Machining of Repetitive Micro Patterns using Oscillation Micro Milling

◆ 특집 ◆ 기능 향상을 위한 Surface Texturing 기술

진동 마이크로 밀링을 이용한 미세 반복 패턴 가공 기술 연구

Machining of Repetitive Micro Patterns using Oscillation Micro Milling

노승국^1,, 김경호¹, 박종권¹ Seung-Kook Ro^1,, Gyungho Khim¹, and Jong-Kweon Park¹

1 한국기계연구원 첨단생산장비연구본부 (Division of Advanced Manufacturing System Research, Korea Institute of Machinery and Materials.)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-868-7115 Manuscript received: 2014.3.24 / Revised: 2014.4.25 / Accepted: 2014.4.28

This paper introduces a system to machine micro-sized patterns effectively on surface based on micro-milling process using tools with simultaneous rotation and oscillation, oscillation micro milling. To review the effectiveness of proposed concept, we integrated a micro-spindle supported by active magnetic bearings with a precision 3-axis air bearing stage using double-wedge mechanism, and tested this oscillation milling. Two types of oscillation milling were tested, which are linear oscillation milling with a flat end mill and elliptical oscillation milling with a ball end mill with 0.3 mm of diameter. The spindle was rotating 110 krpm and workpiece was moving constant speed of 2~8 mm/sec during the oscillation milling. As the results, multiple oval shape dimples were generated in regular spacing, and the variation of elliptical motion made different shapes of patterns. The results showed that proposed oscillation milling can be successfully used for machining repeated micro-patterns.

Key Words: Oscillation Micro Milling (진동 마이크로 밀링), Surface Texturing (서피스 텍스쳐링), Active Magnetic Bearing Spindle (능동 자기베어링 스핀들), Micro Milling (마이크로 밀링)

1. 서론

자연계를 모사하여 미세한 크기의 패턴을 표면 에 생성함으로써, 마찰력의 저감, 광학특성의 개선, 친수 및 소수성, 생체 친화성 강화 및 감소 등의 기능성을 부여하고자 하는 표면 텍스쳐링 (Surface Texturing) 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 0.1~100 µm의 다양한 패턴을 통한 윤활 및 마찰력, 공기저항 등의 표면효과를 요구하는 기계 등은 대부분 금속재질로써, 가공 공정을 통 하여 금속재질의 표면에 이러한 기능성을 부여하 고자 하는 기술의 개발이 국내외로 활발하다.^1-6

Etsion² 등은 자동차 엔진의 피스톤 라이너에

레이저를 이용한 패턴을 적용하여, 마찰력을 감소 시키는 연구결과를 진행한 바 있으며, 자동차 엔 진의 윤활특성을 개선시키기 위하여 해칭 및 그루 브 가공 연구도 진행되고 있다.³ 가공 방법에 있어 서는 마이크로 패턴이 가능한 마이크로 방전가공 및 레이저 가공, 롤링 및 널링 등의 소성가공 등 다양한 방법이 연구되고 있다.^4-6 이중, 절삭 및 연 삭 등 이용한 기계가공을 통한 패터닝으로는 Fast Tool Servo (FTS)를 이용한 패터닝과, 패턴이 가공 되어 있는 연삭휠을 이용한 리블렛 가공, 플라이 컷팅을 이용한 가공 기법 등이 개발되고 있으며, 이를 통해 공기마찰 및 윤활 마찰력 감소 효과가 있음이 보고되고 있다.¹ 이러한 기계가공은 기존의

가공 프로세스를 적용함으로써, 기존 가공장비에 추가하여 적용할 수 있다는 장점이 있으며, 무엇 보다 대상 재료에 대한 제한이 적어서, 금속을 포 함한 다양한 재료에 적용이 가능하다는 장점이 있 어 연구개발이 필요한 기술이다.

이러한 미세형상을 가공하기 위한 방법 중, 직 경 1 mm 이하의 밀링 공구를 이용한 마이크로 밀 링은 초정밀 가공기와 CAD/CAM 기술을 적용하여 미세 패턴과 복잡한 3차원 형상의 가공이 가능하 고, 다양한 재료에 적용이 가능하여 금형 가공 등 에 적용되고 있으나, 미세패턴의 가공을 위해서는 가공기계의 이송계의 제어를 통해 형상을 구현해 야 하므로, 상당히 긴 NC 코드와 가공시간이 필요 하다. 단순히 반복되는 패턴이라도 이송계를 움직 이기 위해서는 이송계의 정밀 이송 속도 및 대역 폭의 제약을 받기 때문에 일정한 가공시간이 필요 할 수 밖에 없다. 따라서, 가공 속도를 높이고, 넓 은 면적에 가공하기 위해서 공구를 고속으로 진동 시키는 FTS나 플라이 컷팅 등의 방법이 적용되고 있으나, 이 경우에는 절삭방향의 제한이 있다. 플 라이 컷과 비슷한 방법으로 Matsumura^7,8 등은 볼 엔드 밀을 이용하여 패턴을 생성하는 방법도 연구 된 바 있으며, 이 경우에는 타원형의 패턴이 생성 되는 결과를 보였다.

