초음파 가공: 원리, 장점 및 응용 분야

이 글에서는 초음파 가공 공정, 작동 원리, 장단점, 상세 작동 방식 등을 다룹니다.

초음파 가공 공정이란?

초음파 가공(USM)은 초음파 주파수[18~20kHz]로 축 방향으로 진동하는 공구를 사용하여 단단하고 부서지기 쉬운 소재를 제거하는 공정입니다.

이 진동 동안 B₄C 또는 SiC의 연마 슬러리가 연질 공구(황동 또는 강철)와 공작물 사이의 가공 영역으로 지속적으로 공급됩니다. 연마 입자는 공작물 표면으로 망치질되어 미세한 입자가 떨어져 나가게 합니다.

10~40µm 범위의 진폭으로 진동하는 공구는 연마 입자에 정적 압력을 가하고, 소재가 제거되면서 필요한 공구 형상을 형성하도록 아래로 이송됩니다. Balamuth는 1945년 연마 분말의 초음파 연삭 중 USM을 최초로 발견했습니다.

1950년대 새로운 공작 기계가 등장하면서 산업적 응용이 시작되었습니다. USM은 공작물 소재의 금속 조직에 유해한 영향이 없다는 특징이 있습니다.

초음파 가공의 작동 원리

초음파 용접과 동일한 원리로 작동합니다.

이 가공 방식은 초음파를 이용해 고주파, 저진폭 힘을 발생시켜 연마 구동력으로 활용합니다. 초음파 기계는 약 20,000~30,000Hz의 고주파 진동파와 약 25~50미크론의 진폭을 생성합니다.

이 고주파 진동은 연마 슬러리에 포함된 연마 입자에 전달됩니다. 이로 인해 연마 입자가 부서지기 쉬운 공작물에 파고들어 접촉면에서 금속을 제거합니다.

초음파 가공의 구성 요소

1. 전원 공급 장치
2. 변환기(트랜스듀서)
3. 고주파 발생기
4. 초음파 진폭 변환기 또는 공구 혼
5. 냉각 장치
6. 공구
7. 공구 홀더
8. 노즐
9. 슬러리(용액)
10. 펌프

1. 전원 공급 장치

이 가공 공정은 일반적으로 50~60Hz 범위의 상용 전원 공급이 필요합니다. 따라서 교류 전원 공급을 통해 공정을 시작합니다.

2. 변환기(자왜식)

이 변환기는 자왜식(magnetostrictive)입니다. 자화되면 자왜 작용에 기반해 기계적 진동의 주파수를 변경합니다. 이 변환기는 상하 양방향으로 진동합니다.

3. 고주파 발생기

고주파 발생기는 초음파 전원 공급 장치 또는 전자 발진기라고도 합니다. 50 또는 60헤르츠로 작동하는 일반 전원 공급을 고주파 전기 에너지로 변환하는 데 사용됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 주파수는 20~40kHz입니다. 이 주파수는 전기 변환기로 공급됩니다.

4. 초음파 진폭 변환기 또는 공구 혼

이름 그대로 공구와 변환기를 연결하는 장치입니다. 부스터에서 공구로 증폭된 진동을 전달합니다. 높은 내구 한계가 필요합니다.

공구 집속기라고도 불립니다. 변환기에서 발생하는 진동 진폭(약 0.025mm)은 가공하기에 부족합니다. 진동 진폭을 증폭하는 데 사용됩니다.

진동은 공구 끝단을 향해 집중되고 방향이 정해집니다. 공구는 공구 혼의 하단에 부착되어 소재 제거를 돕습니다. 용접, 나사 조임, 브레이징, 납땜 등으로 공구를 혼에 연결합니다.

5. 냉각 장치

변환기 상단에 냉각 시스템이 설치됩니다. 찬물이 입구를 통해 들어가 변환기로부터 열을 받아 나갑니다. 변환기를 감싸는 케이싱이 냉각 목적으로 있으며, 물이 이 케이싱 내부를 흐릅니다.

6. 공구

초음파 가공 장비는 일반적으로 텅스텐 카바이드, 스테인리스강, 티타늄, 구리 등 취성 파손되지 않고 연성이 있는 강한 경화 소재로 만듭니다.

공구를 사용해 공작물에서 소재를 제거합니다. 공구는 공작물 표면에 형성해야 할 공동과 동일한 형상으로 제작됩니다.

7. 공구 홀더

공구를 고정하는 데 사용합니다.

8. 노즐

노즐은 텅스텐으로 만듭니다. 펌프에서 나오는 슬러리가 연질 소재로 만든 노즐을 손상시킬 수 있으므로, 텅스텐 같은 경질 소재를 사용합니다.

9. 슬러리(용액)

가공 영역에는 탄화규소, 탄화붕소, 산화알루미늄 혼합 용액 등 물이나 기름에 경질 연마 입자를 함유한 용액이 지속적으로 공급됩니다.

10. 펌프

펌프는 연마 슬러리를 노즐로 공급하는 데 사용합니다.

