기계공작법

9 편 특 수 가 공
[3] 방전가공(放電加工; electrodischarge machining, EDM)(교과서 p.626) 방전가공은 불꽃방전(spark discharge)에 의하여 재료를 미량씩 용해(熔解)하여 제거하는 방법이며 구멍뚫기, 조각, 절단 등에 사용된다. 다음 그림은 방전가공기와 방전에 의한 crater를 보여 준다. 방전가공기와 방전에 의한 crater ☜ 공작물을 등유와 같은 액에 담그고 공구인 음전극과 공작물인 양전극의 간격을 0.02 ~ 0.05mm로 하여 60 ~ 150V 정도의 전압을 준다. 방전에서는 양극이 음극보다 많이 소모되므로 공작물을 양극으로 한다. 공작액을 사용하고 전극, 전류를 사용하는 점에서는 전해가공과 같으나 공작액이 절연물이고 pulse 상 전류가 주체가 되는 점이 다르다. (1) 방전방법과 회로: (1-1) 금속가공: (1-1-1) 축전기법(畜電器法): 그림은 축전기법의 대표적인 회로의 예로서, 직류전원으로부터 가변저항을 지나 condenser C를 축전하고, 이 전류가 방전하는 사이에 가공부의 가공이 이루어진다. 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하도록 이송기구에 의하여 공구인 음극을 이송한다. 공작액으로는 변압기유, 석유, 물 및 비눗물을 사용한다. 전원전압은 30 ~ 400V로서 높을수록 가공능률은 좋으나 가공면이 조잡하므로 100V 정도가 많이 채용된다. 저항은 작을수록 전류가 많이 흘러 가공능률은 좋으나 너무 작으면 간헐방전을 하지 않고 방전이 지속되어 가공할 수 없게 되므로 보통 10Ω 정도로 한다. 축전기의 용량이 크면 가공능률은 좋으나 가공정도가 좋지 못하므로 보통 100 ~ 200㎛F 정도로 한다. 축전기법 회로(RC 회로) 다음 그림은 방전특성을 표시한 것이며, 축전이 진행됨과 함께 축전기압은 상승하고 방전하면 순간적으로 0까지 하강한다. 이때 전류가 흐르며 이것이 반복된다. 전극으로는 황동이 많이 사용되며 가공면과 같은 형상의 전극을 만들어 복잡한 형상도 쉽게 가공할 수 있다는 것이 방전가공의 특징이다. 방전특성 (1-1-2) 저전압직류법(低電壓直流法): 다음 그림과 같이 진동에 의하여 전극과 공작물간에 접촉과 분리를 반복시키고, 분리되는 순간에 과도적인 고전압이 발생하여 spark가 생기는 것을 이용하는 방법이다. 이 방법은 반복 횟수가 적으므로 가공면의 조도 및 가공속도가 condenser 방식보다 못하며, 정도를 요하지 않는 작업, 예를 들면 부러진 drill이나 tap 등의 제거에 이용된다. 저전압직류법 (1-1-3) 저전압교류법(低電壓交流法): 다음 그림과 같이 100V 이하의 교류를 전극에 주고 가공전극에 진동을 주어 저전압직류법에서와 같이 전극이 떨어지는 순간의 spark에 의한 가공법이며, 장치는 간단하나 가공 정도가 좋지 않다. 저전압교류법 (1-2) 비금속가공: (1-2-1) 고전압법(高電壓法): diamond, ruby, sapphire, 석영, 유리 등의 경질 비금속재료의 구멍뚫기에는 diamond 분말(diamond powder)을 사용하여 왔으나 가공시간이 많이 걸리고 diamond 분말이 고가이기 때문에 방전가공에 의한 천공법(穿孔法)이 연구되었다. 다음 그림(a)는 corona 방전을 이용해서 비금속에 구멍을 뚫는 장치의 회로이다. 방전은 백금 lithim의 바늘 끝과 diamond를 올려 놓은 대와의 사이에 절연재료인 diamond를 통하여 발생하며, 이것이 corona 방전이다. 백금 lithium 선과 diamond간의 접촉압력 0.5g 정도가 spring에 주어지고 바늘은 저속으로 회전한다. 이 방법에 의한 diamond의 천공속도는 10분간에 0.3~0.4mm 정도이고, 이것은 diamond 분말을 사용한 경우의 수십 분의 1에 해당하는 것이다. 이 방법은 주로그림 (b)과 같이diamond die의 1차 원추형 구멍을 가공하는데 이용된다. 고전압법 (1-2-2) 전해액법(電解液法): 전해액 중에서 저전압의 방전을 일으키고, 전해액으로는 질산 kalium(KNO₃)이 많이 사용된다. 그 외에 염, 물유리, 물 등이 사용된다. 다음 그림과 같은 회로를 갖고 있으며, 주로 diamond die의 2차 원추구멍을 가공하는 데 이용된다. 가공속도는 40분에 0.15mm의 구멍을 뚫는 정도이다. 전해액법 (1-3) 금속방전절단법: 방전가공법을 이용하여 금속을 절단하는 방법으로서, 다음 그림과 같이 가공물을 양극으로 하고 회전판을 음극으로 하며, 그 사이에 공작액을 넣어 전해액 중의 방전에 의하여 절단을 한다. 전원으로는 20V 정도의 직류, 80~100A 정도의 전류로 하고, 공작액으로는 물에 고령토(kaolin), 비누, 물유리 등을 혼합한 alkali 성 용액을 사용한다. 음극원판으로는 강이 사용되며 원주속도는 5~15mm/sec이고, 원판과 공작물의 접촉압력은 2.5kg 이하이다. 이 방법은 초경합금과 같은 고경도의 금속일지라도 쉽게 절단할 수 있으며, 박판 및 관(pipe) 등도 변형시키지 않고 절단할 수 있는 특징이 있다. 방전절단법 (1-4) 금속방전연삭법: 다음 그림과 같이 공작물에 주철, 황동 또는 강제의 회전판극을 공작물에 눌러대고 저전압직류법의 방전가공과 같은 방법으로 연삭한다. 전원은 20~30V 전압, 전류는 수10A의 직류이고 원판극을 음극으로 하며 물유리, machine 유, 물 등의 연삭액을 사용한다. 원판의 원주속도는 20m/sec 이하이며, 연삭속도는 0.04mm/min 정도이고, 가공면의 정도는 1㎛ 이하이다. 금속방전연삭법

