초음파 가공 기술 살펴보기: 응용 분야 및 향후 동향

이 문서에서는 초음파 가공 기술의 개발, 현재 연구 현황 및 향후 동향에 대한 개요를 산업 응용 분야에 중점을 두고 설명합니다.

초음파 가공은 딱딱하고 부서지기 쉬운 재료, 복합 재료, 까다로운 금속 재료 등 가공하기 어려운 재료를 가공하는 데 사용되는 전문 기술입니다. 항공우주, 자동차, 반도체, 3C, 의료 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 높습니다.

이 기술은 초음파 진동 에너지를 사용하여 가공하기 어려운 재료에서 재료를 정밀하게 제거하는 방식으로 작동합니다.

지난 몇 년 동안 초음파 가공 기술은 국내외 대학, 연구 기관 및 기업의 협력으로 인해 상당한 발전을 이루었습니다. 다양한 까다로운 소재의 정밀 가공에 초음파 가공을 성공적으로 적용한 사례가 많이 있습니다.

첨단 제조 기술의 대표주자인 초음파 가공은 전반적인 제조 수준을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

1. 서문

최근 항공우주, 자동차, 반도체, 3C, 의료 등 다양한 제조 분야에서 티타늄 합금, 초합금, 엔지니어링 세라믹, 세라믹 매트릭스 복합재, 허니콤 복합재와 같은 첨단 엔지니어링 소재가 등장하고 있습니다. 이러한 소재는 성능은 뛰어나지만 가공성이 좋지 않아 가공하기 어려운 재료로 간주됩니다.

전통적인 기계 제조 기술은 이러한 소재를 정밀 가공하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 초음파 가공(UM)이 주목받으며 널리 사용되고 있습니다.

초음파 가공은 초음파 진동 에너지를 활용하여 가공하기 어려운 재료에서 재료를 정밀하게 제거하는 공정 기술입니다. 이 기술은 일련의 구조적 전달 및 변형을 통해 공구의 작업 영역에 초음파 진동 에너지를 집중시켜 절단 대상 재료에 충격을 제거하고 가공성을 향상시킵니다.

초음파 가공 기술은 절삭력과 열 감소, 공구 마모 및 모서리 붕괴 버 최소화, 칩 형태 최적화, 표면 품질 개선, 표면 아래 손상 감소, 가공 효율성 향상 등 가공 공정에서 여러 가지 이점을 제공합니다.

초음파 가공 기술은 파워 초음파 기술을 기반으로하며 물리적 제거 프로세스를 변경하지 않는다는 점에 유의해야합니다. 재료 속성.

시장 수요가 증가함에 따라 초음파 가공 기술의 상용 표준화 시스템이 현재 시장의 초점이 되고 있습니다. 관련 초음파 가공 기술은 광학 유리, 사파이어, 세라믹, 알루미나 세라믹, 티타늄 합금, 초합금, 탄소 섬유 복합재, 알루미늄 기반 실리콘 카바이드 복합재 등 가공하기 어려운 다양한 소재의 정밀 가공에 적용되고 있습니다.

현재 많은 과학 연구 기관과 제조 기업이 업계에서 초음파 가공 기술을 적용하고 있습니다.

그림 1 초음파 가공의 응용 분야 및 일반적인 사례

2. 초음파 가공 기술 개발 현황

"좋은 일을 하려면 날카로운 도구가 필요합니다." 초음파 가공 기술은 어려운 소재의 정밀 가공을 위한 날카로운 도구입니다. 대부분의 절단 분야에서 초음파 가공은 "초음파 보조 정밀 가공"이라고 하며, 이는 초음파 진동을 사용하여 기존 절단 기술을 향상시키고 특별한 재료 제거 효과를 달성하는 것을 의미합니다. 그러나 경우에 따라 초음파 진동이 주요 또는 유일한 절삭력이되는 경우도 있으며 이러한 유형의 초음파 가공을 직접 초음파 가공이라고 할 수 있습니다.

예를 들어 의료 분야에서 뼈를 절단하는 데 사용되는 초음파 메스나 항공 허니콤 부품 가공에 사용되는 초음파 단검은 직접 초음파 가공의 예입니다.

1920년대에 미국, 일본, 독일, 소련의 과학자들은 재료 칩을 파쇄하기 위한 절삭 조건 개선에 중점을 두고 진동 가공에 대한 기초 연구를 시작했습니다. 이 초기 연구는 주로 초음파 선삭 분야에서 이루어졌으며 현재의 초음파 주파수인 15KHz 이상과는 상당히 다른 주파수의 저주파 진동 가공을 특징으로 했습니다.

2000년대 초, 가공하기 어려운 재료가 증가함에 따라 중국의 대학과 연구 기관에서는 초음파 가공 기술에 대한 연구를 시작했습니다. 이 연구는 장비 설계, 제어 기술, 초음파 가공 시스템 및 초음파 기술을 다룹니다.

초음파 가공 기술은 초기부터 2000년경까지 태동기를 거쳐 20년 이상 급속한 발전 단계를 거쳤습니다. 지난 5년 동안 가공하기 어려운 재료가 빠르고 대규모로 적용되면서 초음파 가공 기술의 상업적 발전이 가속화되었습니다.

현재 초음파 가공 장비, 초음파 진동 제어 및 기술은 국내외에서 점차 성숙하고 있으며, 이는 또한 기본 요구 사항, 작동 메커니즘에 대한 사람들의 이해를 심화시킵니다, 프로세스 특성및 초음파 가공 기술의 응용 분야.

또한 점점 더 많은 대학과 연구 기관에서 초음파 가공 기술에 대한 연구를 진행하고 있으며 초음파 가공의 응용 분야가 확대되고 있습니다.

3. 초음파 가공 기술의 기본 원리

현재 초음파 가공 기술에 대한 이해는 여전히 진화 중이며 국내외적으로 통일된 표준이나 규격이 없습니다.

기존의 초음파 가공 시스템은 일반적으로 초음파 드라이브 컨트롤러, 초음파 트랜스미터, 변환기, 혼으로 구성됩니다, 클램핑 구조와 커터로 구성됩니다(그림 2 참조).

이 기사에서는 초음파 가공 시스템의 분류, 초음파 가공 시스템의 일반적인 구조, 초음파 구동 제어 기술 및 초음파 공정 기술을 통해 초음파 가공 기술의 특성을 다룹니다.

그림 2 초음파 가공 시스템의 주요 구성 요소

3.1 초음파 가공 시스템의 분류

초음파 가공은 초음파 진동의 형태에 따라 1차원, 2차원, 3차원 초음파 가공으로 분류할 수 있습니다. 진동 형태에는 종(축) 초음파 진동 가공, 비틀림 초음파 진동 가공, 타원형 초음파 진동 가공, 복합 초음파 진동 가공이 있으며, 후자는 다양한 초음파 진동 형태가 조합된 형태입니다.

진동 시작 재료에 따라 초음파 가공은 전기 변형 초음파 가공과 자기 변형 초음파 가공으로 나눌 수 있습니다. 전자는 전압을 인가하여 구동되는 압전 세라믹의 진동 시작 원리를 기반으로하며 구조가 간단하고 기술이 성숙하지만 진동력이 제한되어 경부 하 절삭 조건에 더 적합합니다. 후자는 자기 변형성 또는 거대 자기 변형성 재료의 자기장 구동 원리를 기반으로 하며, 진동 출력 용량은 크지만 구조가 복잡하여 고부하 절단 조건에 더 적합합니다.

에너지 전송 모드 측면에서 초음파 가공은 유선 에너지 전송 초음파 가공과 무선 에너지 전송 초음파 가공으로 나눌 수 있습니다. 전자는 회전 동작이나 브러시를 사용하지 않고 저속 가공에 자주 사용되는 반면 후자는 일반적으로 회전식 초음파 가공에 사용됩니다. 무선 에너지 전송은 루스 커플 링 비접촉 방식을 통해 실현되며 완전 결합 초음파 가공과 부분 결합 초음파 가공으로 나눌 수 있습니다. 후자는 현재 공작 기계의 자동 공구 교환에 가장 적합합니다.

공정 유형에 따라 초음파 가공은 초음파 밀링, 초음파 터닝, 초음파로 나눌 수 있습니다. 드릴링초음파 연마, 초음파 연마, 초음파 절단 및 초음파 경화(강화). 각 공정에는 초음파 에너지의 크기와 진동 형태에 대한 특정 요구 사항이 있습니다.

