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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.3 pp.109-114
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.3.109

Machining of Corner-cube Pattern on Accumulated Cu-Thin Plates

Joon-Yong Lee*, Chan-Yeol Bae*, Chang-Ho Kim**#
*MN Tech. Co. Ltd.
**Department of Mechanical Engineering, Dong-Eui University
Corresponding author chkim21@deu.ac.kr+82-51-890-1651, +82-0505-182-6891
April 20, 2016 May 12, 2016 May 23, 2016

Abstract

This study presents the optimal hardness range for a coated layer of a workpiece when the diamond tool cuts the corner-cube pattern on the coated plates using an ultra-precision diamond-turning machine.

Two kinds of coated plates, which have the hardness range of 211~328 Vickers hardness, are used on the first experiments. The form accuracy for the corner-cube pattern could be achieved through the following experiments using the accumulated thin copper plates in second experiments, having optimal 265~275 Vickers hardness based on the basic first experiments without tool wear. When the number of machining adjustments was increased to seven times, having machining depth was reduced successively in second experiment, a fine surface could be achieved without tool wear.


적층된 구리 박판의 코너 큐브 패턴의 가공

이 준용*, 배 찬열*, 김 창호**#
*미래나노텍
**동의대학교

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1서 론

    전자 기계 부품분야에서 널리 사용되고 있는 초정밀 미세 금속가공 기술은 가공 장비, 가공방 식, 소재 등에 의한 가공정밀도에 따라 가공품질 이 확연한 차이를 보인다.[1] 가공 시 고품질에 안 정적인 재연성이 확보되어야 산업에서는 양산화에 적용이 가능한 상품을 생산해 낼 수 있다.

    서브 미크론의 V자형 혹은 U자형의 마이크로 홈의 회절격자가 형성되어 있는 홈 가공을 위해서 는 나노미터 수준의 이송제어가 가능한 초정밀 가 공기와 다이아몬드공구가 요구된다.

    초정밀 광학용 필름은 코너큐브 프리즘(corner- cube prism) 형상의 재귀반사(retro-reflection) 필름 으로 차량의 후미 안전 표식, 공사현장의 안전 기 구물, 도로의 교통 표지판, 중앙선의 배색 등 도로 교통이나 산업 안전 분야 등이나 광고판에 널리 사용되고 있다. 코너큐브 프리즘 패턴 가공은 수 나노미터의 표면조도와 수 마이크로미터 이내의 형상 오차가 요구되는 초정밀 광학부품제작 공정 을 활용하여 이루어진다.[1,3]

    광학용 형상 가공 소재로는 주로 Cu, NiP 등이 있으며, Cu 모재는 절삭 가공 시 가공 품질이 우 수하여 절삭 가공 공구(Tool)의 마모도가 다른 금 형 소재 대비 최소로 발생하며 이에 따라 보편적 으로 사용되고 있다.

    본 연구는 초정밀 선삭기(Diamond Turning Machine)에서 천연다이아몬드 절삭 공구를 이용하 여 재귀반사용(retro-reflection) 광학필름에 적용되 는 코너 큐브 형상을 정밀하게 평삭가공하기 위한 실험을 3차에 걸쳐 실시하였다. 기초 실험에서는 20㎜ 두께의 저탄소강(SM 10C)의 모재 상단에 각 각 800㎛ 두께로 Cu 및 NiP로 다양한 경도로 전 기도금한 뒤 도금 층의 경도가 형상 정밀도에 미 치는 영향을 규명하고자 하였다.

    기초 실험결과를 근거로 가공표면이 우수한 도 금 층의 최적의 경도를 결정한 뒤, 최적의 경도를 갖는 구리 박판 수 십장을 겹친 뒤 고정한 적층 판재를 개선된 실험용 소재로 선정하였다. 개선 실험된 1,2차에서는 절삭횟수 및 절삭 깊이가 형 상정밀도에 미치는 영향을 분석하였다.

