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문제 정의
- 실험계획법은 주어진 인자와 조건에 대하여 요인별로 특성치를 재배치, 정리하여 어떤 인자가 특성치에 가장 큰 영향을 미치는가를 통계적으로 규명하는 실험방법이다® 본 실험에서는 효율적인 실험을 위해 직교배열을 이용하였으며 실험결과에 대한 분석방법은 분산분석(Analysis of Variance)으로 수행하였다. 초음파 가공면의 표면 거칠기에 미치는 인자들의 영향정도를 분석하고 이 중 가장 강력한 영향력을 갖는 인자의 검출과 표면 거칠기를 향상시킬 수 있는 최적의 초음파 가공조건을 도출하는 것이다. 실험에 사용된 주요 인자들로는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 파라미터로 적용하였고, 이들에 의하여 구성된 초음파 가공조건의 변화에 따라 표면 거칠기의 제어인자를 규명하였다.
제안 방법
- (2) 혼의 설계에 있어서 FEM 해석을 통해 구한 혼의 특성값과 제작한 혼의 실험 특성 값이 비슷한 결과로 나타남으로써 혼의 설계오차를 최소화하여 최적의 혼을 제작하였다.
- 7은 제작한 초음파 폴리싱 머신의 그림 이다. 기구부는 몸체(Body flame) 에컬럼(Column)을 세우고, 여기에 초음파 장치(Ultrasonic system)을 장착하였으며, 항상 일정한 가공력이 걸리도록 추(Balance weight)를 설치하였고, 베드는 x, y방향으로 이동되며 좌우는 기어드 모타(Geared motor)를 사용하여 리이드와의 회전비는 1:180으로 자동 이송되도록 하였다. 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능할 수 있도록 설계, 제작하였다.
- 4와 같은 형태를 가진다. 단차형 혼의 일반적인 파동방정식을 이용한 형태와는 중간에 덧붙여지는 부분이 있어 달라지고 앞의 돌기가 있어 길이의 비가 변화하여 달라지기 때문에 상용해석프로그램인 ANSYS를 이용한 FEM해석을 하여 그 적합성의 판단의 근거로 삼았다. 해석은 ANSYS에서 해석타입을 모달로 하여 해석을 수행하였다.
- 또한 혼의 단면비가 줄어들지 않을 경우에는 끝단의 진폭이 원하는 만큼 나오지 않는 경우가 많다. 따라서 예비 실험을 통하여 반복적인 설계와 제작으로 최적의 치수를 결정하였다.
- 실시하였다. 또한 재료별 거칠기 분석 및 비교를 용이하게 하기 위하여 Mahr사의 분해능 0.01 ㎛의 복합 형상/ 거칠기 측정기를 이용하여 표면형상을 3차원 분석하였다.
- 기구부는 몸체(Body flame) 에컬럼(Column)을 세우고, 여기에 초음파 장치(Ultrasonic system)을 장착하였으며, 항상 일정한 가공력이 걸리도록 추(Balance weight)를 설치하였고, 베드는 x, y방향으로 이동되며 좌우는 기어드 모타(Geared motor)를 사용하여 리이드와의 회전비는 1:180으로 자동 이송되도록 하였다. 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능할 수 있도록 설계, 제작하였다. 발진기에는 공진 주파수 20kHz, 출력 1700w의 자려식 초음파 발진기를 사용하였다.
- 초음파 진동자를 이용한 진동절삭장치를 구상하여 가공 면의 표면 거칠기를 종전의 방법보다 약 30% 정도 향상시킬 수 있는 결과e를 제시하였고, 초음파진동을 이용하여 초경합금이나 세라믹과 같은 난삭재를 가공하는데도 뛰어난 가공 방법임을 확증하고 있다. 본 연구에서는 개발한 초음파 폴리싱 장치를 사용하여 세라믹, 광학유리, 웨이퍼 등을 탄화규소 입자로 초음파 가공할 때, 가공능률 및 정밀도를 높이기 위하여, 혼의 해석으로 공구를 최적 설계하였으며, 또한 효율적인 실험을 위하여 실험계획법을 적용하였다. 실험계획법은 주어진 인자와 조건에 대하여 요인별로 특성치를 재배치, 정리하여 어떤 인자가 특성치에 가장 큰 영향을 미치는가를 통계적으로 규명하는 실험방법이다® 본 실험에서는 효율적인 실험을 위해 직교배열을 이용하였으며 실험결과에 대한 분석방법은 분산분석(Analysis of Variance)으로 수행하였다.
- 본 연구에서는 고경도 재료의 가공에 효과적인 초음파 폴리싱을 위해 주파수 20kHz, 초음파출력 1.7kW급의 실험용 초음파 폴리싱 머신을 혼 설계 . 해석 통하여 제작하고, 실험계획법을 이용하여 초음파 가공할 때 표면 거칠기에 영향을 미치는 주요인자에 대해서 규명하기 위한 실험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 발진기에는 공진 주파수 20kHz, 출력 1700w의 자려식 초음파 발진기를 사용하였다. 슬러리 공급장치는 절삭유와 슬러리를 혼합하기 위하여 교반용 임펠러(Impeller)를 설치하였으며, 가공 중 슬러리 공급을 위한 순환펌프를 설치한 30/ 탱크 용량으로 제작하였다.
