와이어 방전 가공(WEDM) 입문: 장단점 및 CNC 공정 개요

와이어 방전 가공(WEDM)은 연속적으로 이동하는 가는 금속 와이어(전극 와이어)를 전극으로 사용하여 펄스 스파크 방전으로 금속을 가공하고 공작물을 절단하는 가공법입니다. 와이어 방전 가공의 장단점은 무엇이며, CNC 와이어 방전 가공 공정에는 어떤 단계가 포함될까요?

와이어 방전 가공의 장점

• 광범위한 적용성: 재료의 두께와 경도에 관계없이 전도성 재료라면 박판부터 초경 합금까지 가공 가능합니다.
• 복잡한 형상 가공 가능: 직선 절단뿐만 아니라 아크 절단, 직선과 아크의 조합 등 복잡한 형상을 가공할 수 있습니다. 상하 전극 와이어를 각각 이동시켜 테이퍼 가공도 가능합니다.
• 고정밀도: 와이어 절단 정밀도는 연삭기와 비교할 만합니다(0.005mm 단위).
• 버(Burr) 없음: 버 제거 공정이 불필요하여 칩 컨베이어 등 주변 장비가 필요 없고 공정을 단축할 수 있습니다.
• 특수 공구 불필요: 비교적 저렴한 황동(브라스) 와이어를 소모성 공구(회전 절삭 공구 등) 대신 사용하므로 공구 교체가 필요 없고 소모품 비용을 절감할 수 있습니다.
• 소재 손상 최소화: 비접촉 가공이므로 소재에 가해지는 하중이 크지 않고 열변형도 매우 작습니다.

와이어 방전 가공의 단점

• 바닥 가공 불가: 와이어 쏘 형태이므로 바닥면 가공이 불가능합니다. 바닥면 방전 가공이 필요하면 침강형 방전 가공기(EDM)가 적합합니다.
• 가공 속도 느림: 공작물을 서서히 녹이며 절단하므로 일반 절단보다 느리고 양산에 부적합합니다. 속도는 분당 몇 밀리미터로, 육안으로 움직임을 확인하기 어렵습니다.
• 비전도성 재료 가공 불가: 전도성 재료라면 경도와 무관하게 가공 가능하지만, 비전도성 재료는 가공할 수 없습니다.
• 수평 가공 불가: 수직으로 연장된 와이어가 톱처럼 가공하므로 수평 방향 가공이 불가능합니다.

와이어 방전 가공의 단계 및 공정

와이어 방전은 고정밀 가공을 위해 금속 소재를 정밀하게 절단하는 데 사용됩니다. 주로 금형, 기어, 정밀 지그, 고정밀 후처리가 필요한 경화 부품 등 블록 형태 소재 가공에 사용되며, 판재 절단용으로는 적합하지 않습니다.

WEDM의 일반적인 가공 단계는 다음과 같습니다.

1. 먼저 가공할 공작물을 작업대에 고정합니다. 공작물 끝에서부터 절단을 시작할 수도 있지만, 보통 와이어 절단 시작 시 공작물에 스타트 홀(또는 스타트 라인)을 연결하여 공작물 내부 응력으로 인한 변형을 방지합니다. 작업대(또는 전극 와이어)가 사전에 입력된 NC 데이터에 따라 XY 방향(평면)으로 이동하면 가공이 시작됩니다. NC 제어로 연속 작동하므로 작업자 없이 무인 가공이 가능합니다. 절단 후 NC 가공 데이터에 따라 지정된 형상으로 자동 절단됩니다. 공작물 절단 시 서로 접촉하지 않고 수십 미크론의 일정한 간격을 유지합니다.
2. 절연 상태인 공작물과 와이어 전극 사이의 거리가 수십 미크론으로 가까워지면 절연이 파괴되어 스파크 방전이 발생하고 펄스 전류가 순간적으로 흐릅니다. 아크 타워라고 불리는 고밀도 방전 상태에서 수천 도의 고온이 국부적으로 발생하여 금속(공작물)이 용융됩니다.
3. 아크 컬럼 주변의 작동 유체 온도가 급상승하여 기화되고 급격한 체적 팽창으로 공작물과 전극 표면 사이에서 폭발이 일어나 금속 파편이 배출됩니다.
4. 펄스 전류가 차단되어 주변 깨끗한 유체로 흐르면 용융 금속이 냉각되어 미세 파편이 되고 씻겨 나갑니다. 전극 간 절연이 회복되어 다음 펄스 전압 공급을 기다립니다.

이렇게 전압 펄스마다 금속(공작물)이 용융·제거되는 과정이 초당 수십만 회 반복되어 와이어 방전 가공으로 공작물이 절단됩니다.