초정밀 가공: 유형 및 기술

초정밀 가공은 매우 높은 수준의 정확도와 표면 품질을 달성하는 정밀 제조 공정을 의미합니다. 초정밀 가공의 정의는 상대적이며 기술 발전에 따라 변화합니다.

현재 이 기술은 나노미터 단위의 표면 거칠기로 미크론 이하, 심지어 나노미터 수준의 치수와 형상을 구현할 수 있습니다. 초정밀 가공 방법에는 초정밀 절삭(초정밀 선삭 및 밀링 등), 초정밀 연삭, 초정밀 래핑 및 초정밀 특수 가공이 포함됩니다.

초정밀 커팅

초정밀 절삭에는 주로 비철 합금, 광학 유리, 대리석, 탄소 섬유판과 같은 비금속 재료 가공에 주로 사용되는 다이아몬드 공구를 사용한 선삭이 포함됩니다. 초정밀 절삭에서 높은 정밀도를 달성할 수 있는 것은 다이아몬드 공구와 비철 합금 사이의 낮은 친화력과 우수한 경도, 내마모성, 열전도도 덕분입니다.

또한 초정밀 절삭에는 고정밀 에어 베어링, 에어 플로팅 가이드, 위치 감지 부품, 항온, 방진, 진동 감쇠와 같은 조치가 채택됩니다.

이를 통해 0.025μm 미만의 표면 거칠기 Ra 값과 최대 0.1μm의 기하학적 정밀도를 보장하여 항공 우주, 광학 및 민간 응용 분야에서 초정밀 절단이 점점 더 인기를 얻고 있으며, 더 높은 정밀도를 향해 나아가고 있습니다.

초정밀 연삭

초정밀 연삭은 나노미터 수준으로 발전하는 서브 마이크론 수준의 가공 방법입니다. 0.1μm 이상의 가공 정밀도와 0.025μm 이하의 표면 거칠기 Ra 값을 달성하는 연삭 방식을 말하며, 강철, 세라믹, 유리 등 단단하고 부서지기 쉬운 소재를 가공하는 데 적합합니다.

초정밀 연삭을 통해 기존의 연삭 및 연마 공정을 제거하여 필요한 표면 거칠기를 얻을 수 있습니다. 초정밀 연삭을 통해 정확한 기하학적 모양과 치수를 보장하는 것 외에도 거울과 같은 표면 거칠기를 얻을 수 있습니다.

초정밀 래핑

초정밀 래핑에는 기계식 래핑, 화학-기계식 래핑, 플로트 래핑, 탄성 방출 가공 및 자기 래핑이 포함됩니다. 초정밀 래핑으로 가공된 부품의 구형 런아웃 공차는 0.025μm에 달하고 표면 거칠기 Ra 값은 0.003μm에 달할 수 있습니다.

초정밀 래핑의 핵심 조건은 정밀한 온도 제어, 무진동 처리, 청결한 환경, 작고 균일한 연마 입자입니다. 고정밀 감지 방법도 필수적입니다.

초정밀 특수 처리

초정밀 특수 가공 기술은 21세기 가장 유망한 기술 중 하나로 국제적으로 인정받고 있습니다. 전기, 열, 광학, 전기화학, 화학, 음향 및 특수 기계 에너지와 같은 에너지 형태를 사용하여 재료를 제거하거나 추가하는 가공 방법을 말합니다.

주요 적용 대상에는 가공하기 어려운 재료(티타늄 합금, 내열 스테인리스 스틸, 고강도 강철, 복합재, 엔지니어링 세라믹, 다이아몬드, 루비, 강화 유리 및 기타 고경도, 고인성, 고강도, 고융점 재료 등)가 포함됩니다, 가공하기 어려운 부품(복잡한 3차원 캐비티, 구멍, 그룹 구멍, 좁은 슬롯 등), 저강성 부품(벽이 얇은 부품, 탄성 요소 등), 고에너지 밀도 빔으로 용접, 절단, 구멍 만들기, 스프레이, 표면 수정, 에칭 및 미세 가공을 수행하는 공정.

이러한 가공 방법에는 레이저 가공 기술, 전자빔 가공 기술, 이온 빔 및 플라즈마 가공 기술, 전기 가공 기술 등이 있으며 여기서는 간략하게 소개합니다.

레이저 가공

레이저 가공에는 레이저 발생기가 고에너지 밀도의 레이저 광을 공작물 표면에 집중시킵니다. 흡수된 빛 에너지는 순간적으로 열 에너지로 변환되며, 그 밀도에 따라 홀 펀칭, 정밀 절단 및 미세 위조 방지 마크를 생성할 수 있습니다.

레이저 가공 장비와 기술의 급속한 발전으로 100kW 이상의 고출력 레이저와 킬로와트급 고체 레이저가 등장했으며, 다중 스테이션, 장거리 작업을 위해 광섬유를 장착했습니다.

레이저 가공 장비의 높은 전력 및 자동화 수준으로 인해 CNC 제어 및 다중 좌표 연결이 널리 채택되어 레이저 전력 모니터링, 자동 초점 및 산업용 텔레비전 디스플레이와 같은 보조 시스템이 장착되어 있습니다. 현재 레이저 드릴링으로 얻을 수 있는 최소 구멍 직경은 0.002mm이고, 얇은 재료를 레이저로 절단하는 속도는 15m/min에 달하며, 절단 간격은 0.1-1mm에 불과합니다.

