방전가공이란?

개요  방전가공(Electrical Discharge Machining, EDM)이란 스파크 가공(spark machining)이라고도 하는 데, 그 이름에서 보는 것처럼 전기의 양극과 음극이 부딪칠 때 일어나는 스파크로 가공하는 방법이다.   스파크로 일어난 열 에너지는 가공하고자 하는 재료를 녹이거나 기화시켜 제거함으로써 원하는 모양으로 만들어 준다.  물론 방전은 아주 작게 또 아주 빠르게 일어나도록 제어되고, 시편의 가공부분은 아주 작은 입자가 되어 녹거나 기화되어 제거되기 때문에 정밀가공이 가능하게 된다
이 방전가공의 절대조건은 스파크를 일으키기 위해 양극 역할을 하는 시편이 전기적으로 전도성을 띄어야 한다는 것이다. 이 조건 때문에 금속가공에서는 이미 십여년 전부터 방전가공이 널리 쓰여왔다.  방전가공방식에는 특정형상의 전극을 사용하여 그 형상을 투영가공 하는 형조방전가공 방식과 와이어에 의한 윤곽가공방식이 있다

가공전극과 공작물을 가공액(물,방전유)같은 액체 속에서 0,04∼0.05mm 정도의 간격(GAP)을 두고 100V 정도의 전압을 걸어주면 표면의 소돌기부에서 방전이 일어난다. 이 방전때문에 가공액과 가공물 표면이 용융하고. 증발하여 용융부의 대부분을 날려버리고, 그 일부는 가공물의 바닥이나 주변에 부착하여 CRATER를 생성한다(즉, 그압력으로 가공물에 부딧쳐서 그부분을 파내 버린다 일종의 미세 폭발현상). 이 현상을 반복하는 것이 방전가공이다.

즉, 액 중에서 방전에 의하여 생기는 전극의 소모되는 현상을 가공에 이용한 것이며
일반적으로 양극 측이 소모가 크므로 가공물을 양극으로하고, 전극은 음극이 된다.
WIRE CUTTING 가공도 이원리로 전극이 WIRE(동선,황동선)가 되는 것이며, 기계의 운전 방법이 CNC제어방식으로 된다

방전가공의 특징

(1) 전기 방전에 의한 높은 열에너지로 아주 단단한 재료도 쉽게 가공 할 수 있다.
 (2) 기계적인 응력을 가하지 않고 가공이 가능하다.
 (3) 정밀 가공이 가능하다.
 (4) 컴퓨터 수치제어기(CNC)와 연결하여 공정의 프로그램화, 자동화가 가능하다.
 (5) 공작물의 경도에 관계없이 가공된다.
 (6) 인성 취성이 큰 재료가공에 용이하다.
 (7) 정도가 높은 가공을 할 수 있다.
 (8) 가공형상이 복잡한 가공에 적합하다.
 (9) 기계가공으로 변형이 쉬운 경우의 가공에 용이하다

 

방전가공의 원리

(1) 방전가공의 원리 : 전극과 공작물에 +, -전압을 걸고 수μ까지 접근시키면 불꽃 방전이 발생하고,  절연 파괴현상이 나타나는데 이 현상을 방전이라 한다.
(2) 방전가공의 진행 과정
  1) 전압 상승에 따른 방전의 진행과정
      암류 --> 코로나 방전 --> 불꽃 방전 --> 아크 방전
  2) 방전진행에 따른 가공 과정

① 전극과 피가공물과는 수 미크론의 거리로 근접해 있고 거리가 가장 가까운 곳에서 불꽃이 일어난다. 불꽃은 즉시 미세한 아크기둥으로 되고 그 즉시 전류밀도가 높은 전가가 흘러 피가공체의 한 점을 때리게 된다.
② 여기에서 열에 의해 주변의 가공유는 기화 상태로 된다
③ 방전에 의해 생성된 가공유의 급격한 기화팽창에 의해 녹은 피가공체와 전극, 둘 다 커다란 압력이 미치게 된다.
④ 금속의 녹은 부분은 작은 구슬모양으로 비산하여 가공액 안으로 확산되면서  피가공체와 전극에 남게 된다.
⑤ 융해된 금속이 비산되고나면 그 뒤에는 그 부근의 차가운 기름이 들어와서 아직 남아 있는 열을  급격하게 없앤다

방전가공의 장단점

 (1) 장 점
    1) 공작물이 전도성을 가지고 있으며 가공상에 제약을 받지 않는다.
    2) 이형상을 비교적 좋은 정도로 가공할 수 있다.
    3) 전극과 가공물에 기계적인 힘이 가해지지 않은 상태에서 가공이 가능하다.
    4) 가공면이 균일하다. (면 거칠기 : Ø0.1-1.000n 정도 이내)
    5) 가공확대 여유가 일정하고 고정밀도가 보장된다.
    6) 불가능한 제품이 거의 없다.
    7) 가공표면의 열변질층, 두께가 균일하며 마무리 가공이 쉽게 된다.
    8) 미세한 구멍이나 홈 가공이 가능하다. ( Ø0.1mm이상)
    9) 가공성이 높고 계획성이 크다.

  (2) 단 점
    1) 가공에 필요한 전극이 준비되어야 한다.
    2) 전극 소재에 제한이 있습니다. (Cu, Gr, Ag-W, Cu-W)
    3) 가공 도중에 소프트를 필요로 한다.
    4) 일시적인 가공 속도는 느리다.
    5) 가공액은 일반적으로 등유를 사용하므로 화재에 특히 주의해야 한다.
       (방전가공유를 사용 할 수도 있음.)
    6) 가공 부위보다 가공액 표면이 최소 50m/m이상 높아야 하므로 가공액울 채우는 시간
       동안은 가공을 해서는 안된다. (화재가 발생할 우려가 있음.)

 

응용분야

  (1) 스템핑 다이
제작속도가 빠르고 경비가 절감되며 정밀도를 향상시키며 부품 디자인을 개선할 수 있다.   방전가공으로 제작한 부품의 마무리 가공시간을 줄일 수 있으며, 오차 한계를 낮출 수 있다. 품질을 향상할 수 있으며 열처리 시간이 절약되고 다이 부품 호환성을 높일 수 있다. 기존다이의 설계 변경이 용이하고. 다이 수명이 연장 되며, 다이 입구를 복잡하게 제작 가능하다.
(2) 와이어 드로우다이스
와이어 드로우다이 재질의 경도와 밀도가 높으므로 가공 속도가 빠르다.
(3) 사출금형
분할 제작없이 깊은 홈이나 사각구멍 가공이 가능하다.  깊고 가공하기 어려운 부분의 가공이 용이하며.   기계가공으로 어려운 조각 작업이 가능하다.  볼록 조각이나 글자 조각 속도가 빠르고 열처리없이 리워크가 가능하다.    고급합금사용으로 금형 수명을 연장시킬 수 있다.  인써트를 줄임으로 설계 경비를 절감할 수 있다.
  (4) 압출다이
열처리 끝난 재료에 다이제작할 수 있다. 추가 컷팅없이 연마가 용이하고 복잡한 형상도 균일하게 제작가능하다. 부릿지 다이의 부품과 맨드렐을 동시에 제작할 수 있다.
  (5) 다이캐스팅 금형
플라스틱 사출금형의 경우와 같으며 실제적인 다이 케스팅 제품으로 방전이 가능하다. 트림다이 제작의 간소화가 가능하다.

 

방전가공기란?

방전가공기의 원리
 방전은 전자나 중성입자의 이동에 기인하는 것이다. 전극간에 수십에서 수백볼트의 전압을 걸면 (-)전극에서 (+)전극을 향하여 전자가 튀어 나간다.
 전자는 도중에 서로 충돌하면서 공기중의 기체입자와도 충돌을 일으키며 이때 전리 작용이 발생하여 전자의 수가 늘어난다.
 이 경향은 양극에 근접해 갈수록 점점 높아져 가공물 틈새가 수 μ이 되면 전류 밀도가 높은 전자가 흘러 피가공체의 한점을 때리게 되는 절연 파괴현상이 일어나는 데 이러한 현상을 방전이라 한다.
 이러한 방전력의 크기는 피가공체나 전극으로 보면 작은 것이지만 단위 면적당 충격으로는 매우 커서 피가공체의 절삭이 가능한 것이다 

방전가공기의 종류

  (1) 형조방전가공 - 특정형상의 저극을 사용하여 그 형상을 투영하는 방전가공
  (2) Wire방전가공 - Wire에 의한 윤곽가공

방전가공기의 장·단점

 (1)장 점
    1) 공작물의 경도와 관계없이 가공
    2) 무인가공가능
    3) 전극대로 정밀도가 높은 가공가능
    4) 전극이나 공작물에 큰 힘이 가해지지 않음
  (2)단 점
    1) 각 가공 때마다 다른 적극의 필요
    2) 변질층의 생성
    3) 방전 Clearance로 인한 오차 발생

전극의 재료 및 특성

 (1) 전극 재료의 선택 방법
    1)전기적 저항값이 낮고 전기 전도도가 클 것
    2)방전소모가 적고 방전 가공성이 우수할 것
    3)융점이 높을 것
    4)성형가공이 용이할 것
    5)가격이 저렴할 것

 (2)전극의 장·단점 및 용도

 

재 질	장 점	단 점	용 도
구 리	*정밀도 높은 방전가공가능 *전극저소모 가공가능 *저렴한 가격	*절삭 및 연삭 곤란 *큰 전극 중량 (비중이 큼)	*가장 일반적으로 사용 *밑바닥 형상가공
그라파이트	*절삭, 연삭 가공 용이 *전극저소모 가공 가능 *높은 속도 가공 가능 *가벼운 중량 *저렴한 가격 (구리와 비슷)	*절삭 및 연삭 곤란 *큰 전극 중량 (비중이 큼)	*일반용 *고정밀도 필요하지 않는 곳
CU-W AG-W	*높은 연삭성 *유소모 조건에서 소모가 적다	*높은 가격 (CU-W:동의 40배) (AG-W:동의 100배) *구입이 어렵다 *한정된 소재의 형상	*정밀금형 *초경합금 *Punch와 전극동시 연삭
황 동	*절삭이 용이	*소모가 심하다	*관통 구멍

 

 

가공방법	특징	사용재료
와이어 방전가공	*전극가공에서 가장 많이 사용	구리
절삭가공	*다품종 소량생산에 적합 *섬세한 가공은 불합리 절삭분 처리 곤란 *최종 손다듬질 필요	그라파이트, 구리, 황동
연삭	*정밀금형에 사용(구리텅스텐, 은텅스텐) *흑연가루의 발생 (그라파이트-습석에서의 가공요) *빠른 가공속도	그라파이트, 구리텅스텐, 은텅스텐
소성가공	*복잡한 형태의 이형 Die *전극이 두개 이상을 필요로 할 때 - 마스터 게이지를 이용 (전용 유압 장치 필요)	구리

방전가공기의 구조

 (1)가공액 공급장치
    1) Tank, Feelder, Pump로 구성
    2) Pump내에 저장된 가공액을 Pump를 이용해 물을 Tank 로 보내어 순환
  (2)몸 체 : 방전가공을 하는 부분
    1) HEAD - 전극을 부착하는 부분 (Sub 기구에 의해 상하로 이송)
    2) SUB - 전극과 공작물의 간극을 유지하는 기구
    3) TABLE - 가공 TANK와 동시에 공작물 좌우 전후로 이송
    4) 가공TANK - 공작물을 넣고 가공액을 채우는 곳 (공작물의 크기 좌우)
  (3)전 원 : 방전용 전류의 제어와 SUB의 제어

방전가공 용어

1. 전극 - 공작물과 반대되는 도체 동 그라파이트 은탄, 동탄 등
2. 공작물 - 가공되는 물건.
3. 황삭 가공 - 사상정도가 거친 가공
4. 정삭 가공 - 사상정도가 고운 가공.
5. 극간 전압 - 전극과 공작물간의 전압
6. 과도 아크방전 - 절연파괴에서 정상상태로 갈 때까지 방전
7. 방전시간 - 한번의 방전이 지속되는 시간(단발방전)
8. 가공 전압 - 평균가공전압
9. 방전전류 - 가공 시 Gap을 흐르는 전류.
10. 정 극성 - 가공물을 (+) 공구전극을(-)로 하여 가공하는 방식
11. 역 극성 - 정 극성 의 반대
12. 펄스 폭 - 한 개의 펄스가 시작해서 끝날 때까지의 시간
              통전 시간 on time의 동의어
              펄스폭은 수 msec ~ 수 μsec이다.
13. 휴지시간 - 하나의 펄스가 끝나는 것으로부터 다음 펄스가 시작 할 때까지의 시간
               off time과 동의어.
14. 가공속도 - 공작물을 단위 시간에 얼마나 제거(가공)하는가를 표시하는 량이다.
               이전에는 중량을 표시했지만 현재에는 체적표시로 통일되어있다.
15. 전극 소모율 - 전극의 소모량과 공작물 제거 량에 대한 비율을 백분율로 표시한 것.
16. 점프 - 가공 중 적절한 상하작동으로 칩 배출 을 원활하게 해준다.
17. Servo 기준전압 - 가공 중 극간에 나타나는 전압 변위차를 검출하여 Feed back하는 것.
18. Servo Gain - S/V 에 의해 설정된 기준전압과의 차이를 검출하여 동작하는 축
                속도를 조정하는 것.
19. No wear - 전극 무소모 조건.
20. Over cut - 방전 가공의 결과로 생기는 전극 또는 전극의 과도궤적인 가공 행상의 간격.
               전극의 설계치수 가공이송 및 ip pulse time 등의 조합에서 실제가공 기술상         
제일 중요한 요소임.
21. Gap - 양극간의 간격이 벌어져 있는 경우에는 서보 동작에 의해 자동적으로 접근하고   
절연이 파괴되어 방전이 개시됩니다. 이때 양극간의 간격을 Gap 이라 한다.  
이것은 전기에너지의 작고 좁은방전의 경우 2-5 um 정도, 큰 에너지의 경우 수 10μm 가 됩니다.
방전에서 가장 중요한 요소입니다.
22. Gap의 조정 - 황삭 가공 시 40V 부근 사상 가공 시 60V 부근에서 사용하고 있다

 

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