KR101615281B1

KR101615281B1 - 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치

Info

Publication number: KR101615281B1
Application number: KR1020150019314A
Authority: KR
Inventors: 윤석태
Original assignee: 윤석태
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-04-26

Abstract

본 발명은 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치 (A device of micro forging using ultrasonic for Nano-size surfase modification of metal)에 관한 것으로 복수의 공지한 초음파 진동자(ultrasonic vibrator)를 원형 지지판에 병렬로 배치하고, 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 초경 팁의 플런저( flunger)와 부스터(booster)를 결합하여 초음파 액추에이터(actuator)(A)를 형성하고, 상기 초음파 액추에이터(A)를 공압 실린더의 내부에 조립하여 초음파 마이크로 단조기구(B)를 형성하며, 상기 초음파 진동자 측에 냉각용 공기를 공급하는 냉각기구인 보텍스 튜브(botex tube)를 상기 공압 실린더의 상부에 일조로 결합하여 구성된 것이다.
본 발명에 의하면, 초음파 발진기(F)에서 약 28~50KHz의 초음파 출력에 의해 초음파 진동자가 서로 물리적인 진동 간섭이 없이 복수의 초음파 진동자의 집합된 고출력으로 플런저의 초경 팁을 진동시키고, 또한 상기 보텍스 튜브에 의해 공급되는 공기가 더운 공기와 찬 공기로 분류되면서 찬 공기는 초음파 진동자의 냉각용으로 공급되고, 더운 공기는 금속분자의 활성용으로 공급되면서 금속표면이 나노 사이즈로 마이크로 단조되어 금속의 표면조도(surface roughness)와 표면강도 (surface hardness)를 개질(改質)할 수 있게 된 것이다.

Description

금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치 {A DEVICE OF MICRO FORGING USING ULTRASONIC FOR NANO-SIZE SURFACE MODIFICATION OF METAL}

본 발명은 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치에 관한 것으로 복수의 공지한 초음파 진동자(ultrasonic vibrator)를 원형 지지판에 병렬로 배치하고 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 초경 팁의 플런저(Plunger)와 부스터(booster)를 결합하여 초음파 액추에이터(actuator)를 형성하고 상기 초음파 액추에이터를 공압 실린더 내부에 조립하여 초음파 마이크로 단조기구를 형성하며, 상기 초음파 진동자 측에 냉각용 공기를 공급하는 냉각기구인 보텍스 튜브(Votex Tube)를 상기 공압실린더의 상부에 일조로 결합하여 구성된 것이다.

본 발명에 의하면, 초음파 발진기에서 약 28~50KHz의 초음파 출력에 의해 진동소자가 서로 물리적인 진동 간섭이 없이 복수의 초음파 진동자의 집합된 고출력으로 플런저의 초경 팁을 진동시키고 또한 상기 보텍스 튜브에 의해 공급되는 공기가 더운 공기와 찬 공기로 분류되면서 찬 공기는 초음파 진동자의 냉각용으로 공급되고 더운 공기는 금속분자의 활성용으로 공급되면서 금속표면이 나노 사이즈로 마이크로 단조되어 금속의 표면조도(surface roughness)와 표면강도 (surface hardness)를 개질(改質)할 수 있게 된 것이다.

초음파 진동자를 이용한 금속의 나노 사이즈 표면 개질수단(nano crystal surface modification system)은 선행기술에서 다양한 방법과 장치가 개시되어 있고 특히 베어링제작에 유용하게 적용되고 있다.

본 발명과 관련한 선행 기술의 예를 들면 다음과 같다.

① 특허문헌 1. 미국특허공개공보 공개번호 US 2010-0024218Al (2010.02.04.공개)는 초음파 나노 크리스탈 표면수정기(ultrasonic nano crystal surface modifier)가 치거나 두드리는 팁(tip)과, 혼(horn)과, 부스터와, 전동자와, 초음파 발진기로 구성되어 초음파 발진기에서 송출되는 출력에 의해 표면 수정기의 부스터와 혼이 진동자에 의해 진동되어, 팁에 의해 베어링 제조의 중간단계, 또는 완성 단계에서 베어링의 하부면을 나노 사이즈(nano-size)로 타격하여 연마하게 된 것이다.