레이저 표면 강화, 표면 재용융, 합금, 비정질 가공 기술의 적용은 점점 더 광범위해지고 있으며 전자, 생물학 및 의료 공학 분야에서 레이저 미세 가공은 대체할 수 없는 특수 가공 기술이 되었습니다.

전자 빔 처리

전자빔 처리에는 진공 상태에서 음극에서 양극으로 음전자를 지속적으로 방출하는 과정이 포함됩니다. 음극에서 양극으로 전환하는 동안 전자는 가속되어 매우 얇은 고에너지 밀도의 전자 빔으로 집중됩니다. 고속 전자가 공작물 표면에 부딪히면 운동 에너지가 열 에너지로 바뀌어 재료가 녹고 증발한 다음 진공에서 제거됩니다.

전자 빔의 강도와 편향 방향을 제어하고 작업대의 수치 제어 변위와 결합하여 (CNC 제어 및 다중 좌표 연결을 사용하여) X 및 Y 방향으로 펀칭, 성형 절단, 에칭, 포토리소그래피 노출 및 기타 공정을 달성할 수 있습니다.

전자빔 가공 기술은 전 세계적으로 발전하고 있으며 발사 로켓이나 우주선과 같은 주요 하중 지지 부품의 대형 구조물 결합 용접은 물론 항공기 빔, 프레임, 랜딩 기어 부품, 엔진 일체형 로터, 케이스, 파워 샤프트, 원자력 발전 장치 압력 용기 같은 중요한 구조 부품 제조에 널리 사용되고 있습니다.

집적 회로 제조는 또한 가시광선보다 파장이 훨씬 짧은 전자빔 포토리소그래피 노광을 널리 채택하여 0.25μm의 선 패턴 해상도를 달성합니다.

이온 빔 처리

이온 빔 가공은 진공 상태에서 이온 소스에서 생성된 이온을 가속하고 집중시켜 공작물 표면에 부딪히게 합니다. 전자빔 가공에 비해 이온은 양전하를 띠고 질량이 전자보다 수백만 배 크기 때문에 가속 후 더 큰 운동 에너지를 얻을 수 있습니다.

운동 에너지를 열 에너지로 변환하는 대신 미세한 기계적 충격 에너지에 의존하여 공작물을 가공합니다. 이온 빔 가공은 표면 에칭, 초정밀 세척, 원자/분자 수준 절단에 사용할 수 있습니다.

미세 방전 가공

미세 방전 가공은 공구 전극과 공작물 사이의 펄스 스파크 방전으로 인한 국부적인 고온을 통해 절연성 작동 유체에서 금속을 제거하는 것입니다. 이 공정에는 거시적인 절삭력이 필요하지 않으며, 단일 펄스 방전 에너지의 정밀한 제어와 정밀한 마이크로 이송을 결합하여 매우 미세한 금속 재료를 제거할 수 있습니다.

마이크로 샤프트, 구멍, 좁은 슬롯, 평면 및 곡면을 가공할 수 있습니다. 고급 EDM 성형 및 와이어 절단은 마이크로미터 수준의 가공 정밀도를 제공하여 3um 마이크로샤프트와 5μm 구멍을 가공할 수 있습니다.

마이크로 전해 처리

미세 전해 공정은 전도성 작업 유체에서 물을 수소 이온과 수산화 이온으로 분해하는 과정을 포함합니다. 양극 역할을 하는 공작물 표면의 금속 원자는 금속 양이온이 되어 전해액에 용해되어 서서히 전기 분해됩니다. 그런 다음 이들은 전해질의 수산화 이온과 반응하여 금속 수산화물 침전물을 형성하는 반면 공구 음극은 마모되지 않습니다.

또한 가공 과정에서 공구와 공작물 사이에 거시적인 절삭력이 발생하지 않습니다. 전류 밀도와 전해 위치를 정밀하게 제어함으로써 나노미터 수준의 정밀한 전해 가공이 가능하며 표면에 가공 응력이 발생하지 않습니다.

미세 전해 가공은 거울 연마, 정밀 박막화 및 스트레스 없는 가공이 필요한 상황에 자주 사용됩니다. 전해 가공은 블레이드와 일체형 임펠러부터 케이스, 디스크 링 부품, 깊은 작은 구멍 가공에 이르기까지 광범위하게 적용됩니다.

전해 가공을 통해 고정밀 금속 반사 거울을 가공할 수 있습니다. 현재 전해 가공 기계의 최대 전류 용량은 50,000A에 달하며 CNC 제어 및 다중 파라미터 적응 제어가 구현되었습니다.

복합 처리

복합 가공은 전해 연삭, 초음파 전해 가공, 초음파 전해 연삭, 초음파 방전, 초음파 절단 등과 같이 여러 가지 형태의 에너지와 방법을 사용하여 각각의 장점을 결합한 가공 기술을 말합니다.

복합 처리는 단일 처리 방법보다 더 효과적이고 적용 범위가 더 넓습니다.