초정밀 미세가공을 넓은 가공 면적에 재현성 좋게 가공하는 것이 매우 중요시되고 있다.

LCD TV, PDP TV로 대표되는 각종 FPD의 대(大)화면화와 저비용 대응 기술 요구에 따른 제품 공정의 개혁으로 인해 사용되는 여러 가지의 제조 기기라든가 사용되는 부품의 대형화를 필요로 하고 있다.
더구나 서브 마이크론의 형상 정밀도와 나노미터의 가공품질에 대한 요구가 날로 높아질 뿐이다.
구체적으로 들면 프리즘 시트, 도광판 등의 광학계 시트 금형이라든가 노광장치 등에 사용되는 렌즈 혹은 렌즈 성형 금형의 가공 등이다.

그리고 천문학 세계에서도 더욱 정확한 정보를 단번에 대량으로 얻기 위한 초(超)대구경 반사경(지름 30m급)이나 우주선에 탑재하는 초경량 대구경의 Lap-less 연삭가공의 필요성도 높아지고 있다.
또한 자동차 업계에서는 종전의 절삭에 의한 부품 제작에서 소성 가공에 의한 정밀 부품 제작으로 옮겨가려는 요구가 늘고 있어 이에 따르는 금형의 고정밀도화, 장수명화가 급선무이다.

이 가공들은 종전에 숙련공의 기능에 의존해서 최종적으로 랩 다듬질, 정밀 연마작업으로써 형상 정밀도와 품질을 동시에 성취해 가는 제조방법에서는 막대한 공수(工數)를 요할 뿐만 아니라 최종적으로 얻을 수 있는 품질에도 한도가 있기 때문에 기계가공에 의한 제조기술의 확립이 절실히 요망되고 있다.
이와 같은 고품질 기계가공은 나가세인테그렉스가 예전부터 제안하고 있는 「머신을 포함한 가공 시스템의 전사(轉寫)에 의한 가공기술」과 「기상(機上, On machine) 계측」을 최대한 높임으로써 달성된다.
「전사(轉寫)에 의한 가공기술」은, 한마디로 바이트와 피가공물이 이상적인 형상에 대해 서로 상대적으로 관여하는 운동성능이 오차 없이 전사됨으로써 앞에서 말한 요구에 부응할 수 있는 대형 초정밀 가공이 가능해진다.

바이트는 가위와 같은 절삭공구에서부터 드릴, 엔드밀, 밀링커터, 싱글 포인트의 다이아몬드 바이트, 숫돌, 휠, 고압수, 전극 등 다양하다.

이들 공구는 각각 피가공물, 가공형상, 가공능률, 요구 정밀도, 요구 품질 등을 고려하여 선택된다.

머신은 이들 바이트와 피가공물을 가공 요구품질에 알맞은 상대운동을 일으키는 동특성과 그 운동특성을 전사시키기에 충분한 가공점의 강성을 갖고 있어야 한다.

●연삭가공에서의 기상 계측

나가세인테그렉스에서는 절대운동의 특성과 반복 재현성이 서브 마이크론, 나노미터 레벨이어야 한다고 생각한다.

 머신에 주는 최소 분해능은 그저 단순히 NC 장치에 의해 표시되는 설정치로는 안 된다.

나가세인테그렉스의 머신은 가공점에서의 반복 재현성과 머신의 최소 설정 분해능이 반드시 일치하고 있다.
최소 분해능이 0.1㎛이면 반복 재현성은 ±0.2∼0.3㎛이다.

10nm이면 ±20∼30nm가 되고 1nm이면 ±2∼5nm라는 말이다.

예를 들어 0.4㎛ 높이의 프리즘 형상가공을 NiP 도금면에 실시할 경우에는 V 형상의 다이아몬드 바이트가 최소한 4회 상하운동을 하고 분할운동이 4회 이루어진다.

실제로 프리즘 형상은 하나가 아니라 어느 가공 영역에서 무수히 만들어지므로 상하운동은 1000회 이상, 분할운동도 1000회 이상 실시되고, 게다가 어느 영역 내에서 홈의 진직성도 0.4㎛ 높이의 정사각뿔에 맞는 정밀도이어야 한다.
1000회 이상 위아래로 움직이는 직선운동과 분할운동을 실시하고 각각의 정사각뿔은 정점을 연결하여 능선이 성형된다.
 R 바이트에 의한 평면가공 사례이다.

