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초음파가공

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목차

1. 개요

초음파 가공은 고주파 진동을 통해 연마 입자를 사용하여 단단하고 깨지기 쉬운 재료를 정밀하게 가공하는 비전통적인 제조 공정이다. 전기 음향 변환기와 소노트로드로 구성되며, 압전 또는 자기 변형 변환기를 통해 기계적 진동을 발생시킨다. 이 공정은 소노트로드의 형상을 공작물에 음각으로 절단하며, 재료의 강도, 경도, 슬러리 입자 크기 등에 따라 가공 시간이 달라진다. 초음파 가공은 광학 및 전자 부품, 구조 부품, 미세 전자기계 시스템 등 다양한 분야에 활용되며, 특히 세라믹, 유리, 경화강과 같은 재료 가공에 유용하다. 장점으로는 높은 정밀도와 재료 변형이 없다는 점이 있으나, 재료 제거 속도가 느리고 소노트로드 마모가 발생하며 깊은 구멍 가공이 어렵다는 단점이 있다.

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초음파가공

2. 작동 원리

초음파 가공은 전기 에너지를 고주파의 기계적 진동으로 변환하여 공작물을 가공하는 원리를 이용한다. 먼저 전자 발진기가 초음파 영역(일반적으로 18~40 kHz)의 높은 주파수를 가진 교류 전류를 생성한다.[3] 이 전기 신호는 변환기에서 기계적인 진동으로 바뀌고, 이 진동은 소노트로드라는 공구로 전달되어 공구를 미세하게 떨게 만든다.[4] 이 진동은 연마 입자가 섞인 액체(슬러리)를 통해 공작물 표면에 전달된다. 슬러리 안의 연마 입자들이 초당 수천 번씩 공작물 표면을 때리면서 미세하게 깎아내는 방식으로 재료를 제거한다.[3][4] 결과적으로 소노트로드의 모양이 반전된 형태(음각)가 공작물에 정밀하게 새겨진다.[4]

2. 1. 주요 구성 요소

초음파 진동 가공기는 크게 전기 음향 변환기와 소노트로드라는 두 가지 주요 요소와, 이들을 케이블로 연결하는 전자 제어 장치로 구성된다.[3]

전자 제어 장치 내부의 전자 발진기는 일반적으로 초음파 영역에 해당하는 18~40 kHz 사이의 높은 주파수를 가진 교류 전류를 생성한다. 변환기는 이 전류를 받아 기계적인 진동으로 변환한다. 초음파 가공에 사용되는 변환기는 주로 두 가지 종류가 있다.

  • '''압전 변환기''': 티탄산 바륨과 같은 압전체 세라믹 조각으로 만들어진다. 표면에 도금된 두 개의 금속 전극에 제어 장치로부터 교류 전압이 가해지면, 압전 소자가 압전 효과에 의해 미세하게 앞뒤로 구부러지면서 진동을 발생시킨다.
  • '''자기 변형 변환기''': 강철과 같은 강자성체 재료로 만들어진 원통과 그 주위를 감싸는 전선 코일로 구성된다. 자기 변형은 자기장이 가해질 때 재료의 모양이 약간 변하는 현상이다. 제어 장치에서 코일에 교류 전류를 흘려보내면, 원통에 교류 자기장이 생성되고 이로 인해 원통의 모양이 주기적으로 미세하게 변하면서 진동하게 된다.


변환기에서 생성된 기계적 진동은 소노트로드로 전달된다. 소노트로드는 이 진동을 받아 낮은 진폭과 높은 주파수로 진동하며, 이 진동을 가공 대상인 공작물에 전달하는 역할을 한다.[4] 소노트로드는 일반적으로 저탄소강으로 만들어진다.[1]

2. 2. 공정 과정

초음파 진동 가공기는 전기 음향 변환기와 소노트로드라는 두 가지 주요 부품으로 구성되며, 케이블을 통해 전자 제어 장치에 연결된다. 제어 장치의 전자 발진기는 일반적으로 초음파 범위인 18~40 kHz 사이의 높은 주파수로 진동하는 교류를 생성한다. 변환기는 이 전기 신호를 받아 기계적인 진동으로 변환하며, 초음파 가공에는 주로 다음 두 가지 유형이 사용된다.[3]

  • '''압전 변환기''': 티탄산 바륨과 같은 압전체 세라믹 조각으로 만들어지며, 표면에 두 개의 금속 전극이 있다. 제어 장치에서 전극에 교류 전압을 가하면 압전 소자가 미세하게 앞뒤로 움직이며 진동한다.
  • '''자기 변형 변환기''': 전선 코일 안에 강철과 같은 강자성체 원통을 넣은 구조이다. 자기 변형은 자기장이 가해질 때 재료의 모양이 약간 변하는 현상인데, 제어 장치가 코일에 교류를 흘려보내면 자기 변형 실린더에 교류 자기장이 생기고, 이로 인해 실린더가 진동하게 된다.


변환기는 낮은 진폭과 높은 주파수로 소노트로드를 진동시킨다.[4] 소노트로드는 보통 저탄소강으로 만들어진다.[1] 가공 과정에서는 소노트로드와 공작물 사이에 연마 슬러리가 지속적으로 흐른다. 이 슬러리는 연마 입자를 공급하는 동시에 가공 중에 발생하는 파편을 작업 영역 밖으로 씻어내는 역할을 한다. 슬러리는 일반적으로 물에 연마재인 탄화 붕소, 산화 알루미늄 또는 탄화 규소 입자를 부피 기준으로 20~60% 정도 섞어 만든다.[1] 슬러리 내의 연마 입자는 초당 수천 번 공작물을 때리면서 재료를 미세하게 깎아낸다.[3] 소노트로드의 진동과 연마 입자의 작용으로 공작물 표면이 마모되면서 재료가 제거되며, 결과적으로 공작물에는 소노트로드의 모양이 반전된 형태(음각)가 새겨진다. 이 방식을 이용하면 매우 복잡하고 불규칙한 모양도 높은 정밀도로 가공할 수 있다.[4]

가공 시간은 공작물의 강도, 경도, 다공성, 파괴 인성 등 재료의 특성과 슬러리에 사용된 연마재의 종류 및 입자 크기, 그리고 소노트로드의 진동 진폭에 따라 달라진다.[4] 가공 후 표면의 마무리는 재료의 경도와 탄성 계수에 크게 영향을 받는데, 일반적으로 부드럽고 약한 재료일수록 더 매끄러운 표면을 얻을 수 있다. 재료 표면에 생기는 미세 균열이나 미세 공동과 같은 특징들은 공작물 입자의 미세 구조, 결정학적 배향, 그리고 재료의 파괴 인성과 밀접한 관련이 있다.[5]

초음파 가공은 기본적으로 공작물 표면에서 미세한 조각들이 떨어져 나가거나(미세 칩핑) 침식되는 물리적인 방식으로 이루어진다. 연마 슬러리가 고주파, 저진폭으로 진동하면서 공작물에 부딪힐 때 상당한 충격력을 발생시키고, 이는 높은 접촉 응력으로 이어진다. 이러한 높은 응력은 슬러리 입자와 공작물 표면 사이의 접촉 면적이 매우 작기 때문에 발생한다. 취성 재료는 균열이 전파되면서 파괴되는데, 이 높은 응력은 표면에서 미세한 크기의 칩을 제거하기에 충분하다. 재료 전체가 파괴되지 않는 이유는 응력이 매우 국소적인 영역에 집중되기 때문이다. 슬러리 입자가 공작물 표면에 충돌하고 튕겨 나갈 때 가하는 평균 힘은 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.