- 초음파 가공면의 표면 거칠기에 미치는 인자들의 영향정도를 분석하고 이 중 가장 강력한 영향력을 갖는 인자의 검출과 표면 거칠기를 향상시킬 수 있는 최적의 초음파 가공조건을 도출하는 것이다. 실험에 사용된 주요 인자들로는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 파라미터로 적용하였고, 이들에 의하여 구성된 초음파 가공조건의 변화에 따라 표면 거칠기의 제어인자를 규명하였다.
- 초음파 폴리싱 머신을 크게 기구부와 초음파 발진기, 진동자, 혼으로 구분하여 제작하였으며, Fig. 7은 제작한 초음파 폴리싱 머신의 그림 이다. 기구부는 몸체(Body flame) 에컬럼(Column)을 세우고, 여기에 초음파 장치(Ultrasonic system)을 장착하였으며, 항상 일정한 가공력이 걸리도록 추(Balance weight)를 설치하였고, 베드는 x, y방향으로 이동되며 좌우는 기어드 모타(Geared motor)를 사용하여 리이드와의 회전비는 1:180으로 자동 이송되도록 하였다.
- 해석은 ANSYS에서 해석타입을 모달로 하여 해석을 수행하였다. 해석 옵션에서 그 범위를 19, 000Hz 에서 30, 000Hz까지로 하여 고유 진동수를 구하였다. 범위를 위에서와 같이 주어진 것은 진동자에서 주어지는 주파수가 20kHz이기 때문이다.
- 혼의 직경 D2=30mm, D3=39mm를 위 식을 적용하여 혼의 길이를 L2=68mm, L3=56mm로 하여 혼의 치수를 결정하였다. 설계한 혼의 형태는 Fig.
대상 데이터
- 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능할 수 있도록 설계, 제작하였다. 발진기에는 공진 주파수 20kHz, 출력 1700w의 자려식 초음파 발진기를 사용하였다. 슬러리 공급장치는 절삭유와 슬러리를 혼합하기 위하여 교반용 임펠러(Impeller)를 설치하였으며, 가공 중 슬러리 공급을 위한 순환펌프를 설치한 30/ 탱크 용량으로 제작하였다.
- 본 실험에 사용된 시험편은 3종의 난삭재료인 세라믹(Si3N4), 광학유리(Optical glass), 웨이퍼(Wafer)를 사용하였으며, 시험편의 규격은 15(W)X20(H)x70(L)mm의 스틱(Stick)형으로 제작하였다. 시험편의 기계적 성질은 Table 1 -Table 3에 나타내었다.
- 본 실험은 설겨〕, 제작한 초음파 폴리싱 머신을 사용하여 테이블 위에 정밀 바이스를 설치한 후 공작물을 고정하였으며, 실험에 사용한 실험 기기는 Fig. 7과 같다. 초음파 가공에 사용한 슬러리의 혼합비는 물 : 수용성 절삭유 : 입자를 각각 10:1:1로 하고, 혼합된 슬러리 공급 유량을 21.
- 본 연구에서는 단차형 혼을 사용하였는데 단차형 혼은 Fig. 3과 같은 형태를 가지며 모델링된 형상은 Fig. 4에 나타나 있다.
- 지금까지 사용되어온 기본적인 혼의 형태는 Fig. 2와 같이 단면이 지수 함수적으로 변화하는 지수함수혼(Expo-nenti시 type), 원추형 의 원추혼(Conical type), 단차형 의 혼 (Step type) 등이 있으나⑺, 본 폴리싱 장치 실험에 사용한 혼은 Fig. 2(a)와 같은 단차형 혼의 밑면에 홈(Groove type)을 가공하여 Fig. 2(d)와 같은 혼을 제작하였으며, 이는 회전하는 혼에 슬러리가 잘 혼입 되도록 고려한 것이고,재질은 표면경화용 SNCM815 강재를 진공열처리로 HrC 60으로 하였다.
- 시험편의 기계적 성질은 Table 1 -Table 3에 나타내었다. 초음파 폴리싱에 사용한 공구는글루부형으로 설계, 제작한 초음파 발생부 직경 830mm 혼을 사용하였고, 슬러리액은 SiC성분 92(%), 비중3.16인 C(Black silicon carbide)계로 입도 1,000을 사용하였다.
데이터처리
- 직교배열표에 의한 가공실험을 통하여 각 시험편의 최대높이 거칠기(Rmax)를 3회 측정한 후 평균하여 분산분석의 순서로 실시하였다. 또한 재료별 거칠기 분석 및 비교를 용이하게 하기 위하여 Mahr사의 분해능 0.
- 단차형 혼의 일반적인 파동방정식을 이용한 형태와는 중간에 덧붙여지는 부분이 있어 달라지고 앞의 돌기가 있어 길이의 비가 변화하여 달라지기 때문에 상용해석프로그램인 ANSYS를 이용한 FEM해석을 하여 그 적합성의 판단의 근거로 삼았다. 해석은 ANSYS에서 해석타입을 모달로 하여 해석을 수행하였다. 해석 옵션에서 그 범위를 19, 000Hz 에서 30, 000Hz까지로 하여 고유 진동수를 구하였다.