평면가공이라고 해도 R 바이트 홈의 연속이다.

인접한 6홈의 홈 깊이 편차는 2.7nm이다(ZYGO사 NewView6300). 이 결과를 토대로 이 머신의 상하방향으로 Short Range의 반복 재현성은 적어도 3nm 정도인 것으로 판단된다.
이 영역이 되면 머신의 정적 운동특성을 이 오더로 계측하기란 무척 어렵다.

오히려 이 같이 단순한 가공에서는 머신의 운동특성과 가공점에서의 강성을 판단하는 편이 더 현실적이다.
나가세인테그렉스는 업계에 앞장서서 약 25년 전부터 비접촉 유정압 습동면을 개발하여 0.1㎛ 분해능의 성형 평면 연삭가공기를 시작으로 다양한 초정밀 머신을 개발, 제조해 왔다.

특히 버블경제가 붕괴된 후에는 일본 국내의 초정밀 가공현장에서 그 가치를 인정받았다.

「서브 마이크론의 형상 정밀도와 나노미터의 가공품질」을 기계가공만으로 실시할 것을 제안한 지 벌써 10년이 넘었다.

그러나 0.1㎛의 분해능 머신과 1nm 분해능 머신에 요구되는 「서브 마이크론의 형상 정밀도와 나노미터의 가공품질」은 하늘과 땅만큼의 차이가 있음을 실감한다.
이와 같이 머신의 「절대 운동특성」과 「반복 재현성」을 높이는 노력과 더불어 중요한 것이 토탈 시스템으로서 각각의 중요 요소를 구축하는 일이다.
나가세인테그렉스는 초정밀 가공의 10대 요소를 제안하여 바이트(숫돌, 휠, 다이아몬드 툴 등), 고정 지그, 나노엔바일러(온도조절 시스템), 나노 스태빌라이저(제진(除振) 시스템 ), 기상계측 시스템을 구축해 왔다.

●연삭숫돌의 동적 밸런스 계측·수정

그 중에 기상계측 시스템으로서 나가세인테그렉스가 업계에서 일찍이 제안한 것이 숫돌·휠의 동적 밸런스 기상 계측, 기상 수정이다. 밸런스벡터, 밸런스독터라는 상품명이고 1000대 이상의 출하 실적이 있다.

종전에는 기계 밖에서 롤러나 저울을 이용해서 측정·수정했던 동적 밸런스를 기계 안에서 측정하고 수정함으로써 면조도와 진원도의 향상, 바이트의 장수명화에 기여하고 있다.
그리고 이 진동제어 기술은 기계 그 자체의 저(低)진동화에도 도움이 된다.

●On machine(機上) 형상계측

가공품질을 극도로 높이기 위해서라도 빼놓을 수 없는 기술이고, 더욱 도전해야만 하는 것이 기상 형상계측이다.
기상 형상계측을 빼놓을 수 없는 이유는 기계 그 자체의 운동특성과 강성이 절대적인 요소가 아닌데다 바이트나 공작물 자체의 탄성 변형, 바이트의 형상 변화 등이 기계의 운동특성을 공작물에 전사하는 것을 방해하기 때문이다.

그리고 대형 공작물을 가공하는 도중에 계측하기 위해 기계에서 떼어 밖의 계측기로 들고 가는 것은 재설정 및 재현성의 어려움과 공작물 자체의 변형을 고려했을 때에는 넌센스이지 않을 수 없다.
형상계측에서는 진직도, 평면도, 피치, 깊이, 자유곡면 형상 등을 계측할 필요가 있다.

