[논문]보의 횡진동 공진특성을 이용한 초음파 진동절삭공구 설계

변진우; 한상보

doi:10.5050/ksnve.2011.21.8.720

보의 횡진동 공진특성을 이용한 초음파 진동절삭공구 설계
Design of a Ultrasonic Cutting-tool Utilizing Resonance Condition of Transverse Vibration of Beam Type Structure 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.8, 2011년, pp.720 - 725

변진우 (경남대학교 대학원 첨단공학과) , 한상보 (경남대학교 기계자동화공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Most ultrasonic vibration cutting tools are operated at the resonance condition of the longitudinal vibration of the structure consisting of booster, horn and bite. In this study, a transverse vibration tool with beam shape is designed to utilize the vibration characteristics of the beam. Design point of the transverse vibration tool is to match the resonance frequency of the bite to the frequency of the signal to excite the piezoelectric element in the booster. The design process to match the natural frequency of the longitudinal vibration mode of the horn and that of the transverse vibration mode of the bite is presented. Dimensions of the horn and bite are searched by trend analysis through which the standard shapes of the horn and bite are determined. After the dimensions of each component of the cutting tool consisting of booster, horn and bite are determined, the assembled structure was experimentally tested to verify that true resonant condition is achieved and proper vibrational displacement are obtained to ensure that enough cutting force is generated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3333px;"> , 이 논문에서는 Fig. 1(b)와 같이 부스터와 혼의 종진동과 바이트의 횡진동이 결합된 공구의 설계 방법을 살펴보기로 한다. 이를 위해 수치해석을 토대로 공진주파수 및 절삭 변위를 예측하고 예측된 결과들을 실험을 통해 검증해 보았다.
이 논문에서는 현재 많이 사용되어지고 있는 초음파진동절삭을 좀 더 효과적으로 적용하기 위해서 바이트를 보의 형상으로 제작하여 착탈할 수 있는 횡진동 초음파 진동절삭 공구의 설계 방법을 제시하였다. 횡진동공구의 진동모드를 압전소자에서 발생하는 진동수와 일치시킴으로써 절삭을 위한 공구의 최대 진동 변위를 얻을 수 있다.
이중, 초음파 영역의 진동수를 가지며 가공 시 충분한 지지력으로 바이트를 지지할 수 있는 짝수 개의 진동 절점을 가져야 한다는 설계 조건에 해당하는 모드는 27차 모드로써 고유진동수는 17,823 Hz로 초음파 진동수에는 못 미친다는 것으로 예측되었다. 이렇게 수치해석을 통해 얻어진 횡진동 공구의 공진주파수와 변위를 실제 제작된 바이트를 대상으로 실험하여 수치 해석의 결과를 검증해 보았다.

제안 방법

따라서 Fig. 5(b)와 같이 아날로그 함수 발생기를 이용하여 1 Hz의 분해능을 가지는 정현파 신호를 발생시키고 이 신호로 횡진동 공구를 가진 한 후 공구의 끝단 진동 변위를 측정하고 랩뷰를 이용하여 분석하였다.
수치해석에 의해 예측된 횡진동 공구의 실제 고유 진동수를 검증하고 검증된 고유진동수로 횡진동공구를 공진주파수로 작동시킴으로써 발생하는 바이트 끝단의 절삭변위를 측정하기 위한 실험은 Fig. 5와 같은 장치를 이용하여 실시하였다. Fig.
바이트의 횡진동을 이용하여 초음파 진동절삭을 하기 위해서는 절삭공구의 끝단변위가 최대가 되도록 공진조건을 만족시켜야 하며 동시에 공구끝단에서 충분한 절삭력이 발생하도록 하기 위해서는 이러한 조건을 모두 만족시키는 공구의 형상설계방법이 요구되어지고 있다. 이 논문에서는 공진조건을 만족하도록 혼과 바이트의 치수와 형상에 따른 고유진동수에 대한 경향성분석을 위해 수치해석 프로그램인 아바쿠스 6.7(ABAQUS 6.7)을 이용하였고 이러한 경향성을 토대로 설계된 공구를 제작하여 강제진동실험을 통해 공진주파수를 검증하고, 동시에 바이트 끝단의 변위를 실험적으로 측정해 보았다.
1(b)와 같이 부스터와 혼의 종진동과 바이트의 횡진동이 결합된 공구의 설계 방법을 살펴보기로 한다. 이를 위해 수치해석을 토대로 공진주파수 및 절삭 변위를 예측하고 예측된 결과들을 실험을 통해 검증해 보았다.
혼의 종류에는 형상에 따라 스텝(step), 익스포넨셜(exponential), 코니컬(conical), 코니컬&익스포넨셜(conical & exponential) 등이 있는데, 이 논문에서는 가공 방법이 가장 쉬운 Fig. 2와 같은 스텝 혼을 사용하였다.

대상 데이터

바이트의 설계를 위해 보 형상 구조물을 20 kHz에 가장 가까운 고유진동수로 설계하였을 때를 바이트의 설계 기준이 되는 치수로 선정하였다. Fig.

