[논문]냉간 금형용 공구강의 Cu 전극을 이용한 방전 탭에 관한 연구

이은주; 박인수; 김후권; 왕덕현; 정한식; 이광성

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.5.131

[국내논문] 냉간 금형용 공구강의 Cu 전극을 이용한 방전 탭에 관한 연구
A Study on the Electrical Discharge Machining Tap by using Cu Electrodes of the Cold-Work Tool Steel 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.5, 2016년, pp.131 - 136

이은주 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스) , 박인수 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스) , 김후권 (쌍용자동차) , 왕덕현 (경남대학교 기계공학과) , 정한식 (경상대학교 에너지기계공학과, 해양산업연구소) , 이광성 (경상대학교 에너지기계공학과, 해양산업연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, an EDM tapping procedure has comprised some parts of the engraving discharge process for the press die. Usually, tapping has been used in cases where we are unable to mechanically machine using steelwork processes due to an increase in the hardness of a material after heat treatment in relation to a design change or missing process. Here, we analyze the influence of discharge tap shape on discharge time, discharge current, and the number of repetition conditions when a cold-work tool steel (STD11) has been treated with a discharge tapped by a screw-shaped cu electrode. The most important influence on processing condition has been determined to be the number of discharge repetitions. As this number increases, the angle reduction of a thread closes to an angle of the electrode via a power generation reduction. The optimal combination of conditions has been determined to be three discharge repetitions, $180{\mu}s$ of discharge time (same as existing regulations), and 25.4A of peak current. A 0.2749db advantage has emerged after comparing between this combination of optimal conditions and the SN rate of existing regulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열처리 한 냉간 금형용 공구강(STD11)에 나사 형상을 가진 전극으로 방전 탭 Cu 가공을 할 때, 방전시간과 방전전류 그리고 방전 반복 횟수라는 조건이 방전 탭의 형상에 미치는 영향을 다구찌 기법을 활용하여 실험계획되고 분석하여 정밀한 방전 탭 가공을 위한 최적의 가공조건을 도출하고자 한다.

가설 설정

^[1,2] 방전가공은 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭가공으로 가공이 힘든 고경도 합금, 초경합금, 고강도합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다.^[3] 또한 공구전극과 공작물간의 물리적인 접촉이 발생하지 않아 가공장비나 공구의 강성도가 가공정밀도에 영향을 주지 않는다. 공구전극을 가공할 수 있는 한 기계가공이 어려운 불규칙한 형상의 가공물도 쉽게 가공할 수 있고, 미세한 구멍이나 홈 등의 가공도 쉽게 할 수 있는 장점이 있다.

제안 방법

5 mm로 세 개의 구멍을 미리 가공하였다. CNC가공 후 시편은 경도를 높이기 위해 진공 열처리하였다. 그리고 열처리 후 시편은 형상의 정밀도를 위해 연삭을 하였다.
가공은 시편과 전극을 절연액인 케로신에 담그어 방전 탭 가공을 실시하였다 또한 전극주변에 설치한 분사노즐을 통하여 절연액이 방전이 일어나는 부위에 집중 분사하고 동시에 방전가공이 진행되는 동안 주축이 상하점핑을 하여 가공 칩의 배출을 원활하게 하였다. cu전극에 양극(+)을 시편에는 음극(-)을 연결하였다.
가공을 마친 시편을 Fig. 4에 보는 것과 같이 깊이 방향으로 절단 선을 따라 와이어 방전기를 이용하여 두 조각으로 나누었다. 나누어진 방전 탭을 각각 접촉식 형상 측정기를 이용하여 방전 탭의 형상을 측정하였다.
CNC가공 후 시편은 경도를 높이기 위해 진공 열처리하였다. 그리고 열처리 후 시편은 형상의 정밀도를 위해 연삭을 하였다. Table 2와 Table 3에 시편의 화학적 성분과 열처리 조건을 나열하였다.
4에 보는 것과 같이 깊이 방향으로 절단 선을 따라 와이어 방전기를 이용하여 두 조각으로 나누었다. 나누어진 방전 탭을 각각 접촉식 형상 측정기를 이용하여 방전 탭의 형상을 측정하였다. 이때 방전 탭의 형상은 나사의 정밀도의 선정기준 중 하나인 나사산의 각도를 기준으로 판단하였다.
본 연구를 통해 Cu전극으로 열처리를 한 냉간용 금형 공구강인 STD11을 시편으로 하여 방전 탭 가공을 한 후 방전시간과 방전전류 그리고 방전 반복 횟수라는 조건이 방전 탭 형상에 미치는 영향을 다구찌 기법에 의해 계획하고 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험은 실험계획법 중 적은 수의 실험횟수로 최적의 효과를 찾을 수 있는 직교배열표를 이용한 다꾸지 기법에 의해 실시하였다. 특성치인 방전 탭 형상에 가장 영향을 줄 것이라 예상되는 제어인자인 방전시간과 방전전류를 3수준으로 설정하고 방전 반복 횟수가 방전 탭 형상에 미치는 영향을 알아보기 위해 방전 반복 횟수를 1~3회까지 3수준의 인자로 설정하여 실험을 실시하였다. 인자가 3개이고 수준이 3수준일 때 사용 가능한 직교배열표 중 실험횟수를 9번으로 줄인 L9을 이용하여 Table 5와 같이 실험을 실시하였다.