9 편 특 수 가 공

[3] 방전가공(放電加工; electrodischarge machining, EDM)(교과서 p.626)

방전가공은 불꽃방전(spark discharge)에 의하여 재료를 미량씩 용해(熔解)하여 제거하는 방법이며 구멍뚫기, 조각, 절단 등에 사용된다. 다음 그림은 방전가공기와 방전에 의한 crater를 보여 준다.

방전가공기와 방전에 의한 crater
☜

공작물을 등유와 같은 액에 담그고 공구인 음전극과 공작물인 양전극의 간격을 0.02 ~ 0.05mm로 하여 60 ~ 150V 정도의 전압을 준다. 방전에서는 양극이 음극보다 많이 소모되므로 공작물을 양극으로 한다. 공작액을 사용하고 전극, 전류를 사용하는 점에서는 전해가공과 같으나 공작액이 절연물이고 pulse 상 전류가 주체가 되는 점이 다르다.

(1) 방전방법과 회로:

(1-1) 금속가공:

(1-1-1) 축전기법(畜電器法):

그림은 축전기법의 대표적인 회로의 예로서, 직류전원으로부터 가변저항을 지나 condenser C를 축전하고, 이 전류가 방전하는 사이에 가공부의 가공이 이루어진다. 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하도록 이송기구에 의하여 공구인 음극을 이송한다. 공작액으로는 변압기유, 석유, 물 및 비눗물을 사용한다. 전원전압은 30 ~ 400V로서 높을수록 가공능률은 좋으나 가공면이 조잡하므로 100V 정도가 많이 채용된다. 저항은 작을수록 전류가 많이 흘러 가공능률은 좋으나 너무 작으면 간헐방전을 하지 않고 방전이 지속되어 가공할 수 없게 되므로 보통 10Ω 정도로 한다. 축전기의 용량이 크면 가공능률은 좋으나 가공정도가 좋지 못하므로 보통 100 ~ 200㎛F 정도로 한다.

