광의 효율적 사용을 위해 표면에 마이크로 그루브가 새겨진 고성능 광학 부품의 개발이 활발하고, 이들 부품의 다량 생산을 위한 초정밀 금형제조기술이 각광을 받고 있다. 최근의 초정밀 미세 기계가공의 경우 간단한 공정으로 이러한 마이크로 그루브 금형을 제작할 수 있다. 특히 조명각 변조용 렌티큘러 렌즈와 같이 실린더형 그루브 금형의 경우에는 기존의 Lithography, MEMS, LIGA 등 광 에너지를 이용한 다른 제조방법들에서는 가공하기 어려운 점이 있으나, 기계가공에서는 쉽게 제작가능한 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 미세기계가공기술의 장점을 활용하여 U 형 마이크로 그루브를 가진 Lenticular 렌즈용 금형을 가공하고자 하였다. 가공에는 3 축 구동의 초정밀 미세 복합가공기와 단결정 천연 다이아몬드공구가 사용되었고, 가공방식은 마이크로 세이핑 공정을 적용하였으며, 가공 금형 재료에는 Brass와 무전해 Nickel이 사용되었다. 실험을 통하여 금형가공시의 절삭력, 칩 형상, 가공표면 등의 분석이 수행되었으며 이를 기반으로 여러 가지 가공문제점을 해결하고, 최종적으로 양호한 렌티큘러렌즈용 금형을 가공하였다.
본 고는 지난 8월 25일과 26일 양일간에 걸쳐 산업기술대학교에서 주최한 제3회 초정밀 광학클러스터 기술세미나에서 일본 (株)岡本工作機械製作所(Okamoto Kazuo Watanabe)가 발표한‘도광판 금형의 초정밀 · 고능률 가공기술 동향’에 관한 내용이다. 액정 Display의 고정도화, 대형화, 경량화, 박막화, 저소비전력화
등 기술적 발전의 한 부분을 담당하고 있는 도광판과 관련하여 현재 도광판 가공기 분야에서 독보적인 기술적 위치를 차지하고 있는 이 회사의「도광판 금형 가공기 LCD Series」의 기본 특징 및 최신 기능에 대한 소개를 통해 도광판 가공기술에 대한 기술 및 시장 상황을 가늠해 볼 수 있으리라 예상된다.
와이어 컷 방전가공은 자동운전을 가능하게 한 NC가공 장치를 대표할 만한 가공법이다. 기존 기계가공으로 가공하기 어려운 형상의 제품을 쉽게 제작할 수 있다 그러나 기계가공으로 제작된 금형에 비해 수명이 현저히 저하된다. 이러한 요인은 와이어 컷 방전가공으로 제작된 금형 표면에 가공 변질층이 발생함으로 인한 것으로 사료된다. 이에 본 논문에서는 기계가공과 와이어 컷 방전가공으로 제작된 시편의 가공면 표면 특성을 비교하여 그 요인을 분석하고자 하였다.
프레스 금형의 가공 및 제작 공정의 자동화란 불필요한 반복 작업을 피하여 시간을 절약하고 표준 품질의 가공물을 얻고자 하는 것이다. 자동화의 범위는 3차원 금형설계, 머시닝 센터, 와이어 컷 방전 가공, 도면작업까지를 포함하는 것이다. 자동화 공정이 구축이 완료되면 동일한 품질의 가공품을 얻을 수 있고 가공정보는 3D 카탈로그 및 다이 셋을 기준으로 작업을 한다. 1개의 부품을 금형설계자동화 모듈을 이용하여 3차원으로 금형설계를 완료하고 난후에 동일한 환경에서 프레스 금형의 가공 및 제작을 할 때 이의 공정자동화에 관하여 연구한 것이다.
