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문제 정의
- 본 논문에서는 세라믹, 유리, 웨이퍼 등의 난삭재 가공 시 가공능률 및 정밀도를 높이기 위하여 초음파 폴리싱 시스템을 개발하였고, 실제 재료를 실험계획법을 적용하여 가공 후 결과 분석을 통하여 개발된 시스템의 성능을 확인하고자 하였다.
- 초음파 가공면의 표면거칠기에 미치는 인자들의 영향정도를 분석하고 이중 가장 강력한 영향력을 갖는 인자의 검출과 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 최적의 초음파 가공조건을 도출하는 것이다. 실험에 사용된 주요 인자들로는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 파라미터로 적용하였고, 이들에 의하여 구성된 초음파 가공조건의 변화에 따라 표면거칠기의 제어인자를 규명하였다.
제안 방법
- 1. 초음파 폴리싱 머신은 기구부, 초음파 발진기, 진동자를 설계 . 제작하였으며, 혼은 단차형에 홈을 추가한 타입으로 적용하여 초음파 폴리싱을 한 결과 고경도 재료를 원활하게 가공을 할 수 있었다.
- 직교배열표에 의한 가공실험을 통하여 각 시험편의 최대높이 거칠기(Rmax)를 3회 측정한 후 평균하여 분산분석의 순서로 실시하였다. 또한 재료별 거칠기 분석 및 비교를 용이하게 하기 위하여 Mahr 사의 분해능 0.01 例의 복합형상/거칠기 측정기를 이용하여 표면형상을 3차원 분석하였다.
- 3은 제작한 초음파 폴리싱 머신의 그림이 다기 구 부는 몸체(Body frame)에 컬럼(Column)을 세우고, 여기에 초음파 장치(Ultrasonic system)을 장착하였으며, 항상 일정한 가공력이 걸리도록 추 (Balance weight)를 설치하였고, 베드는 x, y 방향으로 이동되며 좌우는 기어드 모타(Geared motor)를사용하여 리이드와의 회전비는 1:180으로 자동 이송되도록 하였다. 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능 할 수 있도록 설계, 제작하였다. 발진기에는 공진 주파수 20kHz, 출력 1700w의 자려식 초음파 발진기를 사용하였으며 회로도는 Fig.
- 본 연구에서는 개발한 초음파 폴리싱 장치를 사용하여 세라믹, 유리, 웨이퍼 등을 탄화규소 입자로 초음파 가공할 때 효율적인 실험을 위하여 실험계획법을 적용하였다. 실험계획법은 주어진 인자와 조건에 대하여 요인별로 특성치를 재배치, 정리하여 어떤 인자가 특성치에 가장 큰 영향을 미치는가를 통계적으로 규명하는 실험방법이다.
- 본 연구에서는 고경도 재료의 가공에 효과적인 초음파 폴리싱을 위해 공진 주파수 20KHz, 출력 1.7KW급의 실험용 초음파 폴리싱 머신을 설계 . 제작하고, 실험계획법을 이용하여 초음파 가공할 때 표면거칠기에 영향을 미치는 주요인자에 대해서 규명하기 위한 실험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 75(皿 /sec)로 하였다. 시험편의 표면상태를 측정하기 위하여 촉침식 조도계(Surftest-301, Mitutoyo)를이용하여 측정하였으며, 초음파 가공조건은 가공 결과에 영향을 미치는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 인자로 설정하고 각각의 경우에 대해서 등 간격으로 수준을 배치하였으며 선정된 인자와 수준은 Table 1과 같다. 표면거칠기에 영향을 미친다고 생각되는 인자와 수준들을 LM34) 의직교배열표를 이용하여 배치하였고 이를 Table 2 에 나타내었다.
- 것이다. 실험에 사용된 주요 인자들로는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 파라미터로 적용하였고, 이들에 의하여 구성된 초음파 가공조건의 변화에 따라 표면거칠기의 제어인자를 규명하였다.
- 초음파 폴리싱 머신을 크게 기구부와 초음파발진기, 진동자, 혼으로 구분하여 제작하였으며, Fig. 3은 제작한 초음파 폴리싱 머신의 그림이 다기 구 부는 몸체(Body frame)에 컬럼(Column)을 세우고, 여기에 초음파 장치(Ultrasonic system)을 장착하였으며, 항상 일정한 가공력이 걸리도록 추 (Balance weight)를 설치하였고, 베드는 x, y 방향으로 이동되며 좌우는 기어드 모타(Geared motor)를사용하여 리이드와의 회전비는 1:180으로 자동 이송되도록 하였다. 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능 할 수 있도록 설계, 제작하였다.
대상 데이터
- 또한 혼은 모타에 의해 회전 할 수 있도록 하였고 혼의 회전은 최대 60rpm으로 조정이 가능 할 수 있도록 설계, 제작하였다. 발진기에는 공진 주파수 20kHz, 출력 1700w의 자려식 초음파 발진기를 사용하였으며 회로도는 Fig. 4와 같다. 슬러리 공급 장치는 Fig.
- 본 실험에 사용된 시험편은 3종의 난삭재료인세라믹($应), 유리(Flat glass), 웨이퍼(Wafer)를 사용하였으며, 시험편의 규격은 15(W)x 20(H)x 70(L)mm의 스틱(Stick)형으로 제작하였다. 초음파폴리싱에 사용한 공구는 글루부형으로 설계, 제작한 초음파 발생 부 직경 020mm 혼을 사용하였고, 입자는 SiC 성 분92(%), 비중3.
- 본 실험은 설계, 제작한 초음파 폴리싱 머신을사용하여, 테이블 위에 정밀 바이스를 설치한 후공 작물을 고정하였으며, 실험에 사용한 실험 기기는 Fig. 3과 같다. 초음파 가공에 사용한 슬러리의 혼합비는 물 : 수용성 절삭유 : 입자를 각각 10 : 1 : 1로 하고, 혼합된 슬러리 공급 유량을 21.
- 4와 같다. 슬러리 공급 장치는 Fig. 3에서 보는바와 같이 절삭유와 슬러리를 혼합하기 위하여 교반용 임펠러 (Impeller)를 설치하였으며, 가공 중 슬러리 공급을 위한 순환펌프를 설치한 301탱크 용량으로 제작하였다.
- 지금까지 사용되어온 기본적인 혼의 형태는 Fig. 2와 같이 단면이 지수 함수적으로 변화하는 지수 함수혼(Exponential type), 원추형의 원추혼 (Conical type), 단차형(Step type)등이 있으나 '7 , 본 폴리싱 장치 실험에 사용한 혼은 Fig. 2(a)와 같은 단차형 혼의 밑면에 홈(Groove type)을 가공하여 Fig. 2(d)와 같은 혼을 제작하였으며, 이는 회전하는 혼에 슬러리가 잘 혼입 되도록 고려한 것이고, 재질은 표면경화용 SNCM815 강재를 진공 열처리로 HrC 60으로 하였다.
- 제작하였다. 초음파폴리싱에 사용한 공구는 글루부형으로 설계, 제작한 초음파 발생 부 직경 020mm 혼을 사용하였고, 입자는 SiC 성 분92(%), 비중3.16인 C(Black silicon carbide) 계로입도 1, 000을 사용하였다.
데이터처리
- 실험계획법은 주어진 인자와 조건에 대하여 요인별로 특성치를 재배치, 정리하여 어떤 인자가 특성치에 가장 큰 영향을 미치는가를 통계적으로 규명하는 실험방법이다.⑸ 본 실험에서는 효율적인 실험을 위해 직교배열을이용하였으며 실험결과에 대한 분석방법은 분산분석(Analysis of Variance)으로 수행하였다.
- 표면거칠기에 영향을 미친다고 생각되는 인자와 수준들을 LM34) 의직교배열표를 이용하여 배치하였고 이를 Table 2 에 나타내었다. 직교배열표에 의한 가공실험을 통하여 각 시험편의 최대높이 거칠기(Rmax)를 3회 측정한 후 평균하여 분산분석의 순서로 실시하였다. 또한 재료별 거칠기 분석 및 비교를 용이하게 하기 위하여 Mahr 사의 분해능 0.
이론/모형
- 시험편의 표면상태를 측정하기 위하여 촉침식 조도계(Surftest-301, Mitutoyo)를이용하여 측정하였으며, 초음파 가공조건은 가공 결과에 영향을 미치는 혼의 회전수, 이송속도, 초음파 출력 등을 인자로 설정하고 각각의 경우에 대해서 등 간격으로 수준을 배치하였으며 선정된 인자와 수준은 Table 1과 같다. 표면거칠기에 영향을 미친다고 생각되는 인자와 수준들을 LM34) 의직교배열표를 이용하여 배치하였고 이를 Table 2 에 나타내었다. 직교배열표에 의한 가공실험을 통하여 각 시험편의 최대높이 거칠기(Rmax)를 3회 측정한 후 평균하여 분산분석의 순서로 실시하였다.
