KR100396876B1 - 초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핸드타입의 초음파 가공기에서 툴 헤드만을 교환하면 인쇄회로 기판의 패턴수정, 정밀 가공물의 표면 연삭, 금형 홀 연삭작업 등 최종 가공후의 모든 정밀 수정작업의 대체 공구로 사용할 수 있을 뿐만아니라, 주파수의 전달력을 향상시키고, 장시간 사용시 열발생율을 최소화하며, 혼의 내구성과 발진부와의 접촉력등을 향상시켜 장시간 연속사용이 가능할 수 있도록 하는 초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치에 관한 것으로, 이는 파워스위치와 볼륨스위치 및 램프가 구비된 발진기에 케이블 일측단의 잭을 꽂아서 사용하는 핸드가공기는 중앙케이스와 선단케이스 및 후단케이스 내에 지지바아에 의해 연결되는 헤드혼과 리어혼을 고정구로 고정하고, 그 헤드혼과 리어혼 사이에는 다수의 진동자와 전극판을 설치하여 케이블의 전선을 전극판에 접속한 후, 상기 헤드혼의 선단에는 툴헤드가 나사에 의해 착탈되는 연결구를 착탈가능하게 구성함으로서 이룰 수 있는 발명이다.

Description

초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치{Ultrasonic wave cutting/grinding apparatus using ultrasonic vibrations}

본 발명은 초음파의 진동을 이용하여 대상물을 절단 및 연마하기 위한 초음파 절단 및 연마장치에 관한 것으로,

특히, 초음파 발생기에 연결된 핸드타입의 가공기로 인쇄회로 기판의 패턴수정, 정밀 가공물의 표면 연삭, 금형 홀 연삭작업 등 최종 가공후 정밀 수정작업에 대체공구로서 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 혼(Horn) 끝단의 툴 헤드(TOOL HEAD)만 교환함으로서 다양한 작업을 할 수 있도록 하는 초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치에 관한 것이다.

일반적으로 초음파 커터는 초음파 진동에 의한 절삭을 수행하는 커터로 진동부에 결합된 공구와 상대적인 매체의 순간적 충돌에 의해 대상물을 미세하게 절삭하는 가공장치를 말하는 것이며, 근원은 파동에너지의 한 분류인 음파(음성에너지)중 사람의 감청 범위 밖의 주파수인 초음파의 특성을 이용해 제작되는 것으로 범위를 세분화하면 초음파의 정보적인면과 동력적인면 그 밖의 응용 분야 중 동력적인 부분을 이용 제작된 것이 초음파 커터이다.

상기와 같은 초음파 커터는 초음파의 발생에 의해 정지된 물체 또는 매질이 진동을 하게되면 운동 에너지와 분자력에 의해 위치 에너지가 존재하게 되며,I∝A²F²에서 처럼 에너지(I)는 파동의 진폭(A),주파수(F)에 각각 제곱에 비례하고 진폭이 크거나 진동수가 많을수록 에너지의 크기도 비례하며, 매질 성분과 파워가 클수록 전달 범위도 비례하게 된다.

초음파의 경우 고체>액체(물)>기체>공기>진공 등의 순으로 전파속도가 뛰어나기 때문에 고체이며 같은 매질일 경우 초음파의 특성을 최대로 살려 활용 할 수 있다.

그러나 종래의 초음파 커터는 30W에 40Khz를 사용함으로서 인쇄 기판의 패턴 수정, 공업용 하드 보드지 절곡 및 절단, 산업 미술용 커팅 작업, 산업 원단의 커팅 작업 등의 커팅(CUTTING)을 목적으로 하는 한정된 작업에 사용되어 왔으며, 혼을 알루미늄으로 제작함으로서 장시간 사용시 고열이 발생되고, 세라믹 소자의 수명을 단축시키며, 커팅효과의 균일한 출력에 대응력이 낮아지는 문제점이 있었다.

또한 상기와 같은 종래의 알루미늄 혼 경우 50W의 고출력을 사용하면 주파수의 전달력(傳達力), 장시간 사용시 열발생율(熱發生率), 혼의 내구성(耐久性), 발진부(拔進部)와의 접촉력(接觸力)등이 현저하게 저하되는 문제점을 나타내므로 커팅을 목적으로 하는 한정된 작업에 사용하게 되는 문제점이 있었던 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 핸드타입의 초음파 가공기를 제작함에 있어서 혼의 재질을 티타늄으로 변경하고, 세라믹 진동자를 4단으로 조립 구성하여 50W의 출력과 25Khz 주파수를 사용할 수 있도록 함과 동시에 혼 끝단의 툴 헤드를 작업용도에 맞춰 교환할 수 있도록 함으로서 툴 헤드만을 교환하면 인쇄회로 기판의 패턴수정, 정밀 가공물의 표면 연삭, 금형 홀 연삭작업 등 최종 가공후의 모든 정밀 수정작업의 대체 공구로 사용할 수 있을 뿐만아니라, 주파수의 전달력을 향상시키고, 장시간 사용시 열발생율을 최소화하며, 혼의 내구성과 발진부와의 접촉력등을 향상시켜 장시간 연속사용이 가능할 수 있도록 한 초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 절단 및 연마장치를 보인 사시도

도 2는 본 발명에 의한 핸드 가공기의 조립상태 종단면도

도 3은 본 발명에 의한 핸드 가공기의 분해 사시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 발진기 3 : 볼륨스위치

10 : 핸드가공기 11 : 중앙케이스

16 : 지지바아 17 : 헤드 혼

18 : 플랜지 19 : 리어 혼

20, 21, 22, 23 : 진동자 24, 25, 26, 27 : 전극판

28 : 방진부재 29 : 고정구

30 : 연결구 31 : 나사

32 : 툴 헤드

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

파워스위치(2)와 볼륨스위치(3) 및 램프(4)가 구비된 발진기(1)에 케이블(6) 일측단의 잭(5)을 꽂아서 사용하는 핸드가공기(10)는 중앙케이스(11)와 선단케이스(14) 및 후단케이스(15) 내에 지지바아(16)에 의해 연결되는 헤드혼(17)과 리어혼(19)을 고정구(29)로 고정하고, 그 헤드혼(17)과 리어혼(19) 사이에는 다수의 진동자(20)(21)(22)(23)와 전극판(24)(25)(26)(27)을 설치하여 케이블(6)의 전선(7)(8)을 전극판(24)(25)(26)(27)에 접속한 후, 상기 헤드혼(17)의 선단에는 툴헤드(32)가 나사(31)에 의해 착탈되는 연결구(30)를 착탈할 수 있도록 구성한다.

이때, 상기 다수의 진동자(20)(21)(22)(23)와 전극판(24)(25)(26)(27)은 4개의 진동자(20)(21)(22)(23)와 4개의 전극판(24)(25)(26)(27)이 하나씩 반복되게 적층되도록 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 초음파 발진회로로 구성된 발진기(1)와 발진된 고주파 전력을 이용하여 절삭 및 연마를 수행할 수 있는 핸드가공기(10)로 구분되며, 핸드 가공기(10)의 경우 진동의 근원인 진동자(20)(21)(22)(23)와 혼(17)(19) 및 툴헤드(32) 등의 접합을 통해 절삭 및 연마 기능을 할 수 있는 구성체를 이룬 것으로, 초음파의 출력을 종단부까지 특성의 손실 없이 원활하게 전달할 수 있다.

즉, 발진기(1)에서의 초음파 출력을 50W로 높임으로서 작업중의 부하에 대한 출력감소현상이 최소화되어 작업효율의 저하를 방지할 수 있고, 주파수는 25Khz를 사용하여 혼(17)(19)에 의한 진폭 확대를 용이하게 함으로서 툴 헤드(32)만을 교환하여 절단과 연마 등의 다양한 작업이 가능하게 한 것이다.

주파수는 초음파의 동력적 응용(動力的 應用)에서 현재 가장 널리 사용되고 있는 주파수가 15∼40Khz(특히 28Khz)와 300∼500Khz이지만, 15∼50Khz의 초음파에서는 캐비테이션(Cavitation)을 일으키기 쉬우므로 이를 이용한 세척기 등에 사용되고 있고, 진동의 속도나 가속도보다도 진폭(振幅)이 클 필요가 있는 경우에는 낮은 주파수를 이용해야 하며, 특히 혼(Horn)을 붙여 진폭을 확대시키려는 경우에는 그 설계 상으로도 15∼40Khz 부근에서 만들기 쉬워진다.

단 주파수가 낮아지면 진동자(振動子)나 혼의 길이도 길어지고 재료비도 높아지며 인간의 귀에도 들리지 않게 되어 불쾌감이나 귀에 방해를 주지 않게 되는 반면에 주파수가 낮으면 가청 주파수(可聽周波數)에 근접하게 되고 그 특성도 현저히 떨어지며, 주파수가 높으면 커터 출력의 불안정 원인이 되지만, 28Khz대 주파수 대역(帶域)의 안정성은 혼(17)(19)의 자체 주파수이며, 공구를 조립하면 혼(17)(19) 자체의 주파수가 23∼26Khz대의 영역에 존재하므로 본 발명은 그 ±3Khz대의 공차 주파수 대역 내의 주파수를 사용하여 효율을 극대화 한 것이다.

