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금속 용착을 위한 초음파 가공용 한파장 스텝 혼의 설계
One-wave Step Horn Design for Ultrasonic Machining for Metal Welding 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.12, 2010년, pp.4735 - 4741  

백시영 (순천향대학교) ,  장성민 (유한대학 기계과)

초록
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초음파 금속 용착은 신소재, 도금 구조물 등과 같은 다양한 재료의 용착에 대한 가능성 때문에 광범위한 분야에서 사용되고 있으며 용착 조건도 다양하다. 본 연구에서는, 이종 금속 박판의 초음파 금속 용착을 위해 설계된 단부가형 한파장 혼은 유한요소해석 하였다. 유한유소해석은 초음파 혼의 최적 설계와 초음파 공구혼의 고유 주파수를 예상하기 위해 사용되었다. 그리고 설계된 한파장 스텝 혼은 고유 주파수 분석 시스템을 사용하여 실험적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The ultrasonic metal welding is highly used in extensive field due to the possibility for welding of various materials such as new materials, plated structures and etc, and its welding conditions has been diversify. In this paper, one-wavelength tool horn of step type designed for ultrasonic metal w...

주제어

#Ultrasonic Metal Welding   #FEM analysis Ultrasonic tool horn   #Optimal design   #One-wavelength step horn   #Natural frequency analysis system  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 파동방정식과 유한요소방법을 사용하여 초음파 가공을 통한 이종 금속 용착을 위해서 초음파 가공 장비의 핵심부인 초음파 진동 공구혼을 안전성을 고려하여 스텝부를 개선한단부가형(Step type) 혼으로 설계하였다. 다축드릴머신과 같은 공작기계의 구조해석[13], 엔드밀 공구의 변형에 대한 유한요소해석[14] 등과 같이 본 연구에서도 유한요소 해석 방법을 적용하여 초음파 공구혼의 진동특성을 분석 하여 상용화하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 이종 금속 박판의 고품질 용착을 목적으로 유한요소법(Finite Elements Method)을 이용하여 초음파 가공에 사용할 용착용 공구혼의 설계 및 그 진동특성을 분석하여 최적화 하였다. 연구 결과는 실제 초음파 가공에 사용하기 위한 공구혼의 제조에 사용할 것을 목적으로 한다.
  • 본 연구에서는 초음파 가공에 의한 이종 금속 박판의 용착에 사용되는 한파장 스텝형 공구혼의 최적 설계를 목적으로 1차원 파동 방정식을 이용하여 형상 치수를 결정하였으며, 40kHz용 으로 설계된 한파장 혼을 유한요소해석을 이용하여 진동 특성을 파악하였으며 실제 결과와 비교하였다. 그 결과는 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 이종 금속 박판의 고품질 용착을 목적으로 유한요소법(Finite Elements Method)을 이용하여 초음파 가공에 사용할 용착용 공구혼의 설계 및 그 진동특성을 분석하여 최적화 하였다. 연구 결과는 실제 초음파 가공에 사용하기 위한 공구혼의 제조에 사용할 것을 목적으로 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초음파 금속 용착기의 주요 장치들 중 혼과 앤빌의 역할은 무엇인가? 일반적으로 초음파 금속 용착기의 주요 장치는 전압을 50-60Hz의 고주파수(High Frequency)로 변환시켜 주는 발진기(Power Supply), 공급되는 전기 에너지를 기계적 진동에너지로 변환시키는 진동자(Converter), 진폭을 증감시키는 부스터(Booster)와 혼(Horn), 앤빌(Anvil)에 이르기까지 연속적으로 구성된다. 혼은 용착 대상물에 가압력을 인가한 상태에서 기계적 횡 진동(Lateral Vibration)을 전달함으로써 용착시키는 진동 공구이며, 앤빌은 용착 대상물을 고정시키는 동시에 혼에서 가해지는 가압력에 대하여 반력을 가하는 역할을 한다.
초음파 에너지가 사용되는 분야 및 기술의 종류는 어떠한 것이 있는가? 초음파 에너지는 의학, 공업계측, 부품소재 가공 등 다양한 분야에서 초음파 진단, 초음파 탐상, 초음파 가공 및 초음파 용착과 같은 기술로 광범위하게 응용되고 있다[1]. 특히 미세 피치 저온 접합 기술 중 하나인 초음파 금속 용착(Ultrasonic Metal Welding)은 신소재나 이종 금속 간의 접합, 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)의 극판 접합, 솔더링(Soldering)을 대체하는 전자제품 및 반도체 생산 등에 실용화되면서 관심의 대상으로 부각되고 있으며 낮은 전기저항과 우수한 기계적 결합력뿐만 아니라열 변형이 작아 열 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있어 최근에는 반도체 칩(Chip)의 패키징(Packaging) 기술, 자동차나 우주항공 산업의 경금속 바디(Light Metals Body) 접합, 선박건조 등 다양한 분야에서 활용도가 크게 높아지고 있는 추세이다[2,3].
초음파 금속 용착 기술의 특징은 무엇인가? 초음파 에너지는 의학, 공업계측, 부품소재 가공 등 다양한 분야에서 초음파 진단, 초음파 탐상, 초음파 가공 및 초음파 용착과 같은 기술로 광범위하게 응용되고 있다[1]. 특히 미세 피치 저온 접합 기술 중 하나인 초음파 금속 용착(Ultrasonic Metal Welding)은 신소재나 이종 금속 간의 접합, 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)의 극판 접합, 솔더링(Soldering)을 대체하는 전자제품 및 반도체 생산 등에 실용화되면서 관심의 대상으로 부각되고 있으며 낮은 전기저항과 우수한 기계적 결합력뿐만 아니라열 변형이 작아 열 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있어 최근에는 반도체 칩(Chip)의 패키징(Packaging) 기술, 자동차나 우주항공 산업의 경금속 바디(Light Metals Body) 접합, 선박건조 등 다양한 분야에서 활용도가 크게 높아지고 있는 추세이다[2,3].
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참고문헌 (15)

  1. Jeong, H. S., "Fundamentals of Ultrasonic Welding," Journal of Korean Welding and Joining Society, Vol. 15, No. 6, pp. 24, 1997. 

  2. Koo, J. M., Kim, J. W., Yoon, J. W., Noh, B. I., Lee, C. Y., Moon, J. H., Yoo, C. D. and Jung, S. B., "Ultrasonic Bonding Technology for Flip Chip Packaging,"Journal of the Korean Welding and Joining Society, Vol. 26, No. 1, pp. 24-30, 2008. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Lee, C. K., Hwang, B. J. and Heu, I. H., "Bonding of Electric Wire by Ultrasonic Welding,"Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 9, No. 4, pp. 41-42, 2000. 

  4. Yoo, C. D., "Design of Ultrasonic Welding Horn," Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, pp. 9- 11, 2008. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Lee, B. G.., Kim, K. L. and Kim, K. E., "Design of Ultrasonic Vibration Tool Horn for Micromachining using FEM," Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 63-70, 2008. 

  6. Seo, J. S. and Beck, S. Y., "A Optimization for Horn Design using Analysis system of Ultrasonic Vibration Frequency,"Journal of Korea Intellectual Patent Society, Vol. 14, No. 4, pp. 17-23, 2009. 

  7. Lee, J. H., Kim, S. H., Cheon, C. G., Kim, S. U. and Kim, J. D., "Effects of Welding Parameters on Ultrasonic Bonding Strength of Solar Collector, "Proceedings of the KWS Conference, pp. 233-235, May 2006. 

  8. Kim, H. W., Hwang, K. M., Yoo, B. S. and Jo, S. M., "Welding Quality Evaluation by Waveform analysis on Copper Ultrasonic Spot Welding, "Proceedings of the KWS Conference, pp. 297-299, November 2007. 

  9. Seo, J. S. and Beck, S. Y., "A Study for Design of Ultrasonic Welding One-wave Horn and Metal Welding,"Journal of Korea Intellectual Patent Society, Vol. 14, No. 4, pp. 17-23, 2009. 

  10. Park, Y. H. and Kang, J. Y., "Sinter Diffusion Bonding Technology for Assembly and Hybrid of Materials," Journal of the Korean Welding and Joining Society, Vol. 24, No. 5, pp. 7-8, 2006. 

  11. Park, H. S., Kim, W. Y. and Kang, C. Y., "Welding and Bonding of Dissimilar Metal Steel/Nonferros Metal," Journal of the Korean Welding and Joining Society, Vol. 14, No. 6, pp. 1-7, 1996. 

  12. Amin, S. G., Ahmed, M. H. M. and Youssef, H. A., "Computer-aided design of Acoustic Horns for Ultrasonic Machining using Finite-element analysis," Journal of Materials Processing Technology, 55, pp. 254-260, 1995. 

    상세보기 crossref

  13. Jong-Sun Lee, "Design and Structural Analysis of Multi-Axis Drill M/C for PCB", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 6, No. 5, pp.412-417, October 2005. 

  14. Sung Chan Jung and Kug Weon Kim, "A Study on Finite Element Analysis of Tool Deformation in End Milling", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 6, No. 1, pp.83-86, February 2005. 

  15. Lee, S. W., "A Study on the Conditioning for Improvement of Grinding Accuracy," Department of Mechanical and Precision Engineering, Ph.D, Pusan National University, pp. 30-24, 2001. 

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