더구나 광학계 가공 대상물의 측정 분해능으로는 10nm, 100nm의 분해능이 요구된다.
예전에는 가공기보다도 측정기 쪽의 정밀도가 높다는 인식이 일반적(과거의 상식)이었다고 하면 종전의 측정기 이상 가는 측정기로 가공과 측정이 가능한 시스템을 구축할 필요가 있다.
왜냐하면 측정 분해능이 작으면 측정범위가 좁고 측정범위가 넓으면 분해능이 크다는 것이 일반상식이기 때문이다.
나가세인테그렉스의 초정밀 머신은 1nm의 분해능에서 최대 가공범위는 1500mm×900mm(평판)이고 롤에서는 ø500mm×1500mm이다. 100nm의 분해능을 가진 머신에서는 최대 10,000mm(10m)×2500mm(2.5m)이다.
그야말로 High Resoultion·High Range 가공·측정이 요구된다.
나가세인테그렉스에서는 우선 가공의 기본인 장척(長尺) 그 자체의 진직도를 고정밀도로 기상 측정하는 시스템 개발에 착수했다.

이유는 진직도를 고정밀도로 계측하지 못하면 평면도 계측에도 응용할 수 있다는 점, 그리고 어떤 자유 형상도 초(超)평면가공을 하지 못하면 의미가 없기 때문이다.
진직도의 기상계측은 「축차 3점법」과 「반전법」을 계측원리에 적용하고 있다.

1m 이상인 장척 공작물의 진직도를 기상에서 0.2㎛의 정밀도로 측정할 수 있다.
본 시스템의 특징은 측정할 때 기계대의 요동과 피측정물의 성상을 분리하여 측정할 수 있는 점이다.

 그 결과, 기계대의 운동오차가 측정결과에 영향을 주지 않아 순수 형상을 계측할 수 있다.
그리고 비교적 단척(短尺)의 마스터 게이지로 계측 시스템의 각 요소를 교정할 수 있다면

장척 공작물을 고정밀도로 계측할 수 있는 점도 큰 특징이다. 에서는 기상 진직도 측정기의 외관을 나타낸다.
측정자는 그 대상 공작물의 물성, 크기, 표면 거칠기 등에 의해 접촉·비접촉을 불문하고 다양한 센싱 시스템을 구축할 수 있다.
사진은 정전용량형 비접촉 센서를 사용한 예이다.
본 측정기는 나가세인테그렉스가 보유하는 모든 중형 이상의 기계에 탑재할 수 있다.
초정밀 가공에서 가공 정밀도 이상의 계측 기술은 불가피하다.
오늘날 널리 실시되고 있는 계측 기법은 다음과 같다.
①가공기의 구동축에 장착된 변위계에 의한 기법
② 공작물을 일단 떼어 실시되는 간섭계에 의한 기법
전자(前者)의 경우는 손쉽게 실시할 수 있지만 기계의 구동축 오차를 검출하기가 어렵고 더욱이 1차원 측정이다.

후자의 경우는 일단 공작물을 기계에서 떼어내기 때문에 정밀도는 확인할 수 있어도 보정(補正) 가공은 불가능하다.
이러한 과제들을 극복하기 위해 우리는 간섭계를 기계상에 설치하고 가공한 후 신속히 계측할 수 있는 시스템을 개발했다.

 이 시스템의 특징은 높은 측정 정밀도(∼10nm)로 2차원 형상을 순시(1초 이하)에 측정하여 보정가공을 실현할 수 있다는 점이다.

간섭계의 원리는 일반 간섭 계측에서 이루어지고 있는 것과 동일한 피조(Fizeau) 간섭 시스템을 채택하고 있다.

광원은 He-Ne 레이저이다.
기준 렌즈를 1/8λ(λ는 광원의 파장)씩 이동하여 공작물 피검면과의 간섭상을 취득한다.

이 계측기법은 피검면에 대해 광학 정밀도를 요구하기 때문에 연삭가공에 적합하다.

그리고 나가세인테그렉스의 가공기는 능동적으로 제어된 제진대 위에 올려지고 1/1000도로 온도 조절된 챔버 안에 놓이기 때문에 외란에 약한 간섭 측정을 기계상에서 실현했다.

●대형 공작물의 정밀 연삭

2006년의 JIMTOF에서는 ø300, 초점거리 1m의 비구면 렌즈에 대한 가공 및 계측을 전시했다.
또한 2007년 8월에는 지름 ø1300의 로터리 테이블을 탑재한 1nm 분해능의 초정밀 렌즈 가공기도 완성시켰다.
이와 같이 초정밀 가공기의 대형화로 그 기계가 안고있는 문제점이 더욱 현저히 나타난다.
기계의 기본 구조는 새들 타입, 칼럼 타입, 더블 칼럼 타입(門형)으로 크게 나뉘는데 어느 타입이든 통상적으로 가공점과 이송축(볼나사, 리니어 모터 등), 피드백축(직진·회전 스케일 등)을 동일 축상에 배치하기는 어렵다.

