금형 제작 6

제6장 와이어 컷 방전가공

1. 개요

방전가공은 가공 방식으로 볼 때 특정 형상의 전극 공구를 사용하는 램형 방전가공과 금속 와이어를 가공 전극으로 사용하는 와이어 컷 방전가공(WIRE CUT EDM)으로 나뉨.

와이어 컷 방전가공은 램형 방전가공에 비해 가공 공정이 간단하며 경도가 높아 기계 가공이 불가능하거나 복잡한 형상도 가공할 수 있어 사출 금형의 제작 등 그 응용 분야가 급속히 증가하고 있음.

2. 적용분야 및 특징

(1) 적용분야

2차원 형상 및 3차원 형상의 금형 제작.

방전 가공용 전극 제작.

시험 제작품 및 부품 가공.

각종 윤관 형상의 가공

미세 가공.

(2) 특징

재료의 경도에 관계없이 가공할 수 있음.

특수한 공구를 필요로 하지 않음.

형상의 제한이 없이 가공할 수 있음.

고정밀도의 가공이 가능함.

와이어 전극의 소모를 대부분 무시할 수 있음.

화재 발생 위험이 없음.

3. 와이어 컷 방전가공기의 구성 및 기능

(1) 개요

와이어 컷 방전가공기는 동, 텅스텐 등의 가는 와이어를 감아 돌리면서 이것을 전극으로 하여 윤곽 형상을 수치제어에 의해 실톱식과 같은 방식으로 윤곽을 도려는 방전가공기.

(2) 구성

1) 기계 본체

베이스, 칼럼, 테이블, 와이어 공급 장치.

2) 가공액 처리 및 공급 장치

펌프, 필터, 이온 교환 수지, 탱크 및 냉각기.

3) CNC 장치

컴퓨터 및 주변 장치.

4) 전력 공급 장치

콘덴서, 트랜지스터, 스위치 회로.

(3) 기능

와이어 경 보정.

프로그램 도형의 자동 확대 및 축소.

후퇴 제어.

자동 위치결정 기능.

4축 제어 테이퍼 가공.

자동 와이어 이송.

4. 와이어 컷 방전가공기의 가공 특성

와이어 컷 방전기의 가공 특성을 결정하는 인자로는 가공속도, 면 조도, 방전 갭이 있음.

(1) 가공 조건

1) 전기 조건

피크전류, 무부하 전압, 휴지시간, 평균 가공전압.

2) 가공액

비저항, 유량.

3) 와이어 전극

장력, 전송속도, 와이어 지름, 재질.

(2) 가공속도

1) 개요

 

∴ W(가공 속도) = F(이송 속도, mm/min) x H(두께, mm)

2) 가공속도의 향상

(가) 전기조건

전압, 전류, 콘덴서 용량 등과 같은 방전 에너지를 높이면 가공속도가 빨라지지만 너무 높으면 와이어가 끊어질 수 있어 유의해야 함.

(나) 가공액의 비저항

가공액의 비저항이 작을수록 방전이 일어나기 쉽고 방전 갭이 넓어지며 가공이 안정되기 때문에 가공속도가 빨라짐.

(다) 가공액의 압력

가공액의 압력이 높으면 유속이 커지고 칩 배출이 잘 되므로 가공 진행 방향의 방전 효율이 상승하지만 너무 높으면 진동이 발생되고 와이어가 끊어질 수 있음.

(라) 와이어 장력과 이송속도

와이어의 장력이 크면 와이어의 진동 폭이 작아져서 가공되는 홈의 폭이 좁아지고 진행  방향의 방전 효율이 상대적으로 높아져서 가공속도가 향상됨.

가공속도는 전극 이송속도 X 가공물의 두께이므로 두께가 일정할 경우 전극인 와이어의 이송속도를 크게 하면 가공속도가 빨라짐.

(3) 가공 정도의 향상 조건

1) 치수 정밀도의 향상

가공물은 진공 열처리를 하고 합금 공구강은 뜨임을 시행할 것.

재료의 클램핑을 알맞게 하고 정밀도가 좋은 고정용 지그를 사용할 것.

와이어의 가공 시작점과 가공 통로를 잘 선택할 것.

