초음파 가공(USM): 기초, 공정 파라미터, 구성요소, 주요 이점

이 기사에서는 초음파 가공에 대해 논의합니다: 1. 초음파 가공(USM) 및 초음파 가공 툴 2. USM 메커니즘 3. USM 공정 파라미터와 그 효과 4. 초음파 가공 구성요소 5. 초음파 가공 특성.

목차:

1. 초음파 가공(USM) 및 초음파 가공 툴
2. USM 메커니즘
3. USM 공정 파라미터와 그 효과
4. 초음파 가공 구성요소
5. USM 특성

1. 초음파 가공(USM) 및 초음파 가공 툴:

초음파를 가공에 사용하는 것은 1945년 L. Balamuth에 의해 처음 제안되었습니다. 장비와 기술에 대한 첫 보고서는 1951-52년에 나타났습니다. 1954년까지 초음파 원리를 사용하는 머신 툴들이 설계되고 제작되었습니다. 원래 USM은 방전 가공으로 처리된 부품의 마무리 작업으로 사용되었습니다. 그러나 방전 가공의 발전으로 인해 이 용도는 덜 중요해졌습니다.

하지만 고체 전자 공학의 붐으로 인해 전기를 통하지 않는, 반도체, 취성 소재의 가공이 점점 더 중요해졌고, 이 때문에 초음파 가공이 다시 중요성과 명성을 얻게 되었습니다. 최근 몇 년간 다양한 유형의 초음파 머신 툴이 개발되었습니다. 물론 USM 기술은 여전히 완벽과는 거리가 멉니다.

기본 USM 공정은 매우 높은 주파수로 진동하는 툴(연성이고 강한 소재로 제작)과 툴과 공작물 표면 사이의 작은 간극을 통해 지속적으로 흐르는 연마 슬러리를 포함합니다. 툴은 균일한 힘으로 점차 공급됩니다. 단단한 연마 입자의 충격이 단단하고 취성인 공작물 표면을 파쇄하여, 마모 입자 형태로 공작물 소재가 제거되며 이는 연마 슬러리에 의해 운반됩니다. 툴 소재는 연성과 강성이 있어 훨씬 느린 속도로 마모됩니다.

2. USM 메커니즘:

초음파 가공의 물리학은 완전하지도 않고 논란의 여지도 있습니다.

USM 중 소재 제거의 이유로 여겨지는 것들은:

(i) 툴에 의한 연마 입자의 공작물 표면 해머링,

(ii) 자유 연마 입자의 공작물 표면 충격,

(iii) 공동 현상에 의한 침식,

(iv) 사용된 유체와 관련된 화학적 작용.

많은 연구자들이 초음파 가공 특성을 예측하는 이론을 개발하려 시도했습니다. M.C. Shaw가 제안한 모델은 일반적으로 잘 받아들여지며, 한계가 있음에도 불구하고 소재 제거 공정을 상당히 잘 설명합니다. 이 모델에서는 공작물과 접촉한 입자에 대한 툴의 직접 충격(소재 제거의 주요 부분 책임)을 고려합니다.

또한 다음과 같은 가정을 합니다:

(i) 공작물 소재 제거율은 충격당 공작물 소재 부피에 비례,

(ii) 공작물 소재 제거율은 사이클당 충격하는 입자 수에 비례,

(iii) 공작물 소재 제거율은 주파수(단위 시간당 사이클 수)에 비례,

(iv) 모든 충격은 동일함,

(v) 모든 연마 입자는 동일하고 구형임.

이제 공작물 표면에 충돌하는 직경 d의 강체 구형 연마 입자의 충격을 고려해 봅시다. 그림 6.9는 특정 순간 그러한 충격으로 인한 들여쓰기를 보여줍니다.

D가 특정 순간 들여쓰기 직경이고 h가 해당 관통 깊이라면, 그림 6.9에서 다음을 얻습니다 –

사이클 동안 다양한 툴 위치는 그림 6.11과 같습니다. 위치 A는 툴 면이 연마 입자에 닿는 순간을 나타내며, A에서 B로의 이동 기간은 충격을 나타냅니다. 툴의 최하단 위치에서 입자에 의한 툴과 공작물 표면의 들여쓰기는 그림 6.12에 나와 있습니다. 툴이 위치 A에서 위치 B까지 이동한 거리가 h(총 들여쓰기)라면 –

유동 응력 σ와 브리넬 경도 H는 동일하므로, 식 (6.6)과 (6.7)에서 다음을 얻습니다 –

이 소재 제거율은 진동하는 툴에 의한 입자의 직접 해머링 작용을 통한 것입니다. 빠르게 움직이는 툴 면에 반사된 일부 입자들도 공작물 면에 충돌하며, 그러한 자유롭게 움직이는 입자에 의한 들여쓰기를 추정할 수 있습니다. 그림 6.13은 툴에 의해 반사된 입자를 보여줍니다. 진동 중 툴 면의 최대 속도는 2πvA입니다.

