중국 최고의 보링 머신 제조업체 및 브랜드 10곳
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유리나 세라믹과 같은 단단한 재료를 어떻게 정밀하게 절단할 수 있는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 고주파 진동을 사용하여 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 성형하는 매력적인 기술인 초음파 가공에 대해 살펴봅니다. 초음파 가공의 원리와 응용 분야, 그리고 놀라운 정확도에 대해 알아보세요.
방전 가공(EDM)과 전기 화학 가공(ECM)은 주로 전도성 금속 재료에 적합한 특수 공정으로 비전도성 또는 비금속 기판에는 적용이 제한됩니다.
이와 달리 초음파 가공(USM)은 전도성 및 비전도성 물질을 포함한 다양한 재료를 가공할 수 있는 다목적 솔루션을 제공합니다. 이 기술은 고급 합금 및 경화강과 같은 부서지기 쉽고 단단한 금속 재료 가공에 탁월하며 정밀 유리, 고급 세라믹, 반도체 재료, 전자 산업에서 사용되는 게르마늄 및 실리콘 웨이퍼와 같은 핵심 부품과 같은 비전도성 비금속 재료에도 탁월한 기능을 제공합니다.
USM의 적용 범위는 기존의 재료 제거 공정을 뛰어넘습니다. 특히 복잡한 형상을 가진 복잡한 부품의 정밀 세척 작업에서 그 효과가 입증되었습니다. 또한 USM 기술은 특수 용접 애플리케이션과 비파괴 검사 절차에 적용되어 다양한 제조 부문에서 그 가치를 높이고 있습니다.
USM 기술의 하위 집합인 초음파 용접은 접합이 필요한 두 구성 요소의 계면에 전달되는 고주파 기계적 진동(일반적으로 20~40kHz)을 활용합니다. 제어된 압력 하에서 이러한 진동은 재료 계면에서 국부적인 마찰과 열 발생을 유도하여 분자 상호 확산을 촉진하고 벌크 재료를 녹이지 않고 고체 상태의 결합을 생성합니다. 이 공정은 특히 기존 용접 방식이 비효율적이거나 해로울 수 있는 열가소성 플라스틱, 비철금속 및 이종 재료를 접합하는 데 유리합니다.
일반적인 초음파 용접 시스템은 네 가지 필수 구성 요소로 이루어져 있습니다:
초음파 용접 시스템의 주요 구성 요소에는 초음파 발생기, 변환기, 부스터, 용접 헤드, 금형 및 프레임으로 구성된 트리오 어셈블리가 포함됩니다.
초음파 용접에는 초음파 발생기를 통해 50/60Hz 전류를 15, 20, 30 또는 40KHz 전기 에너지로 변환하는 과정이 포함됩니다. 변환된 고주파 전기 에너지는 트랜스듀서를 통해 다시 한 번 동일한 주파수의 기계적 움직임으로 변환됩니다.
그 후 진폭을 변경할 수 있는 부스터 장치 세트를 통해 기계적 움직임이 용접 헤드로 전달됩니다. 용접 헤드는 수신된 진동 에너지를 용접할 공작물의 접합부에 전달합니다. 이 영역에서 진동 에너지는 마찰을 통해 열 에너지로 변환되어 용접이 필요한 부분을 녹입니다.
초음파는 금속과 열경화성 플라스틱 용접뿐만 아니라 직물과 필름 가공에도 사용할 수 있습니다.
구체적으로 초음파 가공 (USM)은 연마재 서스펜션의 작용과 결합하여 공구 끝면에 초음파 진동을 사용하여 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 방법입니다.
USM은 초음파 하에서 연마재의 진동으로 인한 기계적 충격과 연마재 연삭의 복합적인 효과의 결과로, 연마재의 지속적인 충격이 주요 요인으로 작용합니다.
초음파 가공 공정 중에 액체와 연마재 혼합물의 현탁액이 공구 헤드와 공작물 사이에 도입됩니다. 공구 헤드 진동 방향으로 약간의 압력이 가해집니다.
초음파 발생기에서 생성된 초음파 주파수는 변환기에 의해 기계적 진동으로 변환됩니다. 진폭은 진폭 로드에 의해 0.01-0.15mm로 증폭된 다음 도구로 전송됩니다.
