전기화학적 가공(ECM): 운동학, 역학 및 툴 설계 완벽 해설

이 기사에서는 전기화학적 가공(ECM)에 대해 논의합니다: 1. 전기화학적 가공(ECM)의 의미와 작동 2. ECM 공정의 전기화학 3. 운동학과 역학 4. 열과 H₂ 기포 발생의 영향 5. ECM이 표면 조도에 미치는 영향 6. ECM 툴 설계 7. 사용되는 전해질 8. 전기화학적 가공 플랜트 9. ECM이 소재에 미치는 영향 10. ECM 특성.

목차:

1. 전기화학적 가공(ECM)의 의미와 작동
2. ECM 공정의 전기화학
3. ECM 운동학과 역학
4. ECM에서 열과 H₂ 기포 발생의 영향
5. ECM이 표면 조도에 미치는 영향
6. ECM 툴 설계
7. ECM에서 사용되는 전해질
8. 전기화학적 가공 플랜트
9. ECM이 소재에 미치는 영향
10. ECM 특성

1. 전기화학적 가공(ECM)의 의미와 작동:

전기화학적 가공은 가장 유망한 비전통 가공 공정 중 하나입니다. 금속 가공에 새로운 공정이지만, 기본 원리는 오래전부터 잘 알려져 있었습니다. 이 공정은 몇 가지 수정을 가한 도금의 역공정으로 간주될 수 있습니다. 또한 전기분해 원리에 기반합니다.

금속에서 전기는 자유 전자에 의해 전도되지만, 전해질에서는 이온의 이동을 통해 전기가 전도됨이 확립되었습니다. 따라서 전해질을 통한 전류 흐름은 항상 물질 이동을 동반합니다.

전기분해 원리는 오랫동안 도금에 사용되어 왔으며, 목적은 공작물에 금속을 증착하는 것입니다. 그러나 전기화학적 가공에서는 금속 제거가 목적이므로, 공작물을 양극에, 툴을 음극에 연결합니다. 그림 6.25는 공작물과 적절히 형상된 툴, 툴과 공작물 사이의 간극이 적절한 전해질로 채워진 모습을 보여줍니다. 전류가 흐르면 양극 용해가 발생합니다.

그러나 간극이 작을수록 용해율이 더 높고 그 반대도 마찬가지입니다. 전류 밀도가 간극에 반비례하기 때문입니다. 이제 툴에 하향 운동을 주면, 공작물 표면은 툴과 같은 형상을 취하려는 경향이 있으며, 정상 상태에서 간극은 균일해집니다(그림 6.25 참조). 따라서 툴 형상이 작업물에 재현됩니다.

전기화학적 가공 공정에서 툴은 일정한 공급 운동을 받습니다. 전해질은 고압으로 툴과 공작물 사이의 작은 간극을 통해 펌핑됩니다. 전해질은 양극이 용해되지만 음극(툴)에는 증착이 일어나지 않도록 선택됩니다. 전류와 전압은 수천 암페어와 8-20볼트 수준입니다. 간극은 0.1-0.2mm 수준입니다.

일반적인 머신에서 소재 제거율은 1000암페어당 약 1600mm³/min입니다. 금속 16 x 10³mm³을 제거하는 데 약 3kWh가 필요하며, 이는 재래식 공정(물론 금속이 쉽게 가공될 때)의 거의 30배 에너지입니다. 하지만 ECM에서는 소재 제거율이 공작물 경도에 독립적입니다. 따라서 공작물 소재가 매우 낮은 가공성을 가지거나 가공 형상이 복잡할 때 ECM이 유리해집니다.

대부분의 다른 재래식 및 비전통 공정과 달리, 여기서는 툴 마모가 거의 없습니다. 가공이 전기화학적으로 이루어지므로 툴이 힘을 받지 않는 것처럼 보이지만, 사실은 간극 내 고압 유체에 의해 툴과 공작물에 매우 큰 힘이 가해집니다.

2. ECM 공정의 전기화학:

전기분해 공정은 패러데이가 제안한 다음 두 법칙에 의해 지배됩니다:

(i) 전류에 의해 생성된 화학적 변화량, 즉 용해되거나 증착된 물질량은 통과한 전지량에 비례합니다.