② 특허문헌 2. 등록특허공보 등록번호 10-1341100호(2014.01.03 공고)는 파손, 또는 노화된 베어링의 궤도면과 볼, 또는 롤러의 표면을 초음파 표면 개질기, 피닝장치, 또는 초자기 변형소자를 이용한 표면타격장치를 이용하여 수단계를 거쳐 개질하는 방법에 관한 것이다.

③ 공개특허공보 공개번호 10-2014-0103204호(2014.08.26.공개)는 초음파 나노기술을 이용한 캐비테이션 내침식성 증강방법으로서 금속표면에 초음파 나노표면 개질기술 가공처리를 이용하여 디플 패턴을 가공하여 일반적인 금속표면의 그것보다 2-3배 정도 증강시키어 표면 캐비테이션 붕괴에 의한 침식 손상을 방지하게 된 것이다.

상기한 선행기술에서는 대부분 하나의 초음파 진동자를 이용하여 그 초음파 진동자의 진동을 혼(horn)의 초경팁에 전달하여 금속표면을 타격하여 나노규격의 표면으로 수정하게 된 것으로 하나의 초음파 진동자의 출력은 한정되어 있기 때문에 고출력을 낼 수 없는 미비점이 있다.

또 초음파 진동자의 출력을 보다 높이기 위해서 2~3개의 초음파 진동기를 전후 직렬로 배치하여 하나의 혼의 초경팁을 2~3개의 초음파 진동자가 전후에서 진동하게 된 것도 있으나 뒤쪽 초음파 진동자와 앞쪽 초음파 진동자 간에 물리적인 진동간섭이 작용하여 두 초음파 진동자가 쉽게 파손되는 문제점이 있고 또한 뒤쪽 초음파 진동자의 출력의 일부가 앞쪽 초음파 진동자의 진동저항으로 작용하게 되어 열의 발생이 높고 진동출력이 감쇄되어 초음파 진동자의 출력이 별로 증강되지 못하는 미비점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하고 복수의 초음파 진동자의 출력을 그 초음파 진동자의 집합된 출력으로 높일 수 있는 새로운 '금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치'를 개발하였다.

본 발명의 목적은 복수의 공지한 초음파 진동자를 원형 지지판에 병렬로 배치하고 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 초경 팁의 플런저와 부스터를 결합하여 초음파 액추에이터를 형성하고 상기 액추에이터를 공압 실린더 내부에 조립하여 초음파 마이크로 단조기구로 형성된 '금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치'를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 초음파 진동자 측에 냉각용 공기를 공급하는 냉각기구인 보텍스 튜브(Vortex tube)를 상기 공압 실린더의 상부에 일조로 결합하여 보텍스 튜브에 의해 분리된 찬 공기는 초음파 진동자의 냉각용으로 공압 실린더 내부에 공급하고 더운 공기는 금속분자의 활성용으로 공급하여 단조효과를 높일 수 있는 '금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치'를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 초음파 발진기에서 약 28~50KHz의 초음파 진동 출력에 의해 초음파 진동자 간에 물리적인 진동 간섭이 없이 복수의 초음파 진동자의 각 출력이 집합된 고출력으로 플런저의 초경 팁을 진동시키고 약 0.4~0.8 bar의 공압으로 초음파 진동자의 지지판을 가압하여 진동되는 초경 팁에 의하여 베어링과 같은 금속 표면을 나노 사이즈로 마이크로 단조하여 금속의 표면 조도와 표면강도를 개질(改質)할 수 있는 '금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치'를 제공하는데 있다.

본 발명은 초음파 발진기의 출력에 의해 초음파로 각각 진동되는 공지된 복수 개의 초음파 진동자와; 상기 초음파 진동자가 등 간격의 병열로 배치되는 지지판과; 상기 지지판에 배치되어 고정된 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 밀착되어 각 초음파 진동자의 진동을 집합하여 증강하는 부스터(booster)와; 상기 부스터의 전면에 부착된 초경 팁(tip)의 플런저(plunger)의; 결합으로 초음파 액추에이터가 조립 형성되어 있다.

