초음파 가공: 작동 원리, 종류 및 주요 응용 분야

초음파 가공에 대해 들어보셨나요? 초음파 진동 가공으로도 알려진 이 공정은 고주파 진동과 입자를 결합하여 공작물에서 재료를 제거하는 제조 공정입니다.

초음파 공구는 본질적으로 많은 작은 진동을 생성하여 시간이 지남에 따라 함께 사용되는 공작물에서 재료를 제거합니다. 초음파 가공과 그 작동 방식에 대해 자세히 알아보세요.

초음파 가공이란?

초음파 가공은 공구 끝단과 공작물 표면 사이에서 미세 연마 입자가 존재하는 상태에서 고주파, 저진폭 진동을 통해 부품 표면에서 재료를 제거하는 감산 제조 공정입니다. 공구는 부품 표면에 수직 또는 직교 방향으로 0.05~0.125mm(0.002~0.005인치) 진폭으로 이동합니다.

미세 연마 입자는 물과 혼합되어 슬러리를 형성하며, 이는 부품과 공구 끝단에 분포됩니다. 연마 재료의 일반적인 입자 크기는 100~1000 범위이며, 더 작은 입자(더 높은 입자 번호)는 더 매끄러운 표면 조도를 생성합니다.

초음파 진동 가공은 미세 균열 메커니즘으로 인해 취성 재료와 높은 경도의 재료에 주로 사용됩니다.

초음파 가공에서는 공구가 진동을 생성하여 마이크로 크기 입자를 공작물 쪽으로 투사합니다. 입자는 일반적으로 물이나 다른 액체와 혼합되어 슬러리를 만듭니다.

초음파 공구가 작동하면 이 입자들을 빠른 속도로 공작물 표면 쪽으로 투사합니다. 입자의 연마 특성이 공작물 표면에서 재료를 갈아내는 데 도움을 줍니다.

초음파 가공 공정

기계에서 재료 절단용으로 존재하는 공구는 공작물에 비해 부드러운 재료로 만들어집니다. 공구는 일반적으로 연강, 니켈 같은 재료로 만들어집니다. 공구가 진동하면 연마 슬러리(액체)가 추가되며, 여기에는 연마 입자와 알갱이가 포함됩니다.

연마 슬러리는 공작물이 입자와 상호작용할 때까지 추가됩니다. 추가된 액체 입자로 인해 공작물의 취성이 표면을 마모시키는 동안 공구는 점차 변형됩니다.

초음파 가공의 작동 원리

초음파 기계에서 소요되는 시간은 진동 공구의 주파수에 전적으로 의존합니다. 또한 연마 슬러리의 입자 크기, 강성, 점도에도 의존합니다.

연마 유체에 사용되는 입자는 일반적으로 탄화붕소 또는 탄화규소이며, 이들이 다른 것보다 더 단단합니다. 슬러리 유체의 점도가 낮으면 사용된 연마제를 쉽게 운반할 수 있습니다.

초음파 가공의 종류

1. 회전 초음파 진동 가공

회전 초음파 진동 가공(RUM)에서는 수직으로 진동하는 공구가 공구의 수직 중심선을 중심으로 회전할 수 있습니다. 재료 제거를 위해 연마 슬러리를 사용하는 대신, 공구 표면에 다이아몬드를 함침시켜 부품 표면을 갈아냅니다.

회전 초음파 기계는 유리, 석영, 구조 세라믹, Ti-합금, 알루미나, 탄화규소 같은 첨단 세라믹 및 합금 가공에 특화되어 있습니다. 회전 초음파 기계는 높은 정밀도로 깊은 구멍을 생산하는 데 사용됩니다.

회전 초음파 진동 가공은 아직 광범위하게 연구되고 있는 비교적 새로운 제조 공정입니다. 현재 연구자들은 이 공정을 마이크로 레벨로 적용하고 밀링 기계처럼 작동하도록 시도하고 있습니다.

2. 화학 보조 초음파 진동 가공

화학 보조 초음파 가공(CUSM)에서는 화학적으로 반응성인 연마 유리를 사용하여 유리 및 세라믹 재료의 가공을 향상시킵니다. 플루오르화수소산 같은 산성 용액을 사용하면 기존 초음파 가공에 비해 재료 제거율과 표면 품질 같은 가공 특성을 크게 개선할 수 있습니다.

CUSM에서는 가공 시간과 표면 조도가 감소하지만, 새로운 슬러리 선택의 추가 화학 반응성으로 인해 진입 프로파일 직경이 정상보다 약간 커집니다. 이 확대의 정도를 제한하기 위해 슬러리의 산 함량을 신중하게 선택하여 사용자 안전과 품질 제품을 보장해야 합니다.

초음파 가공의 응용 분야

초음파 가공의 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 매우 정밀하고 복잡한 형상의 제품 가공
• 어떤 모양의 원형 구멍 드릴링
• 취성 재료 연삭
• 홀 프로파일링
• 인그레이빙
• 트레파닝 및 코이닝
• 나사 가공
• 단단한 재료 슬라이싱 및 브로칭
• 유리, 세라믹 가공
• 정밀 광물석, 텅스텐 가공
• 다이 피어싱 및 파팅 오프 작업
• 마이크로 구조 유리 웨이퍼 같은 마이크로전자기계 시스템 부품 제작에 충분히 정밀
• 다이아몬드를 원하는 형상으로 절단

초음파 가공의 장점

공작물에서 재료를 제거할 수 있는 수십 가지 다른 제조 공정이 있지만, 그 응용은 일반적으로 강하고 내구성 있는 재료로 만든 공작물로 제한됩니다. 초음파 가공은 단단하고 취성 있는 재료로 만든 공작물을 포함하여 거의 모든 유형의 공작물에서 재료를 제거할 수 있다는 점에서 독특합니다.

공작물이 유리, 세라믹, 심지어 석영으로 만들어졌든 초음파 가공을 사용하여 물리적 치수를 변경할 수 있습니다.

초음파 가공은 공작물 가열을 요구하지 않습니다. 공작물이 열적 변동에 민감한 경우 이 가공 공정을 사용하여 안전하게 변경할 수 있습니다. 초음파 가공 중 공작물의 온도는 동일하게 유지됩니다. 즉, 공정에는 공작물 가열이나 냉각이 필요하지 않습니다.

또한 초음파 가공은 많은 다른 가공 공정보다 높은 공차를 제공합니다. 다른 가공 공정에서는 불가능한 높은 공차로 공작물을 수정할 수 있습니다.

초음파 가공의 단점

반면 초음파 가공에는 몇 가지 단점이 있는데, 그 중 하나는 평균보다 느린 재료 제거율입니다. 공작물에서 재료를 제거하는 특히 빠른 방법은 아닙니다.

오히려 대부분의 다른 가공 공정보다 느립니다. 대량 생산 공정을 찾는 제조 기업에게 초음파 가공은 좋지 않은 선택일 수 있습니다.

평균보다 느린 재료 제거율 외에도 초음파 가공은 깊은 구멍 사용을 지원하지 않습니다. 제조 기업이 초음파 가공 공구에 노출하기 전에 공작물에 구멍을 뚫는 것은 드문 일이 아닙니다. 그러나 구멍이 너무 깊으면 슬러리가 채워지지 않습니다.