우주망원경용 비구면 반사경 표면조도 향상을 위한 진화형 수치제어 연삭공정 모델

Abstract

우주망원경용 비구면 반사경 가공 공정은 고정입자 연삭, 자유입자 래핑, 연마의 순서를 따른다. 숙련공에 의한 경험적 공정조절에 의해 목표 비구면을 가공하는 전통적 연삭 공정에서는 수 <TEX>${mu}m$</TEX> 높이의 표면 밑 손상을 남기며 뒤이은 자유입자 래핑 및 연마 공정에서 이를 제거하며 가공한다. 본 연구는 컴퓨터 수치 제어 연삭 공정진화 모델을 개발하여, 연삭가공을 통해 반사경 표면조도 최소 40nm이하, 가공 예측정확도 20nm급을 이루었다. 구체적인 방법론으로 초정밀가공기의 연삭모듈을 이용하여 연삭 휠 입자의 크기, 이송속도, 공작물 회전선속도 등 연삭 변수를 변화시키며 직경 20, 100mm Zerodur 소재를 초기 연삭하였다. 초기 연삭 변수와 측정된 표면조도와의 관계를 경험적 해석과 다 변수 회귀분석 해석 방법을 통하여 공정조절용 수치 연삭 모델을 구성하였다. 정량적 공정제어는 입력된 연삭변수들로부터 가공 후 표면조도를 예측하고, 측정된 표면조도를 이용하여 수치연삭 모델을 개량한 후 다음 가공에서 측정될 표면조도를 예측하는 순으로 만복 진행되었다. 본 연구에서는 CNC 연삭공정조절로부터 최소 평균 표면조도 36nm, 예측정확도 <TEX>${pm}20nm$</TEX>를 얻었다. 이 연구결과는 정량적 연삭공정제어 모델을 사용하여 자유입자 래핑 공정을 수행할 필요 없이 연삭에서 직접 연마 공정으로 진행할 수 있는 획기적인 공정 효율 향상을 의미한다. Optics fabrication process for precision space optical parts includes bound abrasive grinding, loose abrasive lapping and polishing. The traditional bound abrasive grinding with bronze bond cupped diamond wheel leaves the machine marks of about <TEX>$20{mu}m$</TEX> rms in height and the subsurface damage of about 1 <TEX>${mu}m$</TEX> rms in height to be removed by subsequent loose abrasive lapping. We explored an efficient quantitative control of precision CNC grinding. The machining parameters such as grain size, work-piece rotation speed and feed rate were altered while grinding the work-piece surfaces of 20-100 mm in diameter. The input grinding variables and the resulting surface quality data were used to build grinding prediction models using empirical and multi-variable regression analysis. The effectiveness of such grinding prediction models was then examined by running a series of precision CNC grinding operation with a set of controlled input variables and predicted output surface quality indicators. The experiment achieved the predictability down to <TEX>${pm}20$</TEX> nm in height and the surface roughness down to 36 nm in height. This study contributed to improvement of the process efficiency reaching directly the polishing and figuring process without the need for the loose abrasive lapping stage.