(ii) 동일한 전지량으로 용해되거나 증착된 다른 물질량들은 그들의 화학적 당량에 비례합니다. 정량적 형태로 패러데이의 두 법칙은 –

금속체가 전해질에 잠기면(그림 6.27), 금속 원자가 몸을 떠나 이온이 되고 이온이 몸으로 이동하여 원자가 됩니다. 이 공정은 지속되며 평형이 유지됩니다. 금속체 표면(전극) 상의 한 점과 전해질 내 인접 점 사이에 전위차가 존재합니다.

이 전위차를 전극 전위라고 합니다. 전극 전위는 전극-전해질 조합에 따라 다릅니다. 두 개의 다른 전극(A와 B)을 담그면, 공통 전해질에 대한 A와 B의 전위가 다르므로 이들 전극 사이에 전위차가 존재합니다. 이 전위차는 전극과 전해질에 의해 생성된 기전력(emf)입니다. 이는 그림 6.27에 설명되어 있습니다. 예를 들어, Fe와 Cu 전극을 소금물(주방 소금 물 용액)에 담그면(그림 6.28a), 전극 전위는 –

전기분해 공정의 성격은 사용된 전해질에 따라 다릅니다. ECM이 어떻게 실현되는지 이해하기 위해 염화나트륨 수용액을 전해질로 고려해 봅시다. 전극 사이에 전압차가 적용되면(그림 6.28b) 양극과 음극에서의 반응은 –

물은 전극으로부터 두 전자를 얻고, 결과적으로 수소 가스가 발생하고 수산기 이온이 생성됩니다. 양성 금속 이온은 음극으로 이동하고 음성 수산기 이온은 양극으로 끌립니다. 그런 다음 양성 금속 이온이 음전하 수산기 이온과 결합하여 수산화 제1철을 형성합니다 –

이 수산화 제1철은 불용성 침전물을 형성합니다. 따라서 이러한 전극 금속-전해질 조합으로 양극이 용해되고 음극에서 H₂가 발생하여 음극 형상이 변하지 않습니다. 이는 ECM 공정 전기화학의 가장 중요한 특성입니다. ECM에서는 어느 전극에서도 증착이 일어나지 않도록 전극과 전해질 선택이 이루어져야 함에 유의하세요.

금속의 그램 당량은 ԑ = A/Z로 주어지며, 여기서 A는 원자량이고 Z는 생성된 이온의 원자가입니다. 이를 식 (6.20)에 사용하면 질량 제거율을 다음과 같은 형태로 얻습니다 –

양극이 순수 금속 대신 합금으로 만들어진 경우, 각 원소의 단위 부피 제거에 필요한 전하를 고려하여 제거율을 찾을 수 있습니다. 원자량과 해당 이온의 원자가가 각각 A₁, A₂, A₃... 및 Z₁, Z₂, Z₃...이고, 합금 조성(중량 기준)이 원소 1의 x₁%, 원소 2의 x₂%...라면, 합금 부피 v cm³에는 vρx_i/100그램의 i번째 원소가 포함되며, 여기서 ρ는 g/cm³ 단위 합금 전체 밀도입니다.

부피 v 내 모든 i번째 원소 제거에 필요한 전하는 –

3. ECM 운동학과 역학:

그림 6.31은 평평하고 평행한 표면을 가진 전극 세트를 보여줍니다. 공작물(상부 전극)은 상수 속도 ƒ로 -y 방향(전극 표면에 수직)으로 공급됩니다.

이 문제는 1차원으로 간주되며, 공작물 표면에서 툴 표면까지의 순간 거리는 y로 간주됩니다. 공작물을 순수 금속으로 간주하면, 공작물 금속 제거율은 식 (6.23)으로 주어집니다. 과전압이 ΔV라면, 전해질을 통한 전류 흐름 밀도는 –

여기서 K는 전해질 전도도입니다. 이제 공작물 소재 제거로 인해 공작물 표면이 원래 표면에 대해 y방향으로 후퇴하는 속도는 Q'로 주어지며, Q'는 공작물 표면 단위 면적당 공작물 금속 부피 제거율입니다. 따라서 공작물과 툴 표면 간 간극이 변하는 속도는 –

이제 몇 가지 기본 사례를 조사해 보겠습니다:

