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문제 정의
- 한편 미세 전해 가공은 가공 속도가 비교적 느린 대신에 공구 마모가 없어 정밀한 형상 가공이 가능하고 표면조도 또한 우수하다. 따라서 본 논문에서는 두 공정의 한계점을 서로 보완하기 위해서 탈이 온수를 이용한 미세방전 가공과 묽은 황산을 이용한 미세 전해 가공을 결합하여 방전/전해 복합 가공을 제안하였다. 방전/전해 복합 가공을 활용하여 미세 반 구 형상을 제작하였고 가공 속도, 형상 정밀도, 표면조도 측면에서 각각 개선된 경향을 확인하였다.
제안 방법
- Fig. 15 에서 앞의 실험 결과를 토대로 방전 가공, 전해 가공, 복합 가공으로 반경 100 pm 의 반구를 가공하였을 때 각각의 실제 가공 시간, 전극마모량, 표면 조도를 비교하였다. 복합 가공의 경우 가공 시간은 150분으로 427분이 소요된 미세전해 가공에 비해 65 % 단축되었다.
- 가공을 시작하기 전에 공작물과 전극을 전기적으로 접촉시켜 상대적 위치를 측정한 후, 전극이 지정된 지점에서 깊이 5 gm 씩 내려가면서 가공 경로에 따라 이송되는 방식으로 가공을 수행하였다. 이러한 다증 가공(layer-by-layer machining) 은 전극의 파손을 막고 일정 가공 속도를 유지하면서 3 차원 미세 형상 가공을 수행하는데 도움을 준다.
- 따라서 본 논문에서는 상대적으로 가공 속도가 빠른 방전 가공을 황삭 공정으로 사용하고 전극마모 보정이 필요 없고 표면 조도가 좋은 전해 가공을 정삭 공정으로 이용하는 방전/전해 복합 가공프로세스를 3 차원 미세 형상 가공에 적용하였다. 또한 방전 가공, 전해 가공 그리고 복합 가공의 가공 특성을 정량적으로 비교함으로써 복합 가공의 가공 성능 향상 여부를 살펴보았다.
- 적용하였다. 또한 방전 가공, 전해 가공 그리고 복합 가공의 가공 특성을 정량적으로 비교함으로써 복합 가공의 가공 성능 향상 여부를 살펴보았다.
- 최대 이송 속도는 전극이 이송하면서 가공을 할 때 단락이 발생하지 않고 가공이 원활히 진행되는 최대 속도를 나타낸다. 또한 탈이 온수를 절연액으로 이용한 방전 가공의 경우 탈이 온수의 비저항에 따라 가공 특성이 차이가 나므로, 비저항에 따른 영향도 살펴보았다. 최대 전극 이송 속도의 측정을 위해 직경 약 70 呻의 원형 전극을 이용하여 5 呻 의 가공 깊이로 미세 흠을 가공할 때 공작물과 전극의 접촉 빈도를 조사하여 수행하였다.
- 미세 방전 가공과 미세 전해 가공의 가공 간극을 비교하기 위해 동일한 공구 전극(직경 75 gm), 절삭 깊이(3 |tm), 공구 경로를 사용하여 미세사각 기둥을 가공한 뒤 각각의 가공 간극을 측정하였다. 미세 방전 가공은 탈이 온수 비저항 0.
- 9 는 미세 방전 가공과 미세 전해 가공으로 미세 홈을 가공했을 때 가공 표면의 사진이다. 미세 방전 가공은 탈이 온수 비저항 0.5 ~ 3.0 MQcm, 직류 40 V, 이송 속도 17nm/s의 조건에서 직 경 58 gm 원형 전극으로 수행되었고, 미세 전해 가공은 진폭 6 V, 주기 1 ns, 펄스 폭 100 ns, 이송 속도 2 gm/s 의 조건에서 같은 전극으로 수행되었다. Fig.
