비전통 가공 탐구: AJM, EBM, LBM, PAM 기술

이 기사에서는 비전통 가공 공정에 대해 논의합니다: 1. 연마제트 가공(AJM) 2. 전자빔 가공(EBM) 3. 레이저빔 가공(LBM) 4. 플라즈마 아크 가공(PAM). 또한 비전통 가공 공정, 비전통 가공 공정의 특성, 비전통 가공 공정의 분류에 대해 알아봅니다.

연마제트 가공(AJM)

AJM에서는 미세 연마 입자의 충격으로 소재가 제거됩니다. 이 입자들은 고속 공기(또는 가스) 스트림과 함께 이동합니다. 그림 6.1은 공정과 일반적인 공정 파라미터를 보여줍니다. 연마 입자는 일반적으로 0.025mm 직경이며, 공기는 몇 기압의 압력으로 분사됩니다.

AJM의 메커니즘:

연마 입자가 고속으로 공작물 표면에 충돌하면, 충격으로 미세한 취성 파손이 발생하고 뒤따르는 공기(또는 가스)가 이탈된 작은 공작물 입자(마모 입자)를 운반합니다. 이는 그림 6.2a와 6.2b에 나와 있습니다. 따라서 이 공정은 공작물 소재가 취성이고 부서지기 쉬울 때 더 적합함이 명백합니다. 충격하는 연마 입자에 의한 공작물 표면 치핑으로 인한 소재 제거율(mrr)을 추정하는 모델이 있습니다. mrr은 다음과 같이 표현됩니다 –

여기서 Z는 단위 시간당 충돌하는 연마 입자 수, d는 연마 입자의 평균 직경, v는 연마 입자의 속도, ρ는 연마 소재 밀도, H_w는 공작물 소재 경도(유동 응력), X는 상수입니다.

AJM의 공정 파라미터:

공정 특성은 다음을 판단하여 평가할 수 있습니다 – (i) mrr, (ii) 절단 형상, (iii) 생성된 표면 거칠기, (iv) 노즐 마모율.

이 양들을 제어하는 주요 파라미터는:

(i) 연마제(조성, 강도, 크기, 질량 유량),

(ii) 가스(조성, 압력, 속도),

(iii) 노즐(형상, 소재, 공작물 표면으로부터의 거리 및 기울기).

이제 이들 각각의 파라미터와 그 효과에 대해 논의하겠습니다:

i. 연마제:

주로 두 종류의 연마제가 사용됩니다. (i) 산화알루미늄, (ii) 탄화규소. 그러나 일반적으로 산화알루미늄 연마제가 대부분의 용도에서 선호됩니다. 이 입자들의 형상은 그리 중요하지 않지만, 공작물 표면에서 만족스러운 마모 작용을 위해서는 날카로운 모서리를 가져야 합니다. Al₂O₃와 SiC 분말은 공칭 입자 직경 10-50μm로 제공됩니다. 공칭 직경이 15μm와 20μm 사이일 때 최상의 절삭이 이루어집니다.

연마 분말의 재사용은 권장되지 않습니다. 왜냐하면 – (i) 첫 사용 후 절삭 능력이 감소하고, (ii) 오염으로 노즐의 미세 오리피스가 막히기 때문입니다. 연마 입자의 질량 유량은 압력과 가스 유량에 의존합니다. 제트 내 연마제의 질량 분율(혼합 비율)이 증가하면 mrr은 처음에 증가하지만, 혼합 비율이 더 증가하면 최대에 도달한 후 감소합니다(그림 6.3a). 연마제의 질량 유량이 증가하면 mrr도 증가합니다(그림 6.3b).

ii. 가스:

AJM 장치는 일반적으로 0.2~1 N/mm² 압력에서 작동합니다. 가스 조성은 속도-압력 관계가 이에 의존하므로 mrr에 간접적으로 영향을 미칩니다. 질량 유량이 일정하더라도 높은 속도는 분명히 높은 mrr을 유발합니다.

iii. 노즐:

노즐은 공정 특성을 제어하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 고속으로 흐르는 연마 입자와 지속적으로 접촉하므로, 소재는 상당한 마모를 피하기 위해 매우 단단해야 합니다. 일반적으로 WC 또는 사파이어가 사용됩니다. 정상 작동 시 오리피스 단면적은 0.05~0.2mm² 사이입니다.

