한국정밀공학회지제 33 권제 11 호 pp. 899-904 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 11, pp. 899-904 ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online) November 2016 / 899 http://dx.doi.org/10.7736/kspe.2016.33.11.899 특집 가공정밀도향상을위한초정밀가공기술 금속결합제연삭숫돌의 ELID 전해속도자동조절장치개발 Development of Auto-Control Power Supply of ELID Electrolysis Speed for Metal- Bonded Grinding Wheel 신건휘 1, 곽태수 1, Gun-Hwi Shin 1 and Tae-Soo Kwak 1, 1 경남과학기술대학교기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology) Corresponding author: tskwak@gntech.ac.kr, Tel: +82-55-751-3317 Manuscript received: 2016.9.19. / Revised: 2016.10.13. / Accepted: 2016.10.15. ELID grinding is an excellent technique for the mirror grinding of the variety of the advanced metallic or nonmetallic materials. The focus of this study is the development of an automaticcontrol electrolysis-speed device for the automation of the ELID-grinding process. For the development of the automatic-control electrolysis-speed device, analysis experiments regarding the ELID cycle and oxide-layer removal and creation were conducted according to a truing and dressing process. Also, a comparative experiment was conducted to confirm the variance of the electrolysis speed in accordance with changes of the voltage. The experiment results for the developed automatic-control electrolysis-speed device show that the developed device could control the electrolysis speed according to voltage changes through the use of the data that are monitored during the ELID-grinding process. KEYWORDS: Electrolysis speed ( 전해속도 ), Metal-Bonded grinding wheel ( 금속결합제숫돌 ), ELID grinding (ELID 연삭 ), Auto-Control power supply ( 자동조절전원장치 ), Oxide layer ( 산화피막 ) 1. 서론 광학렌즈또는미러와같이높은정밀도를요구하는부품은통상적인연삭가공만으로는표면품위를만족시키지못할경우에후처리다듬질가공이요구된다. 폴리싱, 랩핑등의연마공정을추가하여표면정밀도를높이는부가적인공정이필요하다. 이러한부가적인공정의추가는제작비용을증가시키고제작기간이길어짐에따라납기 가지연되는등기업에어려움을주고있다. ELID 연삭가공기술은이와같은부가적인공정의추가없이높은표면정밀도를얻을수있는기술로서각광받고있다. ELID 연삭가공은도전성금속결합제숫돌을사용하여연삭액과숫돌사이에전류를흘려강제적으로숫돌의표면을산화시켜드레싱하는방법을사용하고있다. 1,2 적정한드레싱에의해숫돌의입자를돌출시켜작업을수행해야하므로가공속도에적합한드레싱속도를조절하는 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering 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.
