최근 블랙홀 관측을 통해 천문에 대한 대중의 관심이 국제적으로 증가하고 있지만, 현재 사용 중인 우주망원경허블(HST)은 초원거리 은하, 퀘이사 및 외계 지구형 행성들의 존재를 확인하거나 관측하기가 어렵다. 따라서, 더 멀고 희미한 천체의 관측을 위해서 렌즈 사이즈의 대형화는 필수적이며, 미터급 대형 사이즈의 렌즈 개발을 위한 기술이 필요하다. 렌즈 타입의 우주망원경을 사용하면 반사경 타입에 비해 오정렬에 대한 민감도가 낮음에도 불구하고 반사경 제작이 더 쉽고 무게도 줄일 수 있기 때문에 반사경으2020-11-10로 제작이 많이 되고 있는 실정이다. 일반적으로 굴절 렌즈는 구경이 커지게 되면 두께가 증가하기 때문에 무게에 대한 문제가 발생한다. 최근에는 새로운 렌즈의 디자인에 관한 연구가 미국에서 진행되고 있으며, Fig. 1은 초대형 우주 망원경으로 조각 렌즈 조합을 통한 직경 8.5 m급 대형 우주망원경 개발이 진행 중인 렌즈다.^1,2 하지만 최근 연구된 Multi-Order Diffractive Engineered-Material (MODE) 렌즈² 디자인을 채용하면 무게에 대한 문제를 해결할 수 있다. 하지만 유리를 정밀하게 절삭 가공하기에 무리가 있기 때문에 유리를 고온, 고압으로 성형하는 유리 성형 방식을 채용한다. 이때 사용하는 몰드는 STAVAX 재질을 사용한다.

Fig. 1 
Comparison of the light-collecting area of space telescopes capable of exoplanet transmission spectroscopy¹ (Adapted from Ref. 1 on the basis of OA)

STAVAX는 상용화된 크롬 합금 스테인리스 금형강으로 뛰어난 내부식성과 내마모성을 가지고 있어 다양한 금형 재료로 사용된다. 일반적으로 STAVAX 소재를 광학용 금형으로 사용하기 위해서 표면 거칠기가 수 나노 이하의 값을 가져야 한다. 초정밀 가공에서 주로 다이아몬드 공구를 이용하지만 STAVAX 소재는 철 금속으로 다이아몬드 공구로 절삭 시 심한 공구 마모와 표면 거칠기가 나빠진다.³ 따라서 다이아몬드 공구를 이용한 STAVAX 소재의 초음파 진동 절삭 가공에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.⁴ 그러나 공구 소모가 심하고 가공 시간이 오래걸려 많은 양을 절삭하기 어렵다. 따라서 정밀한 형상을 가공하기 위해서는 초음파 진동 절삭 가공을 적용하기 전 최대한의 정밀도로 가공이 이루어져야 한다. Cubic Boron Nitride (CBN) 공구는 고온, 고압 조건에서 높은 경도와 열전도율을 가지며, Steel 소재와 반응 시 열과 화학적인 안정성이 우수하여 초음파 가공이 이루어지기 전, 정밀 선삭 가공의 공구로 적합하다.⁵ 그러나 정밀 가공의 조건에 따라서 소재가 받는 응력에 의해서 가공 표면의 경도가 변할 수 있다. 초정밀 가공에서 표면 경도는 공구의 마모 및 파손과 가공면의 거칠기에 큰 영향을 미치기 때문에 이를 분석하는 것이 매우 중요하다.

본 연구는 차세대 우주 망원경에서 사용될 금형 재료인 STAVAX의 최적 가공 조건을 찾기 위하여 CBN 공구의 절삭 조건별 특성을 파악하고 STAVAX의 열처리 조건에 따른 천연 다이아몬드 공구의 초음파 진동 절삭 가공 표면에 미치는 영향을 파악하여 향후 대형 망원경 렌즈 금형의 초정밀 가공 공정 개발에 적용하고자 본 연구를 수행하였다.

초음파 진동 절삭 가공은 고주파 전기에너지를 고주파 기계 진동 에너지로 변환하여 가공 공정에 적용하여, 기계적 효과에 의한 재료제거를 실현하는 가공 방식이다.¹⁰ 최근 제조기술과 재료과학의 발달로 경도가 높고 마모 및 온도 저항성이 높은 첨단소재가 널리 사용되면서 항공우주 및 바이오, 광학 산업분야에서 주목을 받고 있다. 이러한 재료의 경우 과도한 절삭력, 높은 절삭온도, 심각한 공구 마모 및 표면 품질 저하 등의 단점이 있다. 가공 특성 및 공작물의 표면의 특성을 고려하여 다이아몬드 공구를 이용한 초음파 진동 보조 절삭 가공이 적용되며 활발하게 연구 개발이 되는 추세이다.^10-12

초음파 진동 절삭은 공구 진동 주기에 있어서 칩 생성 시 공구가 주로 칩 유출 방향 속도를 가지며 순간적으로는 공구 진동 속도가 칩 유출속도보다 빠르게 되므로, 마찰력의 방향이 반전되어 칩 유출 방향을 끌어당기며 가공을 행하게 된다. 또한 절삭 과정에서 공구날의 냉각 효과가 크며, 구성인성의 발생을 억제하여 공구의 마모를 줄임으로써 다이아몬드 공구를 이용한 Steel 소재 가공이 가능하다.¹³

본 실험에서는 초음파 진동 절삭 가공이 원활하게 이루어지기 위해 전 공정으로 CBN 공구를 이용하여 1차 가공을 진행한 후 초음파 진동 절삭 가공 실험을 하였다. Table 3은 초음파 진동 절삭 가공의 조건으로 모든 시편을 같은 조건으로 고정하여 가공하였다. 시편 크기에 맞는 정삭 조건으로 가공하였다.