성능/효과
- (3) 실험계획법을 적용하여 분석한 결과 혼의 회전수가 표면 거칠기에 가장 영향을 미치는 주요인자로 나타났다.
- (4) 각 재료의 가공 표면에 대하여 3차원 형상으로 분석을 한 결과 세라믹이 가장 양호한 가공형상을 보여주며 세라믹과 웨이퍼의 경우 이송속도와 초음파 출력이 큰 경우가 양호한 표면을 얻을 수 있었다.
- (5) 광학유리의 경우는 초음파 출력이 크면 슬러리 입자에 걸리는 부하가 증가함으로 가공표면이 불량해진다.
- FEM 해석을 통하여 제작되어진 혼의 임피던스 측정값은 20.052Hz이며 이 값을 해석 값 20.091Hz과 비교하면 차이가 40Hz정도 나는 것을 확인할 수 있다. 이 값은 식에 대입되는 값 20kHz와 오차가 거의 없으므로 적합하게 혼의 설계가 되었다고 판단된다.
- 제작하였으며, 혼은 단차형에 홈을 추가한 글루부 타입으로 적용하여 초음파 폴리싱을 한 결과 고경도 재료를 원활하게 가공할 수 있었다.
- Table 8에서 보는 바와 같이 표면 거칠기의 최소화 요인은 A1B3D2의 조건이다. 즉 혼의 회 전수는 20rpm, 이송속도는 47mm/min, 초음파 출력은 1200w의 조건이 표면 거칠기를 최소화하는 최적가공 조건으로 나타났다. 이러한 이유는 소성변형에 의한 칩 발생보다는 혼의 선단에 가해지는 초음파 진동의 충격력에 의해 세라믹재료의 특성상 취성파괴 현상이 점차적으로 부가되어 미세 파괴로 칩이 배출되기 때문에 이송속도의 영향보다는 혼의 회전수 변화에 따라서 표면 거칠기에 영향을 미친다고 생각된다.
- Table 14에서 보는 바와 같이 표면 거칠기를 최소화하는 요인eA2B3D3의 조건이다. 즉 혼의 회전수는 40rpm, 이송속도는 47mm/min, 초음파 출력은 1700w의 조건이 표면 거칠기를 최소화하는 최적가공조건으로 나타났다. 이는 재료의 특성상 결정 방향에 따른 이송속도와 혼의 회전수에 따라서 표면 거칠기에 영향을 미친다고 생각된다.
- Table 11에서 보는 바와 같이 표면 거칠기를 최소화하는 요인은 A3B1D1의 조건이다. 즉 혼의 회전수는 60rpm, 이송속도는 19mm/min, 초음파 출력은 800w의 조건이 표면 거칠기를 최소화하는 최적가공조건으로 나타났다. 이는 혼 의회 전수가 높고 이송속도가 적을수록 표면 거칠기는 양호하나, 초음파 가공을 할 때 20kz부근에서 20㎛정도의 진폭이 발생하므로 슬러리 입자에 걸리는 힘이 증가하여 표면 거칠기가 불량해진다고 생각된다.
- 이러한 문제점들을 최소화하기 위하여 새로운 가공법 인 초음파 가공법을 들을 수 있다a기. 초음파 진동자를 이용한 진동절삭장치를 구상하여 가공 면의 표면 거칠기를 종전의 방법보다 약 30% 정도 향상시킬 수 있는 결과e를 제시하였고, 초음파진동을 이용하여 초경합금이나 세라믹과 같은 난삭재를 가공하는데도 뛰어난 가공 방법임을 확증하고 있다. 본 연구에서는 개발한 초음파 폴리싱 장치를 사용하여 세라믹, 광학유리, 웨이퍼 등을 탄화규소 입자로 초음파 가공할 때, 가공능률 및 정밀도를 높이기 위하여, 혼의 해석으로 공구를 최적 설계하였으며, 또한 효율적인 실험을 위하여 실험계획법을 적용하였다.
- 표면 거칠기에 기여하는 인자는 혼의 회전수-초음파 출력 -이송속도의 순서로 나타났으며 표면 거칠기의 영향에 B 인자인 이송속도가 미치는 영향이 다른 요인에 비해 매우 작으며 A인자인 혼의 회전수가 다른 인자에 비해 표면 거칠기 값을 좌우할 수 있는 주요인자로 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 7은 이송속도를 풀링(Pooling)하여 분산 분석한 결과를 나타내었다.
- 56mm를 선정하여 토파그래피 방식으로 분석하였다. 표면 거칠기에 기여한 입자는 혼의 회전수-이송속도-초음파 출력의 순서로 나타났으며 A 인자인 혼의 회전수가 다른 인자에 비해 표면 거칠기 값을 좌우할 수 있는 주요인자로 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 10 은 초음파 출력을 풀링하여 분산 분석한 결과를 나타내었다.
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