: F_{ave} = \frac{2mv}{t_o}

여기서 ''m''은 입자의 질량, ''v''는 입자가 표면에 충돌할 때의 속도, ''to''는 접촉 시간이다. 접촉 시간은 다음 식으로 근사할 수 있다.

: t_o \simeq \frac{5r}{c_o} \left( \frac{c_o}{v} \right)^\frac{1}{5}

: c_o = \sqrt{\frac{E}{\rho}}

여기서 ''r''은 입자의 반경, ''co''는 공작물의 탄성파 속도, ''E''는 공작물의 영률(탄성 계수), ''ρ''는 재료의 밀도이다.[1]

아래 표는 15 μm 입자 크기의 탄화 규소 슬러리를 사용하여 여러 재료를 초음파 진동 가공했을 때의 재료 특성, 절삭 속도 및 표면 거칠기를 보여주는 예시이다.[5]

다양한 재료의 초음파 가공 특성 예시 (15 μm 탄화 규소 슬러리 사용)[5]
재료결정 구조밀도
(g/cm3)		탄성 계수
(GPa)		정적 경도
(GPa)		파괴 인성,
KIc (MPa·m1/2)		절삭 속도
(μm/s)		표면 거칠기 Ra
(μm)		표면 거칠기 Rz
(μm)
알루미나FCC/다결정4.0210–38014–203–53.81.510.9
지르코니아정방정계/다결정5.8140–21010–128–102.31.710.7
석영삼방정계/단결정2.6578.316.0–15.00.54–0.528.41.59.6
소다 석회 유리비정질2.5696.3–5.30.53–0.4326.52.514.0
페라이트다결정–~1806.8128.21.911.6
LiFFCC/단결정2.4354.60.95–0.891.526.50.84.6


2. 3. 종류

'''회전 초음파 진동 가공(RUM)'''은 수직으로 진동하는 공구가 공구의 수직 중심선을 기준으로 회전하는 방식이다. 일반적인 초음파 가공과 달리 연마재 슬러리를 사용하지 않고, 공구 표면에 다이아몬드를 침투시켜 부품 표면을 연삭한다.[1] 회전 초음파 가공은 유리, 석영, 구조용 세라믹, Ti 합금, 알루미나, 탄화 규소와 같은 첨단 세라믹 및 합금 가공에 주로 사용된다.[6] 높은 정밀도로 깊은 구멍을 만드는 데 효과적이다.

회전 초음파 진동 가공은 비교적 새로운 제조 공정으로, 아직 연구가 활발히 진행 중이다. 현재 연구자들은 이 공정을 미세 가공 수준에 적용하고, 밀링 머신과 유사하게 작동하도록 개선하는 연구를 하고 있다.

'''화학 보조 초음파 가공(CUSM)'''은 화학적으로 반응하는 연마재 유체를 사용하여 유리나 세라믹 재료의 가공성을 높이는 방식이다. 특히 불산과 같은 산성 용액을 사용하면 기존 초음파 가공 방식에 비해 재료 제거율과 표면 품질이 크게 향상된다.[7] CUSM을 사용하면 가공 시간을 줄이고 표면 거칠기를 개선할 수 있지만, 화학 반응성 때문에 가공된 구멍 입구의 직경이 약간 커지는 경향이 있다. 따라서 슬러리의 산 함량을 신중하게 조절하여 사용자의 안전을 확보하고 가공 품질을 유지해야 한다.[7]

3. 재료 역학

초음파 가공은 가공물 표면에서 재료가 미세하게 깨져나가거나(미세 칩핑) 깎여나가는(침식) 물리적인 메커니즘으로 작동한다. 연마재 입자가 포함된 슬러리는 고주파, 저진폭의 초음파 진동에 의해 가공물 표면을 때리게 되는데, 이때 슬러리의 충격력은 상당하며 높은 접촉 응력을 유발한다. 이러한 높은 접촉 응력은 슬러리 입자와 가공물 표면 사이의 접촉 면적이 매우 작기 때문에 발생한다.[1]