본 연구에서는 이러한 마이크로 밀링을 수행하 면서 회전공구의 회전축에 반복적인 운동을 발생 시켜서 반복적인 패턴을 생성할 수 있는 진동마이 크로 밀링 가공법을 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 진동 마이크로 밀링의 개념과 1차원 및 2 차원 운동을 통한 생성 패턴에 대해 모델링 하고, 이러한 진동밀링을 구현하기 위한 시스템을 소개 하였다. 10만 rpm 이상의 고속회전중인 공구에 진 동을 주기 위하여, 능동자기베어링을 이용한 마이 크로 스핀들을 적용하고 미세가공을 위한 시스템 을 구현하였다. 마이크로 스핀들을 가공 물 표면 에 기울여서 입사시켜, 반경방향으로 가진을 줌으 로써 진동 밀링을 구현하였으며, 평엔드밀을 이용 한 선형 진동 밀링과 마이크로 볼 엔드밀을 이용 한 2차원 타원 진동 밀링을 통하여, 반복되는 패 턴이 생성됨을 확인하였다.

2. 마이크로 진동 밀링 2.1 개요

다음의 Fig. 1은 제안된 진동 밀링 방법의 개요

를 예시를 통하여 설명하고 있다. 고속 회전하는 공구(약 10만 ~ 18만 rpm)를 진폭 10~20 ㎛ 로 200 Hz 정도 가진을 시키면서 공작물을 정속으로 직선 이송시키게 되면 이송속도와 가진 주파수 및 가진 진폭의 관계에 따라 절삭 깊이 및 간격 변하게 되 고, 이는 결과적으로 표면에 일정한 마이크로 형 상을 생성하게 된다. 이러한 표면의 마이크로 형 상, 혹은 텍스쳐는 이송계의 서보제어를 통하지 않고 효율적인 가공을 수행할 수 있는 장점이 있 으며, 회전 공구를 사용함에 따라 절삭 방향에 구 애 받지 않는 것이 본 제안된 방법의 특징이다.

2.2 마이크로 자기베어링 스핀들⁹

이렇게 회전하는 공구를 회전 중에 진동을 발 생시키기 위해서는 베어링에서의 가진이 필요한데, 소형의 스핀들을 가진 시키거나, 베어링 자체에 유격을 가지고 가진이 가능한 스핀들을 사용하면 구현이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와

Endmill (ø0.1~1 mm) Rotation (100~180krpm) Excitation(10 µm, ~500Hz)

Workpiece feed (>1 mm/sec) θ

Fig. 1 Micro milling with oscillation of rotating axis

Tool clamping with SMA

Permanent magnet

Radial AMB Sensor

Air turbine Sensor

Auxiliary bearing (air bearing)

Auxiliary bearing (air bearing)

Radial AMB

Shaft

Fig. 2 Designed micro spindle with 4-DOF active magnetic bearings (AMB)⁹

같은 초소형 능동자기베어링을 이용하여 구현하였 다. 본 스핀들의 제원은 Table 1과 같으며, 공기터 빈을 이용하여 최고 20만 rpm의 회전이 가능하고, 자기베어링 제어 대역폭인 1 kHz 내에서 최대 500 Hz까지 가진이 가능하다. 이러한 가진은 보조베어 링인 공기베어링 및 자기베어링의 간극 이내에서 가능하며, 자기부상 제어기의 Reference 에 가진 신 호를 인가함으로써, 반경방향으로 가진이 가능하다.

