[정밀가공]AE(Acoustic Emission)신호 특성 & 절삭가공

 흔히 사용되고 있는 비파괴 검사방법 중에서 초음파와 AE가 있습니다. 먼저 AE(acoustic emission)를 초음파(ultrasonic emission)과 비교하여 설명을 해보겠습니다.

 초음파는 산업용으로 대상체를 분리시키거나 빠르게 흔들어 주는 매개체로 사용할 수도 있지만 일반적으로 초음파를 발생하여 반사하여 오는 초음파를 읽어들임으로서 대상체의 형상이나 거리를 측정하는 용도로 사용됩니다. 또한 비파괴(Non Destructive Test)검사에 사용되기도 하는데 재료의 균열이나 어군탐지, SONA, 공간(기포,Cavity)의 확인방법에 방사능보다 비교적 안전한 방법으로 인식되고 있습니다. 이것을 Ultrasonic(초음파 탐상법, 균열확인법)이라고 합니다.

반면에 AE(acoustic emission)은 대상물에서 발생하는 이상마찰음, 구조균열 등을 초음파를 이용하여 확인하는 방법을 말합니다. Waveguide를 타고 표면을 전달하는 초음파와 Lamb파를 이용한 구조안전모니터링(SHM, Structural Health Monitoring)으로서 구조(압력탱크, 교량, 항공기, 건축물 및 기타 대형구조)의 안전성 모니터링기법에 활용됩니다. 또한 MHM(Machine Health Monitoring)의 예로서 베어링의 이상 마찰음(결함)이나 가스누출(Air Leakage)의 확인에도 활용됩니다.

 다시 정리하면, 초음파는 신호 초음파를 보내고 받으면서 구조의 형태 및 안전성을 확인하는 방법이고 AE는 발생초음파를 받으면서 구조의 안전성을 확인하는 방법이라고 할 수 있습니다.

 이러한 AE의 특성을 다시 정리해보면 다음과 같습니다. 재료 내에서 발생된 음향방출은 횡파, 종파 및 표면파의 형태로서 재료 내를 진행합니다. 또 응향펄스는 재료의 표면에 압전재료로 된 검출기를 부착, 검출하여 전기신호로 변환되고 이 신호를 증폭, 정형하여 장시간에 걸쳐 계수하면 그 재료의 소성변형 또는 결함의 유무 등을 추정하는 것이 가능해집니다. 재료 및 구조물에 대해서 건전성의 판정, 재질 진단, 탐상검사, 파손의 검사나 예지 등을 수행할 수도 있으며 검출기를 다수 설치하여 자신의 진원지 추정과 마찬가지로 각 검출지점에 도달하는 음향방출의 시간차에 의해 음향방출의 발생지점을 추정할 수 있습니다. 일반적으로 AE는 고체의 내부구조가 외부하중의 영향에 의해 재배치를 이루면서 변형에너지가 급격히 풀림에 따라 방출되는 일종의 탄성응력파로 알려져 있습니다. 정적인 균열이나 파괴 등의 감지에 유효한 레이저, 초음파 등과 달리 AE는 동적인 상태에서 발생하는 균열이나 파괴 등의 감지에서 실효를 거두고 있습니다. AE 센서는 높은 민감도를 가지고 있고, 진동이나 잡음보다 높은 주파수 대역을 가지고 있기 때문에 마이크로 가공 현상 파악에 유용합니다. 하지만 이러한 AE도 단점이 있습니다. 내적조건으로는 재료의 종류나 물성, 내재하는 불안정한 결함의 종류나 양이 있고 외적조건으로는 하중이나 온도 등이 있습니다.

 

 이러한 AE신호의 파라미터를 통해 절삭가공에서 모니터링을 하는 방법은 다음과 같습니다. 먼저 카메라를 통해 공구와 공작물 사이의 거리를 측정한 후 원점 세팅을 합니다. 하지만 카메라에 보여지는 이미지로 공작물과 공구 접촉점이나 간격의 측정은 정적인 상태에서 이루어지게 됩니다. 이러한 경우 측정오차와 기계의 주축회전이나 이송시 운동오차가 발생하게 되므로 초기 정적인 상태에서 발생한 오차의 보정은 가공이 진행된 상태에서 이루어져야 합니다. 원점세팅에서 공작기계의 이송시 가감속 영향을 최소화하기 위해 공구와 공작물 간의 거리를 충분하게 설정하고 가공시간을 측정하면 가공된 절삭깊이를 예측할 수 있습니다.

AE & monitering system

 그림을 이용하여 설명을 하면 다음과 같습니다. 재료에서 탄성응력파 방사는 결함이 시작되거나 전파되어 source-time 함수 S(t)의 시작으로 이어질 때 발생하게 됩니다. 재료 내에서 전파되는 응력파는 재료의 표면에 도달하여 기계적 교란을 유발합니다. 동적 표면 변위(u(t))과 같은 기계적 외란은 AE 변환기에 의한 전기 신호 V(t)로 변환됩니다. 동적 표면 변위는 결함 소스 유형에 따라 낮은 에너지 함량을 가질 수 있으므로, 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환하기 전에 증폭이 요구됩니다. 이로 인해 기록된 AE 신호는 여러 가지 방법으로 평가되고, 그림의 점선이 나타내는 바와 같이 전파 탄성응력파가 결함 소스의 특정에 대한 정보를 전달함에 따라 신호 평가는 결함 소스를 찾아 특성화하게 됩니다. AE 신호의 파라메타를 통해 절삭가공에서 모니터링을 할 때 성공적인 결과를 얻기 위해서는 기록된 AE 신호를 적절히 평가하는 것이 중요합니다.

또 AE의 주파수 함량과 진폭은 결함 소스의 출처와 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어, 미시적 원점 결함 소스는 미시적 원점 결함 소스와 비교하여 작은 면적 또는 부피를 포함하기 때문에, 함수의 진폭은 비교적 약합니다. 상이한 결함 소스의 진폭 및 주파수 함량의 변화는 결함 소스의 기원 및 유형에 따라 민감한 AE 변환기 및 상이한 주파수 AE 변환기를 필요로 합니다. 만약 AE 트랜스듀서의 감도와 주파수 대역이 충분하지 않으면 다른 결함 소스의 감지확률이 줄어들 수도 있습니다.