영 공급(Zero Feed):

일정 공급(Constant Feed):

계속 증가하는 간극은 ECM 공정에서 바람직하지 않습니다. 따라서 실제로는 전극에 적절한 크기의 일정한 공급 속도를 제공합니다. 따라서 식 (6.28)에서 ƒ는 상수입니다. 명백히 공급 속도 ƒ가 소재 제거로 인한 전극 표면 후퇴 속도와 같아지면 간극은 일정하게 유지됩니다. 이 간극(공급 속도에 의존)은 평형 간극(y_e)이라고 합니다. 따라서 평형 간극에 대해 식 (6.28)은 –

그림 6.32b는 다양한 초기 간극 값에 대한 y̅ 대 t̅ 플롯을 보여줍니다. 초기 조건에 관계없이 간극이 항상 평형 값에 접근함을 알 수 있습니다.

표면에 기울어진 공급 운동:

공급 속도 벡터가 표면에 기울어지면(그림 6.33), 표면에 수직인 공급 성분은 ƒ cos θ입니다. 이 경우 평형 간극은 λ/(ƒ cos θ)로 주어집니다.

불균일 표면 가공:

불균일 공작물 표면을 ECM에 적용하면, 표면 모든 부분에서 금속이 제거됩니다(다른 가공 작업과 달리). 바깥쪽으로 돌출된 부분(언덕)은 툴 표면에 더 가까워 안쪽으로 들어간 부분(골짜기)보다 더 빠르게 가공됩니다. 따라서 ECM 공정은 불균일도를 매끄럽게 만드는 효과가 있습니다.

그림 6.34와 같이 평형 공작물 표면 위치(y̅ = 1)를 원하는 최종 공작물 표면으로 간주할 수 있습니다. 이 원하는 표면에서의 편차는 골짜기인지 언덕인지에 따라 비차원 깊이 또는 높이(δ̅)로 특징지어지는 결함입니다. δ = y – y_e이므로,

이론적으로 결함을 완전히 제거하는 데 무한한 시간이 걸리지만, 실제로는 δ̅가 미리 정해진 허용값 이하로 내려가면 공정이 완료됩니다. 그림 6.35는 언덕과 골짜기가 어떻게 매끄럽게 처리되는지 보여줍니다.

4. ECM에서 열과 H₂ 기포 발생의 영향:

다른 파라미터와 특성이 전극 면 전체에서 균일하다고 가정했습니다. 하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 이러한 특성의 변동은 가공 공정에 영향을 미칩니다. 또한 전해질 전도도는 전해질이 간극을 따라 통과하면서 – (i) 전해질 온도 증가, (ii) 수소 기포 발생, (iii) 침전물 형성(마지막 효과는 작음) – 으로 인해 변합니다.

전기 흐름으로 인해 전해질 온도가 점차 증가하고 전도도가 변하여 전해질 흐름 방향을 따라 전류 밀도에 불균일성이 생깁니다. 이 외에도 가공 중 수소 발생으로 기포가 형성됩니다. 이 기포들은 전해질에 의해 휩쓸려 가며, 이러한 기포 농도는 전해질 흐름 방향을 따라 증가하는 경향이 있습니다. 결과적으로 전체 전도도와 전류 밀도가 같은 방향을 따라 변합니다. 이러한 원인들의 결과로 전극 간 평형 간극이 변합니다.

5. ECM이 표면 조도에 미치는 영향:

ECM으로 가공된 부품에서 일반적으로 매우 좋은 표면 조도가 바람직하므로, 나쁜 마감을 초래할 수 있는 가능성을 연구하는 것이 중요합니다.

표면 조도에 악영향을 미치는 것들은:

(i) 선택적 용해:

합금에서 다른 성분들은 다양한 전극 전위를 가집니다. 순수 금속에서도 결정립계에서의 용해 전위는 결정립 내부와 다릅니다. 그림 6.38a와 같이 두 성분 A와 B를 가진 공작물 표면을 고려해 봅시다. 이 그림에는 간극을 가로지르는 전압 프로파일도 나와 있습니다. 성분 B의 용해 전위(V_dB)가 성분 A의 용해 전위(V_dA)보다 크다고 합시다.