Rotary table

3DOF Stage AMB Spindle

Workpiece

Fig. 5 System set-ups for oscillation micro milling test

Table 2 Specifications of the three-axis translation stage¹¹ Actuator Linear motor (Trilogy 110-1S) Feedback Linear scale (Heidenhain LIDA 47, 50 nm)

Bearing Orifice air bearings with magnetic preload Controller UMAC (DeltaTau)

Drive PWM drive (Copley Xenus XSJ-230-10) Air cylinder Airpel E16D4.0S (Airpot)

Stroke x: 180 mm, y: 25 mm, z: 25 mm Wedge angle 30°

Material Anodized aluminum

Fig. 3에는 주축이 11만 rpm으로 회전중 0.2V의 진폭을 갖는 사인파 가진 신호를 주었을 때, 자기 베어링 센서에서 측정한 응답을 나타내고 있다. 회 전시의 런아웃 약 7 µm를 포함하고 있으며, 가진에 따라 최대 12 µm의 추가 가진이 이루어 지고 있음 을 알 수 있다. 이러한 가진이 이루어지는 경우의 공구의 궤적을 감안하면 축 선단에 추가로 장착한 센서에서 측정된 결과를 나타낸 Fig. 4에서 점선으 로 표시한 것과 같은 가공 궤적이 생성되게 된다.

본 연구에서 진동 마이크로 밀링을 위해 구성한 시스템은 위의 Fig. 5와 같다. 생크 3 mm 인 마이크 로 엔드밀을 스핀들의 형상기억합금 기반 클램핑 장치를 통해 고정하도록 하였으며, 평엔드밀 및 볼 엔드밀의 절삭 날 부분의 가공이 가능하고, 가공면 에 수직한 방향으로 가진이 이루어질 수 있도록 회 전테이블을 통하여 각도를 조정하도록 하였다. 이는 적용된 스핀들이 축방향으로는 가진이 불가능하기 땜에 절삭 깊이 방향으로 가진이 이루어지도록 하 기 위함이다. 공작물은 3축의 더블 웨지형 스테이 지에 장착하였으며, 3축 웨지 스테이지는 공기베어 링으로 지지되는 두 개의 쐐기형 구동기를 통하여 3축 위치정밀도 1 ㎛ 이내, 분해능 0.1 ㎛, 운동오 차 0.3 ㎛ 이내의 구동이 가능하다(Table 2).

Table 1 Specifications of the micro spindle with active magnetic bearings¹⁰

Radial bearings Active magnetic bearings / air bearings Thrust bearings Air bearings

Motor Air turbine

Maximum speed 200,000 rpm Static stiffness 0.6 N/µm

Tool shank 3 mm (SMA clamping) Air gap of magnetic

bearings 0.03 mm Radial clearance of air

bearings 0.015 mm

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

-10 -5 0 5 10

Displa ceme nt [

μm]

Front end position

No excitation 50 Hz 200 Hz 250 Hz 500 Hz

Fig. 3 Tool orbit measured by front sensors with excitations⁹

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

-15 -10 -5 0 5 10 15

Runo ut (

μm)

Time (sec)

No excitation

Machining envelope

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

-10 -5 0 5 10

Runo ut (

μm)

Time (sec)

Rotational speed: 1.8kHz Exciting frequency: 50Hz

Machining envelope

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

-15 -10 -5 0 5 10

15 Rotational speed: 1.8kHz

Exciting frequency: 200Hz

Runo ut (

μm)

Time (sec) Machining envelope

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010

-15 -10 -5 0 5 10

15 Rotational speed: 1.8kHz

Exciting frequency: 500Hz

Runo ut (

μm)

Time (sec) Machining envelope

Fig. 4 Radial displacement of tool measured with a capacitive sensor while rotating 110 krpm with 0, 50, 200 and 500 Hz of oscillation

X Z 0

) ( =t x_t

) 2 sin(

)

(t Z₀ t

z_t = πω_t

wd

dd

Workpiece Fx

(a) With linear vertical oscillation

X Z ) 2 cos(

)

(t X t

x_t = _o πω_t ) 2 sin(

)

(t Z t

z_t = _o πω_t

wd

dd

Workpiece Fx

(b) With elliptical oscillation

Fig. 6 Micro milling with oscillation of rotating axis of a ball end mill

2.3 타원 진동 마이크로 밀링 모델링

다양한 목적의 마이크로 패턴 중, 구형 혹은 타원형의 딤플 형태가 일반적이고 많은 활용성을 가지고 있다. 마이크로 밀링을 통해 반구형의 딤 플을 생성하기 위해서는 볼엔드밀을 사용하여 가 공을 수행하여야 한다. 또한 다수의 패턴을 생성 하기 위해서는 NC 제어를 통해 공작물 혹은 공구 를 이송제어하여 구현한다. 본 연구에서 제안하는 진동밀링을 이용하면 이러한 이송제어를 최소화하 여 효율적인 구형 패턴의 반복 가공이 가능하다.