한국정밀공학회지제 33 권제 11 호 pp. 899-904 November 2016 / 900 것이나노표면생성을위한성공적인 ELID 연삭을위해서필수적이다. 금속결합제숫돌의산화피막은공작물의절입시연삭칩과함께탈락되어산화피막의두께가얇아짐과동시에인가된전류에의해생성된다. 따라서절입깊이가증가하면산화피막이급속히제거되므로생성속도를높일필요가있다. 기존의전원장치를이용한 ELID 연삭에서는산화피막의두께를가늠할수있는방법이제한되어있기때문에경험자의직관에의존하여절입속도를조절하고있다. 이와같은방법은작업의지속적인감시를요구할뿐만아니라, 순간의판단오류에의해가공표면이손상될우려가있으며, 지나친작업시간의과다로이어질수있다. 따라서작업자의오류를제거하고우수한가공표면을얻기위해서는경험적작업방법을배제하고가공상태모니터링을통해얻어진데이터를활용하여경험많은작업자를대신할전원장치가요구되고있다. 3-5 본연구는 ELID 연삭가공에서절입량에따른최적의전해속도를결정하기위해서개발된가공감시모니터링프로그램을이용하여가공상태를모니터링하고, 모니터링프로그램에의해확보된데이터를활용하여자동으로전해속도를조절해주는전원장치를개발하였다. 2. 실험및측정방법 2.1 전원장치제작전해속도자동조절전원장치의성능실험은 ELID 연삭시스템이장착된범용평면연삭기를활용하였다. 전원장치는고주파직류펄스로안정되게공급할수있도록제작하였으며, 직류펄스를부도체피막의생성속도와연동하여조절함으로서숫돌의연삭성능을향상해주도록설계및제작하였다. 전해속도조절을위해모니터링프로그램의데이터를수집하여전원장치의전압및펄스시간을조절할수있도록하였다. 제작된전원장치및모니터링프로그램은 Fig. 1 과같다. ELID 연삭가공중에숫돌표면은연속적인드레싱과공작물의가공으로인해산화피막의생성과탈락이반복된다. 연삭가공시전원장치에서공급된전류는숫돌커브, 숫돌축과숫돌, 연삭액과전극을거쳐전원장치로되돌아온다. 이와같이공급된전류는고유저항을가진각요소를지나연삭액을통과하는과정에서수산화이온 (OH - ) 이생 Fig. 1 Developed ELID power supply, monitoring system and control program Fig. 2 Resistance in ELID grinding process 성된다. 생성된수산화이온은숫돌의금속결합제표면을산화시켜연삭입자를용출시킬뿐만아니라칩의배출을쉽게한다. 전원장치로부터공급된전류가 ELID 시스템의각요소를흐르는과정에서통과하는저항은 Fig. 2 와같다. 숫돌의표면에생성된산화피막은부도체로서연삭가공시생성과탈락을반복하기때문에가변저항 (R 2 ) 인반면에숫돌축및숫돌, 연삭액, 전극등의나머지요소는고유저항으로일정하다. ELID 시스템의각구성요소를거치는과정에서전체저항은가변저항 R 2 에의존한다. 따라서모니터링프로그램으로수집한저항데이터를이용하여숫돌표면의드레싱상태를확인할수있다. 절입이진행됨에따라숫돌표면의산화층이얇아지면저항은낮아지게되므로일정수준의저항에도달할때전위차를크게하여드레싱속도를빠르게진행할수있다. Fig. 3 은본연구를위해저항변화에따라드레싱속도를조절해주는프로그램개발에적용한알고리즘이다. Fig. 4 는금속표면이산화되는과정
한국정밀공학회지제 33 권제 11 호 pp. 899-904 November 2016 / 901 Table 1 Conditions for truing experiments Grinding wheel CBN # 2,000 1,500 [rpm] ELID input voltage 90 [V] Truer wheel GC # 100 Depth of cut 2 [ μm ] Fig. 3 Block diagram of automatic control device for ELID grinding process Table 2 Conditions for ELID dressing experiments Grinding wheel CBN # 2,000 1,500 [rpm] ELID input voltage 90 [V] Clearance of electrode 100 [ μm ] Table 3 Conditions for electrolysis speed experiments Grinding wheel CBN # 2,000 1,500 [rpm] ELID input voltage 90, 120 [V] Clearance of electrode 100 [ μm ] Fig. 4 Hydroxide and oxide layer on the wheel surface 을깊이에따라보여주는그림이다. ELID 연삭에서는드레싱과정에서주철결합제숫돌표면이산화되는과정과동일하다. 