- 미세 방전 가공은 탈이 온수 비저항 0.5 ~ 3.0 Mn-cm, 직류 40 V, 이송속도 13 nm/s 의 조건에서, 미세 전해 가공은 0.1 M 황산 용액, 진폭 6 V, 주기 1 ns, 펄스 폭 100 ns, 이송 속도 3.7 卩m/s 의조건에서 수행하였다. Fig.
- 미세 방전 가공의 가공 성능을 조사하기 위해 우선 일정 가공 조건에서의 최대 이송 속도 (maximum feed rate)를 측정하였다. 최대 이송 속도는 전극이 이송하면서 가공을 할 때 단락이 발생하지 않고 가공이 원활히 진행되는 최대 속도를 나타낸다.
- 또한 정 삭을 위해 최종 형상에 20 gm의 여유 간격을 남기도록 공구 경로를 선정하였다. 미세 방전 가공이 끝나면 탈이온수에서 0.1 M 황산 전해액으로 교체하고 미세 전해 가공을 수행하였다. 2 ~ 6 卩m/s 의 가변이송 속도의 조건에서 정삭을 실시하였다.
- 미세 전극은 방전 가공 도중에 공작물에 접촉하여 부러지거나 휘는 것을 최소화하기 위하여 강성이 우수한 텅스텐 카바이드(WC)를 사용하였으며 와이어 방전 연삭(WEDG) 방법으로 지름을 수십 마이크로까지 가공하여 사용하였다.'
- 미세 전해 가공의 가공 성능을 알아보기 위해 미세 방전 가공에서와 같은 방식으로 최대 이송속도를 조사하였다. 직경 약 70|im 의 원형 전극을 이용하여 스테인리스 강에 미세 흠을 가공하였으며 가공물과 공구 전극의 접촉 빈도를 관찰하여 최대 이송 속도를 결정하였다.
- 반구 형상을 가공하였다. 반구 형상을 가공하기 위해서 미세 방전 가공으로 황삭, 미세 전해 가공으로 정삭을 수행하였다. Table 2 에 가공 조건을 나타내었다.
- 방전/전해 복합 가공을 이용하여 반경 100 pm 의 반구 형상을 가공하였다. 반구 형상을 가공하기 위해서 미세 방전 가공으로 황삭, 미세 전해 가공으로 정삭을 수행하였다.
- 앞에서 언급한 최대 이송 속도를 이용하여 방전, 전해 가공의 최대 재료 제거율을 구하였다. Fig.
- 5 는 미세 전해 가공 시스템의 개략도이다; 이 시스템은 크게 정밀 이송 장치, 전해셀 (electrochemical cell), 펄스 발생기로 구성되어 있다. 정밀 이송 장치는 미세 방전 가공 시스템의 것과 동일하며 전극이 이송하는 중에 공작물의 접촉이 발생하면 이송 방향의 반대로 물러나도록 설정하였다. 가공 수조 속의 공구 전극과 공작물은 전해액에 담겨 전해 셀을 이룬다.
- 조사하였다. 직경 약 70|im 의 원형 전극을 이용하여 스테인리스 강에 미세 흠을 가공하였으며 가공물과 공구 전극의 접촉 빈도를 관찰하여 최대 이송 속도를 결정하였다. 미세 전해 가공이 미세 방전 가공과 비교하여 재료 제거율 (materi이 removal r*] ate) 상대적으로 작으므로 절삭 깊이를 3 gm 로 줄였다.
- 또한 탈이 온수를 절연액으로 이용한 방전 가공의 경우 탈이 온수의 비저항에 따라 가공 특성이 차이가 나므로, 비저항에 따른 영향도 살펴보았다. 최대 전극 이송 속도의 측정을 위해 직경 약 70 呻의 원형 전극을 이용하여 5 呻 의 가공 깊이로 미세 흠을 가공할 때 공작물과 전극의 접촉 빈도를 조사하여 수행하였다. 인가 전압은 40 V 로 설정하였다.
