PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미세 가공
Micro Machining of Titanium Alloy Using Polycrystalline Diamond Tools
문인용1, 김보현1,
In Yong Moon1 and Bo Hyun Kim1,
1 숭실대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Soongsil Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-820-0653 Manuscript received: 2012.9.14 / Accepted: 2012.12.3
Micro cutting of titanium alloy by polycrystalline diamond (PCD) tools was studied. Micro electro discharge machining (MEDM) was used to fabricate customized micro shaping tools from PCD blank. The tool was used to machine micro grooves on Ti alloy and the effects of depth of cut and machining length on tool wear, burr and surface roughness were studied. The shaping tool has cutting edge of a few µm. The crater size of the tool surface was increased with increasing capacitance of EDM machining conditions, which was used to control the surface roughness of the machined micro grooves.
Key Words: Micro Machining (미세 가공), Polycrystalline Diamond (다결정 다이아몬드), Surface Roughness (표면 조도)
1. 서론
최근 대형화되는 디스플레이 산업에 맞추어 도광판 및 광학필름을 제조하기 위한 미세 패턴 금형 가공기술에 대한 연구가 활발히 일어나고 있다.
1-4또한, 초소수성 표면 등 다양한 기능성 표면이 주목 받으면서, 그 미세 패턴 금형 제작 을 위한 미세 가공 기술들이 연구되고 있다. 미 세 패턴을 가공하는 방법으로는 주로 단결정 다 이아몬드(single crystalline diamond, SCD)로 공구를 제작하여, 이를 회전을 시키거나, 또는 회전 없이 가공하는 방법이 많이 사용되고 있으며, 두 방법 모두 높은 경도의 SCD 를 이용하여 우수한 표면 조도를 얻을 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있다.
1일반적으로 다이아몬드 재료로부터 초정밀 미세 공구로 제작하기 위해 초정밀 연삭 기술, 집속이 온빔 가공(focused ion beam, FIB)기술 등이 사용 되는데 이는 시간과 비용이 많이 드는 단점을 갖 고 있다.
다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond, PCD) 는 다이아몬드 입자와 코발트 바인더를 소 결하여 만들어진 재료로서, 다이아몬드와 비슷한 강도를 지니고 있으며, 절삭 공구로 많이 이용된 다. 또한 전도성 성질을 지니고 있어, 방전 가공 을 통하여 원하는 공구 형상을 만드는데 용이하 다. 미세 방전 가공을 통하여 제작된 PCD 공구는 방전 가공에 의해 공구 표면에 형성된 방전흔 (crater) 의 영향으로 비교적 거친 공구 표면을 갖 게 되는데, 이로 인하여 가공된 미세 형상의 표 면 또한 공구의 표면과 비슷한 형태로 줄무늬 또 는 선형 가공 자국(linear cutter mark)이 남게 된 다.
2이러한 줄무늬, 선형 자국은 여러 가지의 기 능성 표면 제작에 응용될 수 있을 것이라 예상된 다. 하지만 PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 미 세 채널 가공과 가공 특성, 가공 표면의 거칠기 에 대한 연구는 아직 많이 이루어지지 않고 있다.
따라서, 본 논문에서는 미세 방전 가공에 의해
제작된 PCD 공구를 이용하여 티타늄 합금에 미
세 채널을 가공 하였을 때의 절삭특성 및 가공 표면에 대해 연구하였다.
2. 실험장치 및 미세 공구 제작
본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 3 축 미세 가공기 를 구성하여, 지름 1 mm 원통형 PCD 재료를 미세 방전 가공으로 사각단면의 공구 형상으로 가공한 뒤 티타늄 합금 표면에 세이핑(shaping)으로 미세 채널을 가공하였다. 이송기구는 X-Y-Z 축을 기본으 로 하고 있으며 각각 0.1 μm 의 분해능을 갖고 있 다. Z 축에는 PCD 공구를 장착할 수 있는 구조물을 설치하였고 X-Y 축 위에는 공구 가공을 위한 방전 가공 수조와 세이핑 공정을 위한 지그를 설치하였 다. 하나의 가공기에서 공구의 가공과 미세 채널 가공이 모두 이루어지도록 시스템을 구성하여, 미 세 공구의 탈, 부착 시 발생할 수 있는 오차를 없 앴다. 또한 미세 채널 가공 시 인가되는 절삭력을 측정하기 위해 다채널 공구동력계(9256C2, Kistler Co.) 를 설치하였다.
미세 방전 가공에서 PCD 를 가공할 전극으로 두께 300 - 500 µm 의 구리 판재를 사용하였다. 공 구는 폭 100 μm 의 직육면체형상으로 제작되었으 며 여유각(clearance angle)을 4°로 제작하기 위하 여 수동 고니오 스테이지(goniometer stage)를 사용 하였다.