2.2 실험및측정방법 ELID 저항을활용하여전해속도자동조절전원장치를개발하고, 장치의성능을평가하기위하여모니터링실험과작동실험으로나누어수행하였다. 산화피막생성및제거기구모니터링실험, 전원장치의입력전압변화에따른전해속도변화모니터링실험, 전해속도자동조절프로그램의작동실험으로나누었다. 산화피막제거기구모니터링실험은 ELID 드레싱을통해숫돌표면에산화피막을충분히생성시킨다음트루잉을진행하는방법으로실험하고그과정을모니터링하였다. 금속결합제 CBN # 2,000 숫돌로충분히드레싱을한후, 녹색탄화규소질 (GC # 100) 트루어숫돌을이용하여 1 회절입량을 2 μm으로완전히산화피막이제거될때까지절입하는방법으로트루잉하였다. 실험조건은 Table 1 과같다. 산화피막생성기구모니터링실 Table 4 Grinding condition for power supply performance experiments Grinding wheel CBN # 325 2,100 [rpm] ELID input voltage 60-150 [V] Depth of cut 10 [ μm ] Workpiece CVD-SiC 험은숫돌의산화피막을완전히제거한후 ELID 전원을인가하여드레싱하는방법으로수행하였다. 즉, 트루잉으로산화피막을완전히제거한후드레싱함으로서산화피막이다시생성되는과정을모니터링하였다. ELID 드레싱조건은 Table 2 와같이입력전압 90 V, 숫돌회전속도 1,500 rpm, 숫돌과전극의간극 100 μm으로설정하였다. 전압변화에따른전해속도변화모니터링실험은입력전압 90 V 와 120 V 에대해서동일한조건으로각각 ELID 드레싱을수행하고전해속도를비교하였다. 실험조건은 Table 3 과같다. 전해속도자동조절전원장치의성능실험은 Table 4 와같은조건으로 CVD-SiC 소재를 CBN # 325 숫돌로 ELID 연삭가공하는방법으로장치의작동여부를평가하였다. 성능평가는산화피막생성및탈락이평형을이루는시점의감지즉, 최적가공조건상태의기억여부, 산화피막제거속도변화에따른입력전압의변화를중심으로평
한국정밀공학회지제 33 권제 11 호 pp. 899-904 November 2016 / 902 가하였다. 모니터링실험결과는모니터링프로그램으로수집된데이터를분석하여평가하였으며, 전원장치작동실험은모니터링데이터를분석하여전원장치의정상적인작동여부를평가하였다. 실험에사용된가공시편을분석하기위해서접촉식표면조도측정기 (SJ-400, Mitutoyo) 와광학식표면관찰현미경 (IMS-M-345, Sometech) 을이용하여표면거칠기를측정하고확대사진을분석하여가공시편의표면을평가하였다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 5 Results of truing experiments using ELID monitoring program 3.1 산화피막제거및생성기구모니터링산화피막제거실험에서는숫돌표면에산화피막을충분히생성시킨후트루잉작업을통해 2 μm씩절입하여산화피막이제거되는과정을모니터링하였다. Fig. 5는트루잉실험을통해산화피막이제거되는과정을모니터링한결과그래프이다. 그래프로부터 1회절입시마다저항은단계적으로감소하는것을확인할수있는데이것은부도체인숫돌표면의산화층이트루어숫돌에의해제거되기때문에나타나는현상이다. 또한절입에의해저항이계단씩으로감소한이후에차기절입이일어나기전까지는저항이다시서서히상승하는것을볼수있다. 이것은차기절입을하기전에숫돌표면은전해현상에의해산화피막이재생성되기때문이다. 트루잉실험초기에는저항그래프의변동폭이큰반면에절입이충분히이루어진이후에는변동폭이매우적게나타난다. 또한트루잉실험초기에는 1회절입후저항은서서히증가하는반면에충분히절입이이루어진이후에는 1회절입시저항은빠르게회복되는것을볼수있다. 이것은실험초기에충분히두꺼운산화피막이형성되어있었으나절입이이루어짐에따라산화피막의두께는얇아지기때문에나타나는현상이며, 산화피막의생성속도는산화피막이얇을수록빠르게나타난다는것을보여준다. 마지막으로충분한트루잉이진행되어산화피막이대부분제거되었음에도출력저항이 20 Ω 이하로감소하지않는것을볼수있다. 이것은 ELID 시스템이가지고있는각구성요소의고유저항에기인하는것으로사료된다. 5 드레싱실험을통해산화피막생성실험을수행하였다. 산화피막이완전히제거된상태에서전원을공급하여드레싱을충분히하고전과정을 Fig. 6 Results of dressing experiments using ELID monitoring program 모니터링하였다. 모니터링결과는 Fig. 6 과같다. 