즉 머신의 확대화로 인해 이들의 거리는 가공점에서부터 확대된다.
온도변화나 작용력의 변화에 대한 영향도 커진다.

나가세인테그렉스의 10nm 분해능의 가공기에는 숫돌축의 내부(전후의 가공범위)가 캔틸레버 구조이고 1m인 기종이 있는데 상하 이송축에서부터 가공점까지의 거리는 1400mm에 이른다.

이 가공점에서의 반복 재현성은 ±0.2㎛(최소 분해능 0.1㎛)를 달성하고 있다.
즉 머신의 대형화로 인해 소형기에서도 마찬가지로 안고있던 가공점에서의 바이트와 피삭재와의 상대거리 오차, 그리고 이상적인 형상의 곡선에 대한 이동 오차가 더 커지는 경향에 있다.

나가세인테그렉스는 이들 오차에 대한 여러 가지의 대책을 머신에 강구함으로써 가공결과에 미치는 영향을 적극적으로 줄여왔다.

●소형 공작물의 성형 연삭기

2007년 가을 나가세인테그렉스에서는 대형 초정밀 가공기의 개발 노하우를 살린 소형 성형 연삭가공기 2종을 새로 발매했다.
1대는 SGC-630S 4-Zero3이다.

25년 전에 업계 최초로 All 정압 습동면(상하, 좌우, 전후, 스핀들 전체적으로 비접촉 유정압 습동 구조)을 채택한 SGU-52를 발표한 이래 오래간만에 소형 초정밀 기종을 시장에 투입했다.

SGU-52는 새들 타입이지만 630은 칼럼 타입을 선택하고 모든 습동면은 유정압으로 유지되며 좌우의 구동방식은 독자적인 하이파워 코어리스 리니어 모터를 채택했다.
가공범위는 600×300mm이다. 표준사양은 상하·좌우의 동시 2축 제어이지만 상하·좌우·전후의 동시 3축 제어도 가능하다.

유정압과 하이파워 코어리스 리니어 모터 구동으로 조합된 좌우 테이블은 20mm 스트로크에서 260반전(130왕복)/min, 100mm 스트로크에서 160반전(80왕복)/min을 달성한다.

 각 축의 제어 최소단위는 0.1㎛가 표준사양이고 광학식 글라스 스케일(분해능 0.05㎛)에 의한 폐루프(Closed loop)이다.

모든 가공의 기본인 초평면 가공은 물론 다양한 자유곡면의 성형 연삭에도 대응하고 있다.

전기·전자, 자동차, 광학 분야 등의 금형 제작이나 초정밀 부품가공에 유효하다.
또 하나의 기종은 SHC-315AL2S-Zero3이다.

 가공범위는 300×150mm이다.
좌우 테이블에 유정압 습동구조와 리니어 모터 구동을 채택하여 고속 반전 연삭을 가능하게 한다.
100mm 스트로크에서 320반전(160왕복)/min, 10mm 스트로크에서 800반전(400왕복)/min이다.

스핀들은 가공목적에 맞게 발주할 때 공기정압, 유정압, 볼 베어링의 3가지 타입에서 선택할 수 있다.
그리고 이번에 발표한 2기종을 위해 새로운 제어 시스템 Zero 시리즈를 개발했다.

정밀성형 연삭을 신속하고 쾌적하게 가공할 수 있도록 운전자의 사용 편리성을 배려한 소프트웨어가 탑재되어 있다.
일반 숫돌에 의한 복합성형 연삭, 초연삭재 휠에 의한 모방절삭(Contouring) 성형 연삭이 가능하다.

담금질강은 물론 세라믹, 초경, 유리 등 취성 재료의 성형에 대응하고 있다.

시스템 향상 유닛으로는 풍부한 트루잉·드레싱 시스템과 분할장치, 소형 기상 계측장치가 마련된다.