한편 본 발명에서는 50W의 출력을 사용할 때 주파수의 전달력, 장시간 사용시 열발생율, 혼의 내구성, 발진부와의 접촉력등에서 효율이 현저히 떨어지는 알루미늄 대신에 합금 티타늄으로 혼(17)(19)을 구성함으로서 비중(比重)이 4.51로서 동이나 니켈의 약 50%에 해당하고 스테인레스의 약 60%로 대단히 가볍운 합금 티타늄의 혼(17)(19)은 열전도율이 현저히 낮으며, 진동의 전달 면에서도 순수 티타늄 보다 3배이상의 효과를 볼 수 있다.

초음파를 발생시키는 중요인 진동자(20)(21)(22)(23)는 P.Z.T세라믹을 4단으로 구성하면서 그 각각의 진동자(20)(21)(22)(23) 사이에 전극판(24)(25)(26)(27)을 구비하여 P.Z.T세라믹을 2단으로 조립 구성할 때 보다 출력의 안정성을 높일 수 있게 되었고, 휴지(休止)시 고온의 열 발생, 진동자(20)(21)(22)(23) 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 성능 특성 분석결과 상당히 안정화된 진동자의 주파수 파형(周波數波形)과 성능의 향상을 이루었다.

특히, 50W의 출력과 25Khz의 주파수를 사용하는 본 발명의 초음파 절단 및 연마장치는 헤드혼(17)에 결합되는 연결구(30)에 툴헤드(32)만 작업 목적에 적합하도록 교환하여 설치하면 인쇄 기판의 패턴 수정, 정밀 가공물의 표면 연삭, 금형 홀 세미 지그 그라인딩(SEMI-JIG GRAINDING), 최종 가공물 정밀 수정 작업, 보석 가공용 펀칭 대체 작업, 공업용 하드 보드지 절곡 및 절단, 산업 미술용 커팅 작업, 목재의 절단 및 다듬질 작업, 귀금속의 표면 정밀 작업, 산업 원단의 커팅 작업 등의 다양하고 수 많은 작업에 사용할 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명은 핸드타입의 초음파 가공기를 제작함에 있어서 혼의 재질을 티타늄으로 변경하고, 세라믹 진동자를 4단으로 조립 구성하여 50W의 출력과 25Khz 주파수를 사용할 수 있도록 함과 동시에 혼 끝단의 툴 헤드를 작업용도에 맞춰 교환할 수 있도록 함으로서 툴 헤드만을 교환하면 인쇄회로 기판의 패턴수정, 정밀 가공물의 표면 연삭, 금형 홀 연삭작업 등 최종 가공후의 모든 정밀 수정작업의 대체 공구로 사용할 수 있을 뿐만아니라, 주파수의 전달력을 향상시키고, 장시간 사용시 열발생율을 최소화하며, 혼의 내구성과 발진부와의 접촉력등을 향상시켜 장시간 연속사용이 가능한 효과가 제공되는 것이다.

Claims (2)

1. 파워스위치(2)와 볼륨스위치(3) 및 램프(4)가 구비된 발진기(1)에 케이블(6) 일측단의 잭(5)을 꽂아서 사용하는 핸드가공기(10)는 중앙케이스(11)와 선단케이스(14) 및 후단케이스(15) 내에 지지바아(16)로 헤드혼(17)과 리어혼(19)을 연결하고, 그 헤드혼(17)과 리어혼(19) 사이에는 다수의 진동자(20)(21)(22)(23)와 전극판(24)(25)(26)(27)을 설치하여 케이블(6)의 전선(7)(8)을 전극판(24)(25)(26)(27)에 접속한 후, 상기 헤드혼(17)의 선단에는 툴헤드(32)가 나사(31)에 의해 착탈되는 연결구(30)를 착탈할 수 있도록 구성하는 초음파 절단 및 연마장치에 있어서,

   상기 중앙케이스(11)의 내부에 고정구(29)를 체결하여 헤드혼(17)의 플랜지(18)를 중앙케이스(11)에 밀착 고정하여서 됨을 특징으로 한 초음파 진동을 이용한 초음파 절단 및 연마장치.
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