위의 Fig. 6은 볼엔드밀을 이용한 마이크로 진 동 밀링의 개요를 나타내고 있다. 공작물의 이송 방향을 X, 공작물 표면의 수직방향을 Z라 하고, 이송속도 Fx 로 정속 이송한다고 할 때, 회전하는 공구를 Fig. 6(a)와 같이 직선운동을 하는 경우와, Fig. 6(b)와 같이 타원진동을 시키는 경우는 타원의 방향에 따라 생성된 패턴의 이송 방향의 길이인 W_d의 크기가 달라져 타원에서 원형 패턴이 가능 해진다.

이렇게 생성되는 딤플의 형상은 공구의 회전속 도가 진동속도에 비하여 매우 높을 경우, 간단하

게 구형의 공구 형상을 가정하여 공작물과의 중첩 되는 체적을 계산함으로써 예측할 수 있다. Fig. 7 은 0.3 mm 직경의 볼엔드밀을 이용하여 가공면에 수직방향(Zo)으로 10 Hz의 주파수로 0.01 mm 진동 시키는 경우와, 수평방향(Xo)으로 0.008 mm의 진동 을 추가시켜 타원형 진동을 주었을 때를 계산한 결과를 나타내고 있다. 이때, 테이블의 이송속도는 2.32 mm/sec를 가정하였다. 이 경우, Xo=0 일 때, 패턴의 폭은 약 Wd=0.165 mm 이며 Xo = 0.008 mm 인 경우, 패턴의 폭은 0.14 mm 로 감소한다. 또한 X_o 진폭을 더 크게 하는 경우에는 원형의 패턴이 가능해진다. 즉, 공작물 표면 수직방향의 진동성분 만 있는 경우에는 타원에 가까운 패턴이 생성되며, 이송방향으로 회전하는 타원형 진동을 인가하는 경우에는 원형에 가까운 패턴이 생성됨을 확인할 수 있다.

3. 마이크로 진동밀링 실험 3.1 1 자유도 진동 밀링

제안된 마이크로 진동 밀링의 실험을 위하여 자기베어링 스핀들에 0.8 mm의 평 엔드밀을 장착 하고, Fig. 8에서와 같이 35^o의 각도로 가공물 표면 에 입사하고, 약 10만 rpm의 회전과 0.2 V, 200 Hz 의 정현파 가진을 스핀들의 반경방향에 인가하였 다. 이때 발생되는 선단에서의 진폭은 약 10㎛ 정

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

X [mm]

Y [m m]

Feed = 2.324mm/sec, Oscillation frequency = 10Hz, Oscillaion amplitude Z_o = 0.01mm, X_o = 0mm

(a) Vertical oscillation (Z_o = 0.01 mm, X_o = 0 mm)

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

X [mm]

Y [m m]

Feed = 2.324mm/sec, Oscillation frequency = 10Hz, Oscillaion amplitude Z_o = 0.01mm, X_o = 0.008mm

(b) Elliptical oscillation (Z_o = 0.01 mm, X_o = 0.008 mm) Fig. 7 Simulation results of oscillation micro-milling

with ball endmill of radius 0.3 mm

35°

Oscillation

200 Hz Workpiece

AMB spindle

Fig. 8 Experimental set-ups for oscillation micro milling

1 2 3

4

(a) Machined surfaces

1. 4mm/s feed, No oscillation 2. 4mm/s feed, 200 Hz oscillation

3. 8mm/s feed, 200 Hz oscillation 4. 8mm/s feed, 200 Hz oscillation

(b) Microscope images of the 4 sections

Fig. 9 Photo and optical microscope image (50x) of machined surfaces with oscillation milling

(a) Section 2, 200 Hz, 4 mm/sec

(b) Section 4, 200 Hz, 8 mm/sec

Fig. 10 Surface machined with oscillation milling measured by a con-focal microscope

도로 측정되었다. 이를 이용하여 알루미늄 시편을 4 mm/sec 및 8 mm/sec로 이송하며 가공한 결과가 Fig. 9와 같다. 4개의 영역으로 나누어, 가진이 없는 경우와, 4 mm/sec 이송, 8 mm/sec 이송과 이송경로의 간격을 바꾼 경우로 이루어져 있다. 또한 가공된 부분을 공초점 현미경을 통해 형상을 측정한 결과 가 Fig. 10과 같다.

여기서, 진행방향에 가진이 없는 경우에 비하 여 가진이 있는 경우 주기적인 패턴이 생성되었음 을 확인할 수 있다. 4 mm/sec 이송의 경우, 약 20 µm의 간격으로 패턴이 생성되고, 이송속도가 8 mm/sec 가 되면 40 µm 간격의 패턴이 생성되었으 며, 패턴의 깊이는 8 mm/sec의 경우 약 8 µm 로 나 타났다. 스핀들의 런아웃의 영향으로 형상의 편차 가 나타나고 있으나, 제안된 방법으로 일정한 반 복패턴의 가공이 가능함을 충분히 확인할 수 있다.

