방전가공1

[하늘]

1. 개 요

  방전(Electric Discharge Machining, EDM)은 방전현상을 인공적으로 설정하고 불꽃방전(spark Discharge)에의하여 재료를 미량씩 용해, 기화시켜서 가공용 전극의 형상에 따라 구멍 뚫기, 조각 , 절단 등을 하는 것으로 주로 금형의 제작과 수리에 이용되고 있으며, 그 응용범위가 매우 넓어지고 있는 추세이다.

2. 방전 가공의 특징

  (1) 장점

     1) 재료의 경도와 인성에 관계없이 전기도체면 쉽게 가공한다.

     2) 비접촉성으로 기계적인힘이 가해지지 않는다.

     3) 다듬질면은 방향성이 없고 균일하다.

     4) 복잡한 표면 형상이나 미세한 가공이 가능하다.

     5) 가공표면의 열 변질층 두께가 균일하며 마무리 가공이 쉽다.

     6) 가공성이 높고 설계의 유연성이 크다.

  (2) 단 점

     1) 가공상의 전극소재에 제한이 있다.

     2) 가공 속도가 느리다.

     3) 전극소모가 있으며, 화재발생에 유의해야 한다.

3. 방전의 진행 과정

  (1) 1단계 : 암류

      전극과 일감에 서로 다른 극성의 전기를 가해 전압을 점점높여가면 (+)극성에 (-)이온이 끌리고, (-)극성에 (+)이온이 끌리며, 전극을 접근시키면 방전이 되어, 전류가 약간 흐르는 상태가 된다. 전류의 양은 이온의 수이며 가하는 전압에 따라 변화한다. 그리고 많은 이온이 점점 중화, 소멸 되면서 균형을 이루게 되는데 이러한 범위의 상태를 암류라 한다.

 (2) 2단계:; 코로나 방전

     암류의 상태에서 더욱 전압을 높게 가하면 전압이 걸린 부분은 부분적으로 절연이 파괴된다. 이 상태를 코로나 방전이라 한다.

  (3) 3단계 : 전압을 계속 상승시키면 금속 중의 자유전자가 강하게 끌려나와 확산되어 이온의 이동속도가 크게 되는데, 이렇게 확산된 전자와 이온이 극간 중의 물질에 닿으면 이 물질이 이온화 된다.  이온량이 증가함에 따라, 순간적으로 전류도 급격히 증가하여 온도가 비정상적으로 높고, 전류밀도도 비정상적으로 커지기 때문에, 발생되는 열은 104℃ 이상의 고온이 디며, 완전히 절연파괴가 일어난다. 방전 가공은 이러한 불꽃 방전을 이용한다.

  (4)4단계 : 아크 방전

     불꽃 방전이 지나면 전류의 변화는 거의 없으며 정상적으로 전류가 흐르는 상태가 되는데 이를 아크 방전이라 한다.

4. 가공 전극과 가공액

  (1) 가공 전극

     1) 전극 재료의 조건

       ① 방전에 의한 소모가 적어야 한다.

       ② 필요한 형상으로 가공이 쉬워야 한다.

       ③ 전기저항이 작고, 기계적으로 강도가 강해야 한다.

       ④ 가격이 저렴해야 한다.

     2) 가공 전극의 종류

       ① 관통형 다이 전극 : 황동, 은-텅스텐, 구리-텅스덴

       ② 단조형 다이 전극 : 아연합금, 그라파이트(흑연), 구리- 텅스텐

<각종 전극의 가공 특성>

전극 재료	전극 제작 방법	가  공  성	비          고
Cu	절삭, 연삭법 전주법 단조법 용사법 방전 가공 성형법 구조법 방전 2차 전극법 와이어 커팅	연삭이 어렵다. 피삭성이 나쁘다.	전주법에 의해 가공할 때에는 큰 면적, 경중량도 가공이 가능하다.
Gr	절삭, 연삭법 부말 소결 성형법 가압 진동 성형법 와이어 커팅	연삭, 절삭성이 양호하다.	모서리 끝이 파손되기 쉽다. 절삭 가공시 분진이 많이 발생한다.
Ag-W	절삭, 연삭법 방전2차 전극법 와이어 커팅	연삭, 가공이 양호하다.
Cu-W	절삭, 연삭법 방전2차 전극법 와이어 커팅	연삭 절삭성이 양호하다.
St	절삭, 연삭법 와이어 커팅

  (2) 가공액(석유, 백등유)

     1) 가공액의 작용

       ① 가공시 생기는 용융금속을 비산시킨다.

