초음파 가공(USM):역학, 공정 매개변수, 요소, 도구 및 특성

이 기사에서는 초음파 가공에 대해 설명합니다.- 1. 초음파 가공(USM) 및 초음파 가공 도구 2. USM의 역학 3. USM의 공정 매개변수 및 그 영향 4. 초음파 가공의 구성 요소 5. 특성 초음파 가공.

내용:

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초음파 머시닝(USM) 및 초음파 머시닝 툴

USM의 역학

USM의 공정 변수와 그 효과

초음파 가공의 구성 요소

USM의 특징

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1. 초음파 가공(USM) 및 초음파 가공 도구 :

기계가공에서 초음파의 사용은 1945년에 L. Balamuth에 의해 처음 제안되었습니다. 장비와 기술에 대한 첫 번째 보고서는 1951-52년에 나타났습니다. 1954년까지 초음파 원리를 사용하는 공작 기계가 설계 및 제작되었습니다. 원래 USM은 전기 스파크 기계로 처리되는 부품의 마무리 작업이었습니다. 그러나 이 용도는 방전 가공의 발달로 인해 덜 중요해졌습니다.

그러나 고체 전자 장치의 붐으로 전기적으로 비전도성, 반도체성 및 취성 재료의 가공이 점점 더 중요해지고 이러한 이유로 다시 초음파 가공 중요성과 명성을 얻었습니다. 최근에는 다양한 형태의 초음파 공작기계가 개발되고 있다. 물론 USM 기술은 아직 완벽하지 않습니다.

기본 USM 공정에는 매우 높은 주파수로 진동하는 도구(연성 및 질긴 재료로 만들어짐)와 도구와 작업 표면 사이의 작은 틈에 연마 슬러리의 지속적인 흐름이 포함됩니다. . 도구는 균일한 힘으로 점차적으로 공급됩니다. 단단한 연마 입자의 충격은 단단하고 부서지기 쉬운 작업 표면을 파괴하여 연마 슬러리에 의해 제거되는 작은 마모 입자 형태의 작업 재료를 제거합니다. 단단하고 연성인 공구 재료는 훨씬 느린 속도로 마모됩니다.

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2. USM의 역학:

초음파 가공의 물리학은 완전하거나 논란의 여지가 없습니다.

USM 중 재료 제거 이유는 다음과 같습니다.

(i) 도구로 작업 표면에 연마 입자를 두드리는 것,

(ii) 자유 연마 입자가 작업 표면에 미치는 영향,

(iii) 캐비테이션으로 인한 침식 및

(iv) 사용된 유체와 관련된 화학적 작용.

많은 연구자들이 초음파 가공의 특성을 예측하기 위한 이론을 개발하려고 시도했습니다. M.C.가 제안한 모델 Shaw는 일반적으로 호평을 받고 있으며 한계에도 불구하고 재료 제거 프로세스를 합리적으로 잘 설명합니다. 이 모델에서는 공작물과 접촉하는 입자에 대한 도구의 직접적인 영향(재료 제거의 주요 부분을 담당함)이 고려됩니다.

또한 가정은 다음과 같습니다.

(i) 작업 재료 제거율은 충격당 작업 재료의 양에 비례합니다.

(ii) 작업 재료 제거 속도는 주기당 영향을 미치는 입자 수에 비례합니다.

(iii) 작업 재료 제거 속도는 빈도(단위 시간당 사이클 수)에 비례합니다.

(iv) 모든 영향은 동일합니다.

(v) 모든 연마 입자는 동일하고 모양이 구형입니다.

이제 단단한 구형 연마 입자가 작업 표면에 미치는 영향을 고려해 보겠습니다. 그림 6.9는 이러한 충격에 의해 한 순간에 발생하는 압흔을 보여줍니다.

D가 어느 순간의 압입 직경이고 h가 해당 침투 깊이인 경우 그림 6.9에서 얻을 수 있습니다.