따라서 ECM 시작을 위해 표면 상의 한 점과 인접 전해질 사이의 필요 전위차는 국부 성분에 따라 V_dA 또는 V_dB가 되어야 합니다. 전체 양극 표면은 등전위이고 전해질 전위는 그림과 같이 간극을 가로지르며 변하므로, 성분 B의 결정립 표면은 성분 A 표면에서 돌출되어야 더 낮은 전위의 전해질과 만나 더 큰 차이 V_dB를 달성할 수 있습니다. 따라서 정상 상태에서 공작물 표면은 고르지 않고 그리 매끄럽지 않습니다.

전위 기울기가 높을 때 불균일도는 적습니다. 그림 6.38b는 다른 파라미터가 동일할 때 다른 전위 기울기를 가진 두 상황을 보여줍니다. 이 그림에서 전위 기울기가 높을 때 성분 B 결정립 돌출 높이가 더 낮음이 명백합니다. 돌출 높이의 대략적 표현식도 다음과 같이 유도될 수 있습니다. 그림 6.38b에서,

(ii) 양극 막의 산발적 파괴:

양극 막의 산발적 파괴 주된 이유는 가공 영역에서 떨어진 영역에서 공작물 표면과 전해질 사이 전위차가 점진적으로 떨어지기 때문입니다. 그림 6.39는 이 영역에서 양극 표면 전위 변화를 보여줍니다. 여기서는 P₁ 지점까지 모든 상의 용해를 유발할 만큼 전위가 충분합니다. P₁에서 가용 전위가 한 상의 용해 전위 아래로 떨어지므로 양극 용해가 멈춥니다.

P₁ 이후 양극 표면 전위는 계속 떨어지고 점점 더 많은 상이 용해를 멈추게 되어 불균일한 표면이 됩니다. 궁극적으로 몇 개 상만 활성 상태로 남아 용해하면 활성 상이 양극 표면의 작은 비율을 차지하므로 전기장 집중이 발생합니다. 이 장 집중으로 인해 이 상들이 매우 빠르게 용해되어 그림 6.39와 같이 깊은 피트를 형성합니다. P₂ 지점 이후 양극 표면 전위가 너무 낮아져 용해가 일어나지 않습니다.

(iii) 흐름 분리 및 와류 형성:

양극 표면의 언덕과 골짜기는 전해질 흐름 분리와 와류 형성을 유발할 수 있습니다. 주 흐름에서 분리된 이러한 와류에서 금속 이온 농도가 크게 쌓여 와류에서 높은 농도 과전위를 초래할 수 있습니다.

이는 국소적 제거율 변동을 도입하여 결과적으로 불균일한 마감 표면을 만듭니다. 언덕과 골짜기 존재 외에도, 부적절한 툴 및 전해질 흐름 경로 설계로 흐름 분리가 발생할 수 있습니다. 따라서 툴 내 전해질 흐름 경로 설계에 각별한 주의가 필요합니다.

(iv) H₂ 가스 발생:

흐르는 전해질은 음극에서 발생하는 수소 가스를 모읍니다. 전해질 내 H₂ 존재는 용액의 비전도도를 감소시킵니다. 이 효과는 H₂ 농도가 하류로 갈수록 증가함에 따라 커지며, 전체 효과는 표면 조도 악화입니다.

앞서 언급한 네 가지 메커니즘 외에도 표면 악화의 다른 원인들이 있지만, 중요도가 낮아 논의하지 않겠습니다.

6. ECM 툴 설계:

툴 설계에는 두 가지 주요 측면이 있습니다.

이들은:

(i) 주어진 가공 조건에서 원하는 작업물 형상을 달성하기 위한 툴 형상 결정.

(ii) (i) 이외의 고려사항을 위한 툴 설계, 예: 전해질 흐름, 절연, 강도, 고정 장치.

툴 형상의 이론적 결정:

가공된 공작물 표면의 원하는 형상이 알려지면, 주어진 가공 조건 세트에 대해 툴 표면의 필요 기하학을 이론적으로 결정할 수 있습니다.