3.2 2 자유도 진동 밀링

앞의 2.2절에서 제안한 바와 같이, 볼엔드밀을 이용한 가공실험을 수행하였다. 다음의 Fig. 11은 0.3 mm 직경의 볼엔드밀을 이용하여 가공한 표면 을 나타내고 이다. 가공은 세가지 조건으로 수행

되었으며, 타원의 진동을 만들기 위해서 공작물의 이송방향을 수평이 아닌 수직으로 유지하며 가진 하였다. 이때의 이송속도는 정속으로 2.32 mm/sec 이며, 가진 주파수는 10 Hz로 가진하였다. 각각 2.3 절에서 해석된 예와 같이 10 mm의 진폭을 갖도록 진폭 0.2V와 0.15V의 Sine, Cosine 신호를 인가하였 다. 3번씩 이송한 후에, 절입깊이를 0.01 mm 씩 증 가시켜서 가공하였다. 1번은 직선 진동 (Zo=0.2 V, X_o=0 V), 2번(Zo=0.2 V, X_o=0.15 V) 및 3번(Zo=0.2 V, X_o=-0.15 V)은 타원 진동이되 방향을 달리한 경우 이다.

가공된 표면을 300배 확대하여 보면, 직선 진 동 만 있는 구간에 비하여, 이송방향의 타원진동 이 적용된 구간의 타원형 패턴의 길이가 감소한 것을 알 수 있으며, 반대방향으로 타원진동이 생 긴 부분에서는 길이가 증가하는 경향을 보이고 있 다. 또한 가공된 패턴은 약 0.23 mm의 간격으로 일정하게 배치되어 있음을 확인할 수 있다. 2번 영 역에서는 일부 원형에 가까운 패턴들을 확인할 수 있었으며, 진동의 크기를 조절함에 따라 형상의 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 따라서 본 실험 을 통하여 정속 이송 중에 회전공구의 진동을 통

한 미세 패터닝이 가능함을 확인하였으며, 제안된 방법의 유효성을 검증할 수 있었다.

단, 스핀들이 자체적으로 가지고 있는 런아웃 에 의하여, 완벽하게 균일한 패턴이 생성되지는 않았으며, 이는 향후 런아웃 개선이나 가진 진폭 의 증가를 통한 개선이 필요한 부분이라 할 수 있 다. 또한, 일반적인 소구경의 볼 엔드밀을 사용함 에 다이아몬드 공구를 사용하는 FTS 등에 비하여 가공 면이 거친 특성을 나타내고 있어, 공구의 다 변화 등을 통해 깊이 있는 연구가 필요한 부분이 라 할 수 있다.

4. 결론

본 논문에서는 고속 회전 하는 마이크로 밀링 공구에 선형 혹은 타원형 진동을 인가함으로써 공 작물의 정속이송 중에 미세 패턴을 가공할 수 있 는 마이크로 진동 밀링을 제안하였다. 제안된 가 공방법의 검증을 위하여 능동자기베어링으로 이루 어진 소형 스핀들과 3축 공기베어링 스테이지로 구성된 시스템을 구축하고, 0.8 mm 직경의 평엔드 밀 및 0.3 mm 직경의 볼엔드밀을 이용한 패턴 생 성 실험을 수행하였다. 공작물의 2~8 mm/sec의 이 송시, 가진 주파수 및 형상에 따라 일정한 간격의 마이크로 패턴의 형성이 가능한 것을 실험적으로 확인하였다. 이러한 방식은 단순 반복 패턴을 위 한 NC 코드의 생성 없이 적용할 수 있다는 부분 에서 가공속도와 대면적화에 유리할 것으로 판단 되며, 대면적에 반복되는 단순 패턴 가공에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.

향후, 패턴의 정밀도와 균일도를 향상시키기 런아웃 오차를 개선시키고, 다양성과 표면 품질의 개선을 위하여 가진 진폭과 자유도를 확대시키고, 다양한 절삭공구를 적용하는 연구를 추진할 계획 이다.

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2.32 mm/sec

1. linear 2. elliptical 3. elliptical (a) Patterned surface by oscillation micro milling with a

ball end mill

1. Linear oscillation 2. Elliptical oscillation 1 3. Elliptical oscillation 2

(X_o = 0 V) (X_o = 0 V) (X_o = -0.15V) (b) Patterns measures by 300X optical microscope Fig. 11 Machined results by micro oscillation milling

with 0.3 mm ball end mill (Z_o = 0.2V)

737, 2004.

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