EDM 방전 가공의 작동 원리와 미시적 메커니즘 심층 분석

생산 현장에서 매일 EDM을 접하지만, EDM에 대해 얼마나 알고 계십니까?

먼저 EDM 기술이 어떻게 탄생했는지 아시나요? 1943년 구소련 과학 아카데미 원사 라자렌코 부부가 스위치 접점의 스파크 방전 부식 손상 현상과 원인을 연구하던 중, 전기 스파크의 순간 고온(최대 10,000°C)이 국부 금속을 용융·기화시켜 침식 제거함을 발견했습니다.

산업 제품과 부품 제조 분야에서 와이어 EDM 서비스를 이 원리로 활용해 공정을 효율·신속하게 완료합니다.

그럼 EDM의 원리는 무엇일까요? 전기 가공 원리와 미시적 메커니즘 공정을 계속 읽으며 이해해 보시죠.

어떤 가공법을 EDM이라 부르는가?

EDM은 펄스 방전 미시 공정에서 발생하는 고온(순간 온도 최대 10,000°C)으로 소재를 용융·침식 제거하는 가공법입니다.

펄스 방전 1회의 미시 공정

EDM은 전기 방전으로 금속을 연속 제거하는 공정입니다. 펄스 방전 시간이 짧지만 전자기학, 열역학, 유체역학 복합 작용으로 복잡한 과정을 거칩니다. 요약하면 펄스 방전 1회 공정은 다음 단계로 나뉩니다.

극간 유전체 이온화, 절연 파괴, 방전 채널 형성

공구 전극과 공작물 사이 펄스 전압 인가 시 즉시 전기장이 형성됩니다. 전기장 강도는 전압에 비례하고 거리에 반비례합니다. 전극 간 전압 상승 또는 거리 감소 시 전기장 강도도 증가합니다.

공구 전극과 공작물 미시 표면이 불평활하고 전극 간 거리가 매우 작아 전기장 분포가 매우 불균일합니다. 두 전극에 가장 가까운 돌출점이나 팁에서 전기장 강도가 가장 큽니다. 전기장 강도가 일정 수준에 도달하면 유전체가 절연 파괴되고, 방전 간극 저항이 절연 상태에서 옴의 분수 단위로 급감, 간극 전류가 최대값으로 급상승합니다.

채널 직경이 작아 전류 밀도가 높습니다. 간극 전압이 절연 파괴 전압에서 스파크 유지 전압(보통 20~30V)으로 급강하하고, 전류가 0에서 피크 전류로 상승합니다.

매질 열분해, 전극 소재 용융, 기화 열팽창

극간 매질이 이온화·절연파괴돼 방전 채널이 형성되면, 펄스 전원이 채널 내 전자를 양극으로, 양이온을 음극으로 고속 이동시킵니다.

전기에너지가 운동에너지로, 충돌을 통해 열에너지로 변환됩니다. 따라서 채널 내 양극과 음극 표면이 순간 열원이 돼 매우 고온에 도달합니다. 고온으로 작동유체 매질이 기화하고 열분해·기화됩니다.

기화된 작동유체와 금속 증기가 급격히 팽창해 방전 간극에 기포를 형성합니다. 이 기포가 급속 열팽창하며 폭발적 특성을 보입니다.

EDM 공정 관찰 시 방전 간극에서 기포 발생, 작동유체 점차 흑변, 작고 선명한 폭발음 청취 가능합니다.

이는 EDM이 주로 열팽창과 국부 미세 폭발로 전극 소재를 용융·기화시키고 소재 표면을 침식해 절단 목적을 달성하기 때문입니다.

전극 소재 처리

EDM 작동 중 방전점과 양/음극 표면의 순간 고온으로 작동유체 기화, 금속 소재 용융·기화됩니다. 열팽창으로 높은 과도 압력 발생.

채널 중심 압력이 가장 높아 기화 가스가 지속적으로 바깥으로 팽창하며, 고압 상태의 용융 금속액과 증기가 밀려나 작동유체로 던져집니다.

표면장력과 응집력 작용으로 던져진 소재는 응축 시 최소 표면적 구형 미세 입자가 됩니다.

용융·기화 금속이 전극 표면에서 떨어져 나가며 사방으로 튀는데, 대부분 작동유체로 날아가 미세 입자로 수축하지만 일부는 상대 전극 표면에 튀겨 도금·흡착됩니다.

상호 튀김·도금·흡착 현상은 특정 조건에서 공구 전극 소모를 줄이거나 보상하는 데 활용될 수 있습니다.

금속 소재 식각·투척 공정은 이보다 훨씬 복잡합니다.

극간 매질 재이온화 (탈이온화)

펄스 전압 종료와 함께 펄스 전류도 급격히 0으로 떨어지지만, 이후 잠시 동안 극간 매질 탈이온화, 즉 방전 채널 내 대전 입자가 중성 입자로 재결합하는 시간이 필요합니다.

방전 채널 내 매질 절연 강도 신속 회복, 전극 표면 온도 저감 등으로 다음 펄스 때 동일 위치 재방전으로 인한 아크 방전을 방지합니다.

정상적 EDM 공정 수행을 위해 두 펄스 방전 사이 일반적으로 충분한 펄스 간격 시간이 필요합니다.

또한 절연 파괴·방전 지점이 분산·이동할 공간이 있어야 하며, 그렇지 않으면 한 지점 근처에서만 방전돼 아크 형성이 쉽습니다.