공구의 끝면이 초음파 진동으로 구동되어 서스펜션의 연마 입자가 공작물 표면에 지속적으로 충격을 가하고 고속으로 연마합니다. 그 결과 가공 영역의 재료가 미세한 입자로 분쇄되어 재료에서 제거됩니다.
각 충격은 소량의 재료를 제거하지만 초당 16,000회 이상의 높은 빈도로 일정한 처리 속도를 제공합니다.
동시에 공구 끝의 초음파 진동으로 인한 유압 충격과 캐비테이션 현상으로 인해 액체가 공작물 재료의 균열로 침투하여 파괴 프로세스가 가속화됩니다.
또한 유압 충격으로 서스펜션 작동 유체가 가공 틈새를 순환하여 마모된 연마 입자를 적시에 재생할 수 있습니다.
1. 초음파 금속 용접의 원리
초음파 금속 용접은 고주파 기계 진동(일반적으로 20kHz 이상)을 사용하여 유사하거나 이종 금속 간에 강력한 야금 결합을 생성하는 고급 고체 접합 공정입니다. 이 혁신적인 기술은 기존 용접 방식에 비해 고유한 이점을 제공합니다.
이 공정은 초음파 에너지가 공작물 계면에서 국부적인 마찰열과 소성 변형으로 변환되는 방식입니다. 기존 용접과 달리 초음파 용접은 모재를 녹이거나 외부 열원을 사용하지 않고 진행됩니다. 대신 제어된 압력과 고주파 진동(보통 20~40kHz)의 조합이 접합에 필요한 조건을 생성합니다.
용접 사이클 동안 다음과 같은 주요 메커니즘이 조인트 형성에 기여합니다:
초음파 금속 용접은 몇 가지 장점이 있습니다:
이 기술은 특히 알루미늄, 구리, 니켈 및 귀금속과 같은 비철금속의 얇은 시트, 호일 및 가는 와이어를 결합하는 데 적합합니다. 일반적인 적용 분야는 다음과 같습니다:
2. 초음파 플라스틱 용접의 원리
초음파가 열가소성 소재의 접촉면에 작용하면 초당 수만 번씩 고주파 진동이 발생합니다. 이 고주파 진동은 특정 진폭에 도달하면 용접부를 통해 용접 영역으로 전달되어 초음파 에너지를 열로 변환합니다.
용접 영역에서 두 용접부의 접합부의 음향 저항이 커서 국부적으로 높은 온도가 발생합니다. 플라스틱의 열전도율이 낮기 때문에 열이 신속하게 발산되지 못하고 용접 부위에 축적되어 두 플라스틱의 접촉면이 빠르게 녹게 됩니다.
일정한 압력을 가하면 플라스틱이 하나로 융합되도록 만들어집니다. 초음파가 멈추면 몇 초 동안 압력을 유지하여 응고시켜 강력한 분자 사슬을 형성하여 용접 목적을 달성합니다. 그리고 용접 강도 는 원본 자료의 강도에 근접할 수 있습니다.
초음파 플라스틱 용접의 품질은 트랜스듀서 용접 헤드의 진폭, 가해지는 압력, 용접 시간이라는 세 가지 요소에 따라 달라집니다. 용접 시간과 용접 헤드의 압력은 모두 조정할 수 있지만 진폭은 트랜스듀서와 진폭 로드에 의해 결정됩니다.
이 세 가지 요소가 상호 작용하여 최적의 값을 갖습니다. 에너지가 이 최적 값을 초과하면 용융된 플라스틱의 양이 많아지고 용접된 재료가 변형되기 쉽습니다.
에너지가 너무 낮으면 용접이 단단하지 않으며, 가해지는 압력도 너무 높지 않아야 합니다. 최적의 압력은 용접 부품의 가장자리 길이와 가장자리 밀리미터당 최적의 압력의 곱입니다.
a. 금속과 비금속을 포함한 가공하기 어려운 재료 가공에 탁월합니다. 유리, 세라믹, 석영, 실리콘, 마노, 보석, 다이아몬드와 같은 비전도성 재료에 특히 효과적입니다. 경화강 및 고급 합금과 같은 전도성 경금속도 처리할 수 있지만 효율은 떨어집니다.
b. 깊은 구멍, 얇은 벽의 부품, 가느다란 막대, 저강성 부품, 엄격한 사양의 복잡한 형상 등 까다로운 형상에 이상적입니다.
c. 고정밀 가공에 최적화되어 중요한 부품에 뛰어난 정확도와 낮은 표면 거칠기를 제공합니다.