상기 초음파 액추에이터는 상기 지지판과 부스터에 의해 기밀성이 유지되게 공압 실린더의 내부에 설치되며, 공압 실린더의 뒤쪽 측판에는 초음파 액추에이터를 제어기의 제어신호에 따라 일정한 공압으로 가압하는 에어 콤프레서(compresser)와 연관된 공기도관이 관접되고, 상기 공압 실린더의 앞쪽 측판의 중앙 통공으로 상기 플런저가 외측으로 돌출되며, 초음파 진동자에 냉각공기를 공급할 수 있는 냉각기구인 보텍스 튜브의 찬 공기 유출구가 상기 공압 실린더의 상부 측에 관접되어 초음파 마이크로 단조기구로 구성된 것이다.

상기 초음파 액추에이터에서 복수의 초음파 진동자는 지지판의 전면에는 병렬로 형성된 설치 홈에 각각 배치되어 체결수단에 의해 지지판에 일체로 체결되고 상기 초음파 진동자의 전면에는 부스터가 밀착되여, 상기 부스터의 전면에 플런저의 부착판이 밀착되게 체결수단에 의해 상기 초음파 전동자와 직결되게 일체로 체결되어 있다.

또한 지지판의 원주면에 형성된 복수의 실링홈에 실링이 감합되어 있고, 상기 부스터의 원주면에는 나일론과 같은 질긴 탄성질의 실링이 감합되어 있어, 지지판 및 부스터와 공압 실린더의 내주면 간에 기밀성이 유지되어 있다.

따라서 공기도관을 통하여 공급되는 공압 실린더의 후방 측의 공기 압력에 의해 초음파 액추에이터가 공압 실린더의 전방으로 가압 되어 초경 팁이 금속표면에 소정의 압력으로 접촉 유지된다.

또한 초경 팁이 구비된 플런저의 부착판과 상기 부스터를 관통하여 복수의 초음파 진동자와 체결볼트가 직결되어 있기 때문에 복수의 각 초음파 진동자의 초음파 진동 출력이 플런저에 집속되어 보다 고출력으로 초경 팁이 작동될 수 있다.

또한 상기 보택스 튜브는 공지된 것으로 구조가 간단하면서 중간부의 공기 유입구로 유입된 공기를 찬 공기와 더운 공기로 분리하여 찬 공기는 튜브의 하단부의 유출구로 유출되고, 더운 공기는 튜브의 상단부의 유출구로 유출되는 특성이 있고, 구조가 간단하고 고장이 없어 본 발명에서 냉각기구로 채용된 것이다.

본 발명의 초음파 마이크로 단조기구는 설치의 편리성을 위해 박스형의 하우징에 내장하고 통상의 공작기계의 X축과 Y축으로 이동되는 이동대의 상면에 초음파 마이크로 단조기구의 하우징을 장착하여 플런저의 초경팁이 금속표면 가공물을 향하도록 한다.

공작기계의 회전축에 구비된 척에 금속표면 가공물을 고정하고 일정한 회전속도로 회전되게 한다. 상기 이동대의 X축 방향 이동핸들과 Y축방향 이동핸들을 조작하여 초음파 마이크로 단조기구의 초경 팁이 가공할 금속표면의 일 측에 접촉되게 한다.

냉각기구인 보텍스 튜브의 공기 유입구에 콤프레서와 연관된 공기도관을 관접하여 냉각공기에 의해 초음파 진동자를 냉각시킬 수 있게 하고 또한 콤프레서에 연관된 공기도관을 통하여 공압 실린더 내부의 후방에 약 0.4~0.8 bar의 압축공기를 공급하여 지지판을 통하여 초음파 액추에이터를 전방으로 가압 유지시킨다.

한편 초음파 발진기로부터 송출되는 약 28~50KHz의 초음파 출력에 의해 초음파 액추에이터의 초음파 진동자가 진동되게 한다, 상기 진동은 부스터에 집속되어 플런저에 전달되며 전달된 진동에 의해 초경 팁이 초음파 진동으로 금속표면을 나노 사이즈(nano-size)로 타격하여 마이크로 단조하게 된다.

이때 보텍스 튜브의 중간부의 공기 유입구로 공급된 공기는 보텍스 튜브의 물리적인 작용에 의해 찬 공기와 더운 공기로 분류되면서 찬 공기는 튜브의 하단부측 유출구를 통하여 초음파 액추에이터 내부의 초음파 진동자에 공급되어 초음파 진동에 의해 발생되는 열을 냉각시키고 냉각작용(열교환작용)으로 더워진 공기는 필터가 구비된 배출구를 통하여 공압 실린더 외부로 배출된다.