특히 취성이 높은 재료는 균열 역학에 의해 파괴되는데, 초음파 가공 시 발생하는 높은 응력은 재료 표면에서 미세한 규모의 조각(칩)을 효과적으로 제거하기에 충분하다. 재료 전체는 응력이 매우 국소적인 영역에 집중되기 때문에 파괴되지 않는다.[1]

가공 시간은 가공물의 강도, 경도, 다공성 및 파괴 인성; 슬러리의 재료 및 입자 크기; 소노트로드의 진동 진폭에 따라 달라진다.[4] 가공 후 재료의 표면 마무리는 재료의 경도와 탄성 계수에 크게 의존하며, 일반적으로 더 무르고 약한 재료일수록 더 매끄러운 표면 마무리를 나타낸다. 재료 표면에 미세 균열이나 미세 공동과 같은 특징이 나타나는 정도는 가공물 입자의 미세 구조, 결정학적 배향 및 재료의 파괴 인성에 크게 영향을 받는다.[5]

슬러리 입자가 가공물 표면에 충돌하고 반동할 때 입자가 가하는 평균 힘(Fave)은 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.

: F_{ave} = \frac{2mv}{t_o}

여기서 ''m''은 입자의 질량, ''v''는 표면에 충돌할 때 입자의 속도, ''to''는 접촉 시간이다. 접촉 시간은 다음 방정식으로 근사할 수 있다.

: t_o \simeq \frac{5r}{c_o} \left( \frac{c_o}{v} \right)^\frac{1}{5}

: c_o = \sqrt{\frac{E}{\rho}}

여기서 ''r''은 입자의 반경, ''co''는 가공물의 탄성파 속도, ''E''는 가공물의 영률, ''ρ''는 재료의 밀도이다.[1]

4. 응용 분야

초음파 가공은 높은 정밀도와 다양한 재료를 가공할 수 있는 능력 덕분에 여러 산업 분야에서 활용된다. 특히 열이나 화학적, 전기적 변화 없이 재료를 가공할 수 있어[7], 기존 방식으로는 다루기 어려운 취성 재료나 민감한 재료 가공에 적합하다. 주로 세라믹, 탄화물, 유리, 보석, 경화강과 같은 단단하고 깨지기 쉬운 재료를 정밀하게 가공하는 데 사용된다.[1]

다양한 응용 방식 중 '''회전 초음파 진동 가공(RUM)'''은 공구 표면에 부착된 다이아몬드 입자를 이용해 재료를 연삭하는 방식으로[1], 유리, 석영, 첨단 세라믹(구조용 세라믹, 알루미나, 탄화 규소 등), 티타늄 합금 등 특수 재료를 가공하거나[6] 높은 정밀도로 깊은 구멍을 만드는 데 특화되어 있다. 회전 초음파 진동 가공은 비교적 새로운 기술로, 미세 가공 분야나 밀링 머신과 유사한 방식으로 활용하기 위한 연구가 진행 중이다.

또한, '''화학 보조 초음파 가공(CUSM)'''은 특정 화학 용액(예: 불산)을 사용하여 유리나 세라믹 재료의 가공 효율과 표면 품질을 높이는 방식이다.[7]

이러한 특징들을 바탕으로 초음파 가공은 광학 및 전기 부품, 미세 전자기계 시스템(MEMS) 부품 제작[8], 그리고 고품질 단결정 재료를 이용한 구조 부품 생산[5] 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

4. 1. 광학 및 전자 부품

초음파 가공은 열, 화학, 전기적 공정처럼 가공물의 물리적 특성을 크게 바꾸지 않기 때문에, 기존 방식으로는 가공하기 어려운 깨지기 쉽고 민감한 재료에 유용하게 사용된다.[7] 주로 세라믹, 탄화물, 유리, 보석, 경화강과 같은 단단하고 부서지기 쉬운(경취성) 재료를 가공하는 데 쓰인다.[1]