국소적인 고주파 충격 메커니즘으로 인해 거시적인 절단력은 미미합니다. 따라서 절단 응력과 열 발생이 크게 감소하여 재료 무결성을 보존하고 전반적인 효율성이 향상됩니다.
초음파 가공은 탁월한 치수 정확도(일반적으로 0.005~0.02mm)와 표면 마감(Ra 값 0.05~0.2μm)을 달성합니다. 이 공정은 가공된 표면에 잔류 응력이나 열 손상을 남기지 않으므로 섬세한 부품, 좁은 공차 및 강성이 낮은 공작물에 이상적입니다.
복잡한 3D 형상을 위한 기존 가공 방법보다 높은 충실도로 복잡한 캐비티와 성형 표면을 제작하는 데 탁월합니다.
복잡한 형상을 가진 비교적 부드러운 툴 재료를 사용할 수 있어 툴링 비용을 절감하고 맞춤형 형상을 빠르게 프로토타입으로 제작할 수 있습니다.
초음파 가공 시스템은 일반적으로 직관적인 설계가 특징이며 작동, 유지보수 및 기존 제조 공정과의 통합이 용이합니다.
가공 속도는 단위 시간당 제거되는 재료의 양을 의미하며 mm 단위로 표시됩니다.3/분 또는 g/min.
가공 속도에 영향을 미치는 요인에는 공구 진폭 및 주파수, 이송 압력, 연마재의 종류 및 입자 크기, 공작물 재질, 연마재 현탁액의 농도 등이 있습니다.
a. 도구 진폭 및 주파수의 영향:
과도한 진폭과 고주파는 공구와 진폭 막대에 높은 진동이 발생할 수 있습니다. 내부 스트레스. 진폭은 일반적으로 0.01~0.1mm이고 주파수는 16,000~25,000Hz 사이입니다.
실제 가공에서는 최대 진폭을 얻고 더 높은 가공 속도를 달성하기 위해 다양한 공구에 따라 공진 주파수를 조정해야 합니다.
b. 공급 압력의 영향:
가공 중에는 공구의 이송 압력이 적절해야 합니다. 압력이 너무 낮으면 공구 끝면과 공작물 표면 사이의 간격이 증가하여 연마재가 공작물에 미치는 충격력이 감소합니다.
압력을 높이면 간격이 줄어들지만 간격이 어느 정도 줄어들면 연마재와 작동유의 순환 및 재생 속도가 감소하여 생산성이 저하됩니다.
c. 연마재 유형 및 입자 크기의 영향:
가공 시 다양한 강도를 가진 재료에 대해 다양한 연마재를 선택할 수 있습니다. 연마 강도가 높을수록 가공 속도가 빨라지지만 비용도 고려해야 합니다. 보석이나 다이아몬드와 같은 재료를 가공하려면 다이아몬드 연마재를 사용해야 합니다.
탄화붕소는 경화강 및 경질 합금 가공에 적합하며 산화알루미늄 연마재는 유리, 석영, 실리콘 및 게르마늄과 같은 재료 가공에 사용됩니다.
d. 공작물 재료의 영향:
단단하고 부서지기 쉬운 재료는 가공 중에 제거하기 쉬운 반면, 인성이 좋은 재료는 가공하기가 더 어렵습니다.
e. 연마제 현탁액 농도의 영향:
연마재 현탁액의 농도가 낮을수록 가공 간격에 연마 입자가 적어져 특히 표면적이 넓고 깊이가 깊은 경우 가공 속도가 크게 저하될 수 있습니다.
연마재의 농도를 높이면 가공 속도가 향상되지만, 농도가 지나치게 높으면 가공 영역에서 연마 입자의 순환과 충격에 영향을 미쳐 가공 속도가 저하될 수 있습니다.
