초음파 가공 단단하고 부서지기 쉬운 재료의 홀 드릴링

소개

대조적으로, 초음파 가공은 가공물의 화학적 조성, 재료 미세 구조 및 물리적 특성을 변경하지 않고 그대로 유지하는 비열, 비화학적, 비전기적 가공 공정입니다. 때로는 UIG(초음파 충격 연삭) 또는 진동 절단이라고도 하는 UM 공정을 사용하여 고급 재료에 광범위한 복잡한 형상을 생성할 수 있습니다.

UM은 경도가 40HRC(C 스케일로 측정된 로크웰 경도)보다 큰 전도성 재료와 비금속 재료를 가공하는 데 사용할 수 있는 기계적 재료 제거 공정입니다. UM 공정은 정밀한 미세 형상, 원형 및 이상한 모양의 구멍, 블라인드 캐비티, OD/ID 형상을 가공하는 데 사용할 수 있습니다. 여러 형상을 동시에 드릴링하여 총 가공 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

고주파수, 저진폭 에너지가 공구 어셈블리로 전달됩니다. 연마성 슬러리의 지속적인 흐름이 공구와 작업물 사이를 통과합니다. 연마성 슬러리와 결합된 진동 도구는 재료를 균일하게 마모시켜 도구 모양의 정확한 반전 이미지를 남깁니다. 도구는 재료와 접촉하지 않습니다. 연마 입자만 작업물에 닿습니다.

UM 프로세스에서는 저주파 전기 신호가 변환기에 적용되어 전기 에너지를 고주파(~20KHz) 기계적 진동으로 변환합니다(그림 2 참조). 이 기계적 에너지는 혼과 공구 어셈블리로 전달되어 알려진 진폭의 초음파 주파수에서 공구의 단방향 진동을 발생시킵니다. 표준 진동 진폭은 일반적으로 0.002인치 미만입니다. 이 프로세스의 전력 수준은 50~3000와트 범위입니다. 정적 하중의 형태로 공구에 압력이 가해집니다.

연마성 슬러리의 일정한 흐름이 공구와 가공물 사이를 통과합니다. 일반적으로 사용되는 연마재로는 다이아몬드, 탄화붕소, 탄화규소, 알루미나 등이 있으며, 연마재 입자는 물이나 적절한 화학 용액에 현탁됩니다. 절단 영역에 연마 입자를 제공하는 것 외에도 슬러리는 잔해물을 씻어내는 데 사용됩니다. 연마성 슬러리와 결합된 진동 도구는 재료를 균일하게 마모시켜 도구 모양의 정확한 반전 이미지를 남깁니다.

초음파 가공은 연마 입자에 매우 낮은 힘을 가해야 하는 느슨한 연마 가공 공정으로, 이는 재료 요구 사항을 줄이고 표면 손상을 최소화하거나 전혀 손상시키지 않습니다. UM 공정 중 재료 제거는 세 가지 메커니즘으로 분류할 수 있습니다. 연마 입자를 공작물에 직접 망치질하는 기계적 마모(대), 자유롭게 움직이는 연마재의 충격을 통한 마이크로 칩(사소), 캐비테이션으로 인한 침식 및 화학적 효과(사소). ²

가공된 표면에 생성된 재료 제거율과 표면 거칠기는 사용된 연마 입자의 유형 및 크기, 진동 진폭, 재료 다공성, 경도 및 인성을 포함한 재료 특성 및 공정 매개변수에 따라 달라집니다. 일반적으로 재료 경도(H)와 파괴 인성(KIC)이 높은 재료의 경우 재료 제거율이 낮아집니다.

초음파 가공의 매개변수:

초음파 진동 가공 방법은 가공이 어려운 재료를 효율적으로 절단하는 기술입니다. USM 메커니즘은 이러한 중요한 매개변수의 영향을 받는 것으로 밝혀졌습니다. 

Ø 공구 진동의 진폭(a0)

Ø 공구 진동 빈도(f) 

Ø 도구 재료 

Ø 연마재의 종류

Ø 연마재의 입자 크기 또는 입자 크기 – d0 

Ø 이송력 - F 

Ø 도구의 접촉 영역 – A 

Ø 물 슬러리 내 연마재의 부피 농도 – C 

Ø 공구 경도에 대한 공작물 경도의 비율 λ=σw/σt

목	매개변수
연마제	탄화붕소, 산화알루미늄, 탄화규소
입자크기(d0)	100 – 800
진동 주파수(f)	19~25kHz
진동의 진폭(a)	15~50μm
도구 재료	연강 티타늄 합금
마모율	텅스텐 1.5:1 및 유리 100:1
갭 오버컷	0.02-0.1mm

금속 및 그 합금과 같은 재료에 대한 제조 기술이 잘 발달되어 있음에도 불구하고 세라믹, 유리 등 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 제조하는 데에는 여전히 상당한 문제가 존재합니다. 우수한 물리적, 기계적 특성으로 인해 가공 주기가 길어지고 생산 비용이 높아집니다. 재료 제거를 위해 액체 슬러리에 부유하는 느슨한 연마 입자를 사용하는 초음파 가공(USM)은 이러한 재료를 제조하는 효과적인 방법으로 간주됩니다. 이 작업은 먼저 USM에 대한 간략한 개요를 제공한 다음 메시 없는 수치 기법인 SPH(평활 입자 유체 역학)를 사용하여 이 프로세스의 시뮬레이션 모델 개발을 주로 다룹니다. 두 개의 연마 입자에 의해 영향을 받는 작업 표면의 균열 형성은 USM에서 재료 제거 및 연마 입자의 상호 작용을 이해하기 위해 연구됩니다. 시뮬레이션 결과를 검증하기 위한 실험도 수행됩니다. SPH 모델은 USM 연구에 유용한 것으로 입증되었으며 가공 성능을 예측할 수 있습니다.

유리, 세라믹, 석영 크리스탈과 같은 단단하고 부서지기 쉬운 재료는 높은 경도, 고강도, 화학적 안정성 및 저밀도와 같은 우수한 특성으로 인해 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 이러한 소재로 만들어진 고성능 제품은 반도체, 광학 부품, 항공우주, 자동차 산업 등 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다[1, 2]. 그러나 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 제조하는 데에는 긴 가공주기와 높은 생산 비용 등의 상당한 문제가 여전히 존재합니다. 특히 어려운 점은 가공 효율이 높고, 종횡비가 높으며, 잔류 응력과 미세 균열이 없는 양호한 표면을 갖는 마이크로/나노구조를 생산하는 것입니다. 따라서 이러한 재료에 대한 정밀하고 효율적인 미세 가공 기술을 개발하는 것이 중요합니다.

단단하고 부서지기 쉬운 재료를 가공하기 위해 방전 가공 및 레이저 빔 가공과 같은 비전통적인 가공 기술이 제안되었습니다. 그러나 이러한 공정에도 가공된 표면은 항상 재주조 층 및 열 응력과 같은 열로 인한 손상을 받는다는 중요한 한계가 있습니다. USM(초음파 가공)은 전도성 및 비전도성 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 제조하는 또 다른 대체 방법입니다. 이는 열이나 화학적 영향을 받지 않는 전체 기계 공정으로 알려져 있으므로 USM은 가공 대상을 열적으로 손상시키지 않으며 상당한 수준의 잔류 응력 및 화학적 변화를 유발하지 않는 것으로 보입니다.