       ② 방전 가공시 발생된 열을 냉각시킨다.

       ③ 전극의 소모를 방지한다.

       ④극간의 절연을 회복시킨다.

       ⑤ 가공 칩을 배출시킨다.

     2) 가공액의 구비조건

       ① 절연성이 높아야 한다.

       ② 기화점, 인화점이 높아야 한다.

       ③ 점도가 낮고 냉각능력이 우수해야 한다.

       ④ 산화 안정성이 좋고 냄새가 없어야 한다.

       ⑤ 값이 저렴하고 구하기 쉬워야 한다.

     3) 가공액의 공급 및 칩 제거 방법

       ① 분출법 : 전극과 일감사이에 가공액을 분출시켜 가공칩을 제거하는 방식

       ② 흡입법 : 가공칩을 전극이나 테이블에 연결된 관을 통하여 흡입시키는 방식

      ③ 분사법 : 전극과 일감사이에 분사노즐을 이용하여 가공액을 분사하여 가공칩을 제거하는 방식이며, 가공 깊이가 깊을 때는 적당하지 않다.

5. 방전가공 과정

1 단계	전극과 일감을 가공액 중에서 수십[V] 의 전압을 가하며, 서보 기구에 의하여 수 ㎛ ∼ 수십 ㎛로 아주 가까이 접근시킨다.
2 단계	저극과 일감의 가장 가까운 부위의 한 점에서 10 ∼ 10 (s)의 아주 짧은 시간 에 절연이 파괴되어 가느다란 방전주가 형성되며, 6000 ∼ 10,000℃의 고온이 발생한다.
3 단계	고온에 의하여 일감의 용융이 시작되며 부피가 급속히 팽창하여 압력이 상승하면서 강한 폭발력에 의하여 일감이 떨어져 나간다.
4 단계	강한 폭발력에 의하여 떨어져 나간 가공칩은 미세한 분말의 형태로 가공액 중에 비산되어 가공액 중에 부유하게 된다.
5 단게	1회의 단발 방전은 10 ∼ 10 (s) 의 아주 짧은 시간에 끝나고, 주위의 가공 액 이 전극과 일감 사이에 유입되면서 절연이 회복된다.

방전가공의 이론

1. E.D.M 이란

방전가공은 전기 가공법의 일종으로 전해 가공과 대별.방전현상을 인공적으로 설정 그 에너지를 이용한 가공 방법입니다.

방전이란 여름철 특유의 기상 현상으로 고체, 액체, 기체로 된 절연체에 저전압 대전류가 흘렀을때의 현상으로 전극과 가공물에 전압-전류를 보내 코로나방전 스파크방전 아아크방전 절연파괴의 순서로 짧은 시간에 행하여 집니다.

18세기말 (미국)에 전극과 가공물 사이에 저전압, 대전류를 보내 각인 문자를 쓰기 위한 전기펜이 발명되었으며 1943(소련) 라자렌코 부부에 의해 경질금속에 구멍을 뚫는데 성공 하였습니다.

이때를 방전가공의 기원이라고 봅니다.
그후 1948년 (일본) 동경대학에서 연구하여 방전현상의 정밀성을 간파하였습니다.

ELESTRIC DISCHARGE MACHINE을 줄여 E.D.M으로 표시하며 방전가공기라고 합니다.

아아크 용접, 전기집진기, 정전도장, 형광등, 네온사인, 열원, 광원등이 바로 방전의 원리를 이용한 것입니다.