Figs. 11부터 13은 초음파 진동 절삭 가공 후 STAVAX 소재의 가공면의 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 전체적으로 CBN 공구를 가공한 면보다 표면 거칠기는 전체적으로 감소하였다. Fig. 12는 CBN 공구를 이용한 공정에서 절삭 속도에 따른 시편에 초음파 진동 절삭 가공하였을 때, 표면 거칠기는 1,000RPM일 때 8.2 nm Sa이며, 3,000 RPM일 때 3.6 nm Sa로 감소하였고, 5,000 RPM에서 8.4 nm Sa로 증가하였다. Fig. 12는 이송속도에 따라 가공했던 시편이다. 1 μm/rev에서 8.4 nm Sa 결과가 나타났으며, 3 μm/rev일 때 표면 거칠기는 감소하여 4.3 nm Sa였다. 5 μm/rev일 때 약간 증가한 6.6 nm Sa 결과를 나타냈다. Fig. 13은 절삭 깊이에 따라 가공한 시편이다. 절삭 깊이가 가장 낮은 1 μm일 때 표면 거칠기 8.4 nm Sa를 나타냈으며, 3 μm일 때 13.9 nm Sa이며, 5 μm일 때 5.1 nm Sa의 결과를 보이며 경도가 가장 높았던 절삭 깊이 3 μm에서 가장 거친 결과를 보였다. 표면 경도와 비교하면 경도가 높을 때 초음파 진동 절삭 가공 후 표면 거칠기도 증가하였다.

Fig. 11 
Surface roughness versus spindle speed (CBN tool cutting condition)

Fig. 12 
Surface roughness versus feed rate (CBN tool cutting condition)

Fig. 13 
Surface roughness versus depth of cut (CBN tool cutting condition)

Fig. 14는 표면 경도에 따른 초음파 진동 절삭 후 표면 거칠기를 나타낸 그래프이다. 표면 경도가 낮을 때 가장 양호한 거칠기를 보였으며, 경도가 높을 때 표면 거칠기가 악화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 경도에 따라서 표면 거칠기의 결과는 영향을 미친 경향을 볼 수 있다. 따라서 CBN 가공 시 소재 파악이 중요하며, 표면에 가해지는 압괴력을 감소시키는 가공 조건을 도출하여 소성변형을 줄임으로써, 표면 경화를 줄이는 가공 프로세스 설립하는 것이 중요하다고 보여진다.

Fig. 14 
Surface roughness versus hardness

본 연구에서는 차세대 초대형 위성 렌즈 개발용 금형 소재인 STAVAX의 초정밀 표면 절삭 특성을 파악하기 위하여 가공 실험을 진행하였다. 초음파 진동 절삭 가공을 진행하기 전 CBN 공구를 이용하여 1차 가공의 가공 조건인 스핀들 회전속도, 이송속도, 절삭 깊이에 변화에 따라서 표면에 나타나는 경도와 거칠기 변화를 관찰하였다. 이를 바탕으로 최종 가공인 초음파 진동 절삭 가공 시 경도에 따른 표면 거칠기에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) STAVAX 소재를 CBN 공구로 가공 시 절삭 깊이에 따라서 가공 표면의 변형을 일으키고, 소성변형이 일어나 가공 경화로 이루어지는 것으로 파악되었다. 따라서 가공 깊이에 따라서 표면 경도가 증가되는 것을 확인하였다.

(2) 표면 거칠기는 스핀들 회전속도, 이송속도, 절삭 깊이의 영향을 미치는 것으로 파악했으며, 빠른 스핀들 회전속도에 느린 이송속도, 얕은 절삭 깊이일 때 표면 거칠기값이 낮게 나타났다.

(3) 초음파 진동 절삭 가공은 전 공정의 표면 경도와 표면 거칠기를 비교하여 관찰하였다. 가공 전 표면 거칠기와 영향이 없는 것으로 파악했으며, 표면 경도와 영향을 미치는 것으로 나타났다. 표면 거칠기는 경도가 가장 낮은 파트에서 낮은 거칠기 값을 나타냈다.

(4) 실험으로부터 얻어진 CBN 가공 시 표면 경화를 줄이는 절삭 조건을 이용하여 초음파 진동 절삭 가공을 렌즈 금형에 적용하여 표면 거칠기 3 nm Sa의 결과를 얻었다.