대상 데이터

M10 탭을 내기위해 본 연구에 사용한 전극은 Cu Fig. 3과 같이 Cu봉을 M8 x 60 mm나사로 가공하였다.
본 연구에 사용한 시편은 75 mm x 20 mm x 15mm 냉간용 금형 공구강을 준비하였다. 냉간용 금형 공구강은 고C, 고Cr 강으로 열처리 이후 높은 경도를 유지하고, 치수 변화가 적고, 냉간 상태에서 내마모성 우수하여 가공품을 냉간 상태에서 가공하는 공구용도로 사용한다.

이론/모형

다꾸지 기법에서 개선을 위한 정도를 나타내는 측정치로 SN비(Signal-to-noise ratio)를 사용한다. SN비는 잡음에 대한 제어 인자의 영향력 정도를 나타낸다.
본 실험은 실험계획법 중 적은 수의 실험횟수로 최적의 효과를 찾을 수 있는 직교배열표를 이용한 다꾸지 기법에 의해 실시하였다. 특성치인 방전 탭 형상에 가장 영향을 줄 것이라 예상되는 제어인자인 방전시간과 방전전류를 3수준으로 설정하고 방전 반복 횟수가 방전 탭 형상에 미치는 영향을 알아보기 위해 방전 반복 횟수를 1~3회까지 3수준의 인자로 설정하여 실험을 실시하였다.

성능/효과

1. 방전 탭의 형상에 방전 반복 횟수와 방전시간 그리고 방전전류 모두 영향을 끼쳤다.
2. 분산분석에 의하면 방전 탭의 형상에 가장 중요한 영향을 주는 가공조건은 방전 반복 횟수이다.
3. 방전 반복 횟수가 증가함에 따라 방전량 감소로 나사산의 각도가 전극의 각도 값에 가깝게 작아진다.
4. 최적 수준의 조합은 방전 반복 횟수 3회이고 방전시간은 현행과 같은 180(µs), 그리고 Peak current가 25.4(A)이다. 이 조합으로 현행 수준의 SN비와 비교하여 보면 0.
5. 반복 횟수와 방전시간 그리고 방전전류라는 가공조건 중 방전 반복 횟수가 방전 탭 형상을 결정하는 나사산의 각도에 가장 큰 영향을 주었다.
[1,2] 방전가공은 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭가공으로 가공이 힘든 고경도 합금, 초경합금, 고강도합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다.^[3] 또한 공구전극과 공작물간의 물리적인 접촉이 발생하지 않아 가공장비나 공구의 강성도가 가공정밀도에 영향을 주지 않는다.
Table 7에 따르면 방전 탭의 나사산의 각도에 가장 영향을 주는 인자는 방전 반복 횟수이다. 각 인자의 기여도를 보면 방전 반복 횟수(78.71%), 방전전류(10.58%)그리고 방전시간(3.84%) 순으로 방전 탭의 나사산의 각도에 영향을 준다. 분산분석하면 모든 인자가 95%에 유의하지는 않지만 다구찌 기법은 '현실적으로 조금이라도 개선된다면 그리고 인자의 수준을 바꾸는데 비용이 들지 않는다면 개선되는 조건을 선택한다’라는 원칙이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방전가공은 무엇인가?	방전가공은 공구전극과 공작물 사이에 전기에너지를 이용한 스파크를 발생시켜 이때 발생한 열에 의해 고온에서 가공하는 특수 가공법이다.[1,2] 방전가공은 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭가공으로 가공이 힘든 고경도 합금, 초경합금, 고강도합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다.
	방전 탭 가공이 담당자의 자의적 판단과 경험적 해법에 의해 이루어지는 이유는?	이때 탭 가공은 주로 설계상 변경과 공정상 누락 등으로 인해 열처리 후 경도가 높아져 기계가공을 할 수 없는 공작물 가공에 주로 이루어지고 있다. 방전을 이용한 탭 작업이 실용화가 된 지는 불과 여년 10정도 밖에 되지 않았다. 이러한 이유로 인해 지금껏 방전 탭에 대한 학문적 연구가 제대로 이루어지지 않은 상태이다. 그로인해 현재 방전 탭 가공은 산업현장에서 공정설계자나 작업담당자의 자의적인 판단과 경험적 해답에 의해 방전 탭의 가공이 이루어지고 있다.
	방전가공의 장점은 무엇인가?	방전가공은 공구전극과 공작물 사이에 전기에너지를 이용한 스파크를 발생시켜 이때 발생한 열에 의해 고온에서 가공하는 특수 가공법이다.[1,2] 방전가공은 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭가공으로 가공이 힘든 고경도 합금, 초경합금, 고강도합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다.[3] 또한 공구전극과 공작물간의 물리적인 접촉이 발생하지 않아 가공장비나 공구의 강성도가 가공정밀도에 영향을 주지 않는다.

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Ryu, Ch. W., Choi, S. D., "Characteristics of Surface Roughness According to Wire VibrationWire-cut Electric Discharge Machining of Aluminum Alloy 6061(II)" Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 100-107, 2015.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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