이러한 재료들은 높은 치수 정확도와 우수한 표면 품질이 요구되는 광학 및 전기 응용 분야에 많이 사용되는데, 초음파 가공은 이러한 요구 조건을 만족시키는 정밀한 가공 방법이다. 예를 들어, 마이크로 구조화된 유리 웨이퍼와 같은 미세 전자기계 시스템(MEMS) 부품을 제작할 수 있을 정도로 정밀하다.[8]

또한, 화학 반응성 연마재를 사용하는 '''화학 보조 초음파 가공(CUSM)'''은 유리나 세라믹 재료의 가공성을 더욱 향상시킨다. 불산과 같은 산성 용액을 사용하면 기존 초음파 가공 방식에 비해 재료 제거율과 표면 품질을 크게 개선할 수 있다.[7] 다만, 화학 반응으로 인해 가공된 부분의 입구 직경이 약간 커질 수 있으므로, 슬러리의 산 함량을 신중하게 조절하여 안전과 품질을 확보해야 한다.[7]

4. 2. 구조 부품

초음파 진동 가공은 높은 정밀도와 우수한 표면 품질을 제공하기 때문에, 미세 전자기계 시스템과 같은 미세 부품뿐만 아니라 구조 부품 제작에도 사용된다.[5] 이 공정은 일반적인 결정 성장 방법으로는 제작하기 어렵지만 고품질이 요구되는 단결정 재료를 사용하여 원하는 형상을 안전하고 효과적으로 만들 수 있다.[5] 특히 첨단 세라믹이 구조 공학 분야에서 중요성이 커짐에 따라, 초음파 가공은 재료 고유의 결정학적 특성을 해치지 않으면서 정밀한 물리적 치수를 구현할 수 있는 효과적인 방법으로 주목받고 있다.

4. 3. 한국 산업 응용

초음파 가공은 공작물의 물리적 특성을 열적, 화학적, 전기적으로 변화시키지 않는 감산 방식을 사용하기 때문에[7], 반도체 및 디스플레이 산업 등 한국의 첨단 산업에서 중요하게 사용되는 세라믹, 탄화물, 유리, 보석, 경화강과 같이 깨지기 쉽고 민감한 재료를 가공하는 데 특히 유용하다.[1][7] 이러한 재료들은 높은 경도와 취성을 가지며, 높은 치수 정확도와 품질 성능이 요구되는 광학 및 전기 응용 분야에 주로 사용된다.[1]

초음파 가공 기술은 미세 전자기계 시스템(MEMS) 구성 요소, 예를 들어 미세 구조화된 유리 웨이퍼 등을 제작할 수 있을 정도로 정밀도가 높다.[8] 이는 한국의 반도체 및 디스플레이 산업에서 요구하는 웨이퍼 가공이나 미세 패턴 형성 등에 효과적으로 활용될 수 있음을 보여준다. 또한, 구조 부품 제작에도 사용되는데, 특히 일반적인 결정 성장 방식으로는 만들기 어려운 고품질 단결정 재료를 이용해 원하는 형상을 안전하고 효과적으로 만들 수 있다.[5]

따라서 경도가 높고 깨지기 쉬운 취성 재료의 정밀 가공에 대한 수요가 높은 한국의 첨단 산업 분야에서 초음파 가공의 활용도는 더욱 높아질 것으로 예상된다. 이 기술은 재료 고유의 결정학적 특성을 유지하면서도[5] 필요한 물리적 치수와 우수한 표면 품질을 정밀하게 구현할 수 있어, 고부가가치 부품 생산에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