오리피스 형상은 원형 또는 직사각형일 수 있습니다. 노즐 평균 수명은 파악하기 매우 어렵습니다. WC 노즐은 12~30시간 지속되는 반면, 사파이어 노즐은 약 300시간 지속됩니다.

AJM에서 가장 중요한 요소 중 하나는 공작물 표면과 노즐 팁 사이의 거리, 일반적으로 노즐 팁 거리(NTD)라고 합니다. NTD는 공작물 표면에서의 mrr뿐만 아니라 생성된 공동의 형상과 크기에도 영향을 미칩니다. 그림 6.5는 NTD의 효과를 보여줍니다. NTD가 증가하면 노즐을 떠난 후 가속으로 인해 공작물 표면에 충돌하는 연마 입자의 속도가 증가합니다.

이는 차례로 mrr을 증가시킵니다. NTD가 더 증가하면 대기 항력으로 인해 속도가 감소하여 mrr 증가를 처음에 억제하고 최종적으로 감소시킵니다. 그림 6.6은 NTD가 mrr에 미치는 영향을 보여줍니다.

연마제트 머신은 단일 제조업체(S.S. White Co., New York)에서 "Airbrasive"라는 이름으로 제조 및 판매합니다.

AJM의 특성:

전자빔 가공(EBM):

기본적으로 전자빔 가공도 열 공정입니다. 여기서 고속 전자 스트림이 공작물 표면에 충돌하여 운동 에너지가 공작물 소재에 전달되어 강한 가열을 생성합니다. 이렇게 생성된 열의 강도에 따라 소재는 녹거나 증발할 수 있습니다. 전자빔에 의한 가열 공정은 강도에 따라 어닐링, 용접, 또는 금속 제거에 사용될 수 있습니다.

충분한 전압을 사용하면 매우 높은 속도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 150,000V 가속 전압은 228,478km/sec의 전자 속도를 생성할 수 있습니다. 전자빔은 10-200μm 직경의 점으로 초점화될 수 있으므로, 전력 밀도는 6,500억 W/mm²까지 올라갈 수 있습니다. 이러한 전력 밀도는 어떤 물질이든 즉시 증발시킬 수 있습니다. 따라서 EBM은 매우 정밀하게 제어되는 증발 공정일 뿐입니다. EBM은 미세 구멍 드릴링과 좁은 슬롯 절삭에 적합한 공정입니다.

두께 1.25mm까지의 시트에서 25-125μm 직경의 구멍을 거의 순간적으로 드릴링할 수 있습니다. EBM으로 절삭 가능한 가장 좁은 슬롯 폭은 25μm입니다. 또한 전자빔은 자기 편향 코일로 조작할 수 있어 복잡한 윤곽 가공을 용이하게 합니다. 그러나 가속 전자가 공기 분자와 충돌하는 것을 방지하기 위해 진공(약 10^-5mm Hg)에서 공정을 수행해야 합니다. 이는 매우 큰 공작물에는 부적합하게 만듭니다.

전자빔의 광범위한 응용 범위를 나타내기 위해, 전력 밀도 대 핫스팟 직경 플롯이 그림 6.69에 나와 있습니다. 전자빔의 범위가 가장 크다는 것이 명백합니다. 이 때문에 전자빔은 가공뿐만 아니라 다른 열 공정에도 사용됩니다.

전자는 음극(뜨거운 텅스텐 필라멘트)에서 방출되고, 빔은 그리드 컵에 의해 형성되며, 음극과 양극 사이의 큰 전위차로 인해 전자가 가속됩니다. 전자기 렌즈의 도움으로 빔이 초점화됩니다. 편향 코일은 빔 이동을 원하는 방식으로 제어하는 데 사용됩니다.

