방전 가공(EDM): 메커니즘, 원리, 회로 설계 완벽 해설

이 기사에서는 방전 가공(EDM)에 대해 논의합니다: 1. 방전 가공(EDM) 소개 2. EDM 메커니즘 3. EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함) 4. 표면 조도 및 가공 정밀도 5. EDM에서 툴 전극 및 유전체 유체의 역할 6. EDM이 금속 표면에 미치는 영향 7. 특성.

목차:

1. 방전 가공(EDM) 소개
2. EDM 메커니즘
3. EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함)
4. EDM 표면 조도 및 가공 정밀도
5. EDM에서 툴 전극 및 유전체 유체의 역할
6. EDM이 금속 표면에 미치는 영향
7. EDM 특성

1. 방전 가공(EDM) 소개:

열전기 에너지원을 비전통 기술 개발에 활용함으로써 극도로 가공성이 낮은 소재와 어려운 작업의 경제적 가공 달성에 크게 기여했습니다. 제어된 일련의 전기 스파크를 통한 제어된 침식에 의한 소재 제거 공정, 일반적으로 방전 가공으로 알려진 이 공정은 1943년경 소련에서 처음 시작되었습니다. 이후 연구 개발로 이 공정은 현재 수준에 이르렀습니다.

양극과 음극의 두 지점 사이에 방전이 일어나면, 스파크 영역 근처에서 생성된 강한 열이 스파크 영역의 소재를 녹이고 증발시킵니다. 효과를 개선하기 위해 공작물과 툴을 유전체 유체(탄화수소 또는 미네랄 오일)에 담급니다. 두 전극이 같은 소재로 만들어진 경우, 양극에 연결된 전극이 일반적으로 더 빠른 속도로 침식되는 것이 관찰되었습니다. 이 때문에 공작물은 보통 양극으로 만듭니다. 툴과 공작물 표면 사이에 스파크 갭으로 알려진 적절한 간격이 유지됩니다.

스파크는 적절한 소스를 사용하여 고주파로 방전되도록 합니다. 스파크는 툴과 공작물 표면이 가장 가까운 지점에서 발생하고, 각 스파크 후(각 스파크 후 소재 제거로 인해) 지점이 변경되므로 스파크는 표면 전체를 이동합니다. 이는 표면 전체에 걸쳐 균일한 소재 제거를 초래하고, 결국 공작물 면이 툴 표면과 일치하게 됩니다. 따라서 툴은 공작물에 필요한 인상을 생성합니다.

미리 정해진 스파크 갭을 유지하기 위해 서보 제어 장치가 일반적으로 사용됩니다. 갭은 이를 가로지르는 평균 전압을 통해 감지되며, 이 전압은 사전 설정된 값과 비교됩니다. 차이는 서보 모터를 제어하는 데 사용됩니다. 때로는 서보 모터 대신 스테퍼 모터가 사용되기도 합니다. 물론 매우 원시적인 작업의 경우 솔레노이드 제어도 가능하며, 이를 통해 머신이 극도로 저렴하고 제작이 간단해집니다.

스파크 주파수는 일반적으로 200~500,000Hz 범위이며, 스파크 갭은 0.025~0.05mm 정도입니다. 갭 피크 전압은 30~250볼트 범위로 유지됩니다. 이 공정으로 최대 300mm³/min의 mrr을 얻을 수 있으며, 특정 전력은 약 10W/mm³/min 수준입니다. 유전체 유체 강제 순환 시 효율과 성능 정밀도가 향상되는 것으로 밝혀졌습니다. 가장 일반적으로 사용되는 유전체 유체는 등유입니다. 툴은 일반적으로 황동 또는 구리 합금으로 제작됩니다.

2. EDM 메커니즘:

그림 6.52는 전극 표면의 세부 사항을 보여줍니다. 표면이 매끄러워 보일 수 있지만, 과대 표시된 것처럼 애스페리티(asperities)와 불규칙성이 항상 존재합니다. 결과적으로 국부적 갭이 변하고, 주어진 순간에 한 지점(예: A)에서 최소가 됩니다. 툴과 공작물(각각 음극과 양극) 사이에 적절한 전압이 축적되면, A점에서 음극으로부터 냉방출 전자를 유발할 만큼 충분한 정전기장이 형성됩니다.

