램형 방전가공기

1. 방전 가공 (Electric Discharge Machine)

방전현상을 인공적으로 설정하고 불꽃 방전(Spark Discharge)에 의하여 재료를 미량씩 용해,기화시켜서 가공용 전극의 형상에 따라 구멍가공, 조각, 절단 등의 작업을 하는 것으로주로 금형의 제작과 수리에 이용되고 있으며, 응용범위가 매우 넓다.

2. 방전가공의 특성

2.1 장점

• 전기 방전에 의한 높은 열에너지로 아주 단단한 재료도 쉽게 가공 할 수 있다.
• 기계적인 응력을 가하지 않고 가공이 가능한다.
• 정밀 가공이 가능한다.
• 컴퓨터 수치제어기(CNC) 와 와 연결하여 하여 공정의 프로그램화, 자동화가 가능한다.
• 공작물의 경도에 관계없이 가공된다.
• 인성 취성이 큰 재료가공에 용이한다.
• 정도가 높은 가공을 할 수 있다.
• 가공형상이 복잡한 가공에 적합한다.
• 기계가공으로 변형이 쉬운 경우의 가공에 용이한다.

2.2 단점

• 가공에 필요한 전극이 준비되어야 한다.
• 전극 소재에 제한이 있다. (Cu, Gr, Ag-W, Cu-W)
• 가공 도중에 소프트를 필요로 한다.
• 일시적인 가공 속도는 느리다.
• 가공액은 일반적으로 등유를 사용하므로 화재에 특히 주의해야 한다.
  (방전가공유를 사용 할 수도 있음.)
• 가공 부위보다 가공액 표면이 최소 50m/m이상 높아야 하므로 가공액울 채우는 시간 동안은 가공을 해서는 안 된다. (화재가 발생할 우려가 있음.)

3. 방전 가공기의 구성

방전가공기는 기게 본체인 기계부, 방전 상태를 안정시키고 지속적으로 유지하기 위한 전원공급장치, 그리고 가공액을 공급하는 가공액 공급장치로 구성되어 있다.

가공기에 따라서는 기능을 고급화시킨 자동전극 교환장치, 가공 형상을 최적화하는 적응제어 기능을 가진 것도 있다.

가공기의 크기는 가공탱크의 크기, 가공물의 최대 중량, 전원용량 등으로 표시된다.

3.1 기계부

헤드
방전 가공용 전극을 설치하는 부분으로, 서보 기구에 의해 상하로 작동된다.

서보기구
서보 모터 회전운동을 직선운동으로 전환시켜 헤드를 상하로 이동시키는 장치로써
방전현상에 의해 가공된 가공물의 표면과 전극의 간격을 적절하게 유지시켜 줍니다.

가공 탱크
가공물을 넣고 가공하는 용기로써 가공액을 저장하는 역할을 하며, 가공액이 공급되는
파이프, 사용된 가공액을 배출시키는 드레인 밸브 등으로 구성되어 있다.

테이블
가공물을 고정하는 것으로써, X 축, Y 축으로 이송된다.

3.2 전원 공급장치

트렌스부
전원을 공급받아서 분배하는 장치

펄스 발생장치

콘덴스 방식
방전가공에 필요한 고주파 전원을 얻기 위하여 콘덴스를 사용하여 정하를 충전 후, 이를 방전하는 방식이며 가공전류가 높고 방전시간이 짧아 방전 전류를 얻기 쉽다.
그러나 가공전류와 방전 시간의 조절이 어렵기 때문에 다듬질 가공, 미소 구멍가공 등의
제한된 분야에 쓰인다.

트랜지스터 방식
트랜지스터를 사용하여 방전 가공 전원을 단속적으로 흘려 보내는 방식으로, 가공전류와 방전시간을 제어하기가 쉽고 현재 가장 널리 사용되고 있다.
스위치 회로가 있기 때문에 강재적으로 전류를 차단할 수 있어 방전이 소멸된 후 전원으로부터의
에너지 유입이 없고 극간의 절연 회복이 쉽다.

3.3 가공액 공급장치

탱크 : 가공액을 저장

펌프 : 가공액을 방전 가공부에 공급

필터 : 사용된 가공액 중의 가공 칩을 여과.

4. 방전 가공의 진행과정

4.1 방전진행에 따른 가공과정

[ 1 단계]

전극과 가공물을 가공액 중에서 수십 [V]의 전압을 가하며 서보 기구에 의해 수 μm ~ 수십 μm 로 아주 가깝게 접근시킨다.
가공물과 전극 사이에 에너지가 충전된다.

[ 2 단계]

전극과 가공물 사이의 간격이 가장 작은 부분에 전기장이 집중된다.

[ 3 단계]

전극과 가공물의 가장 가까운 부위의 한 점에서 이온화 된 채널이 형성된다.