가공 정확도 측면에서 초음파 가공은 정밀 초음파 가공과 초정밀 초음파 가공으로 나눌 수 있습니다. 이 둘의 차이점은 단위 절단 당 재료 제거량에 있으며, 제거 정확도 요구 사항이 1μm 미만인 경우 초정밀 초음파 가공으로 간주됩니다. 타원형 초음파 가공은 일반적으로 마이크로 나노 절단에 사용됩니다.

마지막으로 초음파 가공은 전통적인 초음파 가공과 고속 초음파 가공으로 나눌 수 있습니다. 후자는 최대 400m/min의 선형 속도를 가진 초음파 가공을 말합니다.

3.2 일반적인 초음파 가공기 구조

일반적인 초음파 가공 공작 기계는 그림 3에 나와 있습니다. 초음파 드라이브 컨트롤러, 무선 에너지 전송 모듈, 초음파 공구 홀더, 공구, 수치 제어 시스템, 공작 기계 본체로 구성됩니다.

초음파 구동 컨트롤러는 초음파 발생기, 초음파 전력 증폭기, 초음파 피드백 감지 및 초음파 컨트롤러로 구성됩니다. 초음파 송신기와 초음파 수신기는 무선 에너지 전송 모듈을 구성합니다.

초음파 공구 홀더는 초음파 가공 시스템의 핵심 기능 구성 요소로, 일반적으로 초음파 수신기, 변환기 및 혼으로 구성됩니다. 초음파 가공 시스템과 공작 기계의 CNC 시스템 는 전체 가공 프로세스의 원활한 진행을 보장하기 위해 일정 수준의 통신 제어 기능을 갖추고 있어야 합니다.

그림 3 일반적인 초음파 가공기의 구조

3.3 초음파 가공 시스템의 구동 제어 기술

초음파 가공 시스템의 구동 제어 기술은 초음파 가공 기술의 이점을 실현하는 데 매우 중요하며 컨트롤러의 성능은 초음파 가공의 성능을 평가하는 데 핵심입니다.

가공 공정에서 초음파 드라이브 컨트롤러는 가장 중요한 초음파 주파수 및 출력은 물론 초음파 가공 시스템의 주파수 분해능, 응답 속도 및 진폭 변동 등 수많은 파라미터를 제어해야 합니다. 이러한 매개변수는 재료 가공의 효율성을 결정하는 데 매우 중요합니다.

공구를 재료에 넣고 빼는 절삭 공정은 전형적인 시간 변동이 심한 부하 공정으로, 절삭력이 단시간에 크게 변화합니다. 이 과정에서 초음파 가공 시스템의 임피던스 특성과 제어 시스템의 전기적 특성은 큰 변화를 겪게 되므로 진폭의 안정성을 유지하는 것이 필수적입니다.

초음파 컨트롤러의 주파수 분해능과 정확도, 시스템의 응답 속도는 이 공정에서 중요한 매개 변수입니다. 그림 4는 일반적인 초음파 절단 공정 중 시스템 특성의 변화를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 공구가 가공 상태에 들어가기 시작하면 절삭력이 즉시 증가합니다. 절단 공정 중 초음파 진폭의 안정성을 보장하기 위해 시스템은 내부 제어 매개 변수(예: 주파수 및 전력)를 조정하여 가공 공정 중에 안정적인 진동 진폭을 유지합니다. 공구가 재료를 절단할 때도 비슷한 과정이 발생합니다.

그림 4 초음파 가공 시스템의 상태 특성 변화

초음파 가공 중에는 부하와 온도의 변화로 인해 가공 과정에서 시스템 특성이 크게 변화합니다. 효과적인 초음파 가공을 위해서는 빠른 주파수 추적이 중요하며, 일반적인 방법으로는 최대 전류 방식, 위상 고정 루프 방식, 최대 전력 방식이 있습니다.

초음파 출력 적응 제어 기술 또한 초음파 가공의 중요한 측면으로, 로딩 후 진폭이 억제되어 공구가 효과적인 절단을 완료하지 못하는 문제를 해결하는 데 목적이 있습니다. 이러한 테스트를 위해서는 초음파 가공 시스템에 초음파 액추에이터의 상태를 실시간으로 피드백 감지할 수 있는 기능이 필요합니다. 따라서 초음파 진동의 피드백 감지는 안정적인 초음파 가공을 달성하는 데 있어 매우 중요한 부분입니다.

요즘에는 이 공정에 PID, 퍼지 알고리즘, 인공 신경망 등 첨단 알고리즘이 적용되고 있습니다. 이러한 알고리즘의 핵심은 가공 공정 중 상태를 파악하여 가공 공정의 견고성을 보장하는 것입니다.