사이클 동안의 다양한 도구 위치는 그림 6.11과 같습니다. 위치 A는 공구면이 연마 입자에 닿는 순간을 나타내고 A에서 B로 이동하는 기간은 충격을 나타냅니다. 로 인한 들여쓰기 도구의 가장 낮은 위치에 있는 작업 표면과 도구의 결이 그림 6.12에 나와 있습니다. 공구가 A 위치에서 B 위치까지 이동한 거리가 h(총 압입)이면

유동 응력 σ와 Brinell 경도 H가 동일하므로 식 (6.6)과 (6.7)이 항복합니다. –

이 재료 제거 속도는 진동하는 도구로 인한 곡물의 직접적인 망치질을 통한 것입니다. 빠르게 움직이는 도구면에 의해 반사된 일부 입자는 작업면에도 영향을 미치며 자유롭게 움직이는 입자로 인해 발생하는 압흔을 추정할 수 있습니다. 그림 6.13은 도구에 의해 반사된 입자를 보여줍니다. 진동 중 공구면의 최대 속도는 2πvA입니다.

지립의 원래 속도는 작기 때문에 최대 속도는 분명히 2πvA 정도입니다. 따라서 연마 입자의 해당 최대 운동 에너지는 –

여기서 ρ는 연마재의 밀도입니다. 이러한 충돌 입자로 인한 압입 동안 접촉력이 압입과 함께 선형적으로 증가한다고 가정하면 -

h_w 값 비교 그리고 h'_w 정상적인 조건에서 h'_w h_w에 비해 매우 작습니다. , 따라서 대부분의 재료가 연마 입자에 직접 영향을 주어 제거된다는 결론을 내릴 수 있습니다.

관계식(6.11)은 재료 제거율이 d ^1/4 에 비례함을 나타냅니다. , 그러나 실제로는 d에 비례합니다. 이론적인 예측과 관찰된 사실 사이의 이러한 불일치는 Shaw에 의해 다음과 같이 설명되었습니다.

지립의 실제 모양은 그림 6.14와 같이 구형이 아닙니다. 매끄러운 표면 대신 평균 직경 d₁의 돌출부가 있습니다. .

돌기의 평균 직경은 입자의 호칭 직경(d)의 제곱에 비례하는 것으로 관찰됩니다. 따라서

관계식(6.18)은 mrr이 d에 비례함을 보여주며, 이 사실도 실험적으로 확인되었습니다.

쇼 이론에는 많은 한계가 있습니다. 예를 들어, A, F, v의 변동 효과를 정확하게 예측하지 못합니다. F가 증가하면 그림 6.15와 같이 mrr이 증가합니다. 이는 관계식(6.18)으로도 확인됩니다. 그러나 실제로는 F 값이 지나면 지립이 무거운 하중을 받으면 부서지기 때문에 Q가 감소하기 시작합니다.

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3. USM의 공정 매개변수와 그 효과:

프로세스에 영향을 미치는 중요한 매개변수는 다음과 같습니다.

(i) 빈도:

관계식(6.18)에서 알 수 있듯이 mrr은 주파수에 따라 선형적으로 증가합니다. 실제로도 mrr은 주파수에 따라 증가하지만(그림 6.16a 참조) 실제 특성은 정확히 선형이 아닙니다. mrr은 이론적으로 예측된 ​​값보다 다소 낮은 경향이 있습니다.

(ii) 진폭:

진동의 진폭이 증가하면 관계식(6.18)에서 볼 수 있듯이 mrr이 증가할 것으로 예상됩니다. 변동의 실제 특성은 다양한 주파수 값에 대해 그림 6.16b에 나와 있습니다. 다시 말하지만 실제 특성은 이론적으로 예측된 ​​특성과 다소 다릅니다. 불일치의 주요 원인은 평균 속도(=A/(T/4))를 고려하여 침투 지속 시간 Δt를 계산했다는 사실에서 비롯됩니다. Δt의 변화 특성, –

(h / A)(T / 4)와 같은 근사식에서 얻은 것과는 상당히 다릅니다.

