초음파 가공(USM): 구성, 공정, 적용 분야, 장점 – PDF 가이드

초음파 센서, 유량계, 시험 등 들어보셨을 겁니다. 오늘은 '초음파 가공(Ultrasonic Machining, USM)'이라 불리는 또 다른 비전통 가공 공정을 다룹니다.

초음파 가공 PDF 사본 기사 끝에서 다운로드.

초음파 가공이란?

초음파 가공 공정은 고주파 진동하는 공구가 연마 슬러리를 매개로 노즐을 통해 공작물 재료에 가해지는 비전통 가공 공정입니다.

CNC 머신 같은 기존 기계와 달리, 초음파 가공은 세라믹, 강철, 보석 등 가공에 사용 가능.

초음파 가공 작동 원리

초음파 가공 공정은 연마제 분사 가공(Abrasive Jet Machining)과 유사.

초음파 가공 구성

1. 전원 공급장치
2. 고주파 발생기
3. 전기-기계 변환기
4. 초음파 진폭 변환기
5. 공구 홀더
6. 공구
7. 연마 슬러리
8. 펌프

전원 공급장치

초음파 가공은 교류 전원 필요.

고주파 발생기

교류 50~60Hz를 20,000~40,000Hz 범위 고주파로 증폭.

전기-기계 변환기

고주파 발생기에서 전류 수신해 기계적 진동으로 변환.

초음파 진폭 변환기

전기-기계 변환기 진동 증폭. '혼(Horn)'이라고도 불림.

공구 홀더

초음파 진폭 변환기 끝에 위치. 이름대로 공구 작동 중 단단히 고정.

공구

스테인리스강, 연강 등 소재. 공작물에 형성할 캐비티 모양과 동일.

연마 슬러리

실리콘 카바이드, 알루미나, 붕소 카바이드 같은 연마 입자를 물이나 기름에 혼합. 연마 입자 작용으로 공작물 재료 침식.

펌프

원심 펌프로 연마 슬러리를 원하는 압력으로 공작물에 펌핑.

초음파 가공 공정 작동

전원 투입 시 교류가 고주파 발생기 거쳐 20~40kHz로 증폭.

출처 – Four30, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

고주파 교류가 전기-기계 변환기로 전달돼 전류를 기계적 진동으로 변환.

진동 증폭돼 공구로 전달.

연마 슬러리 공구와 공작물 사이 지속 펌핑.

공구 진동으로 연마 슬러리 공작물에 충격. 연마 작용으로 공작물 조금씩 제거.

이것이 초음파 가공 작동 방식.

초음파 가공 공정 30초 애니메이션 영상 확인:

초음파 가공 장점

• 취성 소재 가공 가능
• 양호한 표면 조도 획득
• 고정밀
• 경제적 운영
• 도체·비도체 소재 모두 사용 가능

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초음파 가공 한계

• 전력 소비 많음
• 금속 제거율 낮음
• 연마 슬러리 주기적 교체 필요
• 초기 투자 비용 높음
• 공구 팁 마모로 수명 짧음

초음파 가공 적용 분야

• 취성 소재 가공
• 취성 소재 연삭
• 스텝 드릴링
• 구멍 뚫기
• 조각
• 정교하고 복잡한 형상 제작
• 텅스텐, 카바이드, 보석 등 소재 가공

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이상 초음파 가공 개요. 댓글로 의견 남겨주세요.

또 다른 흥미로운 기사로 돌아오겠습니다. 그때까지 계속 배우세요!