1. 초음파 가공(Ultrasonic Machine)
유리된 연삭입자를 공작물과 공구 사이에 가공액과 혼합하여 초음파에 대한 상하 진동운동으로
공작물에 충돌시켜 가공하는 방법으로 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 금속 및 비금속 재료에 제한 없이 이용한다.
초음파 : 인간의 가청범위 상한을 넘는 20 KHz 이상의 주파수를 가진 음향 진동에 해당되는 높은 소리
2. 초음파 가공기구 및 특성
2.1 초음파 가공기구
- 공구의 초음파 진동에 의한 충격작용
- 초음파 진동하는 공구의 연삭입자에 대한 직접적인 연타작용 (해머작용)
- 공동현상(Cavitation)에 의한 침식작용
- 화학적인 침식
2.2 장점
- 방전가공과는 달리 도체가 아닌 부도체 가공이 가능하다.
- 미세(작은 구멍) 가공이 가능하다.
- 공구가 회전하지 않으므로 특수한 형상 가공이 가능 한다.
2.3 단점
- 가공속도가 느리고 공구 마모가 크다
- 가공면적이 적다.
- 가공길이에 제한이 있다.
- 무른 재료 (납 , 구리, 연강)의 가공이 어렵다.
3.초음파 가공기
3.1 초음파 발생장치 (그림: 초음파 Head 구조의 ①)
초음파 가공을 하기 위해서는 큰 진폭으로 초음파 진동시켜야 하며, 전원으로부터 초음파 발진 장치를
거쳐 자기변형 진동자에 고주파 전류를 보내면 용기 내부의 진동자은 수 μm 에 불과하지만, 혼으로 전달될 때는 30~40 μm 으로 증폭된다.
3.2 혼 및 공구 (그림: 초음파 Head 구조의 ③)
혼(Horn)
- 혼의 재료는 황동이나 연강, 공구강 등이 주로 쓰이고 있으며, 스테인레스강, 알루미늄도 사용한다.
- 혼은 진동자에 납땜으로 붙이고 혼과 공구는 나사로 체결한다.
혼은 각종목적에 따라 여러 형상이 있다.
그림: 초음파 Head 구조
공구
(그림: 초음파 Head 구조의 ④)혼(Horn)
- 공구 재료는 스프링강, 피아노선, 스테인레스강, 텅스텐 화합물 등을 사용하나,
유리와 같이 가공이 쉬운 대료는 연강을 사용하기도 한다.
- 공구와 공작물 사이에는 정압력을 가하도록 되어 있고, 이 압력을 조정하여 가공능률을 높인다.
진동자
- 보통 두께 약 0.1mm 의 니켈박판을 층상으로 적층시켜 만들며
고주파 용으로는 페라이트나 세라믹도 사용된다.
- 대 출력용에는 니켈 진동자가, 소 출력용에는 페라이트 진동자가 사용된다.
연삭입자
- 연삭입자는 알루미나, 탄화규소, 탄화붕소가 쓰이며 입도는 320 ~ 600 번 정도이다.
- 입자는 무게비로 물의 2 배 정도 혼합하여 사용한다.
4. 가공특성
4.1 가공속도
가공속도는 공구 진폭 및 주파수, 이송 가압력을 증가함으로써 증가한다.
또한 가공속도는 숫돌입자의 농도, 입도에 따라 영향을 받으며 입자가 미세하여 진동 진폭보다
작게 되면 가공속도는 현저히 감소한다.
입자가 너무 클 경우에는 가공 간격 속에 잘 들어갈 수 없어 가공속도는 감소한다.
4.2 다듬질 면의 거칠기
진동진폭이 크거나 숫돌입자가 크면 거칠기는 커진다.
또한 가공된 구멍의 측면은 바닥 면보다 거칠며, 공구 바닥면의 거칠기는 다듬질면의 거칠기에
큰 영향을 미친다.
4.3 가공정밀도
사용하는 공구의 치수와 가공된 구멍치수의 차를 클리어런스라 하며, 이의 크기와 균일성이
가공정밀도에 큰 영향을 준다.
4.4 공구마모
공구의 작용면이 숫돌입자를 충격할 때, 숫돌입자의 절삭작용에 의해 공구의 마모가 크며,
가공정밀도에 영향을 미친다.
5. 초음파 진동가공의 응용
5.1 초음파 가공
- 소성변형이 안 되는 유리 기구에 눈금, 무늬, 문자 등을 조각
- 석영유리에 정밀한 나사 절삭 가공
- 수정, 반도체, 세라믹, 카본, 초경합금 등의 재질에 대한 미세 구멍가공 및 절단
- 보석, 귀금속 류의 구멍가공
5.2 고정입자를 이용한 초음파 가공
고착시킨 다이아몬드 숫돌 공구를 이용하여 초음파 가공을 하면, 새로운 입자를 공급할 필요가 없고
가공 속도가 향상되며, 깊은 구멍을 효율적으로 가공할 수 있다.
5.3 초음파 용접
5.4 초음파 연삭
공작물에 초음파 진동을 주어 평면 연삭을 하면 공작물의 온도상승이 현저히 줄어든다.
5.5 초음파 진동절삭
절삭 방향으로 공구와 공작물 사이에 제어된 상대진동을 주어 접촉면에 절삭유를 침입시키고,
계면의 마찰감소를 통해 절삭저항의 저하, 가공면의 거칠기 향상, 변질층의 감소, 공구 수명의 증대를 꾀한다.