(iii) 정적 하중(이송력):

정적 하중(즉, 이송력)이 증가하면 mrr이 증가하는 경향이 있습니다. 그러나 실제로는 알갱이가 으깨지기 시작하면서 힘의 특정 임계값 이상으로 감소하는 경향이 있습니다. 다양한 진폭에 대한 이송력에 따른 mrr의 변화 특성은 그림 6.17a에 나와 있습니다.

(iv) 도구와 공작물의 경도 비율:

피삭재 경도와 공구 경도의 비율은 mrr에 상당한 영향을 미치며 그 특성은 그림 6.17b와 같다. 경도와 별개로 피삭재의 취성은 매우 중요한 역할을 합니다. 표 6.2는 다른 매개변수를 동일하게 유지하면서 다른 작업 재료에 대한 상대적 재료 제거율을 나타냅니다. 분명히 더 부서지기 쉬운 재료가 더 빠르게 가공됩니다.

(v) 입자 크기:

관계식(6.18)은 mrr이 평균 입자 직경 d에 비례하여 증가해야 함을 나타냅니다. 그러나 d가 너무 커져 진폭 A의 크기에 가까워지면 압궤 경향이 증가하여 그림 6.18a와 같이 mrr이 저하된다.

(vi) 슬러리 내 연마재 농도:

농도는 주기당 영향을 생성하는 곡물의 수와 각 영향의 크기를 직접 제어하므로 mrr은 C에 의존할 것으로 예상됩니다. 그러나 관계식(6.18)은 mrr이 예상됨을 보여줍니다. C ^1/4 에 비례 . 실제 변화는 B₄에 대한 그림 6.18b에 나와 있습니다. C 및 SiC 연마재. 이것은 이론적 예측과 상당히 일치합니다. mrr이 C ^1/4 로 증가하기 때문에 , C가 30%를 넘은 후 mrr의 증가는 상당히 낮습니다. 따라서 농도를 더 높이는 것은 도움이 되지 않습니다.

슬러리에 사용되는 유체의 일부 물리적 특성(예:점도)도 mrr에 영향을 미칩니다. 실험은 점도가 증가함에 따라 mrr이 떨어지는 것으로 나타났습니다(그림 6.19a).

mrr은 USM 작업의 성능을 판단하는 데 매우 중요한 고려 사항이지만 적절한 평가를 위해서는 얻은 마감 품질도 고려해야 합니다. USM 작업에서 표면 마감은 주로 연마 입자의 크기에 따라 달라집니다. 그림 6.19b는 작업 재료로 유리와 텅스텐 카바이드 모두에 대한 평균 입자 크기를 가진 표면 불균일성의 평균 값의 일반적인 변화를 보여줍니다.

유리의 경우 표면 마감이 입자 크기에 훨씬 더 민감한 것이 분명합니다. 이는 고경도의 경우 취성파괴를 통해 이탈되는 파편의 크기가 충돌하는 입자의 크기에 크게 의존하지 않기 때문이다.

USM이 재료에 미치는 영향:

관련 절단력이 매우 작기 때문에 공정에서 상당한 응력과 가열이 발생하지 않습니다. 따라서 재료 구조는 영향을 받지 않습니다. 단, 홀 가공 시 홀 출구측에 치핑이 발생할 수 있습니다. 이를 피하기 위해 취성 재료로 만들어진 작업물은 일반적으로 유리로 만들어진 베이스에 고정됩니다.

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4. 초음파 가공의 구성 요소:

기계의 중요한 구성요소는 다음과 같습니다.