초음파 가공의 작동 방식

가공 시스템은 주로 자왜기, 집속기, 공구, 슬러리 공급 장치로 구성됩니다.

이 고주파 입력이 전기기계 변환기(자왜기)에 공급되어 초음파 주파수로 여기되고
작은 진폭의 진동을 생성합니다.

혼은 변환기와 공구 홀더 사이에 위치합니다. 혼은 변환기의 진동 진폭을 증가시키며, 이는 공구에 집중되고 방향이 정해집니다. 교류 전원이 고주파 발생기에 연결되면 입력 전원의 주파수가 20~40kHz로 상승합니다. 장치가 진동하면 공구 홀더가 이를 잡습니다.

장비가 진동하는 동안 펌프의 도움으로 연마 슬러리가 공구 표면과 공작물 사이에 일정한 속도로 공급됩니다. 공구는 공작물에 가볍게 눌러지며, 공구와 공작물 사이에 슬러리가 흐를 충분한 공간이 남습니다. 소재 제거로 공작물에 생기는 크기는 공구의 크기와 같습니다.

진동하는 장치가 공작물에 눌리면 진동의 높은 운동 에너지가 연마 입자에 전달되고, 이 연마 입자가 공작물 표면에 작용하여 미세 마찰로 인해 소재가 제거됩니다.

초음파 가공(USM)을 이용한 소재 제거 공정

다음 그림은 USM의 완전한 소재 제거 메커니즘을 보여주며, 세 가지 뚜렷한 작용이 관여합니다:

1. 진동하는 공구와 인접한 공작 표면 사이에 끼인 연마 알갱이의 국부적 직접 망치질에 의한 기계적 마모.

2. 가공 간극을 가로질러 날아가는 입자의 자유 충격에 의한 미세 치핑으로, 공작물의 무작위 위치에 타격.

3. 슬러리 흐름의 공동 현상에 의한 공작 표면 침식.

공동 현상의 상대적 기여도는 총 제거 소재의 5% 미만으로 보고됩니다. 모든 소재의 USM에서 지배적인 메커니즘은 직접 망치질입니다. 연강 같은 부드럽고 탄성 있는 소재는 먼저 소성 변형된 후 더 낮은 속도로 제거됩니다.

유리 같은 단단하고 부서지기 쉬운 소재의 경우 가공 속도가 높고 자유 충격의 역할도 눈에 띕니다.

초음파 가공 공정의 절삭 속도에 영향을 미치는 요인

절삭 속도: USM을 이용한 절삭 속도는 특정 요인에 따라 달라집니다. 이들은 다음과 같습니다:

1. 연마 입자의 입자 크기.
2. 연마 소재.
3. 슬러리 농도.
4. 진동 진폭.
5. 주파수

정밀도: 연질 세라믹 등 부드럽고 부서지기 쉬운 소재의 최대 관입 속도는 분당 20mm 정도이나, 단단하고 질긴 소재는 관입 속도가 더 낮습니다. 치수 정밀도는 ±0.005mm까지 가능하며, 표면 조도는 R값 0.1~0.125µm까지 얻을 수 있습니다. 정삭 가공 시 최소 코너 반경 0.10mm가 가능합니다. USM 기계의 크기 범위는 약 20W 입력의 휴대용 경량형부터 최대 2kW 입력의 대형 기계까지 다양합니다.

초음파 가공의 응용 분야

공정이 단순하여 공구를 제작할 수 있는 모든 형상의 원형 구멍 및 구멍 가공 등 폭넓은 응용 분야에서 경제적입니다. 가공 중 공작물을 이동시키면 얻을 수 있는 형상의 범위가 넓어집니다.

1. 공구를 제작할 수 있는 모든 형상의 원형 구멍 및 구멍 가공 도입. 가공 중 공작물을 이동시키면 얻을 수 있는 형상의 범위가 넓어집니다.
2. 도전성 및 비도전성 모든 소재에 대한 드릴링, 연삭, 프로파일링, 밀링 등의 가공 작업 수행.
3. 유리, 세라믹, 텅스텐 및 기타 경질 카바이드, 보석, 합성 루비 등 가공.
4. 단단한 금속 및 합금으로 만든 부품의 나사 절삭(공작물 또는 공구를 약한 회전 및 이송 운동).
5. 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 와이어 드로잉 다이, 단조 및 압출 공정용 다이 제작.
6. 치과 의사가 통증 없이 치아에 모든 형상의 구멍을 뚫을 수 있도록 지원.

초음파 가공의 장단점

장점

1. 부서지기 쉬운, 비도전성, 단단하고 연약한 소재 모두 가공 가능.
2. 가공 중 열이 발생하지 않아 공작물의 물리적 변화가 거의 없음.
3. 전기 전도성이 낮아 EDM이나 ECM으로 가공할 수 없는 비금속도 초음파 가공으로 훌륭히 가공 가능.
4. 버(burr) 없고 변형 없는 공정.
5. EDM, ECG, ECM 등 다른 신기술과 병용 가능.
6. 작동 중 소음 없음.
7. 숙련공과 비숙련공 모두 장비 사용 가능.
8. 높은 정밀도와 우수한 표면 조도 동시 달성 가능.
9. 전도성과 관계없이 모든 소재 가공 가능.

단점

1. 미세 치핑 또는 침식 메커니즘으로 금속 제거 속도가 느림.
2. 소노트로드 팁이 더 빨리 마모됨.
3. 구멍 바닥으로 연마 슬러리가 흐르지 못해 깊은 구멍 가공이 어려움(회전 초음파 가공 제외).
4. 최소 45 HRC 이상의 경도 값을 가진 소재만 초음파 진동 가공 가능(HRC: 소재 경도 측정용 록웰 스케일).

초음파 가공의 한계

공정의 한계: 주요 한계는 비교적 낮은 금속 절삭 속도입니다. 최대 금속 제거율은 3mm/s이며 전력 소비가 높습니다. 원통형 구멍의 깊이는 현재 공구 직경의 2.5배로 제한됩니다. 공구 마모로 구멍 각도가 커지고, 날카로운 모서리가 둥글어집니다. 이는 정확한 막힌 구멍 생산 시 공구 교체가 필수적임을 의미합니다. 또한 현재 형태로 비교적 작은 크기의 표면 가공에 국한됩니다.

USM에 사용하는 공구 소재는 강하고 연성이어야 합니다. 알루미늄 같은 매우 연성 금속의 어려움은 짧은 공구 수명 때문입니다. 이 어려움은 저탄소강과 스테인리스강을 공구 소재로 사용해 해결할 수 있습니다.

실험적 검증에 따르면 금속 제거율은 공작물 경도와 공구 경도의 비율이 증가함에 따라 감소합니다. 따라서 공작물 경도가 증가하면 공구 경도도 증가시킬 것으로 예상됩니다.

공구 금속 선택은 금속 제거 최적화와 공구 비용 측면에서 가장 중요한 의사 결정 사항입니다. 공구의 질량 길이도 어려움을 주는데, 공구 소재가 초음파 에너지의 대부분을 흡수해 효율을 떨어뜨리기 때문입니다. 긴 공구는 과도한 응력을 유발합니다. 입자 크기와 연마 슬러리도 적절한 치수여야 합니다. 입자 크기가 진동 진폭보다 크거나 작으면 가공 속도가 감소하는 것이 관찰되었습니다.

정삭 가공용 입자 선택 시 거친 가공용 지정 입자와 중복되지 않아야 하며, 깊은 구멍 가공 시 공구 홀더를 통해 슬러리를 공급하는 특수 기술이 필요합니다. 그렇지 않으면 구멍 내부에 입자가 축적되어 추가 가공을 방해합니다.

강제 순환, 크고 작은 입자 교대 혼합, 흡입 등은 깊은 구멍 가공 문제를 해결하는 여러 효과적인 방법입니다.

초음파 가공의 최신 개발 동향

최근 개발: 최근 초음파 가공 분야에서 다이아몬드 분말을 함침한 공구를 사용하고 슬러리를 사용하지 않는 새로운 개발이 이루어졌습니다. 공구는 초음파 주파수로 진동하면서 회전합니다. 공구 회전이 불가능하면 공작물을 회전시킬 수 있습니다.

이 혁신은 기존 공정의 깊은 구멍 가공 단점을 제거했습니다. 예를 들어 구멍 치수를 ±0.125mm 이내로 유지할 수 있습니다. 기존 공정에서 경험하는 가공 속도 저하 없이 세라믹에 깊이 75mm까지 구멍을 뚫을 수 있습니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

초음파 가공에서 소재는 무엇으로 제거되는가?

A. 공구와 공작물 사이에 연마 슬러리 사용
B. 공구와 공작물의 직접 접촉
C. 공작물과 공구 사이에 매우 작은 간극을 두고 전해질 유지
D. 공구와 공작물 사이에 급속히 반복되는 스파크 방전에 의한 침식

정답: A

초음파 가공(USM)은 가청 주파수 이상으로 공작물에 수직으로 진동하는 공구와 공작물 사이를 순환하는 입자가 혼입된 액체 슬러리의 마모 작용에 의한 소재 제거입니다.

초음파 가공에서 변환기의 기능은?

A. 기계적 에너지를 열로 변환
B. 전기 에너지를 열로 변환
C. 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환
D. 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환
(정답: C)

변환기는 진동 전류를 기계적 진동으로 변환합니다. 초음파 가공에는 압전식 또는 자왜식 두 가지 유형의 변환기가 사용됩니다. 자왜 효과는 자기장이 변화할 때 소재 형상이 약간 변하는 현상입니다.

초음파 가공에서 공구는 어떻게 움직이는가?

A. 횡방향으로 이동
B. 종방향으로 이동
C. 횡방향으로 진동
D. 종방향으로 진동
(정답: D)

이상으로 초음파 가공 공정, 작동 방식, 작동 원리, 장단점에 대한 모든 정보를 다뤘습니다.

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