    2이론적 배경

    코너큐브 프리즘의 원리는 Fig. 1과 같이 입광 면으로 들어온 입사된 빛(incident ray)이 임계각 허용범위에서 후면으로 빛들이 통과되며 통과된 빛들은 형상의 내부에서 3면이 이루는 각도에 따 라 내부반사가 일어나 다시 입사한 방향으로 빛이 되돌아 나간다.[2]

    P1에서부터 P5는 형상을 이루는 꼭지점과 밑변 의 중심점을 표시하는 것으로 내부로 입사된 빛은 내부반사 후 들어온 동일 방향으로 오차 없이 되 돌아가는 이동경로가 이상적인 광특성이다.

    성형용 재료에 따라 적절한 모재를 선택해야 하며 사출성형을 위한 금형모재로 Cu 모재나 NiP 모재의 경우가 주로 사용되고 있다.

    절삭 깊이에 대한 절삭력이 증가하여 이로 인 해 절삭 공구에 누적 피로도 증가와 가공 표면에 버 발생 확률이 증가한다. 그 외 절삭공구의 각도 가 예각일 경우 둔각보다 가해지는 표면 마모에 대한 절삭 공구의 파손 가능성이 높아진다. 또한 절삭이 진행 되는 동안 절삭 칩이 가공 표면에 잔 류하여 가공 경로에 절삭력이 증가되어 절삭공구 와 표면의 추가 손상 요인이 발생 할 수도 있 다.[4,5] 이와 같이 가공 목적물의 형상에 따라 적용 되는 모재, 절삭 방식 등 주요 인자들에 대한 변 수를 최소화하여 절삭이 이루어져야 이상적인 가 공품을 확보할 수 있다.[6,8]

    3실험 방법

    3.1실험 장비

    실험에 사용한 장비는 초정밀 선삭기(Nachi Co., AMG- 62P)로 사양은 Table 1과 같다.

    가공된 형상은 선삭기에 장착된 공구현미경과 공초점 현미경(Kenyence Co. VK-9500)으로 결과를 분석하여 개선 여부를 확인하였다.

    코너큐브 프리즘 가공은 Fig. 2와 같이 삼각뿔 을 이루는 형상으로 C축을 3방향으로 회전하며 분할 가공하는 방식으로 공구는 고정한 채 테이블 을 한 방향으로 이송하면 1차 V홈이 가공된다.

    그리고 테이블을 임의의 각도를 회전하여 1차 V홈의 후면에 2차 V홈이 절삭한 다음 테이블을 한 번 더 회전하여 이송하면 V홈 가공으로 사면 체의 형상이 완성되는 가공 방식이다.

    3.2실험 방법

    3.2.1실험용 소재 및 공구

    실험은 기초실험(primary test)과 개선실험 (improved test) 1,2차로 나누어 진행하였다. 기초실 험에서는 적정한 경도를 갖는 소재를 선정하고자 하였고, 개선 실험에서는 기초실험에서 얻은 소재 를 기초로 실험하였다.

    기초실험에서 사용된 소재는 Fig. 3(a)와 같이 20㎜ 두께의 저탄소강(SM 10C)의 모재 상단에 각 각 800㎛ 두께로 Cu 및 NiP 2 종류의 재료로 전 기 도금 하여 Cu 도금 층의 경도는 Fig. 3(a) 안의 (a)~(c)와 같이 211, 242, 268 Hv 3 종류, NiP 도금 층의 경도는 Fig. 3(a) 안의 (d)~(e)와 같이 304, 328 Hv 2 종류를 준비하여 가공깊이 15㎛ 으로 1 차 가공 실험하였다. 도금재료가 가진 고유의 경 도가 있어 다양한 범위의 도금 층을 얻기가 현실 적으로 거의 불가능하기 때문에 Cu 도금 층은 최 고 268 Hv, NiP 도금 층은 최저 300 Hv 이상의 경도를 얻을 수 있었다.