4. 초음파 가공 기술의 공정 특성 및 응용 4.

다양한 특성을 가진 재료의 경우 재료 제거 메커니즘과 초음파 가공의 효과는 크게 달라질 수 있습니다.

경질 재료는 단단하고 부서지기 쉬운 재료, 복합 재료, 가공하기 어려운 금속 재료의 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

유리, 세라믹, 텅스텐강, 세라믹 기반 재료와 같이 단단하고 부서지기 쉬운 재료는 일반적으로 다이아몬드 공구를 사용하여 가공합니다. 가공 시 재료의 경도를 고려해야 하며, 초음파 가공을 통해 절삭력을 줄이고 가공 품질을 개선하기 위한 노력을 기울여야 합니다.

탄소 섬유 강화 복합재, 아라미드 섬유 복합재, 강성이 낮은 허니콤 복합재와 같은 복합 재료는 절삭력을 줄이고 공구 마모를 늦추기 위해 재료 특성에 따라 적절한 초음파 진동 형태와 진폭을 선택해야 합니다.

금속 소재 티타늄 합금, 고온 합금, 고강도 강철 및 기타 인성이 높은 금속 등 가공하기 어려운 소재는 공구 접착력 문제 해결, 절삭 온도 감소, 공구 마모 속도 저하가 필요합니다. 이러한 재료에 대한 초음파 진동 요구 사항은 단단하고 부서지기 쉬운 재료에 대한 요구 사항과 크게 다르며 상대적으로 높은 진폭 요구 사항으로 비틀림 진동 또는 종방향 비틀림이 자주 사용됩니다.

금속 소재의 경우 이상적인 가공 시나리오는 소재의 완전한 간헐적 절단, 절단 영역의 효율적인 냉각 및 윤활을 포함합니다.

다음은 초음파 가공 시 다양한 재료의 주요 공정 특성을 요약한 것입니다.

(1) 딱딱하고 부서지기 쉬운 재료:

유리, 세라믹(알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물), 세라믹 기반 재료, 유리 세라믹 및 기타 경도와 취성이 높은 재료는 단단한 취성 재료로 간주됩니다.

이러한 소재 가공의 주요 과제는 심각한 표면 손상, 빠른 공구 마모, 낮은 가공 효율성 등입니다.

초음파 가공은 절삭 상태를 개선하여 공구 수명을 연장하고 표면 품질을 개선하며 가공 효율을 높이는 데 도움이 됩니다.

그림 5는 반도체 실리콘 카바이드(SIC)의 초음파 가공과 기존 가공의 평균 절삭력을 비교한 것입니다.

그림 5 탄화규소의 초음파 가공과 일반 가공의 평균 절삭력 비교

(2) 복합 재료:

탄소 섬유 강화 및 아라미드 섬유 강화 복합재는 가공 시 표면 손상, 찢어짐, 박리, 낮은 가공 효율, 빠른 공구 마모가 발생하기 쉽습니다.

그러나 초음파 가공은 공구의 절삭 능력을 크게 향상시키고 버를 줄이며 공구의 수명을 연장할 수 있습니다.

그림 6은 항공 허니콤 소재의 초음파 가공 결과를 보여줍니다.

a) 디스크 커터 가공

b) 직선 모서리 커터 가공

그림 6 항공 허니콤 소재의 초음파 가공

(3) 가공하기 어려운 금속 소재:

티타늄 합금, 고온 합금, 고강도 강철과 같이 일정 수준의 인성을 가진 금속 재료는 높은 가공 온도로 인해 공구 접착력 및 빠른 공구 마모와 같은 문제가 발생하기 쉽습니다.

초음파 가공은 절삭력을 줄이고, 절삭 온도를 낮추고, 칩 모양을 개선하고, 공구 접착력을 낮추고, 공구 수명을 연장할 수 있습니다.

그림 7은 티타늄 합금의 초음파 가공과 기존 가공의 공구 마모 비교를 보여줍니다.

a) 비교 절단 도구 다른 제거량에서

b) 다양한 제거량에 따른 공구 마모율 비교 및 개선 비율

그림 7 초음파 가공과 일반 가공의 공구 마모 비교 티타늄 합금

5. 초음파 가공 기술의 미래 발전 동향

현재 초음파 가공 기술은 빠르게 발전하고 있습니다.