구멍 드릴링 시 구멍 직경은 빔 직경과 에너지 밀도에 의존합니다. 필요한 구멍 직경이 빔 직경보다 크면, 빔은 적절한 반경으로 원형 경로로 편향됩니다. EBM으로 드릴링된 대부분의 구멍은 공작물의 빔 입사 측면에 작은 분화구를 특징으로 합니다. 드릴링된 구멍은 시트 두께가 0.1mm보다 두꺼울 때 약간의 테이퍼(2°~4°)를 가집니다. 표 6.5에서 EBM으로 구멍 드릴링의 성능 특성에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

슬롯 절삭 시 가공 속도는 일반적으로 소재 제거율, 즉 절삭할 슬롯의 단면적에 의존합니다. 두께 0.1mm까지 시트에서 절삭된 슬롯의 측면은 거의 평행합니다. 더 두꺼운 플레이트에서 절삭된 슬롯에서는 1°~2°의 테이퍼가 관찰됩니다. 빔 입사 측면에 소량의 소재 비산이 발생합니다. 표 6.6은 전자빔의 슬롯 절삭 능력에 대한 아이디어를 제공합니다.

전력 요구량은 소재 제거율에 대략 비례하는 것으로 밝혀졌습니다. 즉, P ≈ CQ, C는 비례 상수. 표 6.7은 다양한 공작물 소재에 대한 C의 대략적인 값을 제공합니다.

주어진 조건에 대한 가공 속도의 매우 대략적인 추정이 표 6.7을 사용하여 가능합니다.

EBM의 메커니즘:

전자는 9.109 x 10^-31kg 질량과 1.602 x 10^-19쿨롱 음전하를 가진 가장 작은 안정한 기본 입자입니다. 전자가 V볼트 전위차를 통해 가속될 때, 운동 에너지의 변화는 1/2m_e(u² – u₀²) = eV로 표현될 수 있습니다. 여기서 m_e는 전자 질량, u는 최종 속도, u₀는 초기 속도입니다. 방출 전자의 초기 속도를 무시할 수 있다고 가정하면, 전자 속도 u(km/sec)에 대한 최종 표현은 –

u ≈ 600√V (6.67)

빠르게 움직이는 전자가 소재 표면에 충돌하면, 한 층을 방해받지 않고 관통합니다. 그런 다음 분자들과 충돌하기 시작하여 결국 정지합니다(그림 6.71). 전자가 방해받지 않고 관통하는 층을 투명층이라고 합니다.

전자가 격자 원자들과 충돌하기 시작할 때만 운동 에너지를 내놓기 시작하고 열이 발생합니다. 따라서 열 발생이 소재 내부, 즉 투명 피부 아래에서 일어난다는 것이 명확합니다. 전자가 관통할 수 있는 총 범위(δ)는 운동 에너지, 즉 가속 전압 V에 의존합니다. 다음이 성립하는 것으로 밝혀졌습니다 –

여기서 δ는 mm 단위 범위, V는 볼트 단위 가속 전압, p는 kg/mm³ 단위 소재 밀도입니다.

EBM의 소재에 미치는 영향:

전자빔에 의한 가공은 극히 얇은 층을 제외하고 주변 소재의 온도를 상승시키지 않고 이루어지므로, 공작물 소재에 영향이 없습니다. 극도로 높은 에너지 밀도로 인해 가공 지점에서 25-50μm 떨어진 공작물 소재는 실온을 유지합니다. 또한 공정이 진공에서 수행되므로 공작물 오염 가능성도 적습니다.

EBM 특성 요약:

레이저빔 가공(LBM)

고속 전자빔처럼 레이저빔도 매우 높은 전력 밀도를 생성할 수 있습니다. 레이저는 파장이 0.1μm~70μm 범위에서 변하는 공간과 시간에서 고도로 코히어런트한 전자기 복사 빔입니다. 그러나 가공 작업의 전력 요구량으로 인해 효과적으로 사용 가능한 파장 범위는 0.4-0.6μm로 제한됩니다.

레이저빔의 광선이 완벽하게 평행하고 단색성이기 때문에, 매우 작은 직경으로 초점화되어 10⁷W/mm²까지 높은 전력 밀도를 생성할 수 있습니다. 고출력 개발을 위해 일반적으로 펄스 루비 레이저가 사용됩니다. 연속 CO₂-N₂ 레이저도 가공 작업에 성공적으로 사용되었습니다.

루비 막대 주위에 코일 형태의 제논 플래시 튜브를 배치하고, 용기 내부 벽면을 고반사 처리하여 최대 빛이 펌핑 작업용 루비 막대에 닿도록 합니다. 커패시터를 충전하고 트리거 전극에 매우 높은 전압을 가해 플래시 개시를 유도합니다. 방출된 레이저빔은 렌즈 시스템으로 초점화되고, 초점화된 빔이 공작물 표면에 닿아 증발과 고속 어블레이션으로 소량의 소재를 제거합니다.

용융 금속의 아주 작은 부분이 너무 빨리 증발하여 상당한 기계적 충격이 생성되어 액체 금속의 큰 부분을 밖으로 던져냅니다. 플래시 튜브에서 방출된 에너지가 레이저 헤드에서 레이저빔 형태로 방출된 에너지보다 훨씬 크므로, 시스템은 적절히 냉각되어야 합니다.

LBM 공정 효율은 매우 낮습니다 – 약 0.3-0.5%. 레이저의 일반적인 출력 에너지는 20J, 펄스 지속 시간은 1밀리초. 피크 전력은 20,000W에 도달. 빔 발산도는 약 2 x 10^-3rad이며, 초점 거리 25mm 렌즈 사용 시 스팟 직경은 약 50μm가 됩니다.

전자빔처럼 레이저빔도 미세 구멍 드릴링과 매우 좁은 슬롯 절삭에 사용됩니다. 최대 250μm 직경의 구멍을 레이저로 쉽게 드릴링할 수 있습니다. 치수 정밀도는 약 ±0.025mm입니다. 공작물 두께가 0.25mm보다 두꺼울 때 mm당 0.05mm의 테이퍼가 관찰됩니다.

LBM의 메커니즘:

레이저빔에 의한 가공은 다음 단계로 달성됩니다:

(i) 레이저빔과 공작물 소재의 상호작용,

(ii) 열전도와 온도 상승,

전체 공정의 정확한 분석은 어렵고 이 텍스트 범위를 벗어납니다. 그러나 근본적인 중요성을 가진 특정 단순 측면을 논의하겠습니다. 공작물 소재 온도가 녹는점까지 상승하는 것만 고려하고, 증발과 어블레이션은 분석에서 고려하지 않겠습니다.

(i) 레이저빔과 공작물의 상호작용:

가공에서 레이저빔의 적용은 빔과 고체 공작물 소재 사이의 열-광학 상호작용에 의존합니다. 따라서 공작물 표면이 입사 빔 에너지를 너무 많이 반사하지 않아야 함이 명백합니다. 그림 6.74는 고체 표면에 떨어지는 레이저빔을 보여줍니다. 흡수된 빛은 매질로 전파되고 그 에너지는 점차 격자 원자들에게 열 형태로 전달됩니다. 흡수는 램버트 법칙에 의해 설명됩니다 –

I(Z) = I(0)e^-μz

여기서 I(z)는 깊이 z에서의 빛 강도(그림 6.74)이고 μ는 흡수 계수입니다. 대부분의 에너지는 표면의 매우 얇은 층(일반적 두께 0.01μm)에서 흡수됩니다. 따라서 흡수된 빛 에너지가 표면 자체에서 열로 변환된다고 가정하는 것은 매우 합리적이며, 레이저빔은 열 플럭스와 동등한 것으로 간주될 수 있습니다.