    기초실험 결과, 경도 268 Hv의 도금 층에 실시 한 가공표면이 가장 우수한 것으로 나타났다. Fig. 6(a) 와 같이 211 Hv에 절삭한 가공표면에 비해 경도 268 Hv 인 도금 층에 실시한 Fig. 6(b)의 가 공표면이 훨씬 우수한 것을 알 수 있다. NiP 도금 층에 실시한 가공표면은 양호하였으나, Cu 도금 층에 비하여 30~60 Hv 높은 300~330 Hv 인 고경 도의 도금 층이므로 절삭공구의 마모가 심해질 것 으로 예상되어 제외하였다. 개선실험에 사용된 소 재는 Cu 소재의 경도 270±5 Hv로 적용하여 Fig. 3(b)와 같이 두께가 0.4㎜, 경도 270±5 Hv인 구리 박판을 수 십장을 겹친 뒤 고정한 적층 판재를 개선 실험용 실험 소재로 선정하였다.

    Fig. 4는 코너큐브 프리즘을 제작하기 위한 사 면체 설계도면으로 ABC로 이루어진 이등변 삼각 형 과 꼭지점 D로 세 개의 이웃하는 면 T1, T2, T3로 구성되어 있다. T1, T2, T3 면들은 각각 이 웃하는 면들과 사이 각이 90°에 근접한 예각으로 설계되었다.

    Fig. 5(a)는 Fig. 4와 같은 코너큐브 프리즘을 제 작하기 위한 공구의 설계도면으로, 다이아몬드의 두께는 1.79mm, 앞면 여유각 6°, 날끝각이 각각 63°, 83°(각도 공차는 0.1° 이내)이다.

    Fig. 5(b)는 Fig. 5(a)와 같이 설계한 천연 다이 아몬드 바이트를 초경합금에 용접한 일체형 공구 이다.

    3.2.2가공 조건

    Table 2는 각 실험의 가공 조건을 나타낸 것이 다. 1차 실험(Primary test)은 4,000 ~ 8,000 mm/min 의 절삭속도로 도금 층의 경도가 다른 5종 (211~328)의 판재에 절삭 깊이 15㎛ 로 가로 1회씩 가공한 뒤 절삭공구의 각도를 변화시켜 세로로 교 차 가공한 뒤 V홈의 형상이 우수한 도금경도를 찾고자 하였다.

    개선 실험(Improved test)은 Fig. 3의 (b)와 같이 적층된 Cu 박판소재를 총 가공깊이가 50㎛ 로 Fig. 2와 같이 3방향으로 교차 가공하였으며 코너큐브 프리즘을 1차 및 2차 실험으로 구분하여 가공하였 다. 개선 1차 실험은 가공깊이 10㎛ 씩 5회 가공하 였으며, 개선 2차 실험은 처음 4회까지는 10㎛ 씩, 4회 이후는 가공깊이를 감소시키면서 7회로 나누 어 총 49㎛ 의 가공깊이를 중첩 가공하였고 가공 중 발생하는 미세한 칩들은 공기로 제거하였다.

    4실험결과 및 고찰

    기초실험은 Fig. 6과 같이 20㎜ 두께의 저 탄소 강 판재위에 도금된 Cu, NiP 도금 층에 가공깊이 15로 1회 가공하였을 때의 형상정도를 로 1회 가공하였을 때의 형상정도를 측정하 였다. Cu는 경도가 증가할수록 표면 손상은 개선 되었으며 NiP는 Cu의 개선 품질과 동등 수준의 절삭 품질이 확인 되었다.

    개선 실험 1차는 Fig.7(a)와 같이 가공 시 발생 되는 칩들이 Fig. 6 과 동일하게 가공 홈의 일부 분에 부착되어 형상 불량이 발생하였으나 개선 실 험 2차는 Fig. 7(b)과 같이 두께 0.4㎜ 의 Cu 박판 을 적층한 소재를 이용하여 개선된 2차 실험 조건 에 따라 총 절삭 깊이가 49㎛ 인 형상을 7회 분할 가공과 가공층 별 칩 제거하며 가공한 결과 1차 실 험에 비해 개선된 무결점 형상을 얻을 수 있었다.

    Fig. 8은 개선 2차 실험에서 6회에 걸쳐 46㎛ 까 지 분할 가공할 때 각 깊이별로 성형된 형상을 보 여주는 것으로 깊어질수록 코너 큐브 프리즘 패턴 이 정밀하게 성형되어지는 것을 볼 수 있다.