5. 장점 및 단점

초음파 가공은 단단하고 깨지기 쉬운 재료를 높은 정밀도로 가공할 수 있는 독특한 비전통적 제조 방식이다.[1] 특히 방전 가공이나 전기 화학 가공 같은 다른 방법으로는 다루기 어려운 유리나 비전도성 금속 등의 취성 재료 가공에 유용하다. 가공 중 열 발생이 거의 없어 재료 변형 없이 높은 공차의 부품 생산이 가능하며, 버(Burr) 발생이 적어 후처리 공정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.[9]

하지만 미세 입자를 이용한 침식 방식으로 인해 몇 가지 단점도 존재한다. 금속과 같은 연성 재료의 경우 재료 제거 속도가 느리고, 연마 입자와의 지속적인 충돌로 소노트로드 공구의 마모가 빠르다.[1] 또한, 연마 슬러리가 깊은 곳까지 도달하기 어려워 깊은 구멍 가공이 제한적이며, 일반적으로 록웰 경도 기준 45 HRC 이상의 경도를 가진 재료에 주로 적용된다는 한계가 있다.[9]

5. 1. 장점

초음파 가공은 단단하고 깨지기 쉬운 재료로 만들어진 부품을 고정밀도로 생산할 수 있는 독특한 비전통 제조 공정이다.[1] 특히 방전 가공이나 전기 화학 가공과 같은 다른 방법으로는 가공하기 어려운 유리나 비전도성 금속 같은 취성 재료를 효과적으로 제조할 수 있다.

가공 과정에서 열 발생이 거의 없어 가공된 재료의 변형이 일어나지 않으므로, 높은 정밀도를 요구하는 부품 생산에 유리하다. 이러한 특성 덕분에 부품의 물리적 성질이 전체적으로 균일하게 유지된다는 장점이 있다.[9] 또한, 가공 과정에서 버(Burr)가 거의 발생하지 않아 완제품을 만드는 데 필요한 후처리 작업을 줄일 수 있다.[9]

5. 2. 단점

초음파 가공은 미세한 입자를 이용해 재료 표면을 조금씩 깎아내는 방식(마이크로칩핑 또는 침식)으로 작동한다. 이 때문에 몇 가지 단점이 있다.

  • 가공 속도: 특히 금속과 같이 연성이 있는 재료를 가공할 때 재료 제거 속도가 상대적으로 느리다.[1]
  • 공구 마모: 가공 과정에서 연마 입자가 계속 소노트로드 끝부분과 충돌하기 때문에, 소노트로드 팁이 빠르게 마모될 수 있다.[1]
  • 가공 깊이 제한: 연마 슬러리가 가공 부위 깊숙한 곳까지 효과적으로 도달하기 어려워, 깊은 구멍을 뚫는 작업이 까다롭다.[9]
  • 적용 재료 제한: 초음파 가공은 주로 단단하고 취성이 있는 재료에 효과적이며, 일반적으로 록웰 경도 기준으로 최소 45 HRC 이상의 경도를 가진 재료에만 적용할 수 있다. 즉, 상대적으로 무른 재료에는 사용하기 어렵다.[9]

참조

[1] 서적 Manufacturing Processes for Engineering Materials Pearson Education, Inc.
[2] 웹사이트 Best ultrasonic Flow Detector Price sensors, arduino, Operations Various models and Effects https://www.indiasea[...] 2020-08-30
[3] 웹사이트 Ultrasonic Machining - Working Principle, Advantages, Disadvantages, and Applications https://www.mechanic[...] 2023-08-11
[4] 웹사이트 Ultrasonic Machining http://www.ceramicin[...] 2016-02-12
[5] 간행물 A comparative study on ultrasonic machining of hard and brittle materials
[6] 서적 Micro rotary ultrasonic machining Society of Manufacturing Engineers
[7] 간행물 Chemical-assisted ultrasonic machining of glass 2007-03-06
[8] 웹사이트 Ultrasonic Machining http://bullentech.co[...] 2016-02-17
[9] 간행물 Ultrasonic Machining http://www.nitc.ac.i[...] 2014


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