다양한 신소재 는 초음파 가공 적용을 위한 견고한 기반을 제공합니다.

그 결과 초음파 가공은 이러한 소재의 정밀 가공을 위한 강력한 도구가 되었습니다.

앞으로도 초음파 가공 기술은 산업이 발전함에 따라 빠르게 발전할 것입니다.

동시에 다음과 같은 연구 분야가 향후 과학 연구 및 엔지니어링 애플리케이션의 초점이 될 가능성이 높습니다.

5.1 첨단 초음파 복합 에너지 분야 기술

앞으로 다차원 초음파 가공 기술은 점점 더 활용도가 높아질 것이며, 이에 대응하는 제어 기술 및 공정 기술 개발이 핵심 연구 분야가 될 것입니다.

또한 초음파, 레이저, 플라즈마 및 기타 공정을 복합 기술로 통합하는 것은 초음파 가공의 미래 발전을 위한 중요한 방향입니다.

기계 가공이 어려운 재료를 가공할 때 여러 에너지 필드를 사용하면 고유한 이점을 얻을 수 있어 가공이 더 쉬워집니다.

5.2 빠르고 정확하며 안정적인 제어 알고리즘 및 제어 시스템

실제 커팅 프로세스는 정적 또는 준정적 프로세스와 구별됩니다.

재료, 공구 및 절삭 파라미터의 변화는 가공 중 절삭력, 절삭 온도 및 시스템 임피던스 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 시간 변화에 따른 강한 부하도 초음파 가공 시스템의 불안정성을 유발할 수 있습니다.

효율적이고 정밀한 가공을 달성하려면 빠르고 정확하며 안정적인 제어 알고리즘을 통해 초음파 가공 시스템의 안정성을 보장하는 것이 중요합니다.

향후에는 초음파 가공 공정에 더욱 진보된 제어 알고리즘이 통합될 예정입니다.

5.3 초음파 가공의 빠른 속도와 효율성

전통적인 정밀 가공에서는 특히 항공우주 산업에서 복잡한 구조 부품을 가공할 때 높은 가공 품질과 효율성을 모두 달성하기가 어려울 수 있습니다.

가공 품질을 보장하기 위해 가공 효율이 저하되는 경우가 많습니다.

그러나 티타늄 합금, 초합금 및 탄소 섬유 복합 재료와 같이 가공하기 어려운 재료를 가공하는 데 초음파 가공을 적용하면 고유 한 간헐적 절단 모드를 통해 절단 과정에서 절단 영역을 주기적으로 개방하여 냉각 및 윤활을 개선하고 절단 력과 온도를 낮추며 절단 속도를 높일 수 있습니다. 그 결과 고품질의 효율적인 정밀 가공을 달성할 수 있습니다.

5.4 초음파 가공 표준화 시스템 구축

초음파 가공의 공정 능력은 초음파 가공의 장점을 명확하게 보여줍니다.

공정 기능을 철저히 이해하면 초음파 가공의 기능을 최대한 활용할 수 있습니다.

기술 연구가 발전함에 따라 초음파 가공을 위한 보다 전문화된 도구, 고정 장치 및 일치하는 공정 매개 변수를 사용할 수 있게 되어 초음파 가공의 기능을 더 많이 활용할 수 있게 될 것입니다.

그러나 현재 초음파 가공 기술에 대한 통일된 표준은 없습니다.

이런 속담이 있습니다. 직진성주변 환경을 알기 위해서는 규칙을 따라야 합니다.

산업 및 국가 표준 개발을 가속화하면 기술 장벽을 제거하고 초음파 가공 기술의 광범위한 채택과 개발을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다.

6. 결론

초음파 가공 기술은 가공하기 어려운 재료에 대한 만능 솔루션이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

다양한 유형의 초음파 가공에는 고유한 장점과 한계가 있으며, 최적의 적용을 위해서는 기술의 특성을 숙지하고 공정 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다.

초음파 가공 기술은 엄청난 성장 잠재력을 가진 최첨단 제조 기술로, 제조력을 뒷받침하는 중요한 기술 지원 역할을 하고 있습니다.

가공하기 어려운 재료의 사용이 증가함에 따라 초음파 가공 기술은 빠르게 채택되고 발전할 것입니다.

앞으로 초음파 가공 기술은 더욱 다양한 가공하기 어려운 재료의 정밀 가공 문제에 대한 솔루션을 제공할 것입니다.