성능/효과
- 2. 실험계획법을 적용하여 분석한 결과 혼의 회전수가 표면거칠기에 가장 영향을 미치는 주요인 자로 나타났다.
- 3. 각 재료의 가공 표면에 대하여 3차원 형상으로 분석을 한 결과 세라믹이 가장 양호한 가공 형상을 보여주었다.
- 4. 세라믹과 웨이퍼의 경우 이송속도와 초음파출력이 큰 경우가 양호한 표면을 얻을 수 있었다.
- 5. 유리의 경우는 초음파 출력이 크면 슬러리 입자에 걸리는 부하가 증가함으로 가공표면이 불량해진다.
- 초음파 가공법을 들을 수 있다. [1, 2] 압전소자의 초음파 진동자를 이용한 진동절삭 장치를 구상하여 가공면의 표면거칠기를 종전의 방법보다 약 30%정도 향상시킬 수 있는 결과 [3] 를 제시하였고, 초음파진동을 이용하여 초경합금이나 세라믹스와 같은 난삭재를 가공하는데도 뛰어난 가공방법임을 확증하고 있다.[4]
- 초음파 폴리싱 머신은 기구부, 초음파 발진기, 진동자를 설계 . 제작하였으며, 혼은 단차형에 홈을 추가한 타입으로 적용하여 초음파 폴리싱을 한 결과 고경도 재료를 원활하게 가공을 할 수 있었다.
- Table 11에서 보는 바와 같이 표면거칠기를 최소화하는 요인은 A2B3D3의 조건이다. 즉 혼의 회 전수는 40 rpm, 이송속도는 47 m/min, 초음파 출력은 1700w의 조건이 표면거칠기를 최소화하는 최적가공조건으로 나타났다. 이는 재료의 특성상 결정 방향에 따른 이송속도와 혼의 회전수에 따라 표면거칠기에 영향을 미친다고 생각된다.
- Table 5에서 보는 바와 같이 표면 거칠기의 최소화 요인은 A1B3D2의 조건이다. 즉 혼의 회전수는 20rpm, 이송속도는 47 mm/min, 초음파 출력은 1200w 의 조건이 표면거칠기를 최소화하는 최적가공 조건으로 나타났다. 이러한 이유는 소성변형에 의한 칩 발생보다는 혼의 선단에 가해지는 초음파 진동의 충격력에 의해 세라믹 재료의 특성상 취성파괴 현상이 점차적으로 부가되어 미세 파괴로 칩이 배출되기 때문에 이송속도의 영향보다는 혼의 회전수 변화에 따라서 표면 거칠기에 영향을 미친다고 생각된다.
- Table 8에서 보는 바와 같이 표면거칠기를 최소화하는 요인은 A3B1D1 의 조건이다. 즉 혼의 회전수는 60rpm, 이송속도는 19 mm/min, 초음파 출력은 800w의 조건이 표면거 칠기 를 최 소화하는 최 적 가공조건으로 나타났다. 이는 혼의 회전수가 높고 이송속도가 적을 수록 표면 거칠기는 양호하나, 초음파 가공을 할 때 20曲 부근에서 20例정도의 진폭이 발생하므로 슬러리 입자에 걸리는 힘이 증가하여 표면거칠기가 불량해진다고 생각된다.
- 표면거칠기에 기여하는 인자는 혼의 회전수-초음파 출력-이송속도의 순서로 나타났으며 표면 거칠기의 영향에 B 인자인 이송속도가 미치는 영향이 다른 요인에 비해 매우 작으며 A 인자인 혼 의회 전수가 다른 인자에 비해 표면거칠기 값을 좌우할 수 있는 주요인자로 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 4는 이송속도를 풀링 (Pooling)하여 분산분석한 결과를 나타내었다.
- 56mm를 선정하여 Topopgraphy 방식으로 분석하였다. 표면거칠기에 기여한 입자는 혼의 회전수 -이송속도-초음파 출력의 순서로 나타났으며 A 인자인 혼의 회전수가 다른 인자에 비해 표면거칠기값을 좌우할 수 있는 주요인자로 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 7은 초음파 출력을 풀링하여 분산분석한 결과를 나타내었다.
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