초음파 가공(Ultrasonic Machining): 고주파 진동 정밀 제거 기술

초음파 가공에 대해 들어보셨나요? 초음파 진동 가공이라고도 하며, 고주파 진동과 입자를 결합하여 공작물에서 재료를 제거하는 제조 공정입니다.

초음파 공구는 본질적으로 시간이 지남에 따라 공작물에서 재료를 제거하는 많은 작은 진동을 생성합니다. 초음파 가공과 그 작동 방식에 대해 더 알고 싶다면 계속 읽으세요.

초음파 가공이란?

초음파 가공은 미세 연마 입자가 존재하는 상태에서 공구가 재료 표면에 대해 고주파, 저진폭 진동을 하여 부품 표면에서 재료를 제거하는 절삭 제조 공정입니다. 공구는 부품 표면에 대해 수직 또는 직교 방향으로 0.05~0.125mm(0.002~0.005인치) 진폭으로 이동합니다.

미세 연마 입자는 물과 혼합되어 부품과 공구 팁 전체에 분포되는 슬러리를 형성합니다. 연마 재료의 일반적인 입자 크기는 100~1000 범위이며, 더 작은 입자(더 높은 입자 번호)가 더 매끄러운 표면 마감을 생성합니다.

초음파 진동 가공은 미세 균열 메커니즘으로 인해 취성 재료뿐만 아니라 고경도 재료에 일반적으로 사용됩니다.

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

초음파 공구가 활성화되면 이 입자들을 공작물 표면을 향해 빠른 속도로 투사합니다. 입자의 연마 특성이 공작물 표면에서 재료를 갈아내는 데 도움을 줍니다.

초음파 가공 공정

기계에서 재료를 절단하기 위한 공구는 공작물에 비해 부드러운 재료로 만들어집니다. 공구는 일반적으로 연강과 니켈 같은 재료로 만들어집니다. 공구가 진동하면 연마 입자와 입자를 포함하는 연마 슬러리(액체)가 추가됩니다.

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

초음파 가공 작동 원리

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

연마 유체에 사용되는 입자는 일반적으로 다른 것들보다 더 단단한 탄화붕소 또는 탄화규소입니다. 슬러리 유체의 점도가 낮으면 사용된 연마제를 쉽게 운반할 수 있습니다.

초음파 가공 유형

1. 회전 초음파 진동 가공(Rotary Ultrasonic Vibration Machining)

회전 초음파 진동 가공(RUM)에서 수직으로 진동하는 공구는 공구의 수직 중심선을 중심으로 회전할 수 있습니다. 재료를 제거하기 위해 연마 슬러리를 사용하는 대신 공구 표면에 다이아몬드가 함침되어 부품 표면을 갈아냅니다.

회전 초음파 기계는 유리, 석영, 구조용 세라믹, Ti-합금, 알루미나, 탄화규소와 같은 첨단 세라믹 및 합금 가공을 전문으로 합니다. 회전 초음파 기계는 높은 정밀도로 깊은 구멍을 생산하는 데 사용됩니다.

회전 초음파 진동 가공은 여전히 광범위하게 연구되고 있는 비교적 새로운 제조 공정입니다. 현재 연구자들은 이 공정을 마이크로 레벨로 적용하고 밀링 기계와 유사하게 작동하도록 기계를 조정하려고 노력하고 있습니다.

2. 화학 보조 초음파 진동 가공(Chemical-Assisted Ultrasonic Vibration Machining)

화학 보조 초음파 가공(CUSM)에서는 유리 및 세라믹 재료의 더 나은 가공을 보장하기 위해 화학적으로 반응성인 연마 유체가 사용됩니다. 불산과 같은 산성 용액을 사용하면 기존 초음파 가공에 비해 재료 제거율과 표면 품질 같은 가공 특성을 크게 개선할 수 있습니다.

CUSM에서는 가공 시간과 표면 거칠기가 감소하지만, 새로운 슬러리 선택의 추가적인 화학적 반응성으로 인해 입구 프로파일 직경이 정상보다 약간 큽니다. 이 확대의 정도를 제한하기 위해 사용자 안전과 품질 제품을 보장하기 위해 슬러리의 산 함량을 신중하게 선택해야 합니다.

초음파 가공 응용 분야

초음파 가공의 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 매우 정밀하고 복잡한 형상의 제품 가공
• 모든 형태의 원형 구멍 드릴링
• 취성 재료 연삭
• 홀 프로파일링
• 조각
• 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 웨이퍼와 같은 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 구성 요소 제작에 충분히 정밀함
• 다이아몬드를 원하는 모양으로 절단

초음파 가공의 장점

공작물에서 재료를 제거할 수 있는 수십 가지 다른 제조 공정이 있지만, 그 응용 분야는 일반적으로 강하고 내구성 있는 재료로 만들어진 공작물로 제한됩니다. 그러나 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, 이 공정은 공작물을 가열하거나 냉각할 필요가 없습니다.

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

초음파 가공의 단점

반면, 초음파 가공에는 몇 가지 단점이 있으며, 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 회사에게 초음파 가공은 나쁜 선택일 수 있습니다.

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