초음파 가공의 정확도는 연마 입자 크기, 공구 정밀도 및 마모, 측면 진동 크기, 가공 깊이 및 공작물 재료의 특성뿐만 아니라 공작 기계 및 고정구 정밀도의 영향을 받습니다.
초음파 가공은 표면층이나 화상 자국을 생성하지 않고도 뛰어난 표면 품질을 제공합니다. 표면 거칠기는 주로 연마 입자 크기, 초음파 진폭 및 공작물 재료 경도에 따라 달라집니다.
연마 입자 크기가 작을수록, 초음파 진폭이 작을수록, 공작물 소재가 단단할수록 표면 거칠기가 개선되는데, 거칠기 값은 주로 각 연마 입자가 공작물 소재에 충격으로 남긴 홈의 크기와 깊이에 의해 결정되기 때문입니다.
초음파 가공의 생산성은 방전 가공 및 전기 화학 가공에 비해 낮지만 가공 정확도와 표면 품질은 우수합니다.
중요한 점은 다른 방법으로는 가공하기 어려운 유리, 세라믹, 석영, 실리콘, 마노, 보석, 다이아몬드 등 반도체 및 비금속의 단단하고 부서지기 쉬운 소재를 가공할 수 있다는 점입니다.
또한 경화 강철의 최종 마감 단계에 자주 사용됩니다, 경질 합금 금형, 와이어 드로잉 금형 및 방전 가공으로 가공된 플라스틱 금형에 적용하여 표면 거칠기를 더욱 줄였습니다.
초음파 가공은 주로 부서지기 쉽고 단단한 재료의 원형 구멍, 모양 구멍, 캐비티, 중첩 및 미세 구멍을 가공하는 데 사용됩니다.
초음파 가공은 세라믹, 석영, 실리콘, 보석 등 기존 방식으로는 절단하기 어려운 깨지기 쉽고 단단한 소재를 절단하는 데 적합합니다. 얇은 조각, 좁은 절단, 높은 정밀도, 높은 생산성, 비용 효율성과 같은 이점을 제공합니다.
이 방법은 초음파의 작용으로 세정액이 생성하는 캐비테이션 효과를 기반으로 합니다. 캐비테이션에 의해 생성된 강한 충격이 청소 대상 표면에 직접 작용하여 이물질이 분해되어 표면에서 분리됩니다.
이 방법은 주로 깊은 구멍, 미세 구멍, 곡선 구멍, 막힌 구멍, 홈, 좁은 간격 등 다른 세척 방법으로는 효과가 떨어지는 복잡한 형상의 중소형 정밀 부품을 정밀 세척하는 데 사용됩니다. 높은 생산성과 정화율을 제공합니다.
현재 반도체 및 집적회로 부품, 계측기 부품, 전자 진공 장치, 광학 부품, 의료 기기 세척에 적용되고 있습니다.
초음파 용접은 초음파 진동을 사용하여 공작물 표면에서 산화막을 제거하여 모재 표면을 노출시킵니다. 용접된 두 공작물 표면 사이의 고속 진동 충격이 마찰 가열과 결합을 일으킵니다.
산화막이 형성되기 쉬운 나일론, 플라스틱 및 알루미늄 제품을 용접하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 세라믹 및 기타 비금속 재료의 표면에 주석이나 은을 도포하는 데 사용할 수 있습니다. 용접성.
경질 합금 및 내열 합금과 같은 단단한 금속 재료를 가공할 때 가공 속도를 높이고 공구 마모를 줄이기 위해 전기 화학 또는 방전 가공과 초음파 보조 복합 가공이 사용됩니다.
이는 연료 인젝터 및 와이어 드로잉 플레이트와 같은 부품의 구멍이나 좁은 슬롯 가공에 자주 사용되어 생산성과 품질이 크게 향상됩니다.
초음파 진동 절단(예: 선삭, 드릴링나사 절삭)도 정밀 가공 및 난삭재 절삭을 위한 신기술로 수십 년에 걸쳐 개발되어 절삭력, 표면 거칠기, 공구 마모를 줄이고 생산성을 향상시켰습니다.
일반적으로 사용되는 응용 분야로는 초음파 진동 선삭, 초음파 진동 연삭, 깊은 구멍, 작은 구멍의 초음파 가공, 나사산 태핑 등이 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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