전기화학 가공(Electrochemical Machining, ECM)은 전기도금의 역공정으로, 도전성 전해액 속에서 공구(음극)와 공작물(양극) 사이에 대전류를 흘려 금속 이온을 용해 제거하는 비접촉, 비전통적 정밀 가공 기술입니다. 공구 재료가 공작물보다 경도일 필요가 없어, 경도·강도·인성에 관계없이 모든 도전성 재료 가공이 가능하며, 고강도 소재의 복잡한 공동(cavity) 가공에 탁월합니다.
기초 원리는 1833년 패러데이가 정립한 전기분해 법칙(Faraday's Laws of Electrolysis)에 기반합니다.
전해질 용액 속 두 전극 사이에 전류를 흘리면 화학적 현상(전기분해)이 발생합니다. 고체 도체에서는 전자가, 전해질에서는 이온(양이온/음이온)이 전하를 운반합니다. 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하며, 이 전극-전해질 시스템을 전해전지라 합니다.
공구-공작물 간극이 좁아 단락 방지를 위해 저전압(2~35V)을 유지하며, 재료 제거율 ∝ 전류 밀도이므로 대전류(50~40,000A) 직류(DC)를 사용합니다.
전극 재료에 맞춰 선정하며, 주요 조합은 다음과 같습니다.
전해액 필수 특성: 고전도도, 저점도, 저독성/저부식성, 화학적·전기화학적 안정성
3대 기능: 전류 전달, 가공 생성물(슬러지) 배출, 줄열(Joule heat) 제거
공정 조건: 온도 20~50°C, 유량 20 L/min per 100A, 압력 0.5~20 bar, 농도 100~500 g/L
가공 대상 도전성 재료로, 원자량과 원자가에만 의존하여 제거율이 결정됩니다. 시스템으로부터 절연하여 누설 전류를 방지합니다.
양극 형상의 복제품(replica)으로, 다음 특성을 가져야 합니다.
공구 재료: 구리, 황동, 티타늄, 구리-텅스텐, 스테인리스강, 알루미늄, 흑연, 청동, 백금, 텅스텐 카바이드 등
공정 중 공구에 물질이 퇴적되나, 산업용으로는 전해액이 이를 씻어내도록 설계합니다. 공구 역시 시스템으로부터 절연됩니다.
서보 모터로 공구에 제어된 이송(0.5~15 mm/min)을 제공하여 일정한 간극을 유지합니다.
전해액 순환용 펌프, 저장 탱크, 필터(불순물/독성 이온 제거), 슬러지 용기, 원심분리기(슬러지-전해액 분리), 흄 추출기, 밀폐 인클로저로 구성되어 환경 및 작업자 보호를 도모합니다.
철 공작물(양극)과 공구(음극)를 NaCl 전해액에 담그고 약 10V 직류 전원을 연결합니다. 전해액은 저장 탱크에서 펌프로 순환되며 공구 내 홀을 통해 간극으로 공급됩니다.
양극 반응 (공작물 용해):
음극 반응:
초기 불균일했던 간극(0.1~2mm)은 가공 진행되며 균일해지고, 최종 형상은 공구 형상의 복제품이 됩니다. 슬러지는 원심분리기로 제거, 전해액은 여과 후 재순환됩니다.
산업기술
연마재 제트 가공이란? 연마재 제트 가공(Abrasive Jet Machining, AJM)은 노즐을 통해 고속으로 분사되는 연마 입자(abrasive grains)가 공작물 표면에 충돌하여 충격 침식(impact erosion) 작용으로 재료를 제거하는 비전통적 가공 공정입니다. 제어된 조건 하에서 150~300m/s의 초고속 가스 흐름에 연마 입자를 실어 공작물에 분사함으로써 절단, 드릴링, 디버링 등의 작업을 수행합니다. 연마재 제트 가공의 주요 구성 요소 가스 공급 장치 (Gas Supply) 필터 (Filter) 압력
화학 가공(Chemical Machining, CHM)이란? 화학 가공은 에칭(Etching)이라고도 하며, 강산/강알칼리 화학 시약(에천트)에 공작물을 침적하여 재료를 용해 제거함으로써 원하는 형상을 얻는 공정입니다. 기원전 400년경 구연산/젖산으로 갑옷 금속 에칭하던 기록이 있으며, 1927년 스웨덴 악티에볼라그 세퍼레이터스(Aktiebolaget Separators)사가 상용화했습니다. 장치 구성 탱크 (Tank): 개방형, 내식성 코팅 강철제 가열 코일 (Heating Coil): 탱크 하부, 온도 일정 유지(가열/냉각