연마 입자의 원래 속도가 작으므로, 그 최대 속도는 명백히 2πvA 수준입니다. 따라서 그러한 충돌 입자의 최대 운동 에너지는 –

여기서 ρ는 연마 소재 밀도입니다. 그러한 충돌 입자에 의한 들여쓰기 동안 접촉력이 들여쓰기에 선형적으로 증가한다고 가정하면 –

정상 조건에서 h_w와 h'_w 값을 비교하면, h'_w가 h_w에 비해 매우 작음을 알 수 있습니다. 따라서 대부분의 소재는 직접 충돌하는 연마 입자에 의해 제거된다는 결론을 내릴 수 있습니다.

관계식 (6.11)은 소재 제거율이 d^1/4에 비례함을 나타내지만, 실제로는 d에 비례합니다. 이 이론적 예측과 관찰된 사실 사이의 불일치는 Shaw에 의해 다음과 같이 설명되었습니다.

연마 입자의 실제 형상은 그림 6.14와 같이 구형이 아닙니다. 매끄러운 표면 대신 평균 직경 d₁의 돌기들을 가집니다.

돌기들의 평균 직경은 입자의 공칭 직경(d)의 제곱에 비례하는 것으로 관찰됩니다. 따라서 –

관계식 (6.18)은 mrr이 d에 비례함을 보여주며, 이는 실험적으로도 확인된 사실입니다.

Shaw 이론에는 여러 한계가 있습니다. 예를 들어, A, F, v 변화의 효과를 정확히 예측하지 못합니다. F가 증가하면 mrr이 증가합니다(그림 6.15 참조). 이는 관계식 (6.18)로도 확인됩니다. 그러나 실제로는 입자들이 무거운 하중에서 분쇄되기 때문에 일정 F 값 이후 Q가 감소하기 시작합니다.

3. USM 공정 파라미터와 그 효과:

공정에 영향을 미치는 중요한 파라미터들은:

(i) 주파수:

관계식 (6.18)에서 볼 수 있듯이 mrr은 주파수에 선형적으로 증가합니다. 실제에서도 mrr은 주파수와 함께 증가합니다(그림 6.16a 참조) 하지만 실제 특성은 정확히 선형적이지는 않습니다. mrr은 이론적으로 예측된 값보다 다소 낮아지는 경향이 있습니다.

(ii) 진폭:

진동 진폭이 증가하면 관계식 (6.18)에서 볼 수 있듯이 mrr이 증가할 것으로 예상됩니다. 다양한 주파수 값에 대한 실제 변동 특성은 그림 6.16b와 같습니다. 다시 한번 실제 특성은 이론적으로 예측된 것과 다소 다릅니다. 주요 불일치 원인은 관통 지속 시간 Δt를 평균 속도(=A/(T/4))를 고려하여 계산했다는 사실에서 기인합니다. Δt의 변동 특성은 –

근사 표현식 (h/A)(T/4)에서 얻은 것과 상당히 다릅니다.

(iii) 정적 하중(공급 힘):

정적 하중(공급 힘)이 증가하면 mrr은 증가하는 경향이 있습니다. 그러나 실제로는 힘이 특정 임계값을 넘으면 입자들이 분쇄되기 시작하므로 감소하는 경향이 있습니다. 다양한 진폭에 대한 공급 힘에 따른 mrr 변동 특성은 그림 6.17a와 같습니다.

(iv) 툴과 공작물 경도 비율:

공작물 경도와 툴 경도 비율은 mrr에 상당히 큰 영향을 미치며, 특성은 그림 6.17b와 같습니다. 경도 외에도 공작물 소재의 취성이 매우 지배적인 역할을 합니다. 표 6.2는 다른 파라미터를 동일하게 유지하면서 다양한 공작물 소재에 대한 상대적 소재 제거율을 나타냅니다. 분명히 더 취성인 소재가 더 빠르게 가공됩니다.

(v) 입자 크기:

관계식 (6.18)은 mrr이 평균 입자 직경 d에 비례하여 상승해야 함을 나타냅니다. 그러나 d가 너무 커서 진폭 A의 크기에 접근하면 분쇄 경향이 증가하여 mrr이 감소합니다(그림 6.18a 참조).

(vi) 슬러리 내 연마제 농도:

농도는 사이클당 충격을 생성하는 입자 수와 각 충격의 크기를 직접 제어하므로 mrr은 C에 의존할 것으로 예상됩니다. 하지만 관계식 (6.18)은 mrr이 C^1/4에 비례할 것으로 예상됨을 보여줍니다. 실제 변동은 B₄C와 SiC 연마제에 대해 그림 6.18b와 같습니다. 이는 이론적 예측과 상당히 잘 일치합니다. mrr이 C^1/4로 증가하므로, C가 30%를 넘으면 mrr 증가는 상당히 낮아집니다. 따라서 농도를 더 높여도 도움이 되지 않습니다.

슬러리에 사용된 유체의 일부 물리적 특성(예: 점도)도 mrr에 영향을 미칩니다. 실험에 따르면 점도가 증가하면 mrr이 감소합니다(그림 6.19a).

mrr은 USM 작업 성능 판단에 매우 중요한 고려사항이지만, 얻어진 마감 품질도 적절한 평가를 위해 고려되어야 합니다. USM 작업에서 표면 마감은 주로 연마 입자 크기에 의존합니다. 그림 6.19b는 유리와 탄화텅스텐을 공작물 소재로 할 때 평균 입자 크기에 따른 표면 불균일 평균값의 전형적인 변동을 보여줍니다.