드레싱이진행됨에따라저항은증가하였다. 저항이증가하는과정을살펴보면, 드레싱초기에는빠른속도로증가하였으나시간이갈수록점차적으로증가하는것을볼수있다. 이것은숫돌표면의산화피막은초기에급격히생성되다가일정한두께가된이후에는생성속도가점차적으로느려지기때문이다. 또한저항그래프는기울기가다른 3 구간으로나누어지는것을확인하였다. 시간에따른저항변화율을계산한결과 1 구간에서는 0.16, 2 구간에서는 0.05, 3 구간에서는 0.025 로크게감소하였다. 충분한 ELID 드레싱을하여산화피막이완전히생성된이후에는저항이약 220 Ω 에서서히수렴하는경향을보였다. 3.2 전압변화에따른전해속도모니터링전압변화에따른전해속도를비교하기위해전압을제외한드레싱조건을동일하게하고, 90 V 와 120 V 에서 ELID 드레싱을각각수행하였다. Figs. 7 과 8 은드레싱과정에서저항값을모니터링한그래프이다. 전압 90 V 와 120 V 모두 ELID 드레싱
한국정밀공학회지제 33 권제 11 호 pp. 899-904 November 2016 / 903 Fig. 7 Monitored results for resistance of dressing experiments in 90 [V] Fig. 9 Monitored results for resistance and voltage variation in using auto-control power supply Fig. 8 Monitored results for resistance of dressing experiments in 120 [V] 초기에저항값이빠르게증가하는것을알수있다. 초기드레싱과정에서 90 V 와 120 V 의저항변화율은각각 0.15 Ω/s, 0.25 Ω/s 로나타났다. 초기드레싱시간은 120 V 일때약 800 초, 90 V 일때약 260 초로초기드레싱시간이약 3 배증가하였다. 초기드레싱구간을지난후의저항변화율은 90 V 와 120 V 모두 0.05 Ω/s 으로유사하였다. ELID 연삭에서숫돌의입도가낮은경우에 60-80 Ω 정도로비교적높은저항범위에서가공을하게되므로입력전압 120 V 를사용하는경우가초기드레싱시간이증가하므로보다산화피막생성에유리함을알수있다. 3.3 전원장치성능평가 ELID 전해속도조절장치의작동유무와성능을평가하기위해 ELID 연삭가공을수행하고 Fig. 9 과같이전압및저항변화를모니터링하였다. 연삭숫돌은 1 회절입깊이 10 μm으로공작물을가공하였다. 저항변화그래프를살펴보면숫돌과공작물이접촉하는시점에서저항은감소하기시작한다. 공작물의접촉시점이전에는저항변화가 Fig. 10 Surface roughness measurement results of ELID ground workpiece by using auto-control power supply 보이지않는다. 절입이진행됨에따라산화피막이제거되면서저항이점차감소하고일정한시점에도달하면더이상절입을하여도큰저항의감소는일어나지않고서서히저항이감소한다. 이구간을일정한 ELID 사이클에의해산화피막의생성과제거가평형을이루는구간이다. 이후과도한절입이이루어지면저항은감소하게되고일정한저항에도달할때전압이상승하는것을볼수있다. 전압의상승과함께저항은일정하게유지되면서다시 ELID 사이클은평형을이루게되는것을알수있다. 전해조절장치는저항의감소와저항변화율을감지하여가공이시작되는시점을찾게되며, 저항의변화율이일정기준값을넘어서면산화피막의생성또는제거과정을거치는것으로인식한다. 또한저항변화율의변화가크지않더라도일정값에도달하면전압변화에의해드
한국정밀공학회지 제 33 권 제 11 호 pp. 899-904 November 2016 / 904 초기드레싱 시간은 90 V에 비해 약 3배 증가하였다. (3) 전해속도 자동조절 장치를 이용하여 시편 을 가공한 결과, 초기의 숫돌 및 공작물의 접촉구 간, ELID 사이클 평형유지 구간, 전압 상승에 의한 ELID 사이클 평형유지 구간 등으로 나누어져 전 압변화에 의해 전해속도를 조절할 수 있었다. (4) 본 장치를 이용하여 CVD-SiC 세라믹 시편 을 가공한 결과, 표면거칠기는 연삭수직 방향으로 0.135 Ra, 1.050 Rz를 얻을 수 있었다. 후 기 Fig. 11 Magnified pictures of ground surface using wheel type, CBN #325 레싱 속도를 조절한다. 본 장치를 이용하여 제작 된 시편의 표면을 분석한 결과는 Figs. 10과 11 같 다. 입도 325 CBN 숫돌을 이용하여 1회 절입량 10 으로 CVD-SiC 세라믹의 표면을 가공하고 표면 거칠기를 측정한 결과, Fig. 10에서와 같이 연삭수 직 방향으로 0.135 Ra, 1.050 Rz를 얻을 수 있 었다. 또한 가공 표면을 광학현미경을 통해 확대 한 사진 (Fig. 11)을 살펴보면 저배율 사진으로부터 숫돌의 입자가 지나간 연삭 흔적을 쉽게 확인할 수 있으며, 고배율 사진에서는 대부분의 가공면에 서 취성모드 (Brittle Mode)에 의해 표면이 형성되 고 있음을 알 수 있다. 세라믹 가공에서는 절입랑 이 미세하거나 배분력이 지극히 미미할 때 연성모 드 (Ductile Mode)에 의해 표면이 형성된다.6 4. 결론 본 연구에서는 ELID 연삭가공을 위해 전해속 도 자동조절 장치를 개발하고, 장치의 성능을 평 가하였다. 가공감시 모니터링 프로그램을 이용하 여 숫돌 표면의 산화피막 생성 및 제거기구를 분 석하였으며, 전압 변화에 따른 전해속도 변화 실 험, 전해속도 조절 장치의 성능 평가 실험 등을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) ELID 연삭에서 산화피막의 제거 및 생성기 구를 모니터링한 결과, 산화피막이 형성되는 드레 싱 초기구간에서 저항변화율이 높게 나타났으며 그 이후에 저항변화율은 점차적으로 감소하였다. (2) 전압 변화 (90 V, 120 V)에 따른 초기드레싱 저항변화율은 각각 0.15 Ω/s, 0.25 Ω/s로 나타났으며, 초기드레싱 시간은 각각 260 s, 800 s로, 120 V일 때 이 논문은 경남과학기술대학교 2015년도 대학 회계 연구비 지원에 의하여 연구되었음. REFERENCES 1. Ohmori, H. and Nakagawa, T., Mirror Surface Grinding of Silicon Wafer with Electrolytic InProcess Dressing, CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 39, No. 1, pp. 329-332, 1990. 2. Kwak, T. S., Jung, M. W., Kim, G. H., and Kwak, I. S., The Effect of Ultrasonic Vibration Table on ELID Grinding Process of Aluminum Nitride Ceramics, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 12, pp. 12371243, 2013. 3. Saleh, T., Biswas, I., Lim, H. S., and Rahman, M., InProcess Truing of Metal-Bonded Diamond Wheels for Electrolytic In-Process Dressing (ELID) Grinding, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 9, No. 3, pp. 3-6, 2008. 4. Kwak, T. S., Kim, K. N., and Kwak, I. S., Development of ELID Monitoring System and Its Application to ELID Grinding of Structural Ceramics, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 12, pp. 1245-1251, 2013. 5. Kwak, T. S., Ohmori, H., Lin, W., Eto, H., and Uehara, Y., Ultraprecision Machining of LargeAperture Mirror for Space and Astronomical Telescope, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 24, No. 2, pp.13-18, 2007. 6. Kwak, J. S., Kim, G. H., Lee, Y. C., Ohmori, H., and Kwak, T. S., Properties of ELID Mirror-Surface Grinding for Single Crystal Sapphire Optics, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 3, pp. 247-252, 2012.