마이크로 및 나노 크기의 미세 절삭 가공에서 날 끝 반경의 크기와 1 회 절입량의 관계가 절삭 력 등 절삭 특성에 많은 영향을 미친다는 연구가 이미 많이 수행되어 있다.
3날 끝 반경이 1 회 절 입량 보다 크게 되면 절삭보다는 눌림, 혹은 밀 림 현상에 의한 가공이 일어나기 때문에 가공 표 면 및 공구의 수명에 악영향을 미치게 된다. 따 라서 방전 가공을 이용한 공구 제작 시 날 끝 반 경을 줄이기 위해 방전 에너지를 최소화하는 것 이 중요하다. 본 연구에서는 PCD 공구의 경사면 (rake face) 의 경우 부유용량(stray capacitor)을 이용 하여 가공하였다. Fig. 2 는 부유용량으로 가공한 공구의 날 끝의 SEM 사진이다. 방전 가공 시 가 공 에너지를 최소화하면 사진과 같이 날 끝 반경 이 1 μm 내외의 공구를 얻을 수 있었다. 플랭크 면(flank face)의 경우 공구 표면의 거칠기를 달리 하기 위해 세가지 종류의 축전용량(capacitance)를 사용하였다. Table 1 은 미세 공구 제작에 사용한 가공 조건을 나타내었다.
(a)
(b)
Fig. 1 Schematic diagram of (a) machining system and (b) cutting process
(a) Micro shaping shape
(b) Cutting edge
Fig. 2 SEM of a machined tool (PCD, width: 100 μm)
Table 1 Micro EDM conditions for Tool fabrication
Material
Workpiece PCD Tool electrode Cu
Voltage 100 V
Capacitance
Flank face 0, 10000, 100000 pF Rake face 0 pF (stray capacitance)
(a) Micro channel pattern
Tool
Workpiece
Linear cutting mark
(b) Micro channel pattern by EDMed tool Fig. 3 Micro channel machined by (a) conventional and
(b) EDMed micro tool
3. 실험결과3.1 공구의 방전흔에 따른 줄무늬 형성
방전 가공으로 공구를 제작하면, 방전흔으로 인해 공구에 거친 표면을 얻게 되며 이 공구로 미 세 채널을 가공하게 되면 Fig. 3 과 같이 채널 바닥 면도 거친 표면을 갖게 된다. 따라서 마이크로 크 기의 미세 구조물을 가공함과 동시에, 가공 표면 에 거칠기를 갖도록 하는 것이 가능하다.
실제 공구 표면의 방전흔이 가공 표면에 미치 는 영향을 알아보기 위하여, 방전가공으로 공구를 제작한 뒤 공구를 촬영하였고, 티타늄 합금에 미 세 채널을 가공하여 표면을 측정하였다. Fig. 4 는 미세 방전으로 가공한 PCD 공구의 날 끝 사진이 다. 방전흔의 영향으로 날 끝 부분에 돌기가 형성 되어 있고, 거친 표면을 이루고 있음을 볼 수 있다.
이 공구를 이용하여 티타늄 합금에 미세 채널을
Fig. 4 Cutting edge of PCD tool machined by micro EDM (rake face: 0 pF (stray capacitance), flank face: 10,000 pF)
(a) SEM image
(b) Measured surface profile
Fig. 5 SEM and profile of the surface machined by EDMed tool
가공하였으며, 그 가공 표면을 Fig. 5 에 나타내었 다. Fig. 5(a)는 미세 채널의 SEM 사진이며, 그 표 면에 미세한 줄무늬가 있음을 알 수 있다. 이는 공 구 표면에 나와 있은 각각의 돌기가 가공에 참여하 여 생기는 가공 자국(cutting mark)이다. Fig. 5(b)는 비 접촉 3 차원 미세 형상 측정기(NANO View-E1000, NanoSystem Co.) 를 이용하여 표면을 측정한 결과이 다. SEM 사진과 마찬가지로 가공 흔적이 선형으로 나 있음을 볼 수 있으며, 폭과 깊이가 약 1-2 µm 되 는 것을 알 수 있다.
3.2 공구 거칠기에 따른 가공 면 거칠기 변화
방전 가공 시 가공물 표면에 형성되는 방전흔은
방전에너지에 따라서 그 크기가 달라진다. 즉, 인가
(a) Stray capacitor
(b) 10,000 pF
(c) 100,000 pF
Fig. 6 Surface of micro tools and machined surface of Ti alloy (left: tool surface, right: machined surface)
전압이나 축전용량을 크게 하면 단발방전 에너지 가 커져 방전흔의 크기가 커지게 되고 결과적으로 표면 거칠기가 커지게 된다. 따라서 공구의 표면 거칠기가 미세 채널 표면의 거칠기에 미치는 영향 을 연구하였다.
