초음파 용착의 핵심! 공구 혼!

공구혼

초음파 출력에 있어서 혼은 외관상으로는 어떤 변화도 없고, 금속의 성질을 갖고 있지만 이것은 최고의 재질과 이론과 가공 기술을 요하는 것이다.

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① 공구혼의 모양과 진폭 확대

진동자가 그 물성의 제한에서 얻을 수 있는 진폭에는 한도(0~P, 6~7 미크론)가 있고, 플라스틱 용착에 필요한 초음파의 진동 진폭은 20~50미크론(1/1000㎜)이므로 중간에 메인 혼을 설치하여 진동자의 진폭을 일차로 13~18 미크론으로 증가시킨 후 공구 혼의 진폭을 실용 진폭으로 상승시킨다. 또한 용착할 플라스틱에 따라 혼 단면의 형상을 바꿀 필요가 있어서 진동자와 공구 혼과는 간단히 탈착 가능한 것이 바람직하다.

혼의 형상은 여러 가지의 것이 제안되고 있다.

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② 공진과 치수의 제한

초음파 용착기에서 이용되는 공구 혼은 공진 또는 그 근처의 주파수에서 사용된다. 이 때문에 진폭과 함께 공진 조건도 동시에 만족을 해서 제작하여야 한다.

공구혼중에 전달되는 음속은 무한 공간 중의 음속과는 약간의 차이가 있는데 대체로 10% 이하의 오차로 이용 가능하다.

일반적으로 한 모양의 굵기의 봉으로 생각한 계산 치보다 약간 길게 된다.

공구혼이 커지면 혼의 내부의 다양한 진동모드(종파, 횡파, 평면파)가 복합적으로 작용이 되어 혼의 출력부 측에 진동이 불 균일하게 나타난다. 이 때문에 거의 균일하게 종진동이 가능한 한도의 혼의 크기는 1/2파장의 70~75%로 보아 약 95~100㎜ 정도의 혼단면의 크기인 것이다. 그러나 실제적으로 용착하고자 하는 용착물의 크기가 이 치수보다 큰 것이 많으므로, 이 한도 이상의 대형 공구혼은 분리 홈(Slit)을 횡파 성분을 제거하기 위해 혼의 내부에 가공하거나 특수한 모양으로 설계를 하여 혼의 출력부측의 진동이 균일하게 발생하도록 한다.

그리하여 공구혼의 크기 제한은 초음파 플라스틱 용착기의 적용에 제한적인 요소로 되어 있으나 혼의 실용 제작 크기 (20㎑는 직경 약 200㎜, 15㎑는 직경 약 300㎜)보다 큰 제품의 용착은 2대 이상의 용착기로 구성하여 해결하고 있다. 또한, 초음파용착기의 고출력화와 공구혼의 다양한 설계, 제작 기법의 개발로 인해 제품의 크기와 모양에 따른 제한을 극복하고 있는 실정이다.

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③ 재질의 선정

혼의 형상은 소요 진폭을 얻는 데는 중요한데 더욱이 그 손실에서 혼 재료의 선정이 중요하다. 혼 재질의 선정은 이 외에도 많은 제약이 있고 실제로 선정 가능한 것은 한정되어 있다.

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a) 손실 : 대진 폭시의 Q가 작으면 진동자로부터의 음향출력은 고 구혼의 손실 때문에 대부분 소모되 버리는 결과가 된다. 이 결과로 손실을 보충하기 위해 발진기의 출력을 증가시키면 장치 전체의 비용이 커질 뿐만 아니라 플라스틱의 열 특성으로 보아 공구혼 손실에 의한 온도 상승은 전혀 도움이 되지 않으므로 손실이 적은 재료를 사용하여야 한다.

그래서 플라스틱 용착 깃에서는 순간의 집중적인 출력의 상승이 필요하기 때문에 특히 손실이 적은 두랄루민을 가장 많이 사용하고, 진폭이 요구되거나 내구성이 필요로 하는 공구 혼일 경우에는 티타늄 합금을 사용한다. 그러나 큰 공구 혼음 티탄의 손실을 고려한 실용 진폭을 나타낸 것이다.

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b) 경 도 : 혼의 단면은 강한 충격을 받으므로 내마모성이 중요하다. 그러나 내마모성이 높은 재료는 손실이 크므로 사용상의 제약이 있다. 그래서 표면 경도가 낮고 손실이 적은 두랄루민을 사용하는 경우에는 공구혼 표면에 경질 크롬 도금을 하여 내마모성 및 표면 손상의 방지를 한다. 그러나 특히 마모가 심한 스태킹이나 인서트 작업은 손실이 적고 내마모성이 강한 모넬이나 저 손을 강을 열처리하여 사용하면 두랄루민이나 티타늄보다 5배의 내마모성을 얻을 수 있다.

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c) 가격 : 재료 중에는 대단히 고가인 것이 많고 또한 가공성의 난이도에 따라 가격이 차이가 많이 난다. 특히, 특수 개발 혼은 가공의 난이도 뿐만 아니라 위험부담률의 추가로 가격이 고가이다.

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여러 업체에서 생산하는 제품의 재질과 모양에 따라 공구 혼 재질과 크기가 결정되며 적절한 방법으로 고 구혼을 제작하여야 사용자 입장에서 어렵지 않게 사용이 가능하므로 필히 전문성 있는 회사와 콘택트 하여 제작을 하여야 한다.

"여러 가지 공구 혼, 메인 혼, 진동자"

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