Ultrasonic waves are used in various applications in multiple devices, sensors, and high-power machinery, such as processing machines, welders, and cleaners, because the acoustic vibration frequencies are above the human audible frequency range. In ultrasonic machining, electrical energy at a high f...
Ultrasonic waves are used in various applications in multiple devices, sensors, and high-power machinery, such as processing machines, welders, and cleaners, because the acoustic vibration frequencies are above the human audible frequency range. In ultrasonic machining, electrical energy at a high frequency of 20 kHz or more is converted into mechanical vibration by a vibrator and an amplifier. This technique allows instantaneous separation between a tool and a workpiece during machining, machining by pulse impulse force at the time of re-contact and minimizes the minute elastic deformations of the workpiece and machine tools due to the cutting effect. The Al7075 alloy used in this study is a typical aluminum alloy with superior strength that is mainly used in aircrafts, automobiles, and sporting goods. To investigate the optimal conditions for machining aluminum alloy using ultrasonic vibration, the present experiment utilized the Taguchi orthogonal array method, and the coefficient of friction was analyzed using the characteristics of the Taguchi technique. In ultrasonic friction and abrasion tests, the changes in the friction coefficient were measured in the absence of ultrasonic vibrations and at 28 kHz and 40 kHz. As a result, the most considerable influence on the friction coefficient was found to be the normal load, and the frequency of ultrasonic vibrations increases, the coefficient of friction increases. It was thus confirmed that the amount of wear increases when ultrasonic vibration is applied.
Ultrasonic waves are used in various applications in multiple devices, sensors, and high-power machinery, such as processing machines, welders, and cleaners, because the acoustic vibration frequencies are above the human audible frequency range. In ultrasonic machining, electrical energy at a high frequency of 20 kHz or more is converted into mechanical vibration by a vibrator and an amplifier. This technique allows instantaneous separation between a tool and a workpiece during machining, machining by pulse impulse force at the time of re-contact and minimizes the minute elastic deformations of the workpiece and machine tools due to the cutting effect. The Al7075 alloy used in this study is a typical aluminum alloy with superior strength that is mainly used in aircrafts, automobiles, and sporting goods. To investigate the optimal conditions for machining aluminum alloy using ultrasonic vibration, the present experiment utilized the Taguchi orthogonal array method, and the coefficient of friction was analyzed using the characteristics of the Taguchi technique. In ultrasonic friction and abrasion tests, the changes in the friction coefficient were measured in the absence of ultrasonic vibrations and at 28 kHz and 40 kHz. As a result, the most considerable influence on the friction coefficient was found to be the normal load, and the frequency of ultrasonic vibrations increases, the coefficient of friction increases. It was thus confirmed that the amount of wear increases when ultrasonic vibration is applied.
본 연구에서는 알루미늄 합금의 절삭가공에서 기존에는 연구되지 않았던, 마찰학적 관점으로 접근하여 마찰, 마모 특성을 연구하였다. 왕복마찰 실험을 통해 초음파 진동조건이 마찰 및 마모에 얼마만큼의 영향을 미치는지 확인하였다.
제안 방법
왕복 마찰실험에서 실험조건은 Table 1과 같다. 초음파 주파수(Ultrasonic frequency)는 초음파 진동이 없을 때와 28 kHz, 40 kHz로 구분하며 하중(Normal load)은 19.6 N, 29.4 N, 49 N으로 왕복속도(Slidingspeed)는 20 mm/s, 60 mm/s, 100 mm/s의 조건에 따라 마찰계수의 변화를 측정하고 비교 분석하였다. 주파수 28 kHz, 40 kHz 각각의 진폭은 하중에 따라 25 µm, -40 µm, 17 µm, -28 µm의 범위를 가진다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 Fig. 1의 핀과 플레이트의 재질은 고속도강(SKH51)과 인장강도가 개선된 알루미늄합금(Al7075)이다. 초음파 진동 시 시편의 움직임을 고려하여 기판 플레이트 한쪽면을 절단하여 고정하였다.
이론/모형
본 연구에서는 초음파 진동 조건에 따른 왕복 마찰실험시에 파라미터가 마찰계수에 미치는 영향을 다구찌 방법에 기초하여 수행하였다. 다구찌 실험계획법(Taguchi method)은 해결하고자 하는 문제에 대하여 실험횟수를 정하고, 통계적 방법으로 데이터를 분석하는 품질개선 기법이다.
성능/효과
1. 직교배열표를 이용하여 왕복마찰 실험을 수행하였고 다구찌 방법에 따라 망대특성 S/N비를 산출하였다. 마찰계수에 미치는 영향이 가장 큰 인자는 하중이다.
2. 왕복마찰 실험 시 발생한 마모입자를 주사전자현미경을 통해 관찰하였을 때 초음파 진동 조건에서 진동에 의한 재 접촉 시 충격과 시편 표면의 잔류응력 감소로 작은 크기의 마모입자들이 발견되었다.
3. 마모량을 확인하기 위해 실험 전/후 시편의 무게를 측정하였고, 가장 높은 마찰계수 값을 가지는 40 kHz, 19.6 N, 100 mm/s 조건의 시편이 마모가 많이 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 가공이란 무엇인가?
공구와 공작물 사이에 순간적인 분리가 일어나서 재접촉 시 펄스 충격력에 의해 가공하는 방법이며 절삭력으로 인한 공작물과 공작기계의 미세한 탄성변형을 최소화하는 장점이 있다. 본 연구에서는 알루미늄 합금의 절삭가공에서 기존에는 연구되지 않았던, 마찰학적 관점으로 접근하여 마찰, 마모 특성을 연구하였다.
초음파 가공의 장점은 무엇인가?
공구와 공작물 사이에 순간적인 분리가 일어나서 재접촉 시 펄스 충격력에 의해 가공하는 방법이며 절삭력으로 인한 공작물과 공작기계의 미세한 탄성변형을 최소화하는 장점이 있다. 본 연구에서는 알루미늄 합금의 절삭가공에서 기존에는 연구되지 않았던, 마찰학적 관점으로 접근하여 마찰, 마모 특성을 연구하였다.
알루미늄 함금의 절삭가공 기술이 중요한 이유는?
알루미늄 합금은 절삭가공 시 발생하는 잔류응력 문제로 다양한 방법을 통해 잔류응력을 줄이기 위한 기술 개발이 되고 있다. 알루미늄 합금의 절삭가공 시 절삭력은 잔류응력 발생에 주요 원인이 되며, 소재별로 절삭가공 방법과 실험조건에 따 라 잔류응력 발생량이 다르므로 소재에 따른 절삭조건 설정이 중요하다[1, 2]. 따라서 알루미늄 합금의 절삭성을 개선하기 위하여 절삭가공 기술로 초음파 진동조건의 가공 방법이 제안되고 있다[3, 4].
참고문헌 (10)
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