이 방출된 전자들은 양극을 향해 가속됩니다. 충분한 속도를 얻은 후, 전자들은 유전체 유체 분자와 충돌하여 이를 전자와 양이온으로 분해합니다. 이렇게 생성된 전자들도 가속되어 결국 유전체 유체 분자로부터 다른 전자들을 이탈시킵니다. 결국 이온화된 유전체 유체 분자의 좁은 기둥이 A점에서 두 전극을 연결하여 형성됩니다(이온화된 기둥의 전도도가 매우 커서 전자 눈사태가 발생하며, 이는 일반적으로 스파크로 보입니다).

이 스파크의 결과로 압축 충격파가 생성되고 전극에 매우 높은 온도(10,000~12,000°C)가 발생합니다. 이 고온은 전극 소재의 용융과 증발을 유발하고, 용융 금속은 기계적 폭파에 의해 배출되어 두 전극의 A점에 작은 크레이터를 형성합니다. 이 일이 발생하자마자 A점에서 전극 간 간격이 증가하고, 다음 최단 간격 위치는 다른 곳(예: B)입니다.

따라서 사이클이 반복되면 다음 스파크는 B점에서 발생합니다. 이렇게 스파크는 전극 표면 전체를 돌아다니며, 궁극적으로 균일한 간격을 초래합니다. 따라서 음극 형상에 따라 다른 전극에 인상이 생성됩니다.

일반적으로 음극에서의 소재 제거율은 양극보다 비교적 적은데, 그 이유는:

(i) 전자 스트림이 양극에 충돌하는 운동량이 양이온 스트림이 음극에 충돌하는 운동량보다 훨씬 크기 때문입니다(개별 전자 질량이 양이온보다 작음에도 불구하고).

(ii) 유전체 유체(일반적으로 탄화수소)의 열분해로 음극에 얇은 탄소 막이 생성되기 때문입니다.

(iii) 음극 표면에 압축력이 발생하기 때문입니다. 따라서 일반적으로 툴을 직류 소스의 음극 단자에 연결합니다.

툴이 공작물에 대해 정지해 있으면, 소재 제거가 진행됨에 따라 갭이 증가하여 스파크를 개시하기 위해 더 높은 전압이 필요하게 됩니다. 이 문제를 피하기 위해 툴은 평균 갭 크기를 감지하고 일정하게 유지하는 서보 드라이브의 도움을 받아 공급됩니다.

다음에서 방전 가공 중 소재 제거율의 이론적 결정을 시도하겠습니다. 그렇게 함으로써 정량적 결과는 얻지 못하더라도 많은 중요한 특징이 명확해질 것입니다. 지금은 단일 스파크의 효과만 이해하면 충분합니다.

단일 방전에 의한 소재 제거량은 크레이터 직경과 용융 온도에 도달하는 깊이를 고려하여 결정할 수 있습니다.

이를 위해 다음 가정들을 합니다:

(i) 스파크는 전극 표면에서 균일한 원형 열원이며, 이 원형 소스의 직경(=2a)은 일정함.

(ii) 전극 표면은 반무한 영역임.

(iii) 열원 부분을 제외하고 전극 표면은 절연됨.

(iv) 열 입력율은 방전 지속 시간 동안 일정함.

(v) 전극 소재 특성은 온도에 따라 변하지 않음.

(vi) 전극 소재 증발은 무시함.

그림 6.53은 이상화된 열원의 세부 사항을 보여줍니다. 분석에서 H-열 입력량(cal), θ=온도(°C), t=시간(sec), k=열전도율(cal/cm-sec-°C), α=열확산도(cm²/sec), t_d=방전 지속 시간(sec), θ_m=용융 온도(°C)입니다.

원형 대칭성으로 인해 임의 점의 온도는 r과 z에 의존합니다. 열전도 방정식은 –

직관적으로 용융 온도에 도달하는 깊이가 중심에서 최대임이 분명하므로, 우리의 관심은 r=0에서의 해에 있습니다. 방전 종료 시 축 위 점의 온도(최대 온도가 t=t_d에서 도달한다고 가정, 열 입력이 이 순간 중단되므로)는 –

따라서 Z는 각 스파크에 의해 제거된 소재 부피를 나타냅니다. 그림 6.54a는 주어진 스파크 에너지와 일정한 스파크 직경에 대한 Cu, Al, Zn 전극 소재의 Z 이론적 값을 보여줍니다. 그림 6.54b는 다양한 스파크 에너지에 대한 크레이터 부피의 t_d에 따른 실제 변동 특성을 묘사합니다. 경향은 매우 유사합니다.

이 결과에서 드러나는 한 가지 중요한 특징은 소재 제거가 작은 방전 시간에는 매우 낮고 t_d와 함께 증가한다는 것입니다. 그런 다음 피크 값에 도달하면 갑자기 0으로 떨어집니다. 또한 방전당 제거된 소재가 소재 용융점에 강하게 의존함이 확립되었습니다.

기계적 제거 공정에서 공동 현상의 효과도 중요합니다. 단일 스파크 중 mrr을 시간에 대해 플로팅하면 그림 6.55와 같습니다. 압력이 대기압 미만일 때 mrr이 최대임을 명확히 보여주며, 공동 현상의 중요성을 입증합니다.

대략적인 추정을 위해 EDM 중 소재 제거율에 대한 경험적 관계가 개발되었습니다. 크레이터 크기가 스파크 에너지(다른 모든 조건이 동일하다고 가정)에 의존하므로, 크레이터 깊이와 직경은 –

이 관계에서 평균 스파크 조건을 가정했습니다.

mrr은 유전체 유체 순환에도 강하게 의존합니다. 강제 순환 없이는 마모 입자가 반복적으로 녹아 전극과 재결합합니다. 그림 6.56은 유전체 유체 강제 순환 유무에 따른 mrr 특성의 성격을 보여줍니다.

방전이 완료되면, 마지막 스파크 주변의 유전체 매질은 탈이온화되도록 허용되어야 합니다. 이를 위해 갭 전압이 탈이온화 완료까지 방전 전압 미만으로 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 전류가 직전 방전 위치에서 다시 갭을 통해 흐르기 시작합니다. 완전 탈이온화에 필요한 시간은 직전 방전에서 방출된 에너지에 의존합니다. 더 큰 에너지 방출은 더 긴 탈이온화 시간을 초래합니다.

3. EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함):

공작물-툴 갭에 펄레이팅 직류를 공급하기 위해 여러 가지 기본적으로 다른 전기 회로를 사용할 수 있습니다. 운영 특성은 다르지만, 거의 모든 그러한 회로에서 방전이 갭을 가로질러 발생하기 전에 전기 충전을 저장하기 위해 커패시터를 사용합니다. 회로의 적합성은 가공 조건과 요구 사항에 따라 다릅니다.

펄레이팅 직류 공급을 위한 일반적으로 사용되는 원리는 다음 세 그룹으로 분류될 수 있습니다:

(i) 정전류 소스를 가진 저항-커패시턴스 이완 회로.

(ii) 회전 임펄스 발생기.

(iii) 제어 펄스 회로.

(i) 저항-커패시턴스 이완 회로:

저항-커패시턴스 이완 회로는 방전 가공 머신이 처음 개발되었을 때 사용되었습니다. 그림 6.57a는 단순한 RC 회로를 보여줍니다. 이 그림에서 알 수 있듯이 커패시터 C(조정 가능)는 가변 저항 R을 통해 직류 소스 전압 V₀로 충전됩니다.

갭 전압(커패시터 전압과 거의 동일) V는 관계식에 따라 시간과 함께 변합니다. 여기서 t는 V₀가 적용된 순간부터 시작하는 시간을 나타냅니다.

따라서 허용된다면 V는 그림 6.57b와 같이 V₀에 점근적으로 접근합니다. 툴-작업 갭과 유전체 유체가 갭 전압이 V_d(일반적으로 방전 전압으로 알려짐) 값에 도달하면 스파크가 발생할 수 있는 조건이라면, 툴-작업 갭 전압(V)이 V_d에 도달할 때마다 커패시터가 완전히 방전됩니다.