축전기법 회로(RC 회로)

다음 그림은 방전특성을 표시한 것이며, 축전이 진행됨과 함께 축전기압은 상승하고 방전하면 순간적으로 0까지 하강한다. 이때 전류가 흐르며 이것이 반복된다. 전극으로는 황동이 많이 사용되며 가공면과 같은 형상의 전극을 만들어 복잡한 형상도 쉽게 가공할 수 있다는 것이 방전가공의 특징이다.

방전특성

(1-1-2) 저전압직류법(低電壓直流法):

다음 그림과 같이 진동에 의하여 전극과 공작물간에 접촉과 분리를 반복시키고, 분리되는 순간에 과도적인 고전압이 발생하여 spark가 생기는 것을 이용하는 방법이다. 이 방법은 반복 횟수가 적으므로 가공면의 조도 및 가공속도가 condenser 방식보다 못하며, 정도를 요하지 않는 작업, 예를 들면 부러진 drill이나 tap 등의 제거에 이용된다.

저전압직류법

(1-1-3) 저전압교류법(低電壓交流法):

다음 그림과 같이 100V 이하의 교류를 전극에 주고 가공전극에 진동을 주어 저전압직류법에서와 같이 전극이 떨어지는 순간의 spark에 의한 가공법이며, 장치는 간단하나 가공 정도가 좋지 않다.

저전압교류법

(1-2) 비금속가공:

(1-2-1) 고전압법(高電壓法):

diamond, ruby, sapphire, 석영, 유리 등의 경질 비금속재료의 구멍뚫기에는 diamond 분말(diamond powder)을 사용하여 왔으나 가공시간이 많이 걸리고 diamond 분말이 고가이기 때문에 방전가공에 의한 천공법(穿孔法)이 연구되었다. 다음 그림(a)는 corona 방전을 이용해서 비금속에 구멍을 뚫는 장치의 회로이다. 방전은 백금 lithim의 바늘 끝과 diamond를 올려 놓은 대와의 사이에 절연재료인 diamond를 통하여 발생하며, 이것이 corona 방전이다. 백금 lithium 선과 diamond간의 접촉압력 0.5g 정도가 spring에 주어지고 바늘은 저속으로 회전한다. 이 방법에 의한 diamond의 천공속도는 10분간에 0.3~0.4mm 정도이고, 이것은 diamond 분말을 사용한 경우의 수십 분의 1에 해당하는 것이다. 이 방법은 주로그림 (b)과 같이diamond die의 1차 원추형 구멍을 가공하는데 이용된다.

고전압법

(1-2-2) 전해액법(電解液法):

전해액 중에서 저전압의 방전을 일으키고, 전해액으로는 질산 kalium(KNO₃)이 많이 사용된다. 그 외에 염, 물유리, 물 등이 사용된다. 다음 그림과 같은 회로를 갖고 있으며, 주로 diamond die의 2차 원추구멍을 가공하는 데 이용된다. 가공속도는 40분에 0.15mm의 구멍을 뚫는 정도이다.

전해액법

(1-3) 금속방전절단법:

방전가공법을 이용하여 금속을 절단하는 방법으로서, 다음 그림과 같이 가공물을 양극으로 하고 회전판을 음극으로 하며, 그 사이에 공작액을 넣어 전해액 중의 방전에 의하여 절단을 한다. 전원으로는 20V 정도의 직류, 80~100A 정도의 전류로 하고, 공작액으로는 물에 고령토(kaolin), 비누, 물유리 등을 혼합한 alkali 성 용액을 사용한다. 음극원판으로는 강이 사용되며 원주속도는 5~15mm/sec이고, 원판과 공작물의 접촉압력은 2.5kg 이하이다. 이 방법은 초경합금과 같은 고경도의 금속일지라도 쉽게 절단할 수 있으며, 박판 및 관(pipe) 등도 변형시키지 않고 절단할 수 있는 특징이 있다.

방전절단법

(1-4) 금속방전연삭법:

다음 그림과 같이 공작물에 주철, 황동 또는 강제의 회전판극을 공작물에 눌러대고 저전압직류법의 방전가공과 같은 방법으로 연삭한다. 전원은 20~30V 전압, 전류는 수10A의 직류이고 원판극을 음극으로 하며 물유리, machine 유, 물 등의 연삭액을 사용한다. 원판의 원주속도는 20m/sec 이하이며, 연삭속도는 0.04mm/min 정도이고, 가공면의 정도는 1㎛ 이하이다.

금속방전연삭법