.
  <그림 6>에서는 연마 시간이 10분일 때의 연마 중량을 연마 시간으로 나눈 연마 능률과 각각의 숫돌 경도 와의 관계를 나타낸다. 다른 결합재와 제작시 자장 강도의 결과를 정리한 결과이다. 그림에서 볼 때숫돌의 경도는 1.5~2.0kgf/mm2인 중간 정도가 좋고 또 연화 온도가 낮은 편이 좋음을 알 수있다. 이러한 결과는 연마재가 유지 보전되어 상대면을 스크래치하려면 숫돌의 강도가 어느 정도일 필요가 있는데 연마 능률을 지속시키려면 로딩한 숫돌 표면층이 서서히 감모될 필요가 있기 때문일 것이다. 즉 결합제 1에서는 연화 온도가 낮음에도 불구하고 숫돌 유지 보전 능력이 아주 높았기 때문에 연마재를 유지 보전할 수 있고 그 후에는 마찰열로 인해 표면층이 서서히 감모하였기 때문에 연삭 능률이 높았을 것이다.
 
 나. 리사이클성에 관한 연구
  <그림 7>에서는 MAGIC 숫돌의 리사이클 프로세스 개념도를 나타낸다. 그림에 나타내는 것처럼 MAGIC 숫돌은 연마후의 숫돌 및 칩을 재용해하여 칩을 제거하 는데 기본적으로는 폐기물 없이 반복해서 재이용할 수있는 숫돌이다. 특히 고가의 다이아몬드 연마재를 회수할 수있다.
  MAGIC 숫돌에 대한 각 성분의 재료 특성 차이에 기초하여 MAGIC 숫돌의 리사이클 프로세스를 실증 시험 하였다. <그림 8>에서는 그 프로세스와 회수된 각 요소의 중량을 나타낸다. 회수율은 95.5%로 거의 전량을 회수할 수 있었다.
 
 다. 3차원 교류 자장에 의한 숫돌내 연마재의 분포 제어
  MAGIC 숫돌에 있어서 연마재를 균일하게 배열시키 려면 자장을 직접 인가하기 전의 연마재 분포가 비교적 균일하여야 함이 중요하다. 즉 자장 배향시키기 전에 충분히 교반한다. 그래서 3차원 교류 자장 발생 장치를 설계 시험 제작하고 그 효과를 밝혔다. <그림 9>에서는 설계 시험 제작된 3차원 교류 자장 장치의 외관도를 나타낸다. 장치의 중심에서는 자장을 6방향에서 독립적으로 줄 수있다. 코일 전류의 위상을 변화시킴으로써 회전 자장을 줄 수있다. 이로써 교류 자장하에서 연마 재와 자성 입자를 균일하게 교반한다. 충분히 교반한 다음 직류 자장을 줌으로써 자성 입자와 그에 수반하는 연마면에 대한 연마재의 배향이 이루어진다. 본 연구에 서는 본 장치의 유효성이 나타났다.
 
 라. MAGIC 숫돌을 사용한 탁상 연마기의 개발
  <그림 10>과 <그림 11>에서는 장치의 개관을 나타낸다. 본 장치는 스칼라형 로봇 암의 선단에 연마재 교반및 배열용 자장 발생부, 구동부, 숫돌 유지부를 설치하고 금형 내에서 숫돌을 제작할 수 있게 하였다. 그리고 로봇 암을 스프링을 이용하여 연마면 방향으로 강압해서 연마 압력을 확보하고 와이어 케이블로 상하 왕복 동작의 동력을 전달시킴으로써 관성이 적은 연마 운동 부를 확보하였다. 또한 금형 고정대를 천천히 회전시켜 MAGIC 숫돌부가 연동함으로써 공작물과 숫돌의 전면 (全面)이 닿게 되어 있다(360°전방향). 이같이 자장 교반 기능과 연마 운동 기능을 아울러 가짐으로써 작업성이 좋고 고속에서의 연마 운동이 가능해졌다.
  숫돌 제작과 연마 순서로는 우선 금형 형상에 맞춘 숫돌을 제작한다. 이 원료들을 가온하여 액체 상태로 만들고 금형에 흘려 넣는다(이때 숫돌 유지부도 함께 끼워 넣어 둔다). 이 숫돌 유지부와 가공물에 자장을 3방향에서 주어 연마면에 대해 자장이 거의 균등하게 가하여지도록 상하 전후 좌우로 자장에 의한 교반을 하면서 방랭(放冷)하고 고화시킴으로써 금형 형상에 맞는 고체 숫돌을 제작한다.
  <그림 12>와 <그림 13>에서는 연구 결과로서 MAGIC 숫돌을 연마 장치에 장착하고 철강 S50C의 긴구멍 내면을 연마한 결과에 대해 나타낸다. 이같이 가공물을 전사(轉寫) 연마함으로써 표면 거칠기 4.4㎛ Ry는 40분 연마하여 1.4㎛ Ry가 되었다.
  <그림 14>에서는 현재 MAGIC 가공 연구회에서 샘플로 연마하고 있는 가공물의 예를 나타낸다.
  최근 진전되고 있는 MAGIC 가공의 연구 성과에 대해 정리해 보았다. 현재 기초 연구는 거의 끝나고 일본 에서는 「MAGIC 가공연구회」를 주축으로 실용화의 가능성을 모색하기 위해 실제 가공물에 대한 샘플 연마가 이루어지고 있다. 그리고 일본에서는 작년 8월 3일 국립 창원대학(한국)의 메카트로닉스연구회에서 「MAGIC 가공의 연구 동향」이라는 세미나가 개최되어 국제적으로 연구그룹이 확대되어 가고 있으며 구체적 으로는 한국의 NEXTEX사(대표 문병준)에서 연마 장치의 개발과 샘플 연마가 이루어지기 시작하였다.
  끝으로 본 연구를 수행하기까지 협력해 주신 니스카(주) 및 신기술 매니지먼트(유)의 枝村一彌 박사님께 진심으로 감사드리는 바이다.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

 
TAG :  배향성  복합체  숫돌  스트로크  자기  MAGIC
 
 
QUESTION (0)         목록보기 | 맨위로
 
Question 본 기사 내용에 대한 궁금한 사항을 적어주시면 확인 후 답변 드리도록 하겠습니다
  회원 마이페이지 또는 이메일로 답변을 확인 하실 수 있습니다.