또한 상기 보텍스 튜브의 상단부의 유출구로 유출되는 더운 공기는 안내관을 통하여 초경 팁에 의해 마이크로 단조가 이루어지는 금속표면 가공물 측으로 송풍 되어 금속표면의 분자활성을 촉진되게 한다.

본 발명의 초경 팁에 의한 마이크로 단조는 기본적으로는 금속을 가열하지 않는 냉간단조(冷間鍛造)이다. 그러나 국부적으로 금속표면을 40~100℃의 온도로 가온하게 되면 금속분자의 활성에 의해 냉각상태의 금속에 충격을 가할 때의 표면 크랙이나 캐비테이션의 붕괴 등의 현상(現狀)이 없이, 보다 양호하게 나노 사이즈로 금속표면이 개질(modify) 된다.

가공할 금속의 재질, 경도 , 표면처리의 정도 등에 따라 제어부에 의해 초음파 발진기의 주파수조정, 공압 실린더의 압력조정, 냉각기구의 공기유입조정 등을 적절히 실행한다.

초음파 진동기에 의해 금속표면을 나노 사이즈로 수정하거나 개질하는 것은 공지의 기술이나, 본 발명은 공지한 초음파 진동자 복수 개를 지지판에 병열로 배치하고 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 진동을 집속(集束)하여 증강하는 부스터와 초경 팁을 작동시키는 플런저가 일체로 결합되어 초음파 액추에이터를 형성하고 상기 액추에이터를 공압 실린더에 설치하며, 초음파 진동자를 냉각하기 위한 보텍스 튜브를 상기 공압 실린더에 결합하여 초음파 마이크로 단조기구를 구성하였기 때문에 초음파 진동자의 물리적인 간섭이 없어, 초음파 진동자의 파손의 우려가 없이 복수의 초음파 진동자의 출력이 집합되어 보다 고출력으로 초경 팁이 작동되므로 초음파 마이크로 단조기구의 기능이 그만큼 향상되고 보다 능률적으로 금속표면이 나노 사이즈로 양호하게 개질되어 금속표면의 캐비테이션(cavitation)의 내침식성의 증대와 금속의 표면조도(surface roughness) 및 표면강도(surface hardness)가 보다 증대되는 점에서 종래의 것과 차별되는 구성 및 작용효과의 현저한 특징 있다.

또한 초음파 마이크로 단조기구의 구성이 간단하면서 견고하고 타이트 하여 고장이 거의 없고 기구의 소형화가 구조적으로 가능하며, 운반 취급이 용이할 뿐 아니라 작업성이 양호하여 베어링 제작, 각종 금속표면 가공등에 매우 유용하게 적용할 수 있다.

본 발명은 복수의 공지한 초음파 진동자가 원형 지지판에 병렬로 배치되고 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 초경 팁의 플런저와 부스터가 결합되어 초음파 액추에이터를 형성하고 상기 액추에이터가 공압 실린더 내부에 조립되어 구성되었기 때문에 각각의 초음파 진동자의 진동출력이 집합되어 보다 고출력으로 초경팁을 작동시키어 보다 능률적이고 양호하게 금속표면을 나노 사이즈로 초음파 마이크로 단조가 가능하다.

또한 보텍스 튜브에 의해 분리된 찬 공기에 의해 초음파 진동자의 발열을 냉각하는 동시 분리된 더운 공기에 의해 가공하는 금속표면을 가온할 수 있어 형성하였기 때문에 냉각기구가 간단할 뿐 아니라 찬 공기와 더운 공기를 동시에 얻을 수 있는 이점이 있고 또한 초음파 진동자가 냉각에 의해 기능의 열화(劣化)가 방지되며 초음파 마이크로 단조 시에 더운 공기의 접촉으로 금속표면에 미세한 크랙(crack)이 방지되어 금속표면이 보다 양호하게 개질될 수 있다.

또한 초음파 마이크로 단조기구의 구조가 간단하여 고장의 우려가 거의 없고 운반 취급이 용이하며 사용이 간편하며, 초음파 마이크로 단조기구의 기능이 보다 향상되어 베어링 제작, 또는 각종 금속표면의 개질에 유용하게 적용할 수 있는 등의 여러 가지 효과가 있다.