2. E.D.M 특징

(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 됩니다.
4) 가공면이 균일 합니다. (면 거칠기 : Ø0.1-1.000n 정도 이내)
5) 가공확대 여유가 일정하고 고정밀도가 보장 됩니다.
6) 불가능한 제품이 거의 없습니다.
7) 가공표면의 열변질층, 두께가 균일하며 마무리 가공이 쉽게 됩니다.
8) 미세한 구멍이나 홈 가공이 가능 합니다. ( Ø0.1mm이상)
9) 가공성이 높고 계획성이 큽니다.

(2) 단 점
1) 가공에 필요한 전극이 준비 되어야 합니다.
2) 전극 소재에 제한이 있습니다. (Cu, Gr, Ag-W, Cu-W)
3) 가공 도중에 소프트를 필요로 합니다.
4) 일시적인 가공 속도는 느립니다.
5) 가공액은 일반적으로 등유를 사용하므로 화재에 특히 주의를 요합니다.
(방전가공유를 사용 할수도 있음.)
6) 가공 부위보다 가공액 표면이 최소 50m/m이상 높아야 하므로 가공액 채우는 시간 동안은 가공을 해서는 안됩니다.
(화재가 발생할 우려가 있슴.)

3. E.D.M의 기본 원리

(1) 단발방전의 분석

1) 불꽃방전은 단발 방전과 다발방전으로 분류 됩니다.
2) 단발방전 시간은 10-6 - 10-3 Sec (1초당 1.000.000 - 1.000 발의 방전이 이행 됩니다.)
3) 방전 순간 온도는 약 3.000 - 10.000℃ 정도이다.
4) 한발의 방전으로 인해 방전주가 형성되며 방전흔이 생성 됩니다.
5) 다발 방전으로 인한 방전흔의 집적이 바로 거칠기입니다.

4 방전 현상

(1) E.D.M의 불꽃방전
방전가공법(E.D.M)이라는 것은 절연액중에서 연속적으로 발생되는 불꽃 방전의 침식 작용에 의해 도체(주로 금속 공작물)에 구멍을 뚫거나 또는 목적한 현상으로 깍아내가는 전기 가공법입니다.

자연계에서 발생하는 방전현상으로는 광범위 하게 여러가지가 있고 학술적으로 복잡, 난해한 것으로 되어 있습니다만 자주 쓰이는 EDM의 불꽃방전으로는 다음과 같이 변화 하면서 진행하는 것으로 되어 있습니다.

1) 양극(공구 전극및 피가공물)간을 절연액으로 하여 쌍방간에 직류의 무부하 전압이 인가 됩니다.

2) 양극간의 간격이 떨어져 있을때 Z축 또는 X,Y축의 Servo 동작에 의해 자동적으로 접근하고 절연이 파괴 되면서 방전이 개사 됩니다.
이때 양극이 간격을 방전 Gap이라 부르고 있습니다.
이 Gap은 전기 에너지가 작고 좁은 방전의 경우 2-5 ㎛ 정도 큰 에너지의 방전에는 수십 ㎛ 가 됩니다.

3) 극간은 일순간에 전자 방출현상에서 방전주(기둥) 이라고 부르는 고온,고압력의 불꽃방전의 생기며 이것이 일정기간 지속 됩니다.
전원회로에 의해 이 시간은 usec에서 1㎳ 정도의 범위에서 적정 시간으로 제어되고 이 기간 동안 방전주에는 약 3000℃의 고온이 발생 되기 때문에 금속의 조직이 용해되고 일부는 Ion화 합니다

4) 극간의 절연액이 기화 팽창하여 폭발하고 용해된 금속의 일부가 날라가서 불규칙한  크레-타 상의 요철이 생깁니다.
용해된 부분이 돌출하여도 여기에 다음의 방전주가 발생 합니다.
폭팔한 절연액은 기화하여도 동시에 다양한 탄화물로 변화하고 또 일부는 용해되여 타-르 상태로 되여 배출 됩니다.

5) 방전에 의해 생긴 금속 Ion 또는 Gas 상태, 타-르 상태의 생성물이 퍼지고 극간에 절연이 회복되면 다시 전압이 인가되고 다음의 방전이 이루어집니다.
방전후의 방전흔적은 달표면의 계곡처럼 되며 이것이 중요한 방전 면 거칠기 입니다.
방전주의 방전 시간에 대하여 절연 회복에 요하는 시간은 적어도 방전 시간의 2배정도 전류치가 높고 방전 시간의 짧은 Pulse는 약 20배 정도 필요 합니다만 어떻게 하여도 수 us-ms 단위의 짧은 시간은 변하지 않습니다.
따라서단위시간내의 절연 회복의 반복수인 방전 주파수는 수 100HZ-수KHZ 입니다.

방전 가공의 실무

방전가공기를 유효하게 사용하여 커다란 성과를 얻기 위해서는 방전가공의 가공 기술을
충분히 마스터하지 않으면 안 된다.

1.가공조건의 선택

A. On time 과 IP의 설정

ㄱ. On time 적게 Ip 크게 --- 가공속도가 빠르고 전극 소모가 많다.

ㄴ. On time 크게 Ip 적고 --- 가공속도가 느리고 전극소모가 적다.

ㄷ. On time. Ip 중간정도 --- 가공속도 전극마모 ㄱ.ㄴ 의 중간정도

* 위의 방법으로 가공조건을 설정하였을 때 어느 경우나 동일한 면 조도.

* On time를 크게 하면 전극 소모는 적어진다.

　 그림1

그림2

B. Off time 의 설정.

a. Off time 길게 한 경우 전체적으로 방전시간이 길게 소요되기 때문에 전극소모가 커지는 경향이 있다.

b. 단발방전 에서 단발방전 까지의 휴지시간 설정.

c. 가공 면조도 Overcut 전극 소모와는 그다지 관계가 없다.

d. Off time을 적게 설정하는 것이 유리할 것이나 실제는 가공칩의 배제 능력에 관련해서 설정치를 정하게된다.

　 그림3

그림5

2.관통가공 저부가공

1. 관통가공 -- 전극 소모가 심하여도 그 전극 소모를 추정하여 보 다 길게 전극 을 제작하여 전극이 완전히 관통할 때 까지 가공하면 예상했던 정밀도의 형상이 얻어진다.

2. 저부가공 --전극이 소모되면 그만큼의 형상이 달라지는 까닭으로 방전가공 조건 전극의 재질, 방전가공법, 방전가공특성이 당연히 달라진다.

3. Servo Gain 의조정(SERVO)

램의 상하를 제어하는 장치로써 다이알 게이지 눈금이 진동 없이 항상 일정하게 움직여야 최상의 방전상태가 된다.

4. 전압조절장치(GAP)

전류 증가 및 가공면적에 따라 전압을 조절한다.

40V-60V 사이지만 통상적으로 50V 고정하여 사용한다.

5. 점프자동 제어장치 (AJC)

점프는 칩 배출이 주목적이므로 잘못 조절하게되면 아크방전으로 이어지는 수가 있다.

점프 량은 통상적으로 0.3-0.4mm 정도로 하고, 방전시간대 점프비율은 황삭시 3 : 1 ~ 4 : 1, 정삭시는 1.2 : 1 ~ 1.5 : 1 이면 적당하다.

공작물, 가공조건에 따라, 작업자의 테크닉에 따라 약간씩의 차이는 있다.

6. 가공액의 분출

가공 액의 분출은 가공조건, 공작물에 다라 방향과 세기를 조절할 필요가 있다.

여과가 제대로 안된 가공 액은 작업에 지장을 주는 수가 있다.

여과기(휠터)는 압력계의 지침이 3kg / cm³이면 교환해줄 필요가 있다.

7. 가공액

방전가공에 있어서 가공액은 상당히 중요하다.(시중 가격은 17만원 ~ 35만원)

또한 화재로 이어지는 수가 있어 가공 중 세심한 주의가 필요하다.

거품이 많은 경우에는 화재의 위험이 증가한다.(콕을 열어 거품을 제거한다.)

악취가 심한 경우 액이 부패된 경우이니 교환하는 것이 좋다.(탱크 청소)

방전가공 작업시 알아야할 사항
 

1. 작업 시 화재발생 주의

a. 이상 방전이 계속될 시. (ARC)

b. 가공 액 이 차지 않은 상태에서 대 출력 작업 시.

c. 야간근무의 작업자의 졸음 시.

d. 가공부위에 인화성이 높은 물체가 있을 때.

2. 안전대책

a. 장시간 무인운전은 원칙적으로 피해야합니다.

b. 기계근처에는 항상 소화설비(B. C급)를 비치해야합니다.

c. 가공 액의 액면 높이는 50-80mm이상 충분히 확보해야합니다.

d. 가공 액은 지정된 가공 액을 사용해야 합니다.

e. 점검 보수를 위하여 Controller의 내부를 열 때는 반드시 전원을 OFF한다.

f. 운전 중에는 전극을 함부로 만지지 마십시오.

g. 적절한 접지공사를 하여 주십시오.

3. 주기점검

a. 적절한 수평유지상태.

b. Table의 긁힘. 찍힘 등은 정밀도에 치명적인 영향을 준다.

b. 윤활유(1일 1-2회), 구리이스(1개월 1회)의 적절한 주입.

c. 각부의 볼트 조임.

d. 가공 액 휠터의 적절한 교환.

e. 기계의 청결 상태유지.

4. 방전가공의 장단점

a. 장점 

- 공작물이 전도성을 가지고 있으면 경도, 점도 등의 제약을 받지 않는다.

- 이 형상을 비교적 좋은 정도로 가공 할 수 있다.

- 전극과 가공물에 기계적인 힘이 가해지지 않는 상태에서 가공이 된다.

- 무인운전이 가능하다.

- 가공 면이 균일하다.

- 불가능한 가공이 거의 없다.

- 미세한 구멍이나 홈 가공이 가능하다.

- 나사구멍이나 굽은 구멍도 가능하다.

b. 단점 

- 전극 제작이 필요하다.

- 전극 소재에 제한이 있다.

- 일시적인 가공 속도는 느리다.

- 석유등 인화성 물질을 사용한다.

1.메인 파워 동작 불 

메인 개폐기 올림

메인 스위치(키) 점검

메인 3상 전원 확인(220-380)

2. 상하 작동불량

a. s/v amp fuse - 휴즈 교환 - s/v amp 회로고장 - 교환. 수리

b. Remotecontorl - 빼고 판넬 에서 스타트(가공) Z축 하강 -

c. s/v motor,전자브레이크 체크 - 서보 모터 - 무 부하 상태에서 회전방향체크

전자브레이크 - 똑 똑(Open시)소리

d. z축 스크류 체크(무 부하 시 흘러내림이 정상) - 볼 스크류 이상 -

3. 상. 하 한 방향 또는 계속 하강하는 경우 

S/V Amp

Z축 커플링

벨트확인

4. 이상방전(ARC) 

POL확인(극성)

OSC PULS 이상

GAP 너무 높은 경우

ON/OFF TIME이 안 맞는 경우

방전 가공 액 확인

칩 배출이 용이하지 않은 경우

점프 량/ 속도조절

5. 모니터(화면) 

화면 안 나오고 방전됨 

모니터불량(일부모델) 화면도 안 나오고 방전도 안됨 

CPU불량. 스위칭파워체크

6. 가공시 위로 올라가는 경우 

부저가 울리면서 상승 - 카운터 종료신호 

카운터확인 빠른 속도로 상승 - BACK S/W 눌러짐 -S/W 점검

암페어 메타가 움직이며 상승 - 전극 쑈트 -출력선 검검

가공전압이 0V 이며 상승 - 조건 셋팅 누락 - 조건 셋팅

7. 가공속도가 늦는 경우 


가공 전자개폐기3상 확인 AC220V 3상

가공 트랜스 확인 AC65-79V 3상

가공전압 확인 DC 95-110V

출력저항 확인- 소손- 150W-200W, 15오옴-30오옴 무유도저항

IP릴레이, 게이트 확인

출력선 확인

가공조건 확인

8. 부저 셋팅이 안 되는 경우 

전극 통전 확인 - 본드 등 이물질

출력선 단선 - + - 확인

Touch (EIP) S/W - Touch 회로점검

9. 불꼿 셋팅이 안되고 계속 내려오는 경우 

Gap이 너무 낮음

출력선 단선

전극 통전 확인

Gap회로이상

10.카운터에서에러(FUTABA인 경우) 


5 Err - 스케일점검 - CE - 수리.교환

6 Err - Battery점검 - CE - 교환

27Err - Over table - CE - 점검

42Err - Paramater - CE - 점검

44Err - Memory - CE -점검

11. 콘트롤러 내부에서 심한소리(소음.굉음)가 날 때 


마그네트(전자개패기)불량

냉각 팬 불량

Z축 사각, 원형 자바라 재질 : 고무 적용 : 국내외 방전기            전기종	가공액 3노즐 마그네트베이스               + 노즐  +호스 적용 : 국내외 방전기            전기종	가공액 여과기(휠터) 재질 : 종이 휠터 적용 : 국내외 방전기            전기종
각종 제어용,  출력용 PCB 적용 : 국내 방전기 전기종          국외 방전기 (일부)	제어용 S/W Power ± 5V,  ± 12V,  ±245V 적용 : 국내외 방전기           전기종	전자 개폐기, 과부하 계전기 10P,  15P,  20P,  25P 적용 : 국내외 방전기           전기종
디지탈 카운터, 스케일 일본 Futaba 200, 250, 300, 350, 400.... * 50mm 단위부터.	펌프 모터 가공액 단상 펌프 적용 : 국내외 방전기           전기종	미세 피치 마그네트 베이스 * 1530 (150 x 300) * 2040 (200 x 400) 적용 : 국내외 방전기           전기종
도어 바킹 12Ø 원산지 : 일본 적용 : 국내외 방전기            전기종	일반 피치 마그네트 베이스 * 1530 (150 x 300) * 2040 (200 x 400) 적용 : 국내외 방전기           전기종	DC 서보드라이버, 모터 산요, 국내산 적용 : 국내외 방전기           전기종

1) 휴지시간(OFF/ T)의 설정 
하나의 단발방전에서 다음의 단발방전까지의 시간을 휴지시간이라 한다. 휴지시간의 설정방법은 피가공체의 특성 및 가공전류, 펄스폭 등을 고려해서 설정해야 한다. 휴지시간은 되도륵 작은 값을 설정하며 정시간에 있어서 방전 반복 회수가 증가하기 때문에 가공속도가 빨라지며, 가공면 거칠기 및 클리어런스, 전극소모에는 관계없다. 그러므로, 휴지시간은 작은 값에 설정하는 편이 유리하지만 실제 가공에 있어 가공칩의 배출 능력과 가공특성에 따라 설정해야 한다.

2) DUTY FACTOR

따라서 펄스폭과 휴지시간의 비율이 1:1 일 때, DUTY FACTOR는 50%이다.
표 1 은 펄스폭과 휴지시간의 설정치의 비율을 나타낸 것이다 

가공내용에 따른 조건 

방전가공은 가공하는 내용에 따라서 관통가공과 깊은가공(막힘가공)으로 구분된다. 관통가공은 가공속도를 높이기 위해 미리 전극을 길게 제작함으로써 비록 전극마모가 심하더라도 가공 깊이를 길게 설정하여 가공하면 된다.

이와 반대로 깊은가공온 전극을 소모하면 그 만큼 형상이 망그러지므로 방전가공 조건 및 방법, 전극재 등을 고려하여 가공한다. 그림 6은 관통가공자 막힘가공에 대한 가공기술의 개략을 정리하였다.

그림6. 방전가공의 기술개략