본 연구에서는 초음파 진동에너지가 융합된 커팅기용 공구 혼 제작에 대한 기초 연구 자료를 제작하고자 이론적방법과 유한요소해석을 병행하여 설계하였다. 고 성능의 초음파 절단을 진행하기 위해서는 횡진동이 아닌 종진동으로만 진동해야 하며, 기계적 진동에너지를 효율적으로 전달하기 위해 출력부에 최대진폭이 발생해야 한다. 따라서 공구 혼은 발진기의 가진 주파수와 공구 혼의 고유주파수가 동일하게 설계되어야만 한다. 공구 혼을 공진설계하기 위해서는 1차원 파동방정식을 이용한 이론적 접근법과, 유한요소 해석결과를 설계모델에 반영하는 방법이 있는데, 본 연구에서는 최초에 공구 혼의 대략적인 치수를 1차원 파동방정식을 통해 결정하고, 유한요소 해석 결과를 바탕으로 최적 모델을 선정하여 공구 혼의 최종 형상에 반영하였다. 이와 같은 내용을 실제 커팅용 공구 혼의 기초자료로 활용하고자 하며, 추후 제작 및 실험 데이터를 본 연구내용과 비교할 예정이다.
본 연구에서는 초음파 진동에너지가 융합된 커팅기용 공구 혼 제작에 대한 기초 연구 자료를 제작하고자 이론적방법과 유한요소해석을 병행하여 설계하였다. 고 성능의 초음파 절단을 진행하기 위해서는 횡진동이 아닌 종진동으로만 진동해야 하며, 기계적 진동에너지를 효율적으로 전달하기 위해 출력부에 최대진폭이 발생해야 한다. 따라서 공구 혼은 발진기의 가진 주파수와 공구 혼의 고유주파수가 동일하게 설계되어야만 한다. 공구 혼을 공진설계하기 위해서는 1차원 파동방정식을 이용한 이론적 접근법과, 유한요소 해석결과를 설계모델에 반영하는 방법이 있는데, 본 연구에서는 최초에 공구 혼의 대략적인 치수를 1차원 파동방정식을 통해 결정하고, 유한요소 해석 결과를 바탕으로 최적 모델을 선정하여 공구 혼의 최종 형상에 반영하였다. 이와 같은 내용을 실제 커팅용 공구 혼의 기초자료로 활용하고자 하며, 추후 제작 및 실험 데이터를 본 연구내용과 비교할 예정이다.
In this study, the theoretical method and the finite element analysis were designed in parallel to fabricate basic research data on the production of tool horn for cutting machine with ultrasonic vibration energy. In order to perform high-performance ultrasonic cutting, it is necessary to vibrate on...
In this study, the theoretical method and the finite element analysis were designed in parallel to fabricate basic research data on the production of tool horn for cutting machine with ultrasonic vibration energy. In order to perform high-performance ultrasonic cutting, it is necessary to vibrate only with longitudinal vibration instead of transverse vibration. In order to efficiently transmit the mechanical vibration energy, the maximum amplitude should be generated at the output portion. Therefore, the tool horn must be designed so that the excitation frequency of the oscillator and the natural frequency of the tool horn are the same. In order to design the resonance of the tool horn, there are a theoretical approach using the one-dimensional wave equation and a method of reflecting the finite element analysis result to the design model. In this study, the approximate dimensions of the tool horn are first determined through the one- Based on the results of the finite element analysis, the optimal model was selected and reflected in the final shape of the tool horn. We will use this information as the basic data of actual tool horn for cutting, and will compare the production and experimental data with the contents of this research.
In this study, the theoretical method and the finite element analysis were designed in parallel to fabricate basic research data on the production of tool horn for cutting machine with ultrasonic vibration energy. In order to perform high-performance ultrasonic cutting, it is necessary to vibrate only with longitudinal vibration instead of transverse vibration. In order to efficiently transmit the mechanical vibration energy, the maximum amplitude should be generated at the output portion. Therefore, the tool horn must be designed so that the excitation frequency of the oscillator and the natural frequency of the tool horn are the same. In order to design the resonance of the tool horn, there are a theoretical approach using the one-dimensional wave equation and a method of reflecting the finite element analysis result to the design model. In this study, the approximate dimensions of the tool horn are first determined through the one- Based on the results of the finite element analysis, the optimal model was selected and reflected in the final shape of the tool horn. We will use this information as the basic data of actual tool horn for cutting, and will compare the production and experimental data with the contents of this research.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 40,000㎐ 초음파 커팅기의 공구 혼을 40,000㎐의 주파수에서 공진하여 종진동 특성을 가질 수 있게 최적 형상설계 하였다.