인가 전압, 과전압, 공급 속도를 각각 V, ΔV, ƒ라고 합시다. 양극과 음극 표면 간 평형 간극은 –

전해질 흐름 설계:

툴과 공작물 사이에 충분한 전해질 흐름은 가공 열과 생성물을 제거하고 필요한 공급 속도로 가공 공정을 지원하여 만족스러운 표면 조도를 생산하는 데 필요합니다. 공동 현상, 정체, 와류 형성은 피해야 하며 이는 나쁜 표면 조도를 초래합니다. 기본 규칙 하나는 흐름 경로에 날카로운 모서리가 없어야 한다는 것입니다. 흐름 경로의 모든 모서리는 최소 0.7-0.8mm 반경이어야 합니다.

부품 초기 형상은 일반적으로 툴 형상을 따르지 않고 처음에만 작은 영역만 툴 표면에 가깝습니다. 이러한 영역에 전해질을 공급하는 문제는 보통 유량 제한 기술로 해결됩니다.

많은 상황에서 초기 공작물 형상이 툴 형상을 따를 때,

전해질 공급 슬롯이 있는 툴은 제조가 간단하지만, 그러한 슬롯은 공작물에 작은 리지를 남깁니다. 그러나 슬롯을 충분히 좁게 만들면 리지를 매우 작게 만들 수 있습니다. 물론 슬롯 폭은 적절한 흐름을 제공하기에 충분해야 합니다. 슬롯에서의 흐름은 슬롯에 수직한 방향으로 일어나며 끝에서 흐름은 약합니다. 따라서 슬롯은 그림 6.43a와 같이 공작물 표면 모서리 근처에서 종료되어야 합니다.

슬롯 팁과 모서리 사이 거리는 최소 1.5mm여야 하며, 폭 0.7-0.8mm 슬롯이 권장됩니다. 공작물 모서리가 둥근 경우 슬롯 끝을 그림 6.43b와 같이 더 크게 만들어야 합니다. 슬롯 형상과 위치는 표면 모든 부분에 전해질 흐름이 공급되고 수동 영역이 없도록 해야 합니다. 그림 6.44는 슬롯 설계 결함으로 수동 영역이 존재하는 두 상황을 보여줍니다.

그림 6.44a에서 수동 영역은 슬롯과 이 영역 사이의 외부 공간 때문에 공급을 받지 못하는 반면, 그림 6.44b에서는 슬롯의 급격한 굽힘(흐름이 슬롯에 수직이라는 사실)과 함께 수동 영역이 생성됩니다. 올바른 설계는 그림 6.45와 같습니다. 때로는 역류 툴을 사용하여 정확하게 절삭하고 우수한 표면을 생성하지만, 이 공정은 더 복잡하고 비싸며 일반적으로 권장되지 않습니다.

초기 공작물 표면이 툴 형상을 따르지 않을 때 전해질 흐름 제어 기술은 그림 6.46에 나와 있습니다. 유량 제한기 설치 일반 규칙은 다음과 같습니다. 유량 제한기는 초기 근접 영역(툴과 공작물 표면 사이)에 인접해야 하며 흐름 경로를 크게 증가시키지 않아야 합니다. 또한 전해질 진입 또는 출구 위치에 있어야 합니다.

절연 설계:

전기화학적 가공이 바람직하지 않은 툴 영역은 절연되어야 합니다. 다이 싱킹에서도 툴은 빗나간 가공을 최소화하기 위해 적절히 절연되어야 합니다. 그림 6.47은 적절한 절연 유무에 따른 ECM 공정을 보여줍니다. 그림 6.48은 적절한 절연 유무에 따른 다이 싱킹을 보여줍니다.

절연은 강하고 툴 표면에 단단히 결합되어야 합니다. 에폭시 수지 시멘트와 플라스틱 나사로 강화된 고체 플라스틱 소재를 툴에 고정하여 제공할 수 있습니다. 때로는 인위적으로 산화된 구리 툴 표면에 합성 고무 코팅을 적용하여 절연할 수도 있습니다. 이를 위해 뜨거운 화학 산화 용액을 사용합니다. 절연층 경계가 고속 전해질 흐름에 노출되지 않아야 합니다. 이는 접착된 층을 찢을 수 있기 때문입니다.

7. ECM에서 사용되는 전해질:

ECM에서 전해질은 세 가지 기본 기능을 수행합니다:

(i) 전기 회로 완성 및 대전류 통과 허용,

(ii) 필요한 전기화학 반응 유지,

(iii) 발생한 열과 폐기물 운반.