한국와이다(대표.장해산)는 1994년 11월 창립한 이래 13년간 쌓아온 금형가공기술을 바탕으로 현재 광학설계 및 금형 부품 가공에서 금형 완제품 제작, 사출까지 total solution을 구축하고 고부가가치를 창출하는 초정밀 금형업체로 거듭나고 있다. 세계적 기업인 삼성전자의 우수협력사로 선정된 것은 물론, 국내 많은 렌즈업계에 금형을 제공하며 품질과 우수성에서 인정받고 있는 한국와이다는 현재에 만족하지 않고 최고의 기술개발을 통해 세계 어디에도 뒤지지 않는 '명품 금형'을 실현하겠다고 도전장을 내밀었다.
프레스금형 제작 시 사용목적에 맞는 적합한 소재선택과 빠른 가공방법에 대한 연구는 금형제작시간을 줄이고 금형원가를 절감하는데 절대적으로 필요한 연구분야이다. 특히 장수명 프레스금형을 개발하기 위해선 열에 대한 고찰이 반드시 이루어져야 한다. 일반적으로 프레스금형의 주요부품 소재로는 Cr, W계 저합금 공구강, 고탄소 고크롬강, 고속도강 등 냉간 금형용 합금공구강이 많이 쓰이고 있다. 프레스금형부품을 가공하는 데는 주로 공작기계와 와이어 컷 방전가공을 사용하고 있다. 가공공정에 따라 금형부품의 가공시간 및 수명이 많은 차이가 난다. 밀링가공과 연삭가공으로 제작된 부품의 경우 제작시간과 비용은 많이 드는데 비해 금형의 수명이 길고 밀링가공과 와이어 컷 방전가공을 사용하면 제작시간과 비용은 절감되는 반면 금형수명은 줄어드는 현상이 나타난다. 따라서 본 연구에선 가공시간과 비용이 절감되는 가공방법으로 열처리를 사용하여 금형의 사용수명을 향상시키는 방법에 대해 고찰하고자 한다. 밀링가공-연삭가공, 밀링가공-와이어 컷 방전가공, 밀링가공-와이어 컷-고온템퍼링, 3가지 가공방법으로 시편을 제작하여 가공표면과 중심부를 SEM, EDS분석 및 표면조도분석으로 문제점을 고찰하였고 밀링가공-와이어 컷 방전가공-고온템퍼링의 가공방법으로 밀링가공-연삭가공과 동일한 금형의 수명을 만드는 방법을 도출하였다.
최근 일류화를 지향하는 선진제품의 경우 기본적인 기능 외에 저진동, 저소음화 및 작동감 향상 등을 고품질 고품위 고신뢰성 달성을 위해 자동차를 비롯한 대부분의 기계제품에 고무부품의 사용이 날로 증가하고 있는 추세이다. 이러한 고무부품을 대량 생산할 수 있는 도구(tool)로서 고무용 금형이 차지하는 비중은 대단히 크다고 할 수 있으며, 이 고무용 금형을 제작하는 금형제작용 설비의 종류, 제품에 적합한 금형의 마무리(다듬질, polishing) 및 측정, 고무용 금형의 종류와 가공의 영향, 금형가공이 생산성에 미치는 영향 등에 대하여 서술하기로 한다.
프레스금형의 부품 중에서 펀치와 다이플레이트를 제작하는 방법은 공작기계만을 사용하여 제작하는 경우와 공작기계와 와이어 컷 방전가공기를(W-EDM)를 병행 사용하는 경우가 있다. 그런데 공작기계만을 사용하여 제작 할 때는 금형수명(Die Life)이 200만-230만 스트로크였는데 와이어 컷 방전가공기를 사용한 제작에서는 70만-80만 스트로크에서 금형수명을 다하고 있다. 이것은 W-EDM후에 발생되는 가공변질층으로 예측되므로 W-EDM전과 W-EDM후의 가공면에 대한 SEM촬영을 실시하여 가공변질충의 발생여부를 확인하고 이에 대한 제거방법을 연구하고자 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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