- 탈이 온수의 비저항에 따라 가공 시간과 가공정밀도의 변화를 살펴보았다. Fig.
대상 데이터
- 일반 전해 가공의 경우 스테인리스 강을 높은가 공 속도로 가공하기 위해 농도가 높은 NaCl 용액이 사용되지만 미세 전해 가공에서는 가공 간극, 가공 속도, 표면 조도 등을 고려하여 전해액의 종류와 농도를 결정해야 한다.7 본 실험에서는 스테인리스 강의 미세 전해 가공을 위해 황산 용액을 사용하였다. 미세 형상 가공을 위해서는 낮은 농도의 전해액 이 유리 하겠지만 농도가 너무 낮으면 가공 부위에 이온 공급이 부족하여 가공이 원활히 진행되지 않는다.
- 미세 형상 가공을 위해서는 낮은 농도의 전해액 이 유리 하겠지만 농도가 너무 낮으면 가공 부위에 이온 공급이 부족하여 가공이 원활히 진행되지 않는다. 따라서 가공 간극과 가공 안정성의 양면을 고려하여 0.1 M 황산 용액을 사용하였다.
- 그리고 탈이온수를 절연액으로 사용하면 등유와 달리 같은 가공 수조 내에서 묽은 황산 등의 전해액과 교체하는 것이 용이하므로 방전 가공 후 전해 가공을 수행하는 복합 가공에 유리하다. 따라서 본 실험에서는 탈이 온수를 절연액으로 사용하였다.
- 가공 수조에는 공구 전극과 공작물이 절연액 속에 담겨 있는데 이들은 방전 회로를 통해 각각 (-)극과 (+)극이 연결된다. 방전 회로는 미세 가공에 유리한 RC 회로를 사용하였다.璀
- 1은 실험에서 사용한 미세 방전 가공 시스템의 개략도이다. 시스템은 크게 정밀 이송 장치, 공구 전극, 가공물, 방전 회로로 구성된다. 정밀 이송 장치는 X, Y, Z 이송 축으로 0.
- 한편 가공물 재료는 스테인리스강(STS 304)을사용하였다. 가공을 시작하기 전에 공작물과 전극을 전기적으로 접촉시켜 상대적 위치를 측정한 후, 전극이 지정된 지점에서 깊이 5 gm 씩 내려가면서 가공 경로에 따라 이송되는 방식으로 가공을 수행하였다.
성능/효과
- 01 MQcm 이하인 경우에 간극이 급격히 증가하여 형상이 왜곡된 결과를 보여준다. 따라서 탈이 온수의 비저항이 작아질수록 전극 마모와 가공 속도가 증가하나 가공 간극이 증가하여 형상 정밀도가 떨어지는 것을 알 수 있다.
- 비저항이 낮은 경우 전극 마모량은 감소하고 가공 간극이 증가하여 깊이 방향으로 109 pm 까지 가공이 되었다. 또한 탈이 온수 내의 전해 효과로 인해가공 형상의 표면 조도가 개선되었고, 이송 속도를 20 gm/s로 높여 가공 시간을 42분으로 단축할 수 있었다. 반면 Fig.
- 따라서 본 논문에서는 두 공정의 한계점을 서로 보완하기 위해서 탈이 온수를 이용한 미세방전 가공과 묽은 황산을 이용한 미세 전해 가공을 결합하여 방전/전해 복합 가공을 제안하였다. 방전/전해 복합 가공을 활용하여 미세 반 구 형상을 제작하였고 가공 속도, 형상 정밀도, 표면조도 측면에서 각각 개선된 경향을 확인하였다.
- 복합 가공의 경우 가공 시간은 150분으로 427분이 소요된 미세전해 가공에 비해 65 % 단축되었다. 즉, 복합 가공을 사용함으로써 전해 가공만을 수행했을 때보다 가공 시간을 단축하고, 방전 가공에서 문제시되는 전극 마모로 인한 형상 오차와 표면 조도를개선시킬 수 있음을 알 수 있다
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