방전 시간은 충전 시간보다 훨씬 짧습니다(약 10%). 일반적인 상황에서 탈이온화에 필요한 시간도 매우 작으므로 스파크 주파수(v)는 대략 다음 방정식으로 주어집니다 –

따라서 최대 전력 전달을 위해 방전 전압은 공급 전압 V₀의 72%여야 합니다.

스파크당 제거된 소재가 스파크당 방출된 에너지에 비례한다고 가정하면, mrr은 –

(ii) 회전 임펄스 발생기:

스파크 생성을 위한 이완 회로는 단순하지만 특정 단점이 있습니다. 그중 중요한 단점은 mrr이 높지 않다는 것입니다. 제거율을 높이기 위해 임펄스 발생기를 스파크 생성에 사용합니다. 그림 6.59는 그러한 시스템의 개략도를 보여줍니다. 커패시터는 첫 번째 반주기 동안 다이오드를 통해 충전됩니다. 다음 반주기 동안 발생기에서 생성된 전압과 충전된 커패시터의 전압 합이 공작물-툴 갭에 적용됩니다.

작동 주파수는 모터 속도에 의존하는 사인파 생성 주파수입니다. mrr은 더 높지만, 그러한 시스템은 좋은 표면 조도를 생성하지 않습니다.

(iii) 제어 펄스 회로:

앞서 논의한 두 시스템에서는 단락이 발생했을 때 전류 흐름을 자동으로 방지하는 장치가 없습니다. 이러한 자동 제어를 달성하기 위해 진공관(또는 트랜지스터)을 스위칭 소자로 사용합니다. 이 시스템을 제어 펄스 회로라고 합니다. 그림 6.60은 그러한 시스템을 개략적으로 보여줍니다. 스파크 발생 중 갭을 통해 흐르는 전류는 커패시터에서 나옵니다.

전류가 갭을 통해 흐를 때, 밸브 튜브(VT)는 차단되도록 바이어스되어 무한 저항처럼 행동합니다. 바이어스 제어는 전자 제어(EC)를 통해 수행됩니다. 갭 전류가 멈추자마자 튜브 전도도가 증가하여 다음 사이클을 위해 커패시터 충전 전류 흐름을 허용합니다.

바이어스 제어를 오실레이터의 도움으로 강제 주파수로 전류 흐름을 주기적으로 허용하면 회로를 단순화하고 작동 안정성을 개선할 수 있습니다. 이 경우 커패시터가 필요하지 않습니다. 그림 6.61은 트랜지스터를 사용한 그러한 회로를 보여줍니다.

4. EDM 표면 조도 및 가공 정밀도:

EDM에서 소재 제거가 스파크로 인한 크레이터 형성을 통해 이루어지므로, 큰 크레이터 크기(특히 깊이)는 거친 표면을 초래함이 명백합니다. 따라서 주로 스파크당 에너지에 의존하는 크레이터 크기가 표면 품질을 제어합니다. 그림 6.62는 H_rms(표면 불균일의 제곱평균근 값)가 C와 V₀에 어떻게 의존하는지 보여줍니다.

크레이터 깊이(h_c)는 스파크당 방출된 에너지(E)로 대략 표현할 수 있습니다 –

펄스 에너지 E에 대한 표면 조도 의존성과 기존 공정으로 얻은 표면 조도와의 비교는 그림 6.63에 나와 있습니다. 소재 제거율과 표면 조도 품질 사이의 적절한 관계 결정에 많은 노력이 기울여졌습니다. 하지만 일반적인 적용이 가능한 매우 신뢰할 수 있는 관계는 아직 나오지 않았습니다. 그러나 정상 조건에서 강철 가공 시 mrr과 표면 불균일은 대략 다음과 같이 관련됩니다 –

여기서 H_rms는 마이크론 단위 표면 불균일의 제곱평균근이고 Q는 mm³/min 단위 소재 제거율입니다.

유전체 강제 순환이 일반적으로 표면 조도를 개선하는 것으로 밝혀졌습니다. EDM으로 생성된 황동 전극 표면 단면(전압 40V, 전류 0.2A, 주파수 1.12kHz)은 그림 6.64에 강제 순환 유무에 따라 나와 있습니다. 강제 순환이 표면 조도를 크게 개선함이 분명합니다.