성능/효과

혼과 바이트의 치수 변화에 따른 고유진동수의 변화 경향을 검토하였고 이러한 경향성을 토대로 수치 해석을 실행하여 혼과 바이트가 결합된 횡진동 공구형상에 대해 공진조건을 만족하는 특정형상의 설계가 가능하다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 이 논문에서 제시된 설계 방법을 적용하여 다양한 형상의 진동절삭공구를 제작함으로써 진동절삭 기술의 적용 범위를 더욱 확대시킬 수 있다.
4에 주어진 10차, 18차, 그리고 27차 모드이다. 이중, 초음파 영역의 진동수를 가지며 가공 시 충분한 지지력으로 바이트를 지지할 수 있는 짝수 개의 진동 절점을 가져야 한다는 설계 조건에 해당하는 모드는 27차 모드로써 고유진동수는 17,823 Hz로 초음파 진동수에는 못 미친다는 것으로 예측되었다. 이렇게 수치해석을 통해 얻어진 횡진동 공구의 공진주파수와 변위를 실제 제작된 바이트를 대상으로 실험하여 수치 해석의 결과를 검증해 보았다.
여기서 종진동 고유진동수는 혼의 길이와 단면적의 변화에 민감하게 변화한다는 것을 확인 할 수 있다. 특히 기준치수에서 감소된 체적이 Change①이 Change②보다 매우 큰 반면, 고유진동수는 Change①이 Change②보다 매우 작은 것으로 나타났는데 이는 결국 L₁에서의 길이변화보다 L₂에서의 길이 변화가 고유진동수에 더 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
횡진동공구의 진동모드를 압전소자에서 발생하는 진동수와 일치시킴으로써 절삭을 위한 공구의 최대 진동 변위를 얻을 수 있다. 혼과 바이트의 치수 변화에 따른 고유진동수의 변화 경향을 검토하였고 이러한 경향성을 토대로 수치 해석을 실행하여 혼과 바이트가 결합된 횡진동 공구형상에 대해 공진조건을 만족하는 특정형상의 설계가 가능하다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 이 논문에서 제시된 설계 방법을 적용하여 다양한 형상의 진동절삭공구를 제작함으로써 진동절삭 기술의 적용 범위를 더욱 확대시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 진동절삭의 이점은?	부품소재의 다양한 기능을 요구하는 항공 ∙ 조선산업에서는 특수소재들이 사용되어지고 있고 이러한 소재들의 고정밀 가공을 위해서는 새로운 가공기법의 개발이 요구되어지며 새로운 가공법의 하나로 초음파 진동절삭(1~3)이 꾸준한 관심을 받아 오고 있다. 초음파 진동절삭이란 절삭공구를 초음파영역에 해당하는 진동수로 가진시켜 공구끝단에 미세한 절삭변위를 일으켜, 상용절삭이 어려운 인성이 강한 재료들에 대하여 가공 시 발생하는 구성인선(built up edge)이나 버(burr)의 생성을 억제하여 표면거칠기 개선과 공구수명을 증대시킬 수 있다. 그리고 미세한 절삭변위로 공구와 공작물 사이에 순간적인 분리로 절삭이 이루어지기 때문에 크랙(crack)이 발생하기 쉬운 취성재료를 가공할 때도 매우 유용하게 쓰인다.
	초음파 진동절삭의 구성은?	초음파 진동절삭은 Fig. 1과 같이 부스터(booster), 혼(horn) 그리고 바이트(bite)로 구성되어 있는데 압전소자(piezoelectric element)에서 발생하는 진동이 부스터로 전해지면서 발생한 변위를 혼에서 증폭시키고, 이러한 증폭된 변위를 이용하여 바이트 끝단으로 가공하게 된다(4). 생산 현장에서 일반적으로 사용하고 있는 초음파 진동절삭은 Fig.
	초음파 진동절삭 횡진동 공구의 이점은?	현재 현장에서 많이 사용되고 있는 초음파 진동절삭은 종진동 공구를 사용하는 것으로, 절삭력을 유지시키고 절삭방향의 변화를 일으키지 않기 위해 혼과 바이트가 일체형으로 제작된 경우가 대부분이다. 그러나 횡진동 공구는 혼과 바이트를 분리형으로 제작하여 바이트의 노드점(nodal point)을 지지함으로써 절삭방향을 조절할 수 있는 이점이 있다. 그리고 원하는 주파수로 절삭하기 위한 설계가 가능하고 다양한 종류의 혼과 바이트를 제작할 수 있다. 따라서 여러 종류의 분리된 혼과 부스터를 CNC선반의 ATC(automatic tool changer)에 장착하여 사용이 가능해 진다는 장점이 있다. 횡진동 공구에 체결되는 바이트는 공진에 의한 횡진동을 일으킴으로써 바이트 끝단에서 변위의 증폭이 종진동 공구보다 더 크게 나타나게 된다.

참고문헌 (5)

Kim, B. H., Kwon, Y. D. and Chu, J. N., 1994, A Study on the Analysis of the Precision Machining Characteristics Using Ultrasonic Vibration, Proceedings of the KSPE Annual Spring Conference, pp. 48-49.
Cha, J. H., 2009, A Study on the Design of Ultra-sonic Vibration Cutting Mechanism for the Process of Difficulty-to-cut Materials, Ph. D. Thesis, Kyungnam University Grad, School, pp. 17-20.
Kumabe, J., 1979, Precise Manufacture Vibration Cutting, Chitkyo Publication, Inc., Tokyo, pp. 149-191.
Kang, J. P., 1991, A Study on the Design of Ultrasonic Vibration Cutting Tool Horn, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 8, No. 3, pp. 58-62.
Byun, J. W., 2010, Design of a Vibration Cutting Tool Utilizing Transverse Vibration Characteristics of Beam, M.S. Thesis, Kyungnam University Grad, School, pp. 7-33.

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