첫 번째 기능은 전해질이 이상적으로 큰 전기 전도도를 가지도록 요구합니다. 두 번째 기능은 양극에서 공작물 소재가 지속적으로 용해되고, 금속 이온이 음극에서 방전되지 않도록 전해질이 그러한 특성을 가지도록 요구합니다. 일반적으로 전해질의 양이온 성분은 수소, 암모니아, 알칼리 금속입니다. 양극 용해는 높은 효율 수준에서 유지되어야 합니다.

또한 전해질은 좋은 화학적 안정성을 가져야 합니다. 이 모든 것 외에도 전해질은 저렴하고 안전하며 가능한 한 비부식성이어야 합니다. 일반적으로 무기 화합물 수용액이 사용됩니다. 표 6.4에는 다양한 합금 유형에 사용되는 전해질이 나열되어 있습니다.

8. 전기화학적 가공 플랜트:

전기화학적 머신 설계 시 몇 가지 중요한 점을 염두에 두어야 합니다. 이들에는 구성요소의 강성과 소재가 포함됩니다. 툴과 공작물 표면 사이에 물리적 접촉이 없으므로 가공 힘이 무시할 수 있을 것처럼 보이지만, 좁은 간극을 통해 적절한 유속을 유지하는 데 필요한 전해질 고압으로 인해 그들 사이에 매우 큰 힘이 발생할 수 있습니다.

따라서 머신은 가공 부품 정밀도를 파괴할 수 있는 툴의 유의미한 처짐을 피하기 위해 충분한 강성을 가져야 합니다. 온도 변화도 툴과 공작물 사이에 상대적 변위를 일으킬 수 있으며, 설계는 이를 고려해야 합니다.

부식 방지를 위해 가능하면 비금속 소재를 사용해야 합니다. 강성과 강도가 필요할 때는 플라스틱 코팅 금속을 사용해야 합니다. 공작물을 고정하는 소재는 양극 공격에 노출되며, 패시브성 때문에 Ti가 가장 적합해 보입니다. 다른 금속들이 전해질 존재 하에서 접촉할 때, 특히 머신이 유휴 상태일 때 부식이 발생할 수 있습니다.

이를 최소화하기 위해 접촉하는 금속들은 전기화학적 행동에서 크게 다르지 않도록 선택해야 합니다. 슬라이드웨이는 영구적으로 보호될 수 없으므로 그리스로 두껍게 코팅됩니다. 때로는 전체 구조가 전기화학적으로 더 귀금속이 되도록 하는 방향으로 작은 전위를 가해 부식 보호를 제공할 수도 있습니다. 이는 일반적으로 음극 보호로 알려져 있습니다.

펌프는 보조 플랜트에서 가장 중요한 요소입니다. 일반적으로 스테인리스강으로 만든 포지티브 디스플레이스먼트 펌프(기어 펌프 유사)가 사용됩니다. 전해질 탱크, 파이프라인, 밸브는 일반적으로 PVC로 제작됩니다.

9. ECM이 소재에 미치는 영향:

재래식 가공 공정과 대조적으로, ECM 중 소재 제거는 부드럽고 온화합니다. 결과적으로 공작물 표면에서 최대 잔류 압축 응력이 매우 낮습니다. 또한 가공 경화 표면층 깊이는 무시할 수 있습니다. 선삭과 밀링에서 가공 경화 표면층 깊이가 각각 약 0.5mm와 1.5mm인 반면, ECM에서는 약 0.001mm에 불과합니다. 마찬가지로 재래식 공정으로 가공된 표면 잔류 응력 크기는 약 50kg/mm² 수준인 반면, ECM에서는 거의 0입니다.

이는 ECM으로 생산된 부품의 피로 강도가 10-25% 낮아지는 결과를 초래합니다. 이는 ECM으로 생성된 표면에서 미세 균열 팁이 노출되고 공정이 응력 없는 표면을 남기기 때문입니다. 피로 강도 증가를 위해 기계적 공정(기계적 연마, 유리 비드 블라스팅, 증기 블라스팅 등)을 사용할 수 있습니다.

10. ECM 특성: