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문제 정의
- 본 연구에서는 미세 전극의 제작과정에서 방전 간극 및 가공특성을 결정하는 인가전압, 전류, 축전용량, 펄스 지속 시간, 와이어 이송속도 및 전극회전속도에 대해 실험계획법 을 통해 각각의 기여도와 방전 간극에 미치는 영향에 대하여 자세하게 살펴보았다. 또한, 재현성 있는 전극제작을 위해 방전 간극을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하여 예측된 방전 간극값을 통해 정밀한 미세 전극을 제작하였다.
제안 방법
- 가공조건에 대한 방전간극을 예측하기 위해 개발된 수학적 모델을 통해 예측된 간극값을 이용하여 Fig. 7과 같은 형상을 가진 미세 공구를 제작하였다. 미세 공구 끝 부분의 지름은 각각 10, 7.
- 미세공구는 방전간극을 고려하여 수십 회의 반복적인 가 공공정으로 제작하였으며, 와이어 이송속도는 3가지로 하였다. 가공초기에는 0.33, 0.5A, on-time 5/zs 그리고 1000,5000pF의 캐패시터를 사용하여 전극으로 에너지 유입량을 늘려 빠른 가공이 이루어지게 한 후 최종적으로 0.1, 0.2A, on-time l〃s 와 100pF의 캐패시터로 정확한 치수제작을 하였다. 또한, 공구의 충분한 강성을 유지하기 위하여 단차형 상을 가지도록 제작하였다.
- 각 인자가 3수준이므로 각각의 자유도가 2이고 교호작용의 자유도가 4이므로 L27(313) 형의 직교배열표를 선정하였다. 교호작용이 예상되는 축전 용량과 전류, 전압 인가시간을 고려하여 선점도를 작성한 후 직교배열표에 인자를 배치하였다
- 그리고 RLC 회로에서의 순간적인 전압상승은 에너지의 증가로 이어져 가공효율을 높이는 효과가 있으나 반대로 가공된 표면의 상태는 악화되는 결과를 가져온다. 따라서, 권선저항의 사용으로 인한 인덕턴스(inductance)발생을 최소화 할 수 있는 무유도저항을 장착하여 사용하였다.
- (4) 방전가공에 직접적으로 영향을 미치는 주요한 인자를 이용하여 방전간극을 예측할 수 있는 수식을 도출하였으며 이를 이용하여 실험적으로 검증한 결과 이론과 잘 일치하였다. 또 이 예측 모델을 이용하여 원하는 치수를 가진 미세전극을 제작하였다.
- 2A, on-time l〃s 와 100pF의 캐패시터로 정확한 치수제작을 하였다. 또한, 공구의 충분한 강성을 유지하기 위하여 단차형 상을 가지도록 제작하였다.
- 마이크로 방전 프로세스를 이용하여 WEDG 방식으로 미세공구를 제작하는데 있어서 여러가지 가공변수가 전극가 공에 미치는 영향과 각각의 상호작용을 실험계획법을 적용하여 분석하였고, 실험계획법의 결과를 토대로 방전간극을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하였다. 또한, 예측된 방 전간극을 이용하여 미세 공구를 제작하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 미세 전극의 제작과정에서 방전 간극 및 가공특성을 결정하는 인가전압, 전류, 축전용량, 펄스 지속 시간, 와이어 이송속도 및 전극회전속도에 대해 실험계획법 을 통해 각각의 기여도와 방전 간극에 미치는 영향에 대하여 자세하게 살펴보았다. 또한, 재현성 있는 전극제작을 위해 방전 간극을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하여 예측된 방전 간극값을 통해 정밀한 미세 전극을 제작하였다.
- 마이크로 방전 프로세스를 이용하여 WEDG 방식으로 미세공구를 제작하는데 있어서 여러가지 가공변수가 전극가 공에 미치는 영향과 각각의 상호작용을 실험계획법을 적용하여 분석하였고, 실험계획법의 결과를 토대로 방전간극을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하였다. 또한, 예측된 방 전간극을 이용하여 미세 공구를 제작하였다.
- 방전현상에 관계되는 변수는 여러 가지가 있으나 WEDG 방법을 이용한 마이크로 공구제작에서 가공에 주요하게 작용하는 변수를 본 논문에서는 다음과 같이 결정하였다.
- 실험순서는 특정효과에 치우치지 않게 하기 위해서 랜덤화하여 실시하였고 실험결과는 3회 측정한 평균값이다. 수준에 따른 인자의 범위는 최적조건을 도출하기 위한 기초실험을 바탕으로 하여 결정하였다. 와이어의 재질은 구리이며 지름은 20Qμm이다.
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4.1 실험
실험계획법을 통해 각 인자에 대한 전극의 가공깊이 즉, 방전거리에 미치는 영향에 대해 조사하였으며 결과값을GD(gap distamce)로 하였다. 여기서, GD는 와이어전극에서 공구까지의 거리를 의미한다.
- 실험을 실시하기 이전에 실험계획법의 적용이 필요하므로 직교배열표를 작성하였다. 인자의 선정은 축전용량과 전류, 방전전압 인가시간을 방전가공 에너지를 결정하는 지표 로서 주요인자로 선정하고 3개의 주효과 외에 교호작용을 고려하였다.
- 실험을 실시하기 이전에 실험계획법의 적용이 필요하므로 직교배열표를 작성하였다. 인자의 선정은 축전용량과 전류, 방전전압 인가시간을 방전가공 에너지를 결정하는 지표 로서 주요인자로 선정하고 3개의 주효과 외에 교호작용을 고려하였다. 나머지 2인자는 주효과만 고려하였다.
- 전절에서 적용한 실험계획법을 통해 선정된 방전간극에 미치는 주요한 인자인 축전용량, 전류, 그리고 인가된 방전 전압 유지시간의 영향을 기초로 하여 방전간극을 가공조건에 따라서 예측할 수 있는 모델을 개발하였다.
- RLC회로 의 원리는 콘덴서에 충전된 전하를 방전하는 방식이며 특징 으로는 전류의 피크치 #가 높고 전류의 펄스폭가 짧은 방전전류를 얻기 쉽기 때문에 다듬질가공에 적합하다. 하지만 방전 집중 현상이 유발될 가능성이 크다(4) 이와 같은 단점을 보완하기 위해서 빠르게 절연특성을 회복할 수 있도록 방전전원을 제어하여 원활한 방전을 유도할 수 있는 회로를 제작하였다. Fig.
대상 데이터
- 각 인자의 수준은 3수준으로 하였으며 각 수준에 따른 인자들의 값은 Table 1에 정리하였다. 각 인자가 3수준이므로 각각의 자유도가 2이고 교호작용의 자유도가 4이므로 L27(313) 형의 직교배열표를 선정하였다. 교호작용이 예상되는 축전 용량과 전류, 전압 인가시간을 고려하여 선점도를 작성한 후 직교배열표에 인자를 배치하였다
- 와이어의 재질은 구리이며 지름은 20Qμm이다. 공구의 재료는 대표적인 전극재료인 텅스텐 카바이드이다. 절연액은 등유를 사용하였으며 Table 3에 인자의 배치와 각각의 실험결과를 나타내었다.
- 실험에 사용된 방전 회로는 PWM(pulse width modul- ation)을 장착한 RLC 회로를 기본으로 하고 있다. RLC회로 의 원리는 콘덴서에 충전된 전하를 방전하는 방식이며 특징 으로는 전류의 피크치 #가 높고 전류의 펄스폭가 짧은 방전전류를 얻기 쉽기 때문에 다듬질가공에 적합하다.
- 미세 공구에 의한 마이크로 방전 가공은 전통적인 절삭가 공과 마찬가지로 공구 형상과 공구 경로에 의해 공작물을 제거하지만, 물리적인 접촉에 의한 가공방식이 아닌 전기적인에너지에 의한 침식(electro-erosion)에 .의해 재료를 제거하므로 미세공구의 파괴 및 변형에 효과적인 해결방안이며 재료의 경도에 상관없이 전기적으로 도체인 재료를 대상으로 한다.
데이터처리
- Table 4는 실험결과를 분산분석(analysis of variance :ANOVA)을 이용하여 해석한 것이다. 여기서, S는 변동, O 는 자유도, N는 분산, Fa는 F검정값이며, p는 기여도 이다.
- 무유도저항을 사용한 가공실험의 결과값을 이용하여 모델 검증을 실시하였다. 무유도저항을 사용한 가공은 유도저 항에 비해 인덕턴스를 가지지 않아 전압의 증폭이 없을 뿐만 아니라 큰 저항값으로 낮은 에너지를 가지므로 작은 방전가 공간극을 가지며 표면품위도 우수해 미세가공에 필수적이다.
- 본 실험에서 측정한 GD는 전극의 최종 크기 예측에 아주 유용한 값이다. 실험순서는 특정효과에 치우치지 않게 하기 위해서 랜덤화하여 실시하였고 실험결과는 3회 측정한 평균값이다. 수준에 따른 인자의 범위는 최적조건을 도출하기 위한 기초실험을 바탕으로 하여 결정하였다.
이론/모형
- 마이크로 방전가공을 이용하여 요구되는 형상을 제작하기 위해서는 공구에 해당하는 방전 전극의 제작이 선행되어야 하며 일정한 치수를 가진 전극의 반복적인 제작이 필수적 이다. 미세 전극 제작을 위한 방법으로는 소형의 연삭숫돌을 이용하여 성형하는 방법 또는 와이어 방전연삭(WEDG :Wire Electro-Discharge Grinding)" 등이 있는데, 이러한 방법 중에 기상에서 전극을 제작하는 방법인 WEDG 방법을 적용하였다.
- 위의 가공변수를 인자로 하고 실험을 용이하게 하기 위해서 직교배열표(orthogonal array)를 사용한다. 직교배열표는 인자의 수가 많은 경우에 보통 인자의 주효과와 기술적으로 보아서 있을 것 같은 2인자 교호작용만 검출하고 나머지는 희생하여 실험계획을 용이하게 짤 수 있도록 만들어 놓은표이다6, 7).
성능/효과
- (1) 실험계획법을 통해 실험결과를 분석한 결과 콘덴서의 용량과 전류값, 펄스지속시간이 방전간극에 주요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 방전가공의 기본원리는 콘덴서에 저장된 에너지가 공작물로 전달되는 현상으로 설명할 수 있으며, 전달된 에너지는 방전전류와 전류가 가공물에 유입된 시간의 함수로 나타낼 수 있다.
- (2) 실제 WEDG 가공에서 와이어의 이송속도와 스핀들의 회전속도는 영향을 크게 미치나 일정수준이상의 속도영 역에서는 직접적인 영향을 미치지 않는다. 특히 와이어는 전극의 형상에 직접적으로 연관되어 있기 때문에 미세한 진동을 방지하기 위해 일정 이상의 장력을 유지하 여야 한다.
- (3) 일반적인 RLC 회로에 PWM을 추가함으로써 아크방전 을 방지하고 균일한 방전을 이루었으며 전압의 인가시간을 조절함으로써 방전에너지의 제어가 가능하였다. 일반적인 RLC회로는 방전현상이 외부환경에 영향을 받아 제어가 힘들었으나 인위적으로 펄스의 on, off 시간을 조절하여 아크방전의 발생을 방지하고 원활한 방전을 이루어 전극의 균일한 형상을 유도하였다.
- (4) 방전가공에 직접적으로 영향을 미치는 주요한 인자를 이용하여 방전간극을 예측할 수 있는 수식을 도출하였으며 이를 이용하여 실험적으로 검증한 결과 이론과 잘 일치하였다. 또 이 예측 모델을 이용하여 원하는 치수를 가진 미세전극을 제작하였다.
- 여기서, GD는 와이어전극에서 공구까지의 거리를 의미한다. 본 실험에서 측정한 GD는 전극의 최종 크기 예측에 아주 유용한 값이다. 실험순서는 특정효과에 치우치지 않게 하기 위해서 랜덤화하여 실시하였고 실험결과는 3회 측정한 평균값이다.
- 위의 결과를 살펴보면 B인자가 5%, C인자가 1%, A인자 와 AxB의 교호작용이 유의수준 25%로 유의하다. 유의하지 않은 나머지 인자들을 풀링(pooling)하면 Table 5와 같다.
- 유의하지 않은 나머지 인자들을 풀링(pooling)하면 Table 5와 같다. 풀링 후의 분산분석 결과를 살펴보면 축전용량과 전류, 그리고 인가된 방전전압의 유지시간이 방전간극에 주된 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
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