[논문]40kHz 초음파 커팅용 혼의 설계와 크랙발생에 대한 고찰

서정석; 이윤정; 백시영; 박동삼

doi:10.7735/ksmte.2012.21.5.784

40kHz 초음파 커팅용 혼의 설계와 크랙발생에 대한 고찰
Prediction of Crack Initiation and Design of 40kHz Blade Horn for Ultrasonic Cutting 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.5, 2012년, pp.784 - 789

서정석 (인천대학교 대학원 기계시스템공학부) , 이윤정 (인천대학교 대학원 기계시스템공학부) , 백시영 (인하대학교 기계공학부) , 박동삼 (인천대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonic Cutting which uses a tuned blade resonant in a longitudinal mode, has been used to cut a range of materials from confectionery, baked products and frozen foods, to wood, bone, foams and composites. The Blade design typically uses finite element analysis, and it could be predicted vibration mode, gain and amplitude uniformity of the blade tip at resonant frequency. In this paper, FEA used to predict the vibration characteristic of the blade, and then the results were verified by analysis system of resonant frequency using the processed blade. The crack of the blade which is predicted from FEA was compared with the crack occurred by cutting experiment of rubber materials using the processed blade.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

종방향 진동 모드를 갖는 40kHz Blade 혼을 FEA를 이용하여 설계한 후 이를 검증하고자 하였다. 또한 최적으로 설계한 혼을 제작한 후 가공에 적용한 결과 Blade 혼에서 크랙 현상을 발견하였으며 이에 대한 원인을 해석하려 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 종진동 모드로 공진하는 40kHz Blade 혼을 설계하였다. FEA를 이용하여 혼의 고유주파수, 진폭의 증폭비등 진동특성을 확인하여 설계 계획을 수립하였으며, 이를 기반으로 혼을 가공하고 조정을 거쳐 혼의 설계를 완성하였다. 또한 여러 개의 혼을 제작하고 타이어 절단가공에 적용하여 설계 시 나타난 크랙발생 부위를 예측하고 가공결과 부 혼에 발생한 크랙과 비교하였다.
FEA를 이용하여 혼의 고유주파수, 진폭의 증폭비등 진동특성을 확인하여 설계 계획을 수립하였으며, 이를 기반으로 혼을 가공하고 조정을 거쳐 혼의 설계를 완성하였다. 또한 여러 개의 혼을 제작하고 타이어 절단가공에 적용하여 설계 시 나타난 크랙발생 부위를 예측하고 가공결과 부 혼에 발생한 크랙과 비교하였다.
종방향 진동 모드를 갖는 40kHz Blade 혼을 FEA를 이용하여 설계한 후 이를 검증하고자 하였다. 또한 최적으로 설계한 혼을 제작한 후 가공에 적용한 결과 Blade 혼에서 크랙 현상을 발견하였으며 이에 대한 원인을 해석하려 하였다.
초음파 Blade 혼의 설계를 위한 FE modeling 접근법의 검증을 위해 가공한 Blade 혼의 진동을 측정하였다. 진동측정은 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 종진동 모드로 공진하는 40kHz Blade 혼을 설계하였다. FEA를 이용하여 혼의 고유주파수, 진폭의 증폭비등 진동특성을 확인하여 설계 계획을 수립하였으며, 이를 기반으로 혼을 가공하고 조정을 거쳐 혼의 설계를 완성하였다.
6의 고유주파수는 구동주파수 40kHz와 근접한 39, 878Hz로 진동 출력 면에서 최대 진폭을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이 구동주파수를 적용하여 설계된 혼은 폭(W) 83mm, 기장(L) 68mm, 두께(T)는 25.4mm이다.

성능/효과

(1) FEA에 의해 40kHz Blade 혼을 설계하여 고유주파수 39, 878Hz에서 종진동 모드 공진이 발생하는 것을 확인하였으며 이때 혼의 폭(W)은 83mm, 전장(L)은 68mm, 두께(T)는 25.4mm이다.
(2) FEA를 통한 이론상의 모델과 실제 가공한 커팅 혼의 비교 결과, 가공 시 약간의 공차에 따라 혼의 고유주파수 값에 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
(3) 진동 모드 해석 및 응력 해석으로 응력이 가장 큰 슬롯에서부터 진동이 가장 큰 Blade의 모서리 방향으로 크랙 현상이 발생할 수 있음을 예측할 수 있었으며, 실제 절단 공정 중 혼에 크랙이 발생하였다.
(4) 앞으로 크랙부의 다양한 형상변화를 예측하여 분석하고 그 결과를 근거로 혼을 제작하여 비교를 통해 원인을 찾고 슬롯의 설계를 수정하는 등의 절차를 통하여 크랙 발생을 최소화하면서 Blade 혼의 최적 설계 및 제작이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
응력집중은 크게 Blade 두께가 얇아지는 테이퍼 형상의 날 끝 부위와 슬롯의 라운드 가장자리 부위에 많이 발생하며, 가장 큰 응력이 집중하여 발생하는 것을 알 수 있다. Blade 혼의 진동모드 결과와 응력 해석결과를 토대로 슬롯의 라운드가 끝나는 부분에서 Blade 출력부 중 진동 발진이 가장 큰 Blade 양 끝 쪽으로 크랙이 발생할 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
진동 분석시스템을 이용하여 주파수를 측정한 결과 최고 값이 39, 976Hz, 최저 값이 39, 702Hz로 평균 주파수 값이 약 39, 817Hz이며 이는 설계과정에서 예측된 주파수 39, 878Hz와 99% 이상 근접하며 약 0.2% 정도 오차를 보였다.
진폭의 최소값, 최대값과 진폭 균일도를 Table 3에 나타내었다. 진동 출력면에서의 진폭 최소값은 35.4㎛이고 최대값은 56.2㎛로 약 62.9%의 진폭균일도를 갖는 것을 알 수 있다.

후속연구

12의 크랙과 같은 불량은 약 10% 정도 발생하였다. 앞으로 더 많은 실험과 비교, 분석으로 크랙의 정확한 원인을 찾아야 할 것이다.
크랙의 예방책으로 Fig. 13과 같이 Blade의 하단부의 부피를 줄이거나 슬롯의 라운드 부위의 반경을 수정설계 하는 등의 절차를 거쳐 크랙을 해결할 방법을 찾을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 혼의 치수와 형상은 무엇에 의해 결정되는가?	초음파 혼은 최대로 증폭된 진폭으로 커팅 제품에 진동에너지를 직접 전달하는 역할을 한다. 혼의 치수와 형상은 공작물의 크기와 형상, 재료에 의해 결정되며 진동 출력 면에서의 좋은 성능과 효율적인 에너지 전달을 위해 더욱 정확하고 정밀한 설계가 요구된다.
	종진동 모드로 조정된 Blade 혼의 공진을 사용하는 초음파커팅 장치는 어떤 소재의 커팅에 사용되고 있는가?	종진동 모드로 조정된 Blade 혼의 공진을 사용하는 초음파커팅 장치는 금속, 고무, 플라스틱, 목재, 음식 등 다양한 소재의 커팅에 사용되고 있다. 초음파 커팅 기술은 대량생산이나 소량생산에 관계없이 빠른 작업시간과 소모성 부품이 필요 없어 에너지를 절감할 수 있고, 일반 Role 커팅 작업 시 분진과 소음이 발생하는데 비해 초음파 커팅은 그러한 분진이나 소음이 없어 친환경적인 기술로써 산업 전반에 사용되고 있다(1, 2).
	제품을 가공 분리하는데 초음파 발생 시 커팅 모서리 분리영역에서 열적변형이 일어나고 어떤 것에 영향을 받는가?	제품을 가공 분리하는데 초음파 발생 시 커팅 모서리 분리영역에서 열적변형이 일어나고 절삭력(Cutting Force)과 절삭경로, 절삭속도, 절단면(Blade Flank)에 영향을 받는다(3).

참고문헌 (9)

Jeong, H. S., 1997, "Fundamentals of Ultrasonic Welding," Journal of the Korean Welding and Joining Society, Vol. 15, No. 6, pp. 24-31.
McCulloch, E., 2008, Experimental and Finite Element Modelling of Ultrasonic Cutting of Food, A Thesis for a Master, University of Glasgow, United Kingdom, pp. 48-50.
Susann, Z., Yvonne, S., and Harald, R., 2006, "Ultrasonic Cutting of Food: Effect of Excitation Magnitude and Cutting Velocity on the Reduction of Cutting Work," Innovative Food Science & Emerging Technologies, Vol. 7, Issue. 4, pp. 288-293.

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Amin, S. G., Ahmed, M. H. M., and Youssef, H. A., 1995, "Computer-aided Design of Acoustic Horns for Ultrasonic Machining using Finite-element Analysis," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 55, Issues. 3-4, pp. 254-260.

상세보기
Seo, J. S., 2009, "Vibration Analysis for Optimal Design of Horn," Proceedings of the KSMTE Spring Conference, pp. 380-383.
Seo, J. S., Jang, S. M., and Baek, S. Y., 2012, "Onewavelength Ultrasonic Horn Design for Ultrasonic Machining of Mobile Phone Battery Terminal Welding," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 21, No. 1, pp. 70-75.

원문보기 상세보기
Ensminger, D., 1988, Ultrasonics: Fundamentals, Technology, Applications, Ed. Marcel Dekker, New York, USA.
Cardonic, A., and Lucas, M., 2002, "Enhanced Vibration Performance of Ultrasonic Block Horns," Ultrasonics, Vol. 40, Issue. 1-8, pp. 365-369.

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Adachi, K., and Ueha, S., 1986, "Modal Vibration Analysis of Ultrasonic Plastic Welding Tools using the Finite Element Method," Proc. of Ultrasonic International, pp. 727-732.

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