(ii) 열전도와 온도 상승:

3000K 온도에서 표면으로부터의 재복사는 약 600W/cm² 수준으로, 입력 플럭스 10⁵-10⁷W/cm²에 비해 무시할 수 있습니다. 분석을 1차원으로 만들기 위해 빔 스팟 직경이 관통 깊이보다 크다고 가정합니다. 또한 열전도율과 비열 같은 열적 특성이 온도 변화에 영향을 받지 않는다고 간주합니다.

따라서 동등한 열전도 문제는 반무한 체의 표면(그림 6.75)에서 균일한 열 플럭스 H(t)로 표현됩니다. 영역 z > 0에 대한 열전도 방정식은 –

정상 상태 구멍 관통:

용융된 소재 부분의 치수를 결정하는 것은 꽤 복잡합니다. 그러나 용융 피트(또는 구멍)가 깊고 좁으면, 용융 구멍으로부터의 열전도 주요 부분은 측벽을 통해 일어납니다. 열 입력율이 용융 부분의 열 손실율과 같으면, 그 형상과 크기를 유지합니다. 이러한 정상 상태 조건에서 용융 부분의 열 손실율(그림 6.77)은 –

경험적으로 D ≈ 55d임이 밝혀졌습니다. 따라서 ln(D/d)는 약 4로 간주할 수 있고, 열 입력율과 열 손실율을 같게 하면 다음 관계를 얻습니다 –

빔 강도가 매우 높을 때(>10⁷W/cm²), 가열이 매우 빠르고 위에서 제시한 메커니즘은 유효하지 않습니다. 입사 빔이 표면을 빠르게 가열하여 증발시킵니다. 따라서 빔이 닿는 공작물 표면이 소재 증발에 따라 후퇴합니다. v가 표면이 후퇴하는 속도라면, 소재를 증발시키는 데 필요한 열 입력율(입사 빔의 열 입력율과 동일)은 –

H ≈ vL, (6.82)

여기서 L은 소재 단위 부피를 증발시키는 데 필요한 에너지량입니다.

LBM 특성 요약:

플라즈마 아크 가공(PAM)

플라즈마는 고온 이온화 가스입니다. 플라즈마 아크 가공은 고온 플라즈마의 고속 제트로 수행됩니다. 플라즈마 제트는 공작물(제트가 충돌하는 부분)을 가열하여 급속 용융시킵니다. PAM은 산소-연료 가스 절단에 저항하는 소재를 포함하여 전기를 전도하는 모든 소재에 사용할 수 있습니다. 이 공정은 스테인리스강, 모넬, 초합금 플레이트의 프로파일 절삭에 광범위하게 사용됩니다.

플라즈마는 흐르는 가스를 아크의 전자 폭격에 노출시켜 생성합니다. 이를 위해 전극과 양극 노즐 사이에 아크를 설정하고, 가스가 이 아크를 통해 흐르도록 강제합니다.

아크의 고속 전자가 가스 분자와 충돌하여 이원자 분자나 원자를 이온과 전자로 해리시켜, 이제 플라즈마 상태인 가스의 전도도를 크게 증가시킵니다. 자유 전자는 이후 가속되어 더 많은 이온화와 가열을 유발합니다. 이후 이온과 자유 전자가 원자로 재결합하거나 원자가 분자로 재결합할 때 추가적인 온도 상승이 발생하는데, 이는 발열 과정이기 때문입니다.

이렇게 고온 플라즈마가 생성되어 노즐을 통해 제트 형태로 분사됩니다. 소재 제거 메커니즘은 – (i) 가열 및 용융, (ii) 플라즈마 제트의 폭파 작용에 의한 용융 금속 제거에 기반합니다.

자세한 내용은 표준 핸드북과 참고 서적을 참조하세요. 여기서는 독자가 공정에 익숙해질 수 있도록 기본 특성을 나열하겠습니다.

PAM 특성 요약: