방전 가공(EDM):역학, 작동 원리 및 회로(다이어그램 포함)

이 기사에서는 방전 가공(EDM)에 대해 논의할 것입니다. 1. 방전 가공(EDM) 소개 2. EDM의 역학 3. EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함) 4. 표면 마감 및 가공 정확도 5. EDM에서 도구 전극 및 유전체 유체의 역할 6. 금속 표면에 대한 EDM의 영향 7. 특성.

내용:

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방전가공(EDM) 소개

EDM의 역학

EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함)

EDM의 표면 조도 및 가공 정확도

EDM에서 도구 전극과 유전체 유체의 역할

금속 표면에 대한 EDM의 영향

EDM의 특징

1. 방전 가공(EDM) 소개 :

비전통적인 기술을 개발할 때 열전 에너지원을 사용하는 것은 가공성이 극히 낮은 재료와 어려운 작업을 경제적으로 가공하는 데 크게 도움이 되었습니다. 일반적으로 방전 가공으로 알려진 일련의 전기 스파크를 통한 제어된 침식에 의한 재료 제거 공정은 1943년경 소련에서 처음 시작되었습니다. 그 후 연구 개발을 통해 이 공정을 현재 수준으로 끌어 올렸습니다.

양극과 음극의 두 지점 사이에서 방전이 발생하면 영역 근처에서 발생하는 강한 열이 스파크 영역의 물질을 녹여 증발시킵니다. 효율성 향상을 위해 공작물과 공구를 유전체 유체(탄화수소 또는 광유)에 담급니다. 두 전극이 같은 재료로 만들어지면 양극 단자에 연결된 전극이 일반적으로 더 빠른 속도로 부식된다는 것이 관찰되었습니다. 이러한 이유로 공작물은 일반적으로 양극으로 만들어집니다. 스파크 갭으로 알려진 적절한 갭이 공구와 공작물 표면 사이에 유지됩니다.

스파크는 적절한 소스를 사용하여 고주파로 방전됩니다. 스파크는 공구와 공작물 표면이 가장 가까운 지점에서 발생하고 각 스파크 후에 지점이 변경되기 때문에(각 스파크 후 재료 제거로 인해) 스파크는 표면 전체를 이동합니다. 그 결과 표면 전체에 걸쳐 균일한 재료 제거가 이루어지며 최종적으로 작업면이 도구 표면과 일치하게 됩니다. 따라서 도구는 공작물에 필요한 인상을 생성합니다.

소정의 스파크 갭을 유지하기 위해 일반적으로 서보 제어 장치가 사용됩니다. 간격은 양단의 평균 전압을 통해 감지되고 이 전압은 미리 설정된 값과 비교됩니다. 차이는 서보 모터를 제어하는 데 사용됩니다. 때로는 서보 모터 대신 스테퍼 모터가 사용됩니다. 물론 아주 원시적인 작업의 경우 솔레노이드 제어도 가능하며 이를 통해 기계는 매우 저렴하고 구성이 간단합니다.

스파크 주파수는 일반적으로 200-500,000Hz 범위이며 스파크 갭은 0.025-0.05mm 정도입니다. 갭 양단의 피크 전압은 30-250볼트 범위로 유지됩니다. mrr 최대 300mm³ /min은 이 과정으로 얻을 수 있으며, 비전력은 10W/mm³ 정도입니다. / 분 유전체 유체의 강제 순환이 제공될 때 성능의 효율성과 정확도가 향상되는 것으로 밝혀졌습니다. 가장 일반적으로 사용되는 유전체 유체는 등유입니다. 도구는 일반적으로 황동 또는 구리 합금으로 만들어집니다.

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2. EDM의 역학:

그림 6.52는 전극 표면의 세부 사항을 보여줍니다. 표면이 매끄럽게 보일 수 있지만 표시된 대로(물론 과장된 방식으로) 요철과 불규칙성이 항상 존재합니다. 결과적으로 국부적 갭은 변하고, 주어진 순간에 한 지점(예를 들어, A)에서 최소이다. 공구와 공작물(각각 음극 및 양극)에 적절한 전압이 형성되면 충분한 강도의 정전기장이 형성되어 A의 음극에서 전자가 냉방사됩니다.

이러한 해방된 전자는 양극 쪽으로 가속됩니다. 충분한 속도를 얻은 후 전자는 유전체 유체의 분자와 충돌하여 전자와 양이온으로 분해됩니다. 이렇게 생성된 전자도 가속되어 궁극적으로 유전성 유체 분자에서 다른 전자를 제거할 수 있습니다. 궁극적으로 이온화된 유전체 유체 분자의 좁은 기둥이 두 전극을 연결하는 A에서 설정됩니다(이온화된 기둥의 전도도가 매우 높기 때문에 일반적으로 스파크로 간주되는 전자 사태를 유발함).

이 스파크의 결과 압축 충격파가 발생하고 전극에 매우 높은 온도(10,000~12,000°C)가 발생합니다. 이 높은 온도는 전극 재료의 용융 및 기화를 유발하고 용융 금속은 기계적 폭발에 의해 배출되어 A의 두 전극에 작은 크레이터가 생성됩니다. 이것이 발생하자마자 A의 전극 사이의 간격이 증가하고 다음 전극 사이의 간격이 증가합니다. 가장 짧은 간격의 위치는 다른 곳에 있습니다(예:B).

따라서 사이클을 반복하면 B에서 다음 스파크가 발생합니다. 이와 같이 스파크는 전극 표면 전체를 떠돌아다녀 결국 균일한 간격을 갖게 됩니다. 따라서 음극의 모양에 따라 다른 쪽 전극에 자국이 생깁니다.

일반적으로 음극에서 물질 제거 속도는 다음과 같은 이유로 양극에서 물질 제거 속도보다 상대적으로 낮습니다.

(i) 전자의 흐름이 양극을 때리는 운동량은 개별 전자의 질량이 양극의 질량보다 작지만 음극에 충돌하는 양극의 흐름으로 인한 것보다 훨씬 더 큽니다.

(ii) 유전성 유체(일반적으로 탄화수소)의 열분해는 음극에 탄소 박막을 생성합니다.

(iii) 음극 표면에 압축력이 발생합니다. 따라서 일반적으로 도구는 DC 소스의 음극 단자에 연결됩니다.

공구가 공작물에 대해 고정되어 있으면 재료 제거가 진행됨에 따라 간격이 증가하므로 스파크를 시작하기 위해 전압을 높여야 합니다. 이 문제를 피하기 위해 평균 간격의 크기를 감지하고 일정하게 유지하는 서보 드라이브의 도움으로 공구가 공급됩니다.

다음에서는 방전 가공 중 재료 제거율의 이론적 결정을 시도합니다. 그렇게 하면 정량적 결과는 얻지 못하지만 많은 중요한 특징이 드러날 것입니다. 현재로서는 단 하나의 스파크의 효과를 이해하는 것으로 충분할 것입니다.

단일 배출로 인한 물질 제거량은 분화구의 직경과 용융 온도에 도달하는 깊이를 고려하여 결정할 수 있습니다.

이를 위해 다음과 같은 가정을 합니다.

(i) 스파크는 전극 표면의 균일한 원형 열원이며 이 원형 소스의 직경(=2a)은 일정하게 유지됩니다.

(ii) 전극 표면은 반무한 영역입니다.

(iii) 열원의 일부를 제외하고 전극 표면은 절연되어 있습니다.

(iv) 열 입력 비율은 방전 기간 동안 일정하게 유지됩니다.

(v) 전극 재료의 특성은 온도에 따라 변하지 않습니다.

(vi) 전극 재료의 기화는 무시됩니다.

그림 6.53은 이상적인 열원의 세부 사항을 보여줍니다. 우리의 분석에서 H- 입열량(cal), θ =온도(°C), t =시간(sec), k=열전도율(cal/cm-sec-°C), α =열확산율(cm ² /초), t_d =방전 지속 시간(초), θ_m =용융 온도(°C).

원형 대칭 때문에 모든 지점의 온도는 r과 z에 따라 달라집니다. 열전도 방정식은 –

직관적으로 용융 온도에 도달하는 깊이가 중심에서 최대임을 알 수 있으므로 r =0의 솔루션에 관심이 있습니다. 최대 온도가 t =t_d에 도달했다고 가정합니다. 이 순간에 열 입력이 멈춤에 따라)는 다음과 같이 주어집니다. -

따라서 Z는 각 스파크에 의해 제거된 물질의 양을 나타냅니다. 그림 6.54a는 주어진 스파크 에너지에 대한 Z의 이론적인 값과 전극 재료인 Cu, Al, Zn에 대한 일정한 스파크 직경을 보여줍니다. 그림 6.54b는 t_d에 따른 분화구 부피의 실제 변화를 나타냅니다. 다른 스파크 에너지를 위해. 추세는 상당히 유사합니다.

이러한 결과에서 명백해지는 한 가지 중요한 특징은 재료 제거가 짧은 방전 시간 동안 매우 낮고 t_d에 따라 증가한다는 것입니다. . 그런 다음 피크 값에 도달하면 갑자기 0으로 떨어집니다. 또한 방전당 제거되는 물질은 물질의 녹는점에 크게 좌우된다는 것이 확인되었습니다.

기계적 제거 과정에서 캐비테이션의 영향도 중요합니다. 시간에 대해 플롯된 단일 스파크 동안의 mrr은 그림 6.55와 같습니다. 분명히 mrr은 압력이 대기보다 낮을 때 최대이며 캐비테이션의 중요성을 보여줍니다.

대략적인 추정치를 얻기 위해 EDM 중 재료 제거율에 대한 경험적 관계가 개발되었습니다. 분화구의 크기는 스파크 에너지에 의존하기 때문에(다른 모든 조건은 변하지 않는다고 가정), 분화구의 깊이와 직경은 –

이 관계에서 우리는 평균 스파크 조건을 가정했습니다.

mrr은 또한 유전체 유체의 순환에 크게 의존합니다. 강제 순환이 없으면 마모 입자가 반복적으로 녹아 전극과 재결합합니다. 그림 6.56은 유전체의 강제 순환이 있는 경우와 없는 경우의 mrr 특성의 특성을 보여줍니다.

방전이 완료된 후 마지막 스파크 주변의 유전체 매체를 탈이온화해야 합니다. 이를 위해 갭 양단의 전압은 탈이온화가 완료될 때까지 방전 전압 미만으로 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 전류는 이전 방전 위치에서 갭을 통해 다시 흐르기 시작합니다. 완전한 탈이온화에 필요한 시간은 이전 방전에서 방출된 에너지에 따라 다릅니다. 더 큰 에너지 방출은 더 긴 탈이온화 시간을 초래합니다.

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3. EDM 회로 및 작동 원리(다이어그램 포함):

기본적으로 몇 가지 다른 전기 회로를 사용하여 작업 도구 간극에 맥동 DC를 제공할 수 있습니다. 작동 특성은 다르지만 거의 모든 이러한 회로에서 방전이 갭에서 발생하기 전에 전하를 저장하기 위해 커패시터가 사용됩니다. 회로의 적합성은 가공 조건 및 요구 사항에 따라 다릅니다.

맥동 DC를 공급하기 위해 일반적으로 사용되는 원리는 다음 세 그룹으로 분류할 수 있습니다.

(i) 일정한 dc 소스가 있는 저항-커패시턴스 완화 회로.

(ii) 회전식 임펄스 발생기.

(iii) 제어 펄스 회로.

(i) 저항-커패시턴스 완화 회로:

저항-커패시턴스 완화 회로는 방전 기계가 처음 개발될 때 사용되었습니다. 그림 6.57a는 간단한 RC 회로를 보여줍니다. 이 그림에서 알 수 있듯이 커패시터 C(변동 가능)는 V₀ 전압의 DC 소스에 의해 가변 저항 R을 통해 충전됩니다. .

갭 양단의 전압(커패시터 양단의 전압과 거의 동일) V는 관계에 따라 시간에 따라 변합니다. 여기서 t는 순간 V₀에서 시작하는 시간을 나타냅니다. 은 적용되다.

따라서 V는 V₀에 접근합니다. 허용되는 경우 그림 6.57b와 같이 점근적으로 표시됩니다. 공구 작업 간격과 유전체 유체가 간격을 가로지르는 전압이 값 V_d에 도달할 때 스파크가 발생할 수 있는 경우 (일반적으로 방전 전압으로 알려짐), 스파크가 발생하여 공구 작업 간격(V)을 가로지르는 전압이 V_d에 도달할 때마다 커패시터가 완전히 방전됩니다. .

방전 시간은 충전 시간보다 훨씬 짧고(약 10%) 스파크의 빈도(v)는 대략 다음 식으로 주어진다(탈이온화에 필요한 시간도 정상적인 상황에서 매우 작기 때문에) –

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

스파크당 제거된 물질이 스파크당 방출되는 에너지에 비례한다고 가정하면 mrr은 다음과 같이 표현될 수 있습니다. -

(ii) 회전식 임펄스 발생기:

스파크 생성을 위한 이완 회로는 간단하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 이 중 중요한 단점은 mrr이 높지 않다는 것이다. 제거율을 높이기 위해 스파크 발생에 임펄스 발생기가 사용됩니다. 그림 6.59는 그러한 시스템의 개략도를 보여줍니다. 커패시터는 전반부 사이클 동안 다이오드를 통해 충전됩니다. 다음 반주기 동안 발전기와 충전된 커패시터에 의해 생성된 전압의 합이 작업 도구 간격에 적용됩니다.

운전 주파수는 모터 속도에 의존하는 사인파 생성 주파수입니다. mrr이 더 높지만 이러한 시스템은 좋은 표면 조도를 생성하지 못합니다.

(iii) 제어 펄스 회로:

우리가 논의한 두 시스템에서는 단락이 발생했을 때 전류 흐름을 자동으로 방지하는 조항이 없습니다. 이러한 자동 제어를 달성하기 위해 스위칭 장치로 진공관(또는 트랜지스터)이 사용됩니다. 이 시스템은 제어된 펄스 회로로 알려져 있습니다. 그림 6.60은 이러한 시스템을 개략적으로 보여줍니다. 스파크가 발생하는 동안 갭을 통해 흐르는 전류는 커패시터에서 나옵니다.

전류가 갭을 통해 흐르면 밸브 튜브(VT)가 차단되어 무한 저항처럼 동작합니다. 바이어스 제어는 전자 제어(EC)를 통해 수행됩니다. 갭의 전류가 멈추자 마자 튜브의 전도도가 증가하여 전류의 흐름이 다음 사이클 동안 커패시터를 충전할 수 있습니다.

부과된 주파수로 주기적으로 전류의 흐름을 허용하면 회로를 단순화하고 동작 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 오실레이터의 도움으로 바이어스를 제어하여 수행할 수 있습니다. 이 경우 커패시터가 필요하지 않습니다. 그림 6.61은 트랜지스터를 사용한 그러한 회로를 보여줍니다.

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4. EDM의 표면 조도 및 가공 정확도:

EDM에서 물질 제거는 스파크로 인한 크레이터의 형성을 통해 이루어지므로 크레이터 크기(특히 깊이)가 거칠면 표면이 거칠다는 것이 분명합니다. 따라서 주로 에너지/스파크에 의존하는 분화구 크기가 표면의 품질을 제어합니다. 그림 6.62는 H_rms를 보여줍니다. (표면 불균일성의 제곱 평균값) C 및 V에 따라 다름₀ .

분화구 깊이(h_c )는 스파크당 방출되는 에너지(E)로 대략적으로 표현될 수 있습니다. –

펄스 에너지 E에 대한 표면 마감의 의존성과 기존 공정으로 얻은 표면 마감과의 비교가 그림 6.63에 나와 있습니다. 재료 제거 속도와 표면 마감 품질 간의 적절한 관계를 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 일반적으로 적용할 수 있는 매우 신뢰할 수 있는 관계는 아직 나타나지 않았습니다. 그러나 정상적인 조건에서 강을 가공할 때 mrr과 표면 요철은 대략 다음과 같은 관련이 있습니다.

여기서 H_rms 는 표면 불균일성의 제곱근(미크론)이고 Q는 재료 제거율(mm³ )입니다. / 분

유전체의 강제 순환은 일반적으로 표면 마감을 개선하는 것으로 밝혀졌습니다. 강제 순환(전압 40V, 전류 0.2A, 주파수 1.12kHz)이 있거나 없는 EDM에 의해 생성된 황동 전극 표면의 단면이 그림 6.64에 나와 있습니다. 강제 순환이 표면 조도를 크게 향상시키는 것은 분명합니다.

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5. EDM에서 도구 전극 및 유전체 유체의 역할:

전극은 EDM 작업에서 매우 중요한 역할을 하므로 더 나은 결과를 얻으려면 도구 전극의 특정 측면을 염두에 두어야 합니다.

아. 도구 전극 마모:

EDM 작동 중에 이미 언급한 바와 같이 전극(즉, 도구)도 스파크 작용으로 인해 침식됩니다. 전극 마모 특성이 좋은 재료는 일반적으로 기계 가공이 어려운 재료와 동일합니다. 공구에 사용되는 주요 재료 중 하나는 녹지 않고 증기상으로 직접 이동하는 흑연입니다. 마모율(r_Q )은 작업에서 제거된 재료와 도구에서 제거된 재료의 비율로 정의되며 r_θ과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. (=작업의 융점 / 도구의 융점) -

나. 전극 재료:

전극 재료의 선택은 다음에 따라 다릅니다.

(i) 재료 제거율,

(ii) 마모율,

(iii) 전극 형성 용이성,

(iv) 비용.

가장 일반적으로 사용되는 전극 재료는 황동, 구리, 흑연, A1 합금, 구리-텅스텐 합금 및 은-텅스텐 합금입니다.

전극을 만드는 데 사용되는 방법은 다음과 같습니다.

(i) 기존 가공(구리, 황동, Cu-W 합금, Ag-W 합금 및 흑연에 사용),

(ii) 주조(Zn계 다이캐스팅 합금, Zn-Sn 합금 및 Al 합금에 사용),

(iii) 금속 용사,

(iv) 프레스 성형.

유동 구멍은 일반적으로 유전체의 순환을 위해 제공되며 이 구멍은 저압에서 큰 유량을 허용하기 위해 러프 컷을 위해 가능한 한 커야 합니다.

다. 유전체 유체:

이상적인 유전체 유체의 기본 요구 사항은 다음과 같습니다.

(i) 저점도,

(ii) 독성 증기의 부재,

(iii) 화학적 중성,

(iv) 염증 경향의 부재,

(v) 저렴한 비용.

보통의 물은 이러한 성질을 거의 모두 가지고 있으나 작업과 기계에 녹이 슬기 때문에 사용하지 않는다. 물을 권장하지 않는 또 다른 이유는 다음과 같습니다. 전극은 지속적으로 약간의 전위차 아래에 있으며 물의 우수한 전도성으로 인해 ECM 프로세스는 공작물을 왜곡하기 시작합니다. 또한 전력이 낭비됩니다. 그러나 어떤 경우에는 탈이온수가 사용됩니다.

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

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6. 금속 표면에 대한 EDM의 영향:

스파크에 의해 생성된 고온은 금속의 용융 및 기화를 유발하며, 이러한 고온은 분명히 가공된 표면의 얕은 층(2.5-150μm)의 특성에 영향을 미칩니다.

가장 바깥 쪽 레이어는 빠르게 냉각되므로 매우 단단합니다. 바로 아래의 레이어는 약간 강화된 상태입니다. 그림 6.67은 강에 대한 황삭 및 마감 EDM 작업 모두에 대한 깊이에 따른 경도 변화를 보여줍니다. 정삭 가공에서는 이러한 경화가 두드러지지 않음이 분명합니다. 그러나 외층이 템퍼링되어 경도가 낮습니다.

EDM 작업 중 표면층의 경화는 더 나은 내마모성을 부여합니다. 그러나 냉각 동안 표층에 발생하는 미세 균열로 인해 피로 강도가 감소합니다. 그림 6.68은 기존 밀링과 EDM으로 생산된 동일한 부품의 피로 강도를 비교한 것입니다. 얇은 표면층의 특성은 인장 강도에 큰 영향을 미치지 않습니다. 그들의 구조는 변형되고 불꽃으로 인해 화학 성분이 어느 정도 변경됩니다. 이들은 일반적으로 내식성을 감소시킵니다.