도1은 본 발명의 분리 사시도
도2는 본 발명의 단면 예시도
도3은 본 발명의 사용상태의 평면 예시도

본 발명의 한 실시예를 들어 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1에 표시된 바와 같이 초음파 발진기(F)와 도선(ℓ)이 연결되어 초음파 출력에 의해 진동되는 복수(도면에 3개)의 초음파 진동자(1)의 후단부(1a)가 원형 지지판(2)의 전면에 요입되게 형성된 배치홈(2a)에 삽입되게 등 간격으로 배치되어 볼트(1b)에 의해 상기 초음파 진동자(1)가 지지판(2)에 고정되게 체결되고, 또한 상기 복수의 초음파 진동자(1)의 전면에 초음파 진동자의 진동을 집합하여 출력을 증강하는 원형의 부스터(booster)(3)가 밀착되며, 초경 팁(4t)의 플런저(4)가 부착판(4a)에 의해 상기 부스터(3)의 전면에 밀착되도록 부착판(4a)에 구비된 체결공(4h)을 통하여 체결나사(4s)가 상기 부스터(3)에 구비된 통공(3h)을 관통하여 상기 초음파 진동자(1)의 전면에 구비된 나사공(1h)에 일체로 결합되어 초음파 액추에이터(A)가 조립된다.

도1 및 도2에 표시된 바와 같이, 상기 초음파 액추에이터(A)는 지지판(2)과 부스터(3)에 의해 공압 실린더(5)의 내부에 설치되고, 상기 공압 실린더(5)의 뒤쪽 측판(5b)의 중앙부에 구비된 공기 유입구(5c)에 도시되지 않은 콤프레서에 연관된 공기도관(d1)이 관접되고, 상기 공압 실린더(5)의 앞쪽 측판(5a)의 중앙 통공(5h)으로 상기 플런저(4)가 외부로 돌출되어 있다.

초음파 액추에이터(A)의 중간 위치의 공압 실린더(5)의 상부 측에 구비된 공기유입구(5c)에 냉각기구인 보텍스 튜브(6)의 하단부 측 찬공기 유출구(6c)가 관접되고 중간의 공기 유입구(6a)에는 콤프레서와 연관된 공기도관(d2)이 관접되며, 상기 보텍스 튜브(6)의 상단부 측 더운 공기 유출구(6b)에 공기 유도관(d3)이 관접되어 상기 공기 유도관(d3)으로 공급되는 더운 공기에 의해 초경 팁(4t)이 작용하는 금속표면이 가온하게 되며 공압 실린더(5)의 타 측에 상기 초음파 진동자의 냉각공기의 열교환작용에 의해 더워진 공기가 배출되는 배출구(ex)가 구비되어 초음파 마이크로 단조기구(B)로 구성된 것이다.

상기 초음파 액추에이터(A)를 구성하고 있는 지지판(2)의 원주면(2d)에 형성된 복수의 실링홈(2u)에 실링(2r)이 감합 되고, 상기 부스터(3)의 원주면(3d)에는 나일론과 같은 질긴 탄성질의 실링(3r)이 감합 되어 있어, 지지판(2) 및 부스터(3)와 공압 실린더(5)의 내주면 간에 기밀성이 유지되어 있다.

도면중 미설명부호 C는 초음파 마이크로 단조기구(B)가 내장되는 하우징, PC는 중앙제어부, M은 공작기계, m은 이동대, h1은 X축 방향 이동핸들, h2는 Y축 방향 이동핸들이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 초음파 마이크로 단조기구(B)는 도2 및 도3에 표시된 바와 같이, 설치의 편리성을 위해 박스형의 하우징(C)에 내장하고 통상의 공작기계(M)의 X축과 Y축방향으로 이동되는 이동대(m)의 상면에 초음파 마이크로 단조기구(B)의 플런저(4)가 금속표면 가공물(S)을 향하도록 하우징(C)을 장착한다.

공작기계(M)의 회전축에 구비된 척에 금속표면 가공물(S)을 고정하고, 일정한 회전속도로 회전되게 한다. 상기 이동대(m)의 X축 방향 이동핸들(h1)과, Y축방향 이동핸들(h2)을 조작하여 초음파 마이크로 단조기구(B)의 초경 팁(4t)이 가공할 금속표면의 일 측 표면의 금속표면가공물(S)에 접촉되게 한다.

냉각기구인 보텍스 튜브(6)의 중간의 공기유입구(6a)에 관접된 공기도관(d2)을 통하여 냉각공기를 공급하며, 또한 공압 실린더(5)의 공기도관(d1)을 통하여 콤프레서로부터 약 0.4kg/㎠의 압력으로 공기를 공급하여 초음파 액추에이터(A)의 지지판(2)을 전방으로 가압 유지시킨다.

한편 초음파 발진기(F)에서 출력되는 약 28KHz의 초음파 출력에 의해 초음파 액추에이터(A)의 초음파진동자(1)가 진동된다, 상기 진동은 부스터(3)에 집속(集束)되어 부착판(4a)을 통하여 플런저(4)에 전달되며 플런저(4)의 선단부에 구비된 초경 팁(4t)이 초음파 진동으로 금속표면을 나노 사이즈로 마이크로 단조하게 된다.

이때 보텍스 튜브(6)의 공기 유입구(6a)로 공급된 공기는 더운 공기와 찬 공기로 분류되어 찬 공기는 보텍스 튜브(6)의 하단부 측 찬 공기 유출구(6c)로 유출되어 초음파 액추에이터(A)의 초음파진동자(1)를 냉각시킨다. 냉각 중에 열교환작용으로 더워진 공기는 공압 실린더(5)에 구비된 배출구(ex)로 배출된다.

상기 보텍스 튜브(6)에서 분리된 더운 공기는 보텍스 튜브(6)의 상단부 측 더운 공기 유출구(6b)로에 관접된 공기 유도관(d3)을 통하여 초경 팁(4t)에 의해 마이크로 단조가 이루어지는 가공하는 금속표면 가공물(S) 측으로 송풍 되어 금속표면의 가온에 의해 분자 활성화를 촉진(促進) 시킨다.

국부적으로 금속표면 가공물(S)을 가온하게 되면 금속분자의 활성에 의해 냉각상태의 금속에 충격을 가할 때의 표면 크랙(crack)이 없이, 보다 양호하게 나노 사이즈로 금속표면이 개질 된다.

공작기계(M)의 이동대(m)를 자동으로 X축 방향으로 이동되게 하면 금속표면 가공물(S)의 회전과, 초음파 마이크로 단조기구(B)의 단조작용의 연속에 의해 금속표면을 나노 사이즈로 개질하게 된다.

가공할 금속의 재질, 경도 , 표면처리의 정도 등에 따라 중앙제어부(PC)에 입력된 프로그램에 의해 초음파 발진기의 주파수조정, 공압 실린더의 압력조정, 냉각기구의 공기유입 조정 등을 실행한다.

본 발명의 실시예에서 복수개의 초음파 진동자(1)가 지지판(2)에 병열로 배치되고 초음파 진동자의 전면에 부스터(3)와 초경팁(4t)의 플런저(4)가 결합되어 초음파 액추에이터(A)를 형성하고, 상기 액추에이터(A)를 공압 실린더(5)에 설치하며 냉각기구인 보텍스 튜브(6)를 공압 실린더(5)에 결합하여 초음파 마이크로 단조기구(B)를 구성하였기 때문에 종래의 초음파 진동자에 비하여 복수의 초음파 진동자의 출력이 집합되어 보다 고출력으로 초경 팁(4t)이 작동되므로 초음파 마이크로 단조기구(B)의 기능이 그만큼 향상되고 보다 능률적으로 금속표면이 나노 사이즈로 단조되어 금속의 표면조도(surface roughness)와 표면강도(surface hardness)가 보다 증대된다.

또한 초음판 마이크로 단조기구(B)의 구성이 간단하면서 견고하고 타이트 하여 고장이 거의 없고 기구의 소형화가 구조적으로 가능하며, 운반 취급이 용이할 뿐 아니라 작업성이 양호하여 베어링 제작, 각종 금속표면 가공 등에 매우 유용하게 적용할 수 있다.