[ 4 단계]

전극과 가공물의 가장 가까운 부위의 한 점에서 0.0000001~0.003 초의 아주 짧은 시간에 절연이 파괴되어 가느다란 방주가 형성되며, 6,000 ~ 10.000 °C 의 고열이 발생된다.

[ 5 단계]

고온에 의하여 가공물의 융용이 시작되며 부피가 급속히 팽창하여 압력이 상승하면서 강한 폭발력에 의하여 가공물이 떨어져 나간다.

[ 6 단계]

강한 폭발에 의하여 떨어져 나간 가공 칩은 미세한 분말 형태로 가공액 중에 부유하게 된다.
1회의 단발 방전은 0.0000001 ~ 0.003 초의 아주 짧은 시간에 끝나고 주위의 가공액이 전극과 가공물 사이에 유입되면서 절연이 회복된다.

4.2 전압 상승에 따른 방전의 진행과정

방전현상 방전기의 방전 회로에서 충전 전압이 콘덴서의 용량보다 높아지면 순간적으로 절연이
파괴되어 짧은 시간 내에 전류는 공구와 가공물 사이에서 흐르게 되고 방전이 끝날 무렵에 다시
콘덴서에는 전압이 충전되기 시작한다.
이와 같이 가공물과 공구 사이에서 충전, 방전이 연속적으로 발생된다.
방전이 되는 순간은 5단계로 나뉘며 ①②⑤는 안정된 방전, ③④는 불안정한 비지속 방전을 하게 된다.
단 ②는 국부방전이다.

① 암류(暗流)
①의 상태로서 충전전압이 콘덴서의 용량보다 높아지면 절연 파괴 직전으로서 주위의 기체가
이온에 의하여 미소의 전류가 흐르는 상태이다.

② 코로나 방전(corona 放電)
암류의 상태에서 충전전압이 더욱 높아지면 ②의 상태로 된다. 코로나 방전은 전류 밀도가 높은 곳으로부터 국부적으로 절연이 파괴되어 전류가 흐르는 상태이다.
코로나 방전에서 좀 더 나아가면 가공물과 공구 사이에 방전주(放電柱)가 미소하게 발생되어 전류가 흐르게 된다.
이때를 불꽃방전이라 하며 전류가 흐르는 시간은 극히 짧아 10μs 정도 되므로 전류 밀도는 상당히 높게 된다. (10⁸A/cm²)
전류 밀도가 높아지므로 발열량도 높아져 온도가 비정상적으로 높고 발열된 열은 10,000 °C 이상의 고온이 되며, 완전한 절연 파괴가 일어난다.
방전가공은 이러한 불꽃 방전을 이용한다.

④ 단 아크 방전(短 arc 放電)
불꽃방전에서 좀 더 발달하면 방전주의 면적은 점점 커지게 되며 이에 따라서 흐르는 전류도 증가되나 전류밀도는 줄어든다.
즉 아크방전이 되기 전까지의 과도상태로서 전류밀도가 변하는 과정이다.

⑤ 아크방전
방전의 최고로 안정된 상태로서 전류밀도는 변화하지 않으며 주로 전기용접에 사용된다.
이때의 방전주는 일정한 크기를 가지며 계속적으로 아크를 지속하려고 한다.

5. 가공 전극

5.1 가공 전극

• 방전에 의한 소모가 적어야 한다.
• 필요한 형상으로 가공이 쉬워야 한다.
• 전기저항이 적고, 기계적으로 강도가 강해야 한다.
• 가격이 저렴해야 한다.

5.2 가공 전극의 종류

원통형 다이 전극 : 황동, 은-텅스텐, 구리-텅스텐

단조형 다이 전극 : 아연합금, 그라파이트

5.3 각종 전극의 가공특성

6. 가공액 (석유, 백등유)

6.1 가공액의 작용

• 가공 시 생기는 융용 금속을 비산 시킨다.
• 방전 가공 시 발생된 열을 냉각시킨다.
• 전극의 소모를 방지한다.
• 극간의 절연을 회복시킨다.
• 가공 침을 배출한다.

6.2 가공액의 구비조건

• 절연성이 높아야 한다.
• 기화점, 인화점이 높아야 한다.
• 점도가 낮고 냉각능력이 우수해야 한다.
• 산화 안정성이 좋고 냄새가 없어야 한다.
• 값이 저렴하고 구입이 용이해야 한다.

6.3 가공액의 공급 및 침 제거 방법

• 분출법 : 전극과 가공물 사이에 가공액을 분출시켜 가공 칩을 제거하는 방식
  
• 흡입번 : 가공 칩을 전극이나 테이블에 연결된 관을 통하여 흡입시키는 방식
  
• 분사법 : 전극과 가공물 사이에 분사 노즐을 이용하여 가공액을 분사시켜 가공 칩을 제거하는 방식이며 가공 깊이가 깊을 때는 적당하지 않다.

7. 방전가공의 조건

7.1 방전가공의 속도

단위시간당 가공물의 가공량 (g/min)으로 나타내며 일반적으로 쓰이는 방전가공기의
최대 가공속도는 약 50 g/min (3kg/h)정도이다.
가공속도 = (Wi - Wf)/ t
Wi : 가공물의 처음 무게 (g), Wf : 가공 후 가공물의 무게 (g), t : 가공 시간 (min)
방전가공 속도는 일반 공작기계의 가공속도에 비해 매우 느리므로 난삭재나 어려운 작업에 제한된다.
일반적으로 가공 속도가 크면 가공 표면이 거칠어 진다

7.2 가공전류의 방전 시간

단발 방전 에너지의 크기는 가공전류와 방전시간에 비례하여 커지며 방전에너지가 클수록
가공속도는 빠르나, 표면이 거칠고 클리어런스가 커집니다.

7.3 휴지시간

• 단발 방전과 단발 방전 사이의 시간을 휴지 시간이라 하며 방전 가공은 무수한 단발 방전이
  반복적으로 이루어 진다.
  
• 휴지 시간을 짧게 하면 단위 시간당 방전 횟수가 증가하여 가공속도가 빨라지나,
  너무 짧은 경우는 아크 방전이 발생할 우려가 있다.

7.4 극성

• 가공할 가공물을 (+), 전극을 (-)로 하여 가공하는 것을 정극성이라 하고, 그 반대의 경우를 역극성이라 한다.
  
• 극성의 선택은 공작조건(전극 및 가공물의 재질, 가공면의 거칠기) 에 따라 선택한다.
  
• 일반적으로 역극성의 경우가 전극 소모가 적으며 탄소강의 경우는 역극성, 초경합금의 경우는 정극성으로 가공한다.
  극성의 선택이 잘못되면 전극의 소모가 크거나, 방전가공이 곤란하므로 유의해야 한다.

7.5 칩의 배출

가공된 칩은 반전가공에 많은 영향을 미치게 되며, 칩의 배출이 원활하지 못하면
다음과 같은 문제가 발생된다.

• 가공속도가 떨어지고, 가공면의 정밀도가 떨어진다.
• 가공 칩에 의한 이상 방전으로 전극의 소모가 많아진다.
• 아크 현상으로 인해 전극과 가공물의 손상시킨다.

8.방전 가공의 제어 및 가공기술

방전 가공기를 제어하여 데이터의 입력 및 출력을 행하는 CNC 장치가 대표적인 방전가공기의 제어 장치이지만, 이 밖의 여러 가지 제어기술이 채용되어 새로운 가공기술이 가능하게 되었습니다.

8.1 적응제어

8.1.1 제어 방식

• 아크의 발생을 사전에 감지하여, 극간의 상태가 좋아질 때까지 펄스의 발진을 휴지시키는 방식으로 방전현상을 제어한다.
  
• 아크 발생 전에 구동현상의 표출 방식을 검출 기억하고, 각 펄스마다 에너지나 휴지 시간 등의 비교하여 좋은 조건을 선택해 가는 방식

8.1.2 특징

• 다듬질 면이 거칠기나 전극소비가 일정한다.
• 가공면적이나 가공길이의 변화애도 최적 가공조건을 선택한다.
• 가공능률이 극대화 된다.

8.2. 전극 이송제어

8.2.1 제어 방식

가공 중 극간의 평균 전압이나 전류의 평균치, 방전 시의 휴지시간 등을 기준치와 비교하여
그 차이가 0 (Zero)가 되도록 극과 극의 간격을 향상 최적의 상태로 일정하게 유지하도록
제어하며, 모터 서보 방식과 유압 서보 방식이 사용된다.

8.2.2 유압 서보 방식의 특징

• 모터 서보방식에 비해 응답성이 높다.
• 속도의 가변 범위가 넓다.
• 무거운 전극도 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

8.3 요동 방전 가공

8.3.1 제어 방식

• 보통의 방전 가공에서는 Z 축 방향으로만 이동하여 가공길이만 증가하는 것에 비해
  요동가공은 전극과 가공물의 상대 위치를 X 축, Y 축 방향으로도 바꿈으로써 종래의
  방전가공으로는 할 수 없는 여러 가지의 형상을 가공할 수 있다.
  
• 요동장치는 방전가공기의 헤드에 XY 크로스 테이블을 고정하여 X 축 및 Y 축을 각각 별개의
  모터에 의해 구동하는 방식을 취한다.

8.3.2 특징

• 가공형상의 종류를 다양화 할 수 있다.
  
• 1 개의 전극으로 거친 가공 및 다듬질 가공을 할 수 있다. (클리어런스의 차이를 없앨 수 있다.)
• 깊은 가공 시 가공시간을 단축할 수 있다.
(요동 운동을 통해 측면 간격을 넓힐 수 있고, 가공액의 흐름도 원활하게 하여 칩의 배출이 용이한다.)