본 연구에서는 초음파 진동을 이용한 커팅기의 공구 혼 설계에 대한 기초연구를 수행하였으며, 특히 원하는 공진주파수 값을 구현하기 위해 유한요소 해석을 진행하였다.
제안 방법
1) 이론적인 접근방법과 유한요소 해석을 병행하여 초음파 발진기의 가진 주파수와 공진하는 초음파 공구 혼의 설계에 대한 연구를 수행하였다.
1차원 파동방정식을 통해 얻어진 공구 혼 모델의 공진 주파수를 판단하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 진동 모달(Modal) 해석을 수행하였다[11].
2) 1차원 파동방정식을 이용하여 공구 혼의 설계를 진행하였다. 이러한 공구 혼의 진동 모달 해석결과, 가진 주파수인 40,000㎐와 1,293㎐의 차이를 보이며 공진하는 것을 알 수 있었고, 이는 곡률, 플랜지 등등 기존 스텝형 공구 혼의 형상과 다른 요소들이 추가되어 발생한 것이라 사료된다.
5) 최적설계 모델에 대해 조화응답 해석을 실시하였다. 그 결과 공진주파수 값과 근사한 40,000㎐에서 가장 큰 진폭의 변화를 관찰할 수 있었다.
975mm로 계산되었다. 계산 결과를 바탕으로 공구 혼 출력단의 길이를 30mm로 결정하였다.
초음파를 인가하는 입력부의 형상 치수는 초음파 진동자의 직경과 같은 15mm로 고정하였으며, 출력 단은 가공물과 커팅날의 크기를 고려하여 직경 8mm로 결정하였다. 또한 초음파에 의한 진폭이 영(zero)이 되는 노드 지점에 하우징과 구속할 수 있는 플랜지를 설계하였고, 급격한 형상변화에 의해 발생할 수 있는 응력 집중 현상을 방지하기 위해 Round값을 부여하였다. 공구 혼의 전장 치수인 l은 1차원 파동방정식을 통해 63.
따라서 공구 혼의 고유 진동수에 영향을 주는 변수를 입력단의 길이, 직경 그리고 출력단의 길이와 직경으로 구분할 수 있다. 이중, 출력단의 직경은 공구 혼에 부착되는 칼날의 크기를 고려하여 설계하고, 입력단의 직경은 진동자의 크기에 맞게 설계하였다. 즉, 식 (1)을 통해 공구 혼의 총 길이를 계산하고, 식 (11)을 통해 세부 형상 치수를 결정하였다.
4는 2D 도면과 상세치수를 나타낸 것이다. 초음파를 인가하는 입력부의 형상 치수는 초음파 진동자의 직경과 같은 15mm로 고정하였으며, 출력 단은 가공물과 커팅날의 크기를 고려하여 직경 8mm로 결정하였다. 또한 초음파에 의한 진폭이 영(zero)이 되는 노드 지점에 하우징과 구속할 수 있는 플랜지를 설계하였고, 급격한 형상변화에 의해 발생할 수 있는 응력 집중 현상을 방지하기 위해 Round값을 부여하였다.
해석의 주파수 범위는 발진기의 가진 주파수인 40,000㎐를 고려하여 30,000∼50,00㎐로 설정하였으며, 모드 차수는 10개로 설정하여 범위 내에 발생하는 진동모드 중 연구에 필요한 진동모드만을 추출할 수 있도록 하였다[12,13].
대상 데이터
따라서 공구 혼의 재질을 티타늄 합금으로 하였으며, 그 물성치는 Table 1에 나타내었다.
7과 같이 형상변수 a로 설정하였다. 설계모델은 형상변수 a를 31mm에서 29mm까지 0.5mm 간격으로 변화시켜가며 모달 해석을 진행하였고, 이중 최적모델을 선정하여 설계에 대입하였다. Table.
해석의 경계조건은 공구 혼 모델을 3차원 육면체 요소(hexahedral element)를 사용한 정규격자로 구현하였으며, Elements는 3,176개이고, Nodes는 5,416개이다. 또한 Fig.
데이터처리
1차원 파동방정식을 통해 얻어진 공구 혼 모델의 공진 주파수를 판단하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 진동 모달(Modal) 해석을 수행하였다[11].
성능/효과
3) 공구 혼의 길이변화에 따른 진동 모달 해석을 실시하였고, 결과를 바탕으로 회귀분석을 진행하여 공구 혼의 길이 0.5mm증가 시 공진주파수가 476.1㎐만큼 감소하는 것을 알아내었다.
