경취 재료의 초음파 연삭가공 鈴木 淸 일본공업대학 교수 植松哲太郞 일본 富山懸立大學工學部 교수 岩井 學 일본 富山懸立大學工學部 연구원 1. 첫머리에 연삭가공 시에 고속회전하는 지석(砥石)에 초음파 진동을 부가하는 가공법을 초음파 연삭가공이라고 한다. 비슷한 것에 초음파 가공법이 있는데, 이것은 초음파 진동을 부가시킨 비회전 공구와 공작물의 틈새에 슬러리 상태 지립을 유입시켜 공구형상의 반전형상을 공작물에 음각해 넣는 가공법이다. 초음파 가공법이 유리지립가공인데 비해 초음파 연삭가공은 초음파 연삭가공은 고정지립가공으로, 가공능률이 훨씬 높고 가공환경을 깨끗하게 유지할 수도 있다. 2. 초음파 연삭가공 초음파 연삭가공은 세라믹스, 초경합금 등의 난삭성 경취재료를 메탈본드 다이아몬드 지석으로 연삭할 때 적용하면 특히 효과를 발휘한다. 메탈본드 지석은 지석마모나 지석강성 면에서 우수한데 가공의 진행에 따라 틈새가 으깨지거나 틈새가 막혀서 연삭 그을림이나 가공불능이 되기 쉽다. 연삭속도가 낮은 소경(小經) 지석의 경우는 이러한 경향이 특히 현저하다. 회전 중인 지석에 초음파 진동을 부가하면 다이아몬드 지립의 피가공면에의 침식효과, 취성 공작물을 지립이 두드리기 때문에 일어나는 미소파쇄효과, 잘라한 조각의 배출성 향상, 지립과 피가공면 사이의 가공액의 침투성의 향상 등이 발생한다. 그 결과, 지석의 틈새 으깨짐이나 막힘이 억제되어 연삭저항의 저감과 지석 수명의 증대로 이어진다. 초음파 연삭가공은 최근의 미세가공의 고정도화, 고능률화의 요구에도 응할 수 있는 가공법이다. 표 1에 초음파 연삭가공의 득실을 제시했다. 3. 초음파 연삭장치 가. 연삭지립과 가진(加振)방식 초음파 연삭가공에서는 지석을 가진하는 방식과 공작물을 가진하는 방식을 생각할 수 있다. 대개는 전자가 채용되고 있다. 가진대상의 형상, 치수에 대한 제약이 있고, 각종 공작물을 진동시키기가 곤란하기 때문이다. 진동수는 일반적으로는 20~40KHz인데, 최근에는 200KHz 진동자 등, 고주파의 채용도 시도되고 있다. 진동진폭은 공구 끝이 수십㎛~수㎛이다. 지석은 진동자의진폭확대용 혼의 끝에 납땜, 볼트 조입 등에 의해 고정된다. 가진방향은 회전축 방향(세로 진동)이 많다. 커프 지석이나 스트레이트 지석을 반경 방향으로 호흡진동 시키는 것은 지석의 형상, 치수의 설계가 어렵고, 사용되는 일이 드물다. 최근에는 뒤에 기술하겠지만 지석원주방향으로 비틀며 진동시키는 방식이나 복수의 진동모드를 조합시킨 복합진동의 이용도 제안되어 용도에 따라 효과를 발휘하고 있다. 초음파 연삭에 사용하는 지석은 소경 구멍뚫기용 코어드릴이 가장 많다. 평면연삭용 커프지석이나 스트레이트 지석도 적용가능한데, 이 경우도 소경지석이 많다. 초음파 연삭은 금속재료의 연삭에 적용되는 일도 이전에는 있었지만, 오늘날에는 다이아몬드 지석에 의한 경취재의 연삭가공에만 이용된다. 입도 SD100 전후의 거친 다이아몬드 지립이 많은데, SD400과 같은 중간 정도의 입도를 이용하는 일도 있다. 메탈본드 혹은 전착지석은 진동의 전달효율 면에서도 다른 결합재보다 초음파 연삭에 적합한 결합재이다. 나. 초음파 연삭 전용기 시판되는 초음파 연삭반은 입형 프라이스반과 같은 구조의 연삭반 본체의 주축 헤드에 그림 1 모식적으로 나타낸 초음파 스핀돌을 부착한 구조로 되어 있다. 주축 헤드의 상하 움직임에 의해 다이아몬드 호일(지석)이 세로방향으로 보내진다. 대부분의 경우 코어드릴에 의한 소경 구멍뚫기 가공(코어링)에 사용된다. 다. 간이형 초음파 연삭 어태치먼트의 개발 시판되는 초음파연삭반은 전용기이며 기능도 한정되어 있다. 