이 글에서는 초음파 가공이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 부품, 응용 분야, 장점, 단점에 대해 배웁니다. 이 기사의 무료 PDF 파일을 끝에서 다운로드하세요.
초음파(Ultrasonic)란 무엇인가?
초음파라는 용어는 주파수의 진동파를 설명하는 데 사용되며, 이는 인간의 귀 상한 주파수 한계 이상, 즉 16kHz 이상입니다.
어떤 형태의 에너지를 초음파로 변환하는 장치는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)입니다.
이 전기 에너지는 기계적 진동으로 변환됩니다. 이를 위해 압전 효과나 천연/합성 결정 또는 일부 금속이 나타내는 자왜 효과(magnetostriction)를 사용합니다.
자왜 효과란 강자성 물질이 교번 자기장에 노출될 때 진폭 변화가 발생하는 것을 의미합니다.
초음파 가공에서는 20kHz~30kHz로 종방향 진동하는 공구(진폭 0.01mm~0.06mm)가 가벼운 힘으로 공작물 표면에 압착됩니다.
공구가 특정 주파수로 진동하면, 일반적으로 연마 입자와 물의 고정 비율 혼합물(20%~30%)인 연마 슬러리가 압력 하에 공구-공작물 계면을 통해 흐릅니다.
공구 끝 진동과 공작물-공구 계면을 통한 슬러리 흐름에서 발생하는 충격력으로 수천 개의 미세 연마 입자가 마모에 의해 공작물 재료를 제거합니다. 공구는 가공할 공동과 동일한 형상을 가집니다.
이 방법은 전기 전도성 또는 비전도성인 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 데 사용됩니다. USM 공정에 의한 재료 제거 메커니즘 분석에 따르면 이를 때때로 초음파 연삭(Ultrasonic Grinding, USG)이라고도 부릅니다.
그림은 초음파 가공 작업을 보여줍니다. 전자 발진기와 증폭기(발생기라고도 함)는 저주파 전기 에너지를 20kHz 차수의 고주파 전력으로 변환하여 트랜스듀서에 공급합니다.
트랜스듀서는 자왜 효과로 작동합니다. 고주파 전원 공급이 자왜 물질 스택을 활성화하여 공구의 종방향 진동 운동을 생성합니다. 이 진동 진폭은 절삭 목적으로는 부적절합니다. 따라서 원하는 진폭의 강한 진동을 공구 끝에 제공하는 기계적 집속 장치를 통해 절삭 공구로 전달됩니다.
기계적 집속 장치를 속도 변환기(velocity transformer)라고도 합니다. 이것은 테이퍼 생크이거나 '혼(horn)'이라고 불립니다. 상단은 자왜 물질 하단면에 클램핑되거나 브레이징됩니다. 하단에는 공구를 고정하는 수단이 제공됩니다.
저탄소강 또는 스테인리스강으로 만들어 원하는 공동 형상을 가진 공구를 포함하여 이 모든 부품은 하나의 탄성체로 작용하여 진동을 공구 끝으로 전달합니다.
참고: 비전통 가공 공정 유형
산화알루미늄(알루미나), 탄화붕소, 탄화규소, 다이아몬드 분말. 탄화붕소는 가장 비싼 연마재로 텅스텐 카바이드, 공구강, 보석 절삭에 가장 적합합니다. 탄화규소가 가장 널리 적용됩니다. 유리와 세라믹 절삭에는 알루미나가 최적입니다.
연마 슬러리는 펌핑하여 공작물-공구 계면에 공급합니다. 냉각 시스템을 사용하여 연마 슬러리를 5~6°C로 냉각시킵니다. 좋은 방법은 절삭 구역에 욕조를 두고 슬러리를 보관하는 것입니다.
연마재 크기는 200그릿~2000그릿 사이입니다. 조립은 황삭에 좋고, 미세한 등급(예: 1000그릿)은 정삭에 사용됩니다. 신선한 연마재가 더 잘 절삭하므로 슬러리를 주기적으로 교체해야 합니다.
연질 및 취성 재료(예: 연질 세라믹)에서 최대 관통 속도는 분당 20mm 정도지만, 경질 및 강인한 재료에서는 관통 속도가 더 낮습니다. 치수 정밀도 ±0.005mm까지 가능하며 표면 조도 Ra 0.1~0.125µm까지 얻을 수 있습니다.
최소 코너 반경 0.10mm까지 정삭 가공 가능합니다. USM 기계 크기 범위는 약 20W 입력의 휴대용 경량 타입부터 2kW 입력의 대형 기계까지 다양합니다.
이 공정의 주요 한계는 상대적으로 낮은 금속 절삭 속도입니다. 최대 금속 제거율은 3mm³/s이며 전력 소비가 높습니다. 원통형 구멍 깊이는 현재 공구 직경의 2.5배로 제한됩니다.
공구 마모로 구멍 각도가 커지고 날카로운 모서리가 둥글어집니다. 이는 정확한 막힌 구멍 생산에서 공구 교체가 필수적임을 의미합니다. 또한 현재 형태로 비교적 작은 크기의 표면 가공으로 제한됩니다.
최근 다이아몬드 분말이 함침된 공구를 사용하고 슬러리를 사용하지 않는 초음파 가공의 새로운 개발이 이루어졌습니다. 공구는 초음파 주파수로 진동하면서 회전합니다. 공구 회전이 불가능하면 공작물을 회전시킬 수 있습니다.
이 혁신은 깊은 구멍 드릴링에서 기존 공정의 일부 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.
공정의 단순성으로 다음과 같은 광범위한 응용 분야에서 경제적입니다:
초음파 가공은 제조 산업에서 많은 장점을 가집니다. USM에 대해 모든 것을 다루었기를 바랍니다. 이 주제에 대해 질문이 있으시면 댓글로 문의하세요.
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