(i) 어쿠스틱 헤드 :

어쿠스틱 헤드(그림 6.22)는 아마도 기계에서 가장 중요한 부분일 것입니다. 그 기능은 공구에 진동을 발생시키는 것입니다. 고주파 전류를 공급하는 발전기와 이를 고주파 진동의 형태로 기계적 운동으로 변환시키는 변환기, 헤드를 고정하는 홀더, 진동을 기계적으로 증폭시켜 전달하는 집중기로 구성되어 있다. 도구.

대부분의 변환기는 고효율, 15-30kHz 범위의 높은 신뢰성, 낮은 공급 전압 및 간단한 냉각 장치로 인해 자기 변형 원리에 따라 작동합니다. 스탬핑은 변압기에서와 같이 손실을 줄이는 데 사용됩니다. 치수는 고유 주파수가 전기 공급 주파수와 일치하도록 선택됩니다. 거의 모든 최신 기계는 니켈로 만든 자기 변형 변환기를 사용합니다(0.1-0.2mm 두께의 스탬핑).

집선 장치의 주요 목적은 절단에 필요한 수준으로 진폭을 높이는 것입니다. 다양한 유형의 집중 장치가 사용됩니다(그림 6.23a). 그림 6.23b는 변환기-집중기 어셈블리의 길이 방향 진동 진폭이 어떻게 증폭되는지 보여줍니다. 그림과 같이 시스템은 노드 지점에서 본체에 고정되어야 합니다.

(ii) 피드 메커니즘 :

피드 메커니즘의 목적은 가공 작업 중에 작업력을 적용하는 것입니다. 공구의 움직임을 나타내는 도구는 가공 깊이를 나타냅니다.

피드 메커니즘의 기본 유형은 다음과 같습니다.

(a) 평형추 유형,

(b) 스프링 유형,

(c) 공압 및 유압식,

(d) 모터 유형.

(iii) 도구:

이 도구는 강하지만 동시에 연성이 있는 금속으로 만들어졌습니다. 일반적으로 스테인리스강과 저탄소강은 도구를 만드는 데 사용됩니다. 알루미늄과 황동 도구는 강철 도구보다 각각 10배와 5배 빨리 마모됩니다. 기하학적 특징은 프로세스에 의해 결정됩니다. 도구에 외접하는 원의 지름은 집중기 끝단 지름의 1.5~2배를 넘지 않아야 하며 도구는 가능한 한 짧고 단단해야 합니다.

공구를 속이 빈 상태로 만들 때 균일한 마모를 위해 내부 윤곽이 외부 윤곽과 평행해야 합니다. 벽이나 돌출부의 두께는 연마재 입자 크기의 최소 5배 이상이어야 합니다. 속이 빈 도구에서 벽은 0.5mm에서 0.8mm보다 얇아서는 안 됩니다. 공구를 설계할 때 연마재의 입자 크기에 따라 일반적으로 0.06mm에서 0.36mm 정도인 측면 여유 공간을 고려해야 합니다.

(iv) 연마 슬러리:

가장 일반적인 연마재는 – (i) 탄화붕소(B₄ C), (ii) 탄화규소(SiC), (iii) 커런덤(Al₂ O₃ ), (iv) 다이아몬드 및 (v) 연마력이 B₄보다 약 10% 더 높은 규화붕소(매우 효율적) C. B₄ C는 나머지 중에서 가장 우수하고 가장 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. SiC는 유리, 게르마늄 및 일부 세라믹에 사용됩니다. SiC의 절단 시간은 B₄의 절단 시간보다 약 20-40% 더 많습니다. C. 커런덤은 훨씬 덜 효율적이며 절단 시간은 B₄의 약 3-4배입니다. C. 다이아몬드 더스트는 다이아몬드 및 루비 절단에만 사용됩니다.

슬러리에서 물이 가장 일반적으로 사용되는 유체이지만 벤젠, 글리세롤 및 오일과 같은 다른 액체도 사용됩니다. mrr은 점도가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있는 것으로 밝혀졌습니다.

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5. 의 특징 USM:

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