공구 바닥면(플랭크 면)의 가공 시 방전 에너 지를 다양하게 하기 위해 3 가지의 축전용량(0, 10000, 100000 pF) 을 사용하였으며, 공구의 날 끝 반경을 최소화 하기 위해 공구의 전면부(경사면) 는 모두 부유용량(stray capacitance)을 사용하였다. 전 압은 100 V 로 일정하게 사용하였다. 이 공구를 사 용하여 티타늄 합금 표면을 가공하였으며 표면을 관찰하였다. Fig. 6 은 각기 다른 축전용량으로 가 공한 공구의 표면(가공전)과 이 공구로 가공한 미세 채널의 가공 표면의 SEM 사진이다. 큰 방전 에너지를 사용할수록 공구의 표면이 거칠어지는 것을 볼 수 있으며, 미세 채널의 표면 또한 거칠 기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 각각의 공구 표 면과 가공 표면의 거칠기 측정값을 Table 2 에 나타 내었다.
Table 2 Surface roughness of tool and workpiece surfaces
Capacitor
Surface roughness(Rt) Tool Workpiece Stray capacitance 1.43 µm 0.81 µm
10,000 pF 6.18 µm 1.74 µm 100,000 pF 7.51 µm 2.22 µm
Machining direction
Workpiece
Tool
θ
Tool
Fig. 7 Machining process for different depth of cut
Fig. 8 Cross sectional view of surface profile of micro channel
3.3 절입량에 따른 가공 특성
절입량(depth of cut)에 따른 버(burr)의 높이의 변
화를 알아보았다. 가공 중에 절입량이 증가하도록
하기 위해, Fig. 7 과 같이 가공물을 일정한 각도로(θ)
기울인 상태로 가공하여 시작점과 끝점의 가공 깊
이를 다르게 하였다. 결과적으로 다양한 절입량의
미세 채널 형상을 관찰할 수 있었다. Fig. 8 은 3 차원
미세 형상 측정기를 통하여 측정한 채널의 단면
형상이다. 이를 통해 특정 절입량에서의 버의 높
이와 표면 거칠기를 측정하였다. 다른 가공 조건
은 Table 3 에 나타내었다.
Table 3 Machining conditions
Material
Workpiece Ti – 6Al – 4V
Tool PCD
(100 µm width) Cutting speed 4 mm/s
Depth of cut 0 - 20 μm
(a) DOC: 1 μm
(b) DOC: 5 μm
(c) DOC: 13 μm
Fig. 9 Comparison of burr according to increasing DOC
Fig. 9 에서 알 수 있듯이 절입량이 증가할 수록 버의 높이가 증가함을 관찰할 수 있다. 미세 형상 측정기를 이용한 버의 높이 측정은 Fig. 10 과 같이 양 쪽 버의 높이를 각각 측정한 후 그 평균값을 사용하였다. 그 결과 Fig. 11 과 같이 절입량이 커 질수록 버의 높이가 커지는 것을 수치적으로 확인 할 수 있었다.
절입량에 따른 가공표면의 거칠기 변화를 알아 보기 위한 실험에서는 시편을 기울이지 않은 상태 에서 각기 다른 절입량으로 중첩가공하여 실험을
Fig. 10 Method of burr height measurement
0 5 10 15 20 25
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Burr height (µm)
Depth of cut (µm)
Fig. 11 Burr heights according to depth of cut
0 5 10 15 20
0 100 200 300 800 900 1000 1100 1200
Rz Ra
Surface roughness [nm]
Depth of cut (µm)
Fig. 12 Surface roughness according to depth of cut 진행하였다. Fig. 12 는 절입량의 변화에 따른 표면 조도의 변화를 보여주고 있다. 가공 표면의 거칠 기는 절입량의 증가됨에 따라 큰 변화를 보이지 않았으며 이는 방전 가공으로 생긴 공구의 방전흔 이 가공 표면의 거칠기를 결정하는데 지배적인 영 향을 미치기 때문이라고 판단된다.
3.4 공구의 마모에 따른 가공 면 변화
공구의 수명과 가공 면의 품질에 관련하여 공
구의 마모는 매우 중요한 가공 특성이다.
5따라서
본 연구에서는 가공 거리에 따른 공구의 마모와
가공 표면의 변화를 알아보기 위하여 Fig. 1(b)와
(a)
(b)
Fig. 13 SEM of cutting edge after machining of (a) 0 mm, (b) 8400 mm
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 14 SEM of flank face after machining of (a) 0 mm, (b) 750 mm, (c) 1,500 mm, (d) 2,250 mm (arrows show the cutting direction)
같이 절입량 1 µm, 가공 길이 15 mm 씩 가공하여 깊이 50 µm 의 채널을 반복가공하였다.
가공 거리에 따른 공구의 마모 정도를 알아보 기 위하여 가공 전과 8400 mm 가공 후의 공구 날 끝의 형상을 SEM 으로 측정하여 Fig. 13 에 나 타내었다. 가공 길이가 증가함에 따라 공구의 날 끝이 수 µm 정도 무뎌지는 것이 관찰할 수 있었 으나, Fig. 14 에서 알 수 있듯이 가공이 진행됨에 따라 피가공물인 티타늄 합금이 공구 밑면에 달 라붙는 현상으로 인해 정확한 마모량을 판단하기 가 매우 어려웠다.
가공 길이가 증가함에 따른 가공면의 표면 거 칠기와 절삭력의 변화를 관찰하였다.
Fig. 15 에서 볼 수 있듯이, 가공 길이가 증가하
더라도 가공 표면의 평균 거칠기(Ra)는 100 - 130 nm
사이를 유지하는 것을 확인하였다. 이는 공구 표면
에 전이된 피가공물이 실제 재료의 가공에 큰 영향
을 주지 못하고 표면 거칠기에도 큰 영향을 미치지
못함을 알 수 있다. 또한 Fig. 13 과 같이 공구 마모
가 수 µm 수준으로 발생하지만 Fig. 15 의 그래프와
같이 표면 거칠기(Rz)의 변화량이 최대 200 nm 밖에
안 된다는 점에서 날 끝에서의 공구 마모가 가공
0 2000 4000 6000 8000 10000 0
100 200 300 400 500 600 700
Rz Ra
Surface roughness [nm]
Machining distance (mm)
Fig. 15 Surface roughness according to machining distance
(a)
(b)
Fig. 16 Cutting edge and crater (a) before tool wear, (b) after tool wear
표면 거칠기에 큰 영향을 미치지 못한다는 것을 알 수 있다.
이는 방전 가공으로 제작한 공구의 특성상 공구 바닥면(flank face)에 존재하는 무수히 많은 방전흔으 로 설명할 수 있다. Fig. 16(a)와 같이 가공 초기에는 공구 선단의 방전흔이 가공에 참여하지만 Fig. 16(b) 와 같이 공구 끝부분에 마모가 발생하면 그 뒤에 있던 방전흔에 의하여 가공이 일어나기 때문에 가공 표면의 거칠기가 유지된다 판단된다. 또한 피가공물의 전이는 방전흔을 모두 덮을만한 양이 지만, 가공 중에는 공구표면에 붙고 떨어지는 것 이 반복되어, 실제 가공은 주로 공구의 방전흔에
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Force (N)
Time (sec)
Cutting direction Z_direction
(a)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Force (N)
Time (sec)
Cutting direction Z_direction
(b)
Fig. 17 Cutting force at the machining of (a) 300 mm, (b) 8400 mm
(a)
(b)
Fig. 18 Cross sectional view of machined surface after machining of (a) 300 mm, (b) 8400 mm
의해서만 이루어진다고 판단된다.
Fig. 17 은 가공 길이에 따른 절삭력의 변화를
보이고 있으며, 300 mm 와 8400 mm 가공 후의 절
삭력에 큰 변화가 없음을 알 수 있다. Fig. 18 은 각
각의 가공 표면을 비접촉 측정기로 측정한 형상이
다. 전체적으로 표면 형상의 큰 변화는 관찰되지
않았으나, 표면의 미세한 버와 선형 자국이 약간 씩 변화함을 확인하였다.
4. 결론
미세 방전 가공으로 다결정 다이아몬드(PCD)의 미세 공구를 제작하였으며, 이를 이용하여 미세 채널을 가공하였다. 방전 가공 에너지를 조절함으 로써 공구의 표면 거칠기를 바꿀 수 있었으며, 이 공구로 가공한 미세 채널의 표면 거칠기도 조절할 수 있었다. 이는 방전 가공으로 제작된 공구를 이 용하면 마이크로 크기의 구조물을 가공함과 동시 에 다양한 거칠기의 표면을 얻을 수 있음을 보인 다. PCD 공구를 이용한 티타늄 합금의 가공 특성 도 연구하였으며 가공 시 절입량이 증가함에 따라 버의 높이가 증가하였으나, 표면 거칠기에는 큰 변화가 없었다. 본 실험 조건에서는 가공 길이가 증가됨에 따라 공구의 마모가 발생하였으나, 가 공면의 표면 거칠기, 절삭력에는 큰 변화가 없었 다. 이는 주로 공구 표면의 방전흔에 의해 재료 의 가공이 일어나기 때문이다.
후 기
본 연구는 지식경제부 및 정보통신산업진흥원 의 IT 융합 고급인력과정 지원사업의 연구결과로 수행되었음 (NIPA-2012-H0401-12-1004).
참고문헌
