초음파 하이브리드 드릴링 기구 설계 및 이를 이용한 이종재료 가공성 향상
Ultrasonic drilling mechanisym design and it’s Improved machining characterisfics for multi-material
- 주제(키워드) 초음파 드릴링 , 초음파 하이브리드 드릴링 , 이종재료 , 알루미늄 , 탄소섬유강화플라스틱
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이문구
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032607
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
As various materials are used in the aerospace industry, different types of materials are combined and used. In order to use it as a material for aircraft, structurally high rigidity and strength are required, and it must be resistant to breakage and fatigue while being easy to manufacture and low cost. Materials mainly used in the aerospace industry include steel, titanium, aluminum, etc. Additionally through the use of composite materials, the same characteristics as mentioned above are sought to be satisfied. For this reason, the use of stack materials combining metal and composite materials is increasing. In order to use these various materials, combining is required, and a drilling process for riveting bonding is essential. In order to improve manufacturing efficiency, drilling to simultaneously drill different materials is required, and machining defects that occur during drilling in CFRP/Metal Stack material, which is a multi-material, were analyzed. As typical machining defect of the two different materials, CFRP has Delamination and metal has burr. Due to simultaneous drilling of CFRP and metal, continuous chips generated from the metal layer are discharged along the drill helix and cause surface damage of the CFRP layer. In order to solve the machining defects that occur in multi-material drilling, ultrasonic hybrid drilling, a processing method in which cutting using a drill tool and ultrasonic cutting using ultrasonic vibration are combined was presented. In order to design a transduser system having the maximum amplitude of the ultrasonic tool, the longitudinal resonant frequency of the drill tool was measured, and the ultrasonic tool was designed to be 1/2 of the wavelength in consideration of the resonant frequency of the drill tool. In order to reduce processing defects caused by continuous chips, the ultrasonic amplitude at which pulverized chips are generated was selected. The resonance system and amplitude of the ultrasonic tool were simulated through FEM analysis. The produced ultrasonic tool was verified by measuring the amplitude at each position with a laser vibrometer system. A power supply device possible of supplying power while rotating was designed for testing in a CNC machine. Conventional drilling and ultrasonic hybrid drilling were compared using CFRL/AL Stack a multi-material as a sample. In the ultrasonic hybrid drilling experiment the amplitude of ultrasonic vibration was varied. As a result of the experiment, the ultrasonic effect was confirmed through the reduction of thrust force and generation of pulverized chips. It was shown that machining defects (delamination, burr, surface roughness) were improved in ultrasonic hybrid drilling. Through the analysis of the results it was possible to select the optimal drilling conditions at appropriate ultrasonic amplitudes.
more초록/요약
우주항공산업에서 다양한 소재를 활용하게 되면서 서로 다른 이종 소재를 결합하여 사용하게 되었다. 항공기에 소재로 사용하기 위해서는 구조적으로 높은 강성 및 강도가 필요하고 파손과 피로에 강하면서도 제작이 쉬어 비용이 적게 발생해야한다. 항공산업에서 주로 사용되고 있는 재료는 강철, 티타늄, 알루미늄 등이 있으며, 추가로 복합재 사용을 통해 위와 같은 특성을 만족하려고 한다. 때문에 금속과 복합재를 결합한 Stack 소재의 사용이 증가되고 있다. 이런 다양한 소재를 사용하기 위해서는 결합이 필요하고 리벳팅 결합을 위한 드릴링 공정이 필수이다. 제조 효율성을 향상시키기 위해 이종재료를 동시에 뚫는 드릴링 가공이 필요하며, 이종재료인 CFRP/Metal Stack 소재에서 드릴링 가공 시 발생하는 가공결함을 분석하였다. 각기 다른 두 소재의 대표적인 가공결함으로 CFRP는 박리, Metal은 버가 있다. CFRP와 Metal의 동시 드릴링 가공으로 인하여 Metal 층에서 발생하는 연속 칩이 드릴 나선을 따라 배출되며 CFRP 층의 표면 손상을 발생시킨다. 이종재료 드릴링에서 발생하는 가공결함을 해결하기 위하여 드릴 공구를 이용한 절삭가공과 초음파 진동을 이용한 초음파 절삭이 함께 이루어지는 가공방식인 초음파 하이브리드 드릴링을 제시하였다. 초음파 툴의 최대 진폭이되는 공진계 설계를 위해 드릴 공구의 종방향 공진주파수를 측정하고, 드릴 공구의 공진주파수를 고려하여 파장길이의 1/2이 되도록 초음파 툴을 설계하였다. 연속 칩으로 인해 발생하는 가공결함을 줄이기 위해 분쇄 칩이 발생하는 초음파 진폭을 선정하였다. 초음파 툴의 공진계 및 진폭을 FEM 해석을 통해 시뮬레이션하였다. 제작된 초음파 툴을 위치 별 진폭을 레이저 변위 시스템으로 측정하여 검증했다. 상용가공기에서 실험하기 위해 회전하면서 전원공급이 가능한 전원공급 장치를 설계하였다. 이종재료인 CFRL/AL Stack을 시편으로 일반 드릴링과 초음파 하이브리드 드릴링을 비교하였다. 초음파 하이브리드 드릴링 실험에서 초음파 진동의 진폭을 변경하면서 실험하였다. 실험 결과로 절삭추력 감소와 분쇄 칩 생성을 통해 초음파 효과를 확인하였다. 초음파 하이브리드 드릴링에서 가공결함(박리, 버, 표면거칠기)이 개선됨을 보였다. 초음파 효과가 클수록 가공결함이 개선되진 않았으며, 결과 분석을 통해 적절한 초음파 진폭에서 최적 가공조건을 선정 할수 있었다.
more목차
제 1장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 CFRP/Metal Satck 가공 특성 2
1.3 연구 목적 5
제 2 장 초음파 하이브리드 가공 메커니즘 6
2.1 초음파 하이브리드 가공 원리 6
2.2 초음파 하이브리드 드릴링을 통한 분쇄 칩 원리 7
제 3 장 초음파 하이브리드 툴 설계 10
3.1 초음파 진동자 구성 10
3.2 드릴 공구의 종방향 공진주파수 측정 10
3.3 수치해석을 통한 공진계 설계 12
3.4 레이저 변위 시스템을 이용한 진동자 특성 분석 15
3.5 가공 실험을 위한 부가 장치 설계 17
제 4 장 CFRP/AL Stack 초음파 드릴링 실험 19
4.1 CFRP/AL Stack 초음파 드릴링실험 조건 19
4.2 CFRP/ALStack 초음파 드릴링실험 결과 21
4.3 CFRP/ALStack 초음파 드릴링실험 결과 분석 26
제 5 장 결론 30
참 고 문 헌 31