유리의 경우 표면 마감이 입자 크기에 훨씬 더 민감함이 분명합니다. 이는 높은 경도에서 취성 파손을 통해 이탈된 파편 크기가 충돌 입자 크기에 크게 의존하지 않기 때문입니다.

USM의 소재에 미치는 영향:

관여된 절삭 힘이 매우 작으므로, 공정은 눈에 띄는 응력과 발열을 생성하지 않습니다. 따라서 소재 구조는 영향을 받지 않습니다. 그러나 구멍을 통해 절삭할 때 구멍 출구 측에서 치핑이 발생할 수 있습니다. 이를 피하기 위해 취성 소재로 만든 공작물을 보통 유리로 만든 베이스에 고정합니다.

4. 초음파 가공 구성요소:

머신의 중요한 구성요소들은:

(i) 음향 헤드(Acoustic Head):

음향 헤드(그림 6.22)는 아마도 머신에서 가장 중요한 부분일 것입니다. 그 기능은 툴에 진동을 생성하는 것입니다. 고주파 전류를 공급하는 발전기, 이를 기계적 운동(고주파 진동 형태)으로 변환하는 트랜스듀서, 헤드를 고정하는 홀더, 진동을 기계적으로 증폭하여 툴에 전달하는 컨센트레이터로 구성됩니다.

대부분의 트랜스듀서는 높은 효율, 15-30kHz 범위에서 높은 신뢰성, 낮은 공급 전압, 간단한 냉각 장치 때문에 자왜strictive 원리로 작동합니다. 스탬핑을 사용하여 트랜스포머처럼 손실을 줄입니다. 치수는 자연 주파수가 전기 공급 주파수와 일치하도록 선택됩니다. 거의 모든 최신 머신은 니켈로 만든 자왜strictive 트랜스듀서(0.1-0.2mm 두께 스탬핑)를 사용합니다.

컨센트레이터의 주 목적은 절삭에 필요한 수준으로 진폭을 증가시키는 것입니다. 다양한 유형의 컨센트레이터가 사용됩니다(그림 6.23a). 그림 6.23b는 트랜스듀서-컨센트레이터 조립체의 종방향 진동 진폭이 어떻게 증폭되는지 보여줍니다. 시스템이 노드 지점에서 메인 바디에 고정되어야 함에 유의해야 합니다.

(ii) 공급 메커니즘(Feed Mechanism):

공급 메커니즘의 목적은 가공 작업 중 작동 힘을 가하는 것입니다. 툴 이동을 나타내는 기기는 가공 깊이를 나타냅니다.

공급 메커니즘의 기본 유형들은:

(a) 추 타입,

(b) 스프링 타입,

(c) 공압 및 유압 타입,

(d) 모터 타입.

(iii) 툴(Tool):

툴은 강하면서 동시에 연성인 금속으로 제작됩니다. 일반적으로 스테인리스강과 저탄소강이 툴 제작에 사용됩니다. 알루미늄과 황동 툴은 강철 툴보다 각각 10배, 5배 빠르게 마모됩니다. 기하학적 특성은 공정에 의해 결정됩니다. 툴을 둘러싼 원의 직경은 컨센트레이터 끝단 직경의 1.5~2배를 넘지 않아야 하며, 툴은 가능한 짧고 강성이어야 합니다.

툴을 중공으로 만들 때 내부 윤곽은 외부 윤곽과 평행해야 균일한 마모를 보장합니다. 벽이나 돌출부의 두께는 최소 연마 입자 크기의 5배 이상이어야 합니다. 중공 툴에서 벽은 0.5mm~0.8mm보다 얇게 만들지 않아야 합니다. 툴 설계 시 사이드 클리어런스를 고려해야 하며, 이는 일반적으로 연마 입자 크기에 따라 0.06mm~0.36mm 정도입니다.

(iv) 연마 슬러리(Abrasive Slurry):

가장 일반적인 연마제는 – (i) 탄화붕소(B₄C), (ii) 탄화규소(SiC), (iii) 강옥(Al₂O₃), (iv) 다이아몬드, (v) 붕소 규화탄소(매우 효율적)로 B₄C보다 연마력이 약 10% 더 높습니다. B₄C가 나머지 중 최고이자 가장 효율적이지만 비쌉니다. SiC는 게르마늄, 일부 세라믹, 유리에 사용됩니다. SiC 절삭 시간은 B₄C보다 약 20-40% 더 깁니다. 강옥은 훨씬 덜 효율적이며 절삭 시간은 B₄C의 약 3-4배입니다. 다이아몬드 분말은 다이아몬드와 루비 절삭에만 사용됩니다.

물은 슬러리에서 가장 일반적으로 사용되는 유체이지만, 벤젠, 글리세롤, 오일 같은 다른 액체들도 사용됩니다. 점도가 증가하면 mrr이 감소하는 것으로 밝혀졌습니다.

5. USM 특성: