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자성유체(磁性流體) 연마법에 의한 렌즈 금형재의 다듬질 가공
 
●「다듬질 기술」의 최신 동향
 
월간 기계기술기자 | 2004.10.01 | 2004년 10월호
 
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최근 현저히 발전해 가는 광학기술, 예를들면 광기록 매개체의 고밀도화, LCD 디스플레이의 고휘 도화·고정세(高精細)화 그리고 반도체 제조 기술에 있어서 X선 리소그래피의 초미세화가 전개됨에 따라 이들에 사용되는 광학 부품이나 금형 개발에는 나노 레벨의 윤곽(Profile) 정밀도와 표면 평활성을 양립하는 다듬질 가공 기술이 요구되고 있다.
  또한 실용 레벨에서는 당연히 가공능률이 요구되기 때문에 이들의 요구를 실현함에 있어서 매우 곤란하다.
  필자 일행은 이러한 배경 하에 초정밀 가공과 계측 기술을 통합한 금형 가공 정밀도를 추구하여 지금까지 어렵게만 여겨져 온 초정밀/나노 정밀도 금형의 개발을 추진해 가고 있다. 더 한층 나노 정밀도화를 목표로 ELID경면 연삭을 적용해서 능률 적으로 창성한 고정밀도 형상면에 대해 새로운 다듬질 가공 기법을 부여함으로써 지금까지 달성할수 없을 것으로 여겨져 왔던 가공 정밀도를 요구하는 종합적인 가공 프로세스의 실현을 지향하고 있다. 특히 최근에 와서는 자성 유체 연(Magneto- Rheological Finishing : MRF)법이 제창되었고 NC 제어를 이용하여 계측을 포함한 가공 시스템에 의해 광학 소자를 양산하는 다듬질 가공법이 제안되고 있다.
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그래서 필자 일행은 ELID 경면 연삭+자성 유체 연마+계측 기법이라는 새로운 통합 프로세스화 기법을 제안하여 초정밀 광학 소자나 금형가공을 겨냥한 각종 실험을 진행하고 있는 중이다. 본고에서는 그 효과를 검증한 사례에 대해 소개한다.
1. ELID연삭법에 의한 고정밀도 형상 창성
ELID 연삭은 숫돌입자의 미세화와 가공 시스템의 제어 정밀도 미세화로써 더 한층의 초정밀화가 가능해짐에 따라 최근 스틱 슬립을 배제한 구동 기구와 1nm제어를 가능하게 하는 Nano-Precision 가공 시스템을 복합함으로써 지금까지 존재하지 않는 새로운 정밀도 달성을 목표로 삼을 수 있게 되었다. 그리고 ELID에 사용되는 메탈 본드 숫돌을 정형(整形)함에 있어서는 플라즈마 방전 트루잉법을 적용함으로써 숫돌 형상을 초정밀로 창성한다. 그리고 숫돌의 운동 궤적을 나노 레벨의 정밀도로 전사(轉寫) 가공하고 또한 On-Machine의 계측 기능을 갖춘 Nano-Precision 가공 시스템이 구축되어 가공·계측의 통합화를 진척시켜 가고 있다. <그림 1>에서는 ELID에 의한 비구면 가공 방식을, <그림 2>에서는 개발된 Nano-Precision 가공 시스템에 의한 비구면 가공 모습을 각각 나타낸다
2. 자성 유체 연마법 및 가공 시스템
<그림 3>에서는 자성 유체 연마법의 원리를 나타낸다. 이른바 가공 툴이 되는 자성 유체 안에 숫돌입자(주로 다이아몬드, 산화셀륨)를 배합하고 자계(磁界)에 의해 연마 압력을 부여함으로써 연마에 기여한다. 그 가공 시스템에서는 펌프를 사용해서 연마제 (이하 자성 유체라고 한다) 탱크로부터 자성 유체를 공급하고 노즐에서 회전하는 툴로 토출시켜 휠의 하부에 있는 전자석을 통해 발생시킨 자장에 의해 자성 유체가 휠표면에 고착되고 휠과 함께 동심원을 일으 킨다. 그때 NC프로그램에 의해 피가공물과 휠간의 틈새를 제어함으로써 필요한 연삭가 공을 할 수 있다. 그리고 휠의 동심원과 함께 자장을 떠난 자성 유체는 다시 유동하여 회수 펌프에 의해 흡인 회수되고 순환되어 사용된다.
  가공기는 X, Y, Z의 직교축 3축과 A, B의 회전축 2축으로 구성된다.
  <표 1>에서는 그 주요 사양을 나타낸다. 그리고 <그림 4>에서는 가공 시스템 주요부의 모습을 나타낸다. 또 대칭축과 비대칭축 그어떤 가공물의 형상에 따라 <그림 5>에 나타 내는 바와 같은 2종류의 스캔 방법을 선택할 수 있다. 회전축 대칭 피가공물에 대해 서는 <그림 5>의 ⒜ 방식이 적용되고 회전축 비대칭 피가공물에 대해서는 <그림 5>의 ⒝방식이 적용된다. 또한 체류시간 등은 전(前)가공 형상에 따라 자동적으로 계산된다. 그리고 가공하기 전에 미리 피가공물의 형상을 측정하여 측정한 형상 데이터를 토대로 제거량 분포를 산출하고 연삭가공 프로그램에 반영시킨다.
3. 자성 유체 연마법에 의한 다듬질 가공 효과
고정밀도·고능률 그리고 운동 전사성이 높은 ELID연삭의 효과와 로컬이면서 나노 레벨의 가공 단위를 실현하는 자성 유체 연마법 쌍방의 이점을 상승시킴으로써 더욱 효과적인 가공 프로세스 기술을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
  우선 그 기본적인 효과를 검증하기 위해 #4,0 00 숫돌을 사용하여 ELID연삭 가공을 실시한 석영재를 사용해서 전(前)가공한 ELID 연삭면의 성상과 자성 유체 다듬질 효과와의 관계에 대해 기초 실험을 하였다.
  <그림 6>에서는 자성 유체 연마의 모습을 나타낸다. 그리고 <그림 7>에서는 자성 유체 연마를 하기 전의 석영 표면 상태를 나타낸다.
  실험 결과 #4,000 숫돌에 의한 ELID 연삭 가공면을, 자성 유체 연마법에 의해 단시간에 고품위 표면으로 다듬질 가공할수 있음이 확인되었다<그림 8>. 그리고 자성 유체 연마 실시후의 가공면 형상 정밀도에 대해서도 평가한 결과, <그림 9>에 나타내는 바와 같이 PV :192nm, rms : 8.6nm로 ELID 연삭에 의한 형상 정밀도를 유지하면서 표면 정밀 도가 개선되었다.
  이상의 내용으로 볼 때 ELID 연삭 가공과 자성 유체 연마 프로세스를 복합하면 가공능률과 더불어 표면 품위, 형상 정밀 도를 양립하는 상승효과를 얻을 수 있을 것이다.
4. 자성 유체 연마법에 의한 금형재의 다듬질 가공
다음은 글라스 몰드 금형재로 사용되는 SiC및 초경합금에 대해 자성 유체 연마에 의한 다듬질 가공을 실시했다. 다듬질 가공을 실시하기 전의 상태는 조면(粗面)이었고 SiC에 대한 연마 효과를 확인할 목적으로 실험했다.
  피가공재는 30mm t10mm를 사용했다. 실험 결과, 초기 거칠기 rms :232.7nm에서부터 rms : 3.6nm까지 개선 시킬 수 있었다. <그림 10>에서는 가공 전후의 모습을 나타낸다. 전(前)가공면에 대해 ELID 연삭으로 경면 다듬질을 실시하면더 한층 개선될 수 있다. 또한 ELID 경면 연삭을 실시한 초경합금에 대해서도 다듬질 가공 실험을 했다. 그 결과 초기면 PV:37.1nm, rms:1.6nm, Ra:1.2nm에 대해 자성 유체 연마를 실시함으로써 PV:7nm, rms:0.75nm, Ra:0.58nm를 달성하여 나노 레벨의 표면 창성을 실현할수 있었다<그림 11>, <그림 12>. 본고에서는 자성 유체 연마법(MRF)의특징과 효과 해설을 위주로 ELID 연삭법의 상승효과를 노린 새로운 가공 프로세스 기술 구축 가능성에 대해 검토한 기초 실험 및 글라스 몰드용 금형 재료를 대상으로 한 가공 검증의 기초실험을 실시한 결과에 대해 소개했다.
  앞으로 가공사례를 더욱 축적하여 새로운 가공 프로세스 / 시스템 기술을 구축하고 가공 데이터와 서비스 제공에 노력해갈 것이다.
 본 기술에 관련하여 시험가공이나 공동 연구에 관심을 갖고 있는 분들의 문의를 환영한다.

 
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