1 : 초음파 진동자, 1a : 진동자의 후단부, 1b : 볼트, 1h : 나사공.
2 : 지지판, 2a : 배치홈, 2d : 원주면, 2u : 실링홈, 2r : 실링.
3 : 부스터, 3d : 원주면, 3h : 통공, 3r : 실링
4 : 플런저, 4a : 부착판, 4h : 체결공, 4s : 체결나사, 4t : 초경 팁.
5 : 공압 실린더, 5a : 앞쪽 측판, 5b : 뒤쪽 측판, 5h : 통공, 5c : 공기 유입구.
6 : 보텍스튜브, 6a :공기 유입구, 6b : 더운 공기 유출구, 6c : 찬 공기 유출구.
d1.d2 : 공기도관, d3 : 공기 유도관, ex : 배출구, m : 이동대.
h1 : X축 방향 이동핸들, h2 : Y축 방향 이동핸들.
A : 초음파 액추에이터 B :초음파 마이크로 단조기구 F : 초음파 발진기
PC :중앙 제어부 M : 공작기계 S : 금속표면 가공물 C : 하우징

Claims

금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치에 있어서,
초음파 발진기에서 송출되는 초음파 출력에 의해 진동되는 복수의 초음파 진동자(1)와; 상기 초음파 진동자가 병열로 배치되는 원형의 지지판(2)과; 상기 지지판에 배치된 상기 복수의 초음파 진동자의 전면에 밀착되어 각 초음파 진동자의 진동을 집합하는 원형의 부스터(3)와; 상기 부스터의 전면에 밀착된 부착판과 상기 초음파 진동자에 체결나사가 체결된 초경 팁의 플런저로 형성된 초음파 액추에이터(A)와,
상기 초음파 액추에이터(A)가 콤프레서의 공기도관이 뒤쪽 측판의 공기 유입구에 관접된 공압 실린더에 설치되어 상기 공압 실린더의 앞쪽 측판의 중앙 통공으로 상기 플런저가 돌출되고, 상기 공압 실린더의 상부 측에 초음파 진동자의 냉각기구인 보텍스 튜브가 구비되어 초음파 마이크로 단조기구(B)로 구성된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.
제1항에 있어서,
초음파 액추에이터(A)는 복수의 초음파 진동자가 지지판에 구비된 배치홈에 병렬로 배치되어 볼트로 고정되고, 상기 초음파 진동자의 전면에 부스터와 플런저의 부착판이 일체로 체결나사에 의해 체결되어 구성된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.
제1항에 있어서,
초음파 마이크로 단조기구(B)는 공기 도관이 공압 실린더의 뒤쪽 측판에 관접된 공압실린더에 설치하여 상기 공압 실린더의 앞쪽 측판의 통공으로 플런저가 외부로 돌출되고 상기 공압 실린더의 상부 측에 초음파 진동자의 냉각을 위한 보텍스 튜브가 관접되어 구성된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.
제1항에 있어서,
초음파 마이크로 단조기구(B)는 박스형의 하우징(C)에 내장되어 공작기계(M)의 이동대(m)에 설치할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.
제1항에 있어서
초음파 마이크로 단조기구(B)의 공압 실린더 내부에 설치된 초음파 액추에이터(A)는 0.4~0.8bar의 공기압력의 가압에 의해 플런저의 초경 팁으로 가공되는 금속표면가공물(S)에 접촉 유지되고, 초음파 진동자는 초음파 발진기(F)로부터 송출되는 28~50KHz의 초음파 출력으로 진동되어 초경 팁이 금속표면을 나노 사이즈로 단조하게 된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로단조장치.
제1항에 있어서
초음파 마이크로 단조기구(B)의 공압 실린더의 상부 측에 구비된 보텍스 튜브에 의해 분류된 찬 공기는 초음파 진동자의 냉각용으로 공급되고, 열교환작용으로 더워진 공기는 공압 실린더의 타 측에 구비된 배출구(ex)로 배출되며, 분류된 더운 공기는 공기의 유도관(d3)을 통하여 초경 팁이 작용하는 금속표면을 가온하게 된 것을 특징으로 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.
제1항에 있어서,
초음파 액추에이터(A)의 지지판의 원주면에 실링이 감합되고 부스터의 원주면에 실링이 갑합되어 공압 실린더와 기밀성이 유지하게 된 것을 특징으로 하는 금속의 나노 사이즈 표면 개질용 초음파 마이크로 단조장치.