방전 에너지를 낮추고 2차 가공을 할 것.

2) 진직도 향상

와이어의 진동을 억제할 것.

가공액의 비저항을 낮출 것.

가공속도를 높일 것.

3) 코너부의 처짐 억제

와이어의 장력을 높일 것.

상하 가이드의 간격을 가능한 한 짧게 할 것.

전압과 콘덴서 정전 용량을 낮추어 방전에 의한 반발력을 약하게 할 것.

전기적 조건과 가공속도를 자동으로 제어할 것.

4) 위치결정 정밀도 향상

와이어의 수직 조절을 잘하고 기준 구멍은 수직으로 정밀하게 거스러미 없이 가공할 것.

단면의 기준면은 연삭 후 거스러미를 제거해야 하며 장력을 크게 하여 단면을 검출할 것.

(4) 면적효과

1) 정의

방전가공 시 가공면적이 너무 작을 때 가공속도가 저하되는 현상을 말함.

방전이 안정적으로 행해지기 위해서는 방전을 유발하는 미소 돌기가 가공면 전면에 걸쳐 분포되어야 하는 면적이 작아질수록 분산 분포의 정도가  낮아지며 방전이 1개소에 집중되어 효율적인 방전이 어려워짐.

2) 영향

와이어 컷 방전가공 시에는 미세한 와이어 전극에 대향하는 미소면이 가공면이 되므로 면적효과를 받기 쉬움.

가공물의 두께가 두꺼울수록 와이어의 진행 방향에 가공면적이 커지기 때문에 면적효과가 유리하게 작용하여 가공속도가 향상됨.

5. 와이어 컷 방전가공 방법

(1) 가공 방법

와이어 컷 방전가공은 1차 퍼스트 컷으로 방전가공을 마치는 것과 2차 세컨드 컷까지 적용하는 방법으로 나뉨.

(2) 퍼스트 컷

(3) 세컨드 컷

1) 개요

다듬질 여유를 남기고 고속으로 1차 가공을 한 다음 남아 있는 다듬질 여유분을 다듬질 조건으로 바꾸고 동일 와이어를 사용하여 오프셋 양을 서서히 줄여가면서 1차 가공속도의 10배의 이송속도로 2회 이상 가공물 표면을 가공 제거하는 작업으로 가공면의 조도 향상을 위해 시행함.

2) 효과

가공물의 잔류응력에 의한 변형 방지.

가공 정도의 향상.

가공면의 조도 향상.

코너부의 정확한 형성.

가공 형상의 수정.

(4) 코너부 제어

1) 코너부를 제어하는 이유

코너부의 가공량의 변화로 인해 가공경 폭의 변화 발생.

와이어의 가공 진행 방향의 지연.

2) 대책

세컨드 컷을 시행할 것.

가공 형상의 궤도를 보정할 것.

전기 조건을 변경하여 가공속도를 제어할 것.

프로그램으로 코너부에 도피 R를 작성할 것.

(5) 가공물의 뒤틀림

1) 원인

가공물의 내부응력 잔류.

방전열에 의한 변형.

가공액의 온도 변화.

2) 대책

가공물을 열처리를 하기 전에 구멍이나 슬릿을 가공하고 나서 열처리를 시행하고 예비 가공을 실시할 것.

가공 시작 구멍을 반드시 뚫고 가공물의 안쪽부터 가공할 것.

가공물의 여분은 적어도 5mm 이상으로 할 것.

6. 와이어의 단선 원인과 대책

(1) 와이어의 단선 원인

1) 와이어 처짐량의 영향

와이어 장력의 변동.

와이어 공급 릴의 작동 불량.

다이스 가이드의 고정 불량.

가공 조건의 부적정.

2) 가공액 공급 상태의 영향

가공액의 분출이 와이어를 완전히 감싸지 못함.

강한 분출에 의한 기포 발생.

다이아몬드 다이스의 냉각용 가로 구멍이 막혀 있음.

가공액의 비스듬한 토출 및 분산.

3) 와이어 및 가공 일감의 영향

와이어의 비틀림.

와이어에 이물질이 부착됨.

가공 재료의 내부응력이 불균일함.

탈자가 안 된 재료.

(2) 와이어의 단선 대책

가공 조건 전환 시 일시정지(DWELL) 기능을 5 ~ 10초로 한 다음 가공할 것.

상하 노즐과 가공물의 클리어런스를 0.1mm로 하고 가공액의 분출을 적당히 강하게 하여 사용할 것.

단면에서 가공 개시 후 시작 부에 철판 등을 첨부하거나 틈새 게이지 등을 가공 홈에 넣어 가공 홈이 닫히지 않도록 하여 가공 스트레인을 방지할 것.

테이퍼 가공의 경우 가공액이 분산되지 않도록 커버를 만들어 사용할 것.

가공물은 반드시 탈자하고 재질 및 열처리 상태가 균일하도록 할 것.

다이아몬드 다이스의 냉각용 가로 구멍을 청소할 것.

7. 램형 방전가공과 와이어 컷 방전가공의 비교

8. 특수 방전가공

(1) 개요

램형 방전가공과 와이어 컷 방전가공은 가공기의 구조나 동작, 가공 기술이나 가공 특성 등이 다르므로 여러 가지의 응용 가공이 가능함.

방전 현상을 이용하여 방전 절단, 방전 연삭, 비금속의 가공 등 특수한 용도의 방전가공을 할 수 있음.

(2)  종류

1) 방전 절단

(가) 가공 방법

회전 원반을 음극, 가공물을 양극으로 하여 이 사이에 적당한 가공액을 주입시켜 전해액 중에 방전에 의해 가공물을 절단함.

(나) 가공 조건

전원은 20V 정도의 직류.(80 ~ 100A)

가공액은 알칼리성 용액(물에 고령토와 물 유리, 비누 등을 혼합)을 사용.

원반은 강으로 만들고 원주속도는 5 ~ 15m/sec, 가공물의 접촉압력은 2.5kg 정도로 해야 함.

(다) 특징

초경합금과 같은 고경도의 금속을 쉽게 절단할 수 있음.

박판과 파이프 등을 변형 없이 절단할 수 있음.

2) 방전 연삭

(가) 가공 방법

가공물에 주철, 황동 또는 강재의 회전 원반을 음극으로 하여 눌러대고 저전압 직류법의 방전가공과 같이 하여 가공물을 연삭.

(나) 가공 조건

전원은 20 ~ 30V 정도의 직류.(10A)

연삭액은 물 유리, 머신유, 물을 사용.

원반의 원주속도는 20m/sec 이하, 연삭속도는 0.04mm/min 정도로 해야 함.

(다) 특징

초경 공구 연삭 시 값비싼 다이아몬드를 숫돌 대신 사용하여 매끈한 다듬질면을 얻을 수 있음.(표면 거칠기 1μm 이하)

3) 비금속 가공

(가) 개요

다이아몬드, 루비, 사파이어, 석영, 유리 등의 비금속 재료의 구멍 뚫기에는 다이아몬드 분말을 사용하였으나 시간이 많이 걸리고 고가이므로 방전가공을 이용하여 가공하는 방법이 이용됨.

(나) 종류

① 고전압법

코로나 방전을 이용한 것으로 백금 리튬 바늘 끝과 다이아몬드를 올려놓은 받침대 사이에 절연 재료인 다이아몬드 표면을 통해 방전을 일으킴.

백금 리튬 선과 다이아몬드의 접속압력은 0.5g 정도로서 스프링에 의해 주어지며 바늘은 저속으로 회전함.

다이아몬드 다이의 1차 원추형 구멍을 비교적 빠르게 가공하는 데 이용되었으나 현재로는 레이저 가공이 주로 이용되고 있음.

② 전해액법

• 질산칼륨염, 물 유리 등의 전해액 중에 다이아몬드 일감을 담그고 백금-리튬 전극과 가공물 받침대 사이에 100V 이하의 교류전압을 가하여 액중 방전에 의해 다이아몬드 등의 구멍을 뚫음.

이상으로 비절삭가공 중 와이어 컷 방전가공에 대한 연재를 마치고 다음에는 연삭에 대한 연재를 시작할 예정입니다.