필자들은 초음파 연삭을 필요할 때에만 할 수 있는 어태치먼트형의 값싸고 간편한 장치를 개발했다. 이것은 그림 2에 나타냈듯이 머시닝센터(MC)의 주축에 공구교환의 영역에서 장착할 수 있고, 코어들리안 커프지석 등의 연삭공구를 끝에 조여넣는 식으로 고정할 수 있다. 이 어태치먼트는 기존의 초음파연삭반과 비교했을 때 몇몇가지 특징을 갖는다. 어태치먼트의 첫번째 특징은 소형, 경량이라는 것이다. 외경 약 130㎜, 중량 약 75N으로, ATC(자동공구교환장치)에 의해 착탈가능하다. 그림 3에 나타나 있듯이 어태치먼트 내부의 진동계의 길이는 반파장(약 125㎜)으로, 종래 초음파연삭반의 1/3이다. 이것은 구조의 최적화로 이 길이로 공구 끝 진동속도를 1m/s까지 높을 수 있었기 때문에 실현했다. 어태치먼트의 두 번째 특징은 세로 방향과 함께 가로 방향에도 충분한 강성이 있다는 점이다. 그림 3에 나타나 있듯이 지지부에서 지석까지의 오버행의 양은 L=20~30㎜로, 종래의 진동계(L=190㎜)보다는 훨씬 짧다. 또한 진동 에너지를 손실시키지 않고 진동자를 지지하는 구조로 되어 있다. 그 결과, 가로 방향 강성도 높아져, 축방향 1250N, 가로 방향 1000N의 커다란 연삭저항에도 견딜 수 있었다. 코어링 이외에 스트레이트 지석이나 커프 지석에 의한 고능률 연삭도 가능하다. 세 번째 특징은 어태치먼트가 기존의 초음파 연삭반보다 훨씬 싸다는 것이다. 또한 MC만이 아니라 터닝센터 또는 다른 기계에도 각각 적합한 셩크를 만듦으로써 장착할 수 있다. 어태치먼트를 구동하기 위한 초음파 발진기는 주파수 21KHz, 진폭 15㎛을 안정적으로 발생시킬 수 있다. 그림 4는 초음파 어태치먼트에 의한 알루미나의 코어링 및 구멍 확장 가공의 모습을 나타낸 것이다. 가로 방향 강성이 높기 때문에 ø10㎜의 구멍을 뚫은 후에 같은 지석으로 구멍의 상반부를 내면연삭으로 넓힐 수 있게 되었다. 4. 기초연삭특성 가. 초음파연삭의 효과 위에 기술한 초음파 어태치먼트에 커프형 메탈본드다이아몬드 지석(SD 100, 외경 ø30㎜, 내경 ø20㎜)을 장착하고 알루미나 세라믹스를 평면연삭했다. 초음파 진동부여에 의한 연삭저항의 저감효과를 조사한 결과를 그림 5에 나타내었다. 통상 연삭에서는 연삭거리 약 100㎜을 진행하는 동안에 축방향 연삭저항 FZ가 90N에서 110N으로 증가했다. 이 시점에서 초음파 연삭으로 전환하면 FZ는 급격하게 저하하여 약 40N의 안정된 낮은 수치를 유지했다. 초음파 진동을 중단하면 연삭저항은 다시 증가했다. 이런 점에서 초음파 진동의 부여에 의해 연삭저항이 대폭 저감하여 안정된 가공을 실행할 수 있다는 것을 알 수 있다. 나. 각종 경취재료의 초음파 연삭 특성 그림 6은 각종 세라믹스 및 초경합금에 대한 초음파 부여의 효과를 커프지석에 의한 평면연삭으로 조사한 결과이다. 그림 속의 기호 G는 일반 연삭, UG는 초음파 연삭을 나타낸다. 어떤 재료든 초음파 부여의 효과가 인정되지만 재질간의 차이는 현저하다. 질화규소, 탄화규소, 초경합금에서는 연삭저항이 일반 연삭의 1/3으로 저감했는데, 사이어론이나 2붕화티탄에서는 연삭저항 저감률은 약 30% 정도에 지나지 않는다. 다. 초음파 코어링 성능 세라믹스의 코어링에서는 지석의 틈새 막힘이나 틈새 부서짐이 발생하기 쉽다. 따라서 가공성능은 낮고, 가공저항의 증대, 구멍의 출입구에서의 결절의 발생, 지석마모와 그에 따른 가공정도의 저하 등의 문제가 발생한다. 초음파 연삭이 코어링 작업에 가장 많이 이용되는 것은 위의 여러 가지 문제의 해결에 유효하기 때문이다. MC에 상기 초음파 어태치먼트를 장착하고, 알루미나를 초음파 코어링한 결과를 그림 7에 나타내었다. 공구는 메탈본드 다이아몬드지석(ø10㎜)이다. 대부분 코어링에서는 누적가공 깊이가 200㎜에 달하기 전에 연삭저항이 급증하여 연삭속행이 불가능해졌다. 초음파 코어링에서는 장기간에 걸쳐 연삭저항이 낮고, 지석의 성능이 지속되었다. 연삭비도 일반 연삭의 약 10배인 12000으로 충분히 크고, 지석마모가 적다. 초음파 코어링에는 지석을 일정 속도로 보내는 정속송출방식과 일정 압력으로 보내는 정압송축방식 두 가지가 있는데, 일반적으로 후자 쪽이 지석마모를 억제할 수 있다. 라. 진동모드의 영향 필자들은 그림 8에 나타냈듯이 회전 중인 지석에 세로 진동, 뒤틀림 진동 및 복합진동(세로 진동 + 뒤틀림 진동)을 부가하는 초음파 연삭용 어태치먼트를 개발했다. 이 어태치먼트를 이용하여 알루미나를 연삭했을 때의 연삭저항을 그림 9에 나타내었다. 지석은 컵모양 메탈본드 다이아몬드 지석(SD200, Do/Di=ø28/20mm), 진동조건은 세로진동의 경우 주파수 29.4KHz, 진폭 3㎛, 비틀기 진동은 주파수 19.4KHz, 진폭 17㎛이다. 비틀기 진동의 경우는 초음파가 없는 경우와 거의 차이는 없지만, 세로 진동 및 복합진동의 경우, 연삭저항은 전자의 약 1/2이 되었다. 알루미나에 대해서는 세로진동에 의한 피면가공에 대한 타격효과가 중요하다는 것을 알 수 있다. 광학유리 및 금형재 NAK55에 대해 똑같은 연삭시험을 실시한 결과, 비틀기 진동에서도 초음파 없음에 비해 연삭저항이 저감했다. 복합진동에서는 다른 어떤 진동모드의 경우보다 연삭저항이 낮았다. 5. 맺음말 경취재료의 초음파연삭가공에 대해 연삭기계장치, MC용 초음파연삭 어태치먼트, 기초연삭특성이라는 관정에서 기술하였다. 앞으로 가공이 어려운 경취재료의 미세가공, 복잡형상가공 등에 초음파가 위력을 발휘해 주기를 기대해 마지 않는다. (Ceramic Japan) 표 1. 초음파 연삭가공의 득실 [장점] 1. 경취재료의 연삭에 적합하다. 2. 지석의 틈새 으깨짐, 틈새 막힘의 억제 3. 지석 저항의 저감과 고능률 연삭의 실현 4. 지석수명의 증대 5. 둥근 구멍(특히 가능 구멍)의 코어링, 평면연삭에 적용 가능 6. 코어링 시에 구멍 출입구의 치핑을 억제 7. 초음파 가공에 비해 가공환경이 깨끗하다. [단점] 1. 초음파 가진장치가 필요 2. 진동시킬 지석의 형상, 치수에 제약 3. 조건에 따라서는 마무리면을 악화시킨다. 그림 1. 초음파 연삭반용 초음파 스핀돌 X-Y 테이블다이아몬드휠(회전) 혼 초음파진동자 (軸受)축수 초음파발진기 커플링 슬립링크 워터쟈켓 연삭액 초음파진동(종진동) 그림 2. 머시닝 센터용 초음파 어태치먼트와 지석 ⒜초음파 어태치먼트 ⒝어태치먼트용 다이아몬드 지석 그림 3. MC용 초음파 어태치먼트의 진동계 경방향 축방향 출력블럭 자석 리플레트링크 밧파 리플레트링크 그림 4. 초음파 어태치먼트에 의한 코어링과 구멍 넓히기 가공 그림 5. 초음파 진동부여에 의한 지석저항의 저감 누적연삭거리L연삭방향통상연삭초음파 연삭통상연삭커프지석 그림 6. 각종 경취재료에 대한 초음파 연삭의 효과 누적연삭거리 축방향연삭저항 Fz (N) 커프지석 연삭 초음파연식 그림 7. 알루미나의 초음파 코어링(石渡등) 누적가공 구멍깊이(mm)연삭저항(N) 자속연삭길이mm통상코어링초음파 코어링초음파 코어링 연삭비=12,00통상코어링연삭비=12.5 그림 8. 초음파 복합진동(세로 진동 + 뒤틀림 진동) 연삭가공 모식도 보내기 : Vw 피가공재에지 부분회전세로진동비틀기 진동컵 지석↓홈 : a 그림 9. 초음파진동모드와 연삭저항의 관계 지속주속 세라믹스