4) 지정된 설계변수를 바탕으로 공구 혼의 설계를 진행하였을 때, 설계변수의 적정 값은 30mm이며, 최적 설계된 모델의 공진주파수는 40,012㎐로, 가진 주파수인 40,000㎐와 12㎐의 차이를 내며 공진하는 것을 알 수 있었다.
공구 혼 모델의 a 치수를 점차 줄여가며 해석한 결과, 출력 단 30mm 모델의 3차 진동 모드에서 공진주파수가 40,012㎐로 가진 주파수인 40,000㎐와 거의 일치하는 최적 형상임을 알 수 있으며, a치수의 변화에 따른 공구 혼의 질량, 즉 밀도의 변화로 공진주파수 값이 달라짐을 식(2)를 통해 알 수 있다.
5) 최적설계 모델에 대해 조화응답 해석을 실시하였다. 그 결과 공진주파수 값과 근사한 40,000㎐에서 가장 큰 진폭의 변화를 관찰할 수 있었다.
10은 최종 설계된 모델의 진동 모달 해석 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 발진기의 가진 주파수인 40,000㎐ 와 12㎐의 차이로 공진하며 종진동 모드(3차 모드) 특성을 띄는 것을 알 수 있었다.
2) 1차원 파동방정식을 이용하여 공구 혼의 설계를 진행하였다. 이러한 공구 혼의 진동 모달 해석결과, 가진 주파수인 40,000㎐와 1,293㎐의 차이를 보이며 공진하는 것을 알 수 있었고, 이는 곡률, 플랜지 등등 기존 스텝형 공구 혼의 형상과 다른 요소들이 추가되어 발생한 것이라 사료된다.
11과 같이 최적설계 된 공구 혼에 대한 조화응답 해석을 실시하였다. 해석은 0㎐에서 70,000㎐까지 300간격으로 입력된 주파수를 초음파 커팅이 이루어지는 커팅 날 끝부분에서 진폭을 측정하였고, 그 결과 공진주파수 값과 근사한 40,000㎐에서 가장 큰 진폭의 변화를 관찰할 수 있었다[14,15].
후속연구
연구결과를 향후 다양한 공구 혼의 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 추후 커팅용 혼의 실제 제작이 가능함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 가공법의 장점은 무엇인가?
그러나 이와 같은 특수가공법들은 각 공정의 특성에 따라 모든 소재에 적용되지 못하며, 많은 비용과 고가의 장비가 필요하다는 문제점을 가지고 있는 실정이다. 이들 특수가공법 중 초음파 가공법은 레이저 가공, 화학적 가공과는 다르게 친환경 기술로서 인체에 무해하며, 전기 신호를 받아 진동자를 구동시키는 발진기와 진동을 발생시키는 진동자, 종진동 모드로 공진되는 공구 혼으로만 구성되는 까닭에 비용측면에서도 매우 우수한 가공법이며 용접, 커팅, 세정 등 산업 전반에 유용하게 활용될 수 있는 가공법이다[3,4].
초음파 커팅 장치의 단점은 무엇인가?
변환된 진동에너지는 공구 혼에 전달되어 공진에 의한 증폭작용으로 초음파 가공에 필요한 진동에너지를 구현하게 된다. 그러나 진동자의 가진 주파수와 공구 혼의 공진주파수가 일치하지 않을 경우, 공구 혼의 출력단에 초음파 커팅에 필요한 진동 에너지가 잘 전달되지 않기 때문에 공구 혼에 대한 공진설계가 필히 요구 된다[5,6].
특수가공법의 문제점은 무엇인가?
고무, 플라스틱과 같은 소재의 가공은 전통적인 절삭공구를 사용하여 칩을 발생시키는 범용절삭가공으로 가공하기 어려운 문제점이 있기 때문에 레이저 가공, 이온빔 가공, 방전가공, 화학적 가공 등의 다양한 특수가공법에 의존하고 있다[1,2]. 그러나 이와 같은 특수가공법들은 각 공정의 특성에 따라 모든 소재에 적용되지 못하며, 많은 비용과 고가의 장비가 필요하다는 문제점을 가지고 있는 실정이다. 이들 특수가공법 중 초음파 가공법은 레이저 가공, 화학적 가공과는 다르게 친환경 기술로서 인체에 무해하며, 전기 신호를 받아 진동자를 구동시키는 발진기와 진동을 발생시키는 진동자, 종진동 모드로 공진되는 공구 혼으로만 구성되는 까닭에 비용측면에서도 매우 우수한 가공법이며 용접, 커팅, 세정 등 산업 전반에 유용하게 활용될 수 있는 가공법이다[3,4].
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