    Fig. 9는 개선 실험의 1차 및 2차 시험가공에 따라 사용한 2 종류의 공구 끝의 마모정도를 비교 한 것이다. 적층된 Cu 박판에 1회당 10㎛ 씩 5회 에 걸쳐 총 50㎛ 의 깊이를 가공한 1차 실험에서는 Fig. 9(a)와 같이 2 종류의 공구 끝의 마모가 진행 되었다. 이것은 절삭 시 발생하는 충격이나 지속 적으로 쌓인 칩들에 의해 공구 끝이 급속히 마모 된 걸로 예상된다.

    이와 달리 절삭 깊이를 총 49㎛ 을 7회 분할 가 공과 분할 가공 층별 공기압으로 칩 세척을 적용 한 개선된 2차 실험에서는 Fig. 9(b)와 같이 거의 공구마모가 일어나지 않았다.

    5결론

    적절한 도금 층의 경도를 알기 위하여 저탄소 강(SM 10C)의 모재 상단에 각각 800㎛ 두께로 Cu 도금 층의 경도는 3 종류, NiP 도금 층의 경도는 2 종류를 가공깊이 15㎛ 으로 기초 실험하였다.

    기초 실험 결과를 토대로, 수십 장 적층한 구리 박판위에 개선된 1, 2차 실험을 실시하였다.

    • 1) 기초 실험결과, Cu 도금 층의 경도가 265~275 Hv가 적정한 경도로 나타났다. NiP 도금 층에 실시한 가공표면은 양호하였으나, Cu 도금 층에 비하여 고경도의 도금 층이므로 절삭공구의 마모가 심해질 것으로 예상되어 개선된 실험에서 는 배제되었다.

    • 2) 265~275 Hv인 구리 박판(두께 0.4㎜)을 수십 장 적층한 소재를 이용하여 개선된 방법으로 점차 그 깊이를 줄이면서 총 49㎛ 을 7회로 분할하여 가 공하였을 때, 1차 실험에 비해 거의 결점이 없는 형상을 얻을 수 있었다.

    • 3) 절삭 시 발생하는 미세한 칩은 공기압으로 칩을 제거함으로 표면의 형상 정밀도 및 공구마모 가 개선됨을 볼 수 있었다.

    Figure

    KSMPE-15-109_F1.gif
    Retro-reflection by corner-cube prism
    KSMPE-15-109_F2.gif
    Machining process for corner-cube pattern
    KSMPE-15-109_F3.gif
    Workpieces
    KSMPE-15-109_F4.gif
    Pattern design of corner-cube
    KSMPE-15-109_F5.gif
    Used diamond tool
    KSMPE-15-109_F6.gif
    Shape image by the primary test
    KSMPE-15-109_F7.gif
    Machined surface by the improved experiments
    KSMPE-15-109_F8.gif
    Surface image due to machining depth (improved 2nd experiment)
    KSMPE-15-109_F9.gif
    Comparison of tool wear according to the experimental method

    Table

    Experimental apparatus
    Cutting condition

    Reference

    1. Je T J (2004) A Study on Micro Cutting Technology for Micro Part, A Thesis for Master, Kum-Oh National Institute of Technology,
    2. Kim H , Lee B (2007) “Optimal Design of Retroreflection Corner-Cube Sheets by Geometric Optics Analysis” , Optical Engineering, Vol.46 (9) ; pp.094002
    3. Kim H , Min S W , Lee B (2008) “Geometrical Optics Analysis of the Structural Imperfection of Retroreflection Corner Cubes with a Nonlinear Conjugate Gradient Method” , Applied optics, Vol.47 (34) ; pp.6453-64 69
    4. Ko J B , Kim G H , Won J H (2001) “A Study on the Cutting Characteristics of Non- Ferrous Metals using Diamond Turning Machine” , Transaction of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol.10 (5) ; pp.124-129
    5. Min K T , Jang H S (2010) “Cutting Chip and Surface Roughness in Micro Groove Cutting of Brass” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.9 (4) ; pp.1-7
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