5. EDM에서 툴 전극 및 유전체 유체의 역할:

전극은 EDM 작업에서 극도로 중요한 역할을 하므로, 더 나은 결과를 얻기 위해 툴 전극의 특정 측면을 염두에 두어야 합니다.

a. 툴 전극 마모:

EDM 작업 중 앞서 언급했듯이 전극(툴)도 스파크 작용으로 인해 침식됩니다. 좋은 전극 마모 특성을 가진 소재는 일반적으로 가공하기 어려운 소재와 동일합니다. 툴에 사용되는 주요 소재 중 하나는 흑연으로, 녹지 않고 바로 기상으로 전환됩니다. 마모 비율(r_Q), 공작물에서 제거된 소재와 툴에서 제거된 소재의 비율로 정의되며, r_θ=(공작물 용융점/툴 용융점)와 다음과 같이 관련됩니다 –

b. 전극 소재:

전극 소재 선택은 다음에 의존합니다:

(i) 소재 제거율,

(ii) 마모 비율,

(iii) 전극 성형 용이성,

(iv) 비용.

가장 일반적으로 사용되는 전극 소재는 황동, 구리, 흑연, Al 합금, 구리-텅스텐 합금, 은-텅스텐 합금입니다.

전극 제작에 사용되는 방법들은:

(i) 재래식 가공(구리, 황동, Cu-W 합금, Ag-W 합금, 흑연용),

(ii) 주조(아연 베이스 다이캐스팅 합금, Zn-Sn 합금, Al 합금용),

(iii) 금속 분사,

(iv) 프레스 성형.

유전체 순환을 위한 플로우 홀은 일반적으로 제공되며, 이 홀은 거친 절삭 시 큰 유량을 낮은 압력으로 허용하기 위해 가능한 한 크게 만들어야 합니다.

c. 유전체 유체:

이상적인 유전체 유체의 기본 요구사항들은:

(i) 낮은 점도,

(ii) 독성 증기 없음,

(iii) 화학적 중성,

(iv) 인화성 없음,

(v) 저렴한 비용.

일반 물은 이 거의 모든 특성을 가지지만, 공작물과 머신에 녹을 일으키므로 사용되지 않습니다. 물이 권장되지 않는 또 다른 이유는 다음과 같습니다. 전극은 지속적으로 어떤 전위차 하에 있으며, 물의 좋은 전도성으로 인해 ECM 공정이 시작되어 공작물을 왜곡시킵니다. 또한 전력이 낭비됩니다. 그러나 일부 경우 탈염수가 사용되기도 합니다.

가장 일반적으로 사용되는 유체 유형은 탄화수소(석유) 오일입니다. 등유, 액체 파라핀, 실리콘 오일도 유전체 유체로 사용됩니다.

6. EDM이 금속 표면에 미치는 영향:

스파크에 의해 생성된 고온은 금속의 용융과 증발을 유발하며, 분명히 이 고온은 가공된 표면의 얕은 층(2.5-150μm) 특성에 영향을 미칩니다.

가장 바깥층은 급속 냉각되어 매우 단단해집니다. 바로 아래층은 어느 정도 템퍼링된 상태입니다. 그림 6.67은 강철에 대한 거친 및 정삭 EDM 작업에서 깊이에 따른 경도 변화를 보여줍니다. 정삭 가공에서는 그러한 경화가 두드러지지 않음이 명확합니다. 그러나 바깥층은 템퍼링되어 경도가 낮습니다.

EDM 작업 중 표면층 경화는 더 나은 내마모성 특성을 부여합니다. 그러나 급랭 중 표면층에 미세 균열이 발생하여 피로 강도는 감소합니다. 그림 6.68은 재래식 밀링과 EDM으로 제작된 동일 부품의 피로 강도 비교를 보여줍니다. 얇은 표면층 특성은 인장 강도에 큰 영향을 미치지 않습니다. 구조가 변형되고, 스파크로 인해 화학적 조성이 어느 정도 변경됩니다. 이는 일반적으로 침식 저항을 감소시킵니다.

7. EDM 특성: