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

박인수; 이은주; 김화정; 왕덕현

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.4.076

냉간 금형용 공구강의 Cu 전극을 이용한 방전 홀에 관한 연구
Electron Discharge Machining (EDM) and Hole EDM of Cold Heat-treated Tool Steel Molds (STD11) by using Cu Electrodes 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.4, 2018년, pp.76 - 82

박인수 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스) , 이은주 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스) , 김화정 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스) , 왕덕현 (경남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

3D formed Electrical Discharge Machining (EDM) and hole EDM were conducted for die and mold manufacturing with electrodes which were made by mechanical machining and wire EDM. It is difficult to machine the hardened material after heat treatment and quenching with traditional machining. The only method of machining hardened material is die-sinking EDM. In this research, hole EDM was conducted for heat-treated cold-worked tool steel (SKD11) for use as a die material. The EDM surfaces were analyzed by pulse-on time and peak current of EDM current, according to the machining conditions of EDM. The EDM surface profiles were affected by the peak current. The contribution of each factor is peak current (91.63%) and pulse-on time (0.93%). The best surface roughness was obtained with a $130{\mu}s$ pulse-on time and a 14.2 A peak current. With uniform EDM processing, the surface deteriorated with increasing pulse-on time and peak current. The thickness of the solidified layer induced by EDM was increased as the peak current, crater shapes, and erupted shapes of EDM surfaces were increased. Therefore, microcracking gaps induced by surface tension were increased.

주제어

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문제 정의

방전전류의 펄스지속시간(pulse-on time) 과 최대 전류치(peak current)라는 전기적 가공조건을 변화시켜 이에 따른 공작물의 표면형상을 관찰 분석하 였다. 이러한 과정을 통해 최적의 가공조건을 정립하여 공작물의 정밀도를 향상하고자 함이 연구의 목적이다.

가설 설정

방전가공은 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭가공으로 가공이 힘든 고경도 합금, 초경합금, 고강도 합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다.^[3] 또한 공구전극과 공작물간의 물리적인 접촉이 발생하지 않아 가공장비나 공구의 강성도가 가공정밀도에 영향을 주지 않는다. 공구전극을 가공할수 있는 한 기계가공이 어려운 불규칙한 형상의 가공물도 쉽게 가공할 수 있고, 미세한 구멍이나 홈 등의 가공도 쉽게 할 수 있는 장점이 있다^[4].

제안 방법

8 mm 치수로 방전 가공양을 남기고 CNC장비로 가공하였다. CNC가공 후 시편은 경도를 높이기 위해 진공 열처리하였다. 그리고 열처리 후 시편은 형상의 정밀도를 위해 연삭을 하였다.
Through hole 가공에서 홀 방전 표면 거칠기에 가장 영향을 줄 것이라 예상되는 최대 전류치(Peak current) 와 방전전류의 펄스지속시간(Pluse-on Time)을 제어인 자로 선정하여 각 인자별 수준은 3수준으로 실험을 실시하였다. 그리고 최대 전류치와 펄스지속시간을 제외한 펄스단절시간(Pulse-off Time)과 전압(reference voltage)등과 같은 다른 가공 조건 값들은 일정하게 유지하였다.
가공을 마친 시편을 Fig. 3에 보는 것과 같이 깊이 방향으로 절단 선을 따라 와이어 방전기를 이용하여두 조각으로 나누었다. 나누어진 방전 홀의 표면을 분석하기 위하여 표면 거칠기를 측정하였다.
가공은 Through hole을 Flushing 홀이 없는 전극으로 가공하였다. 공구전극주변에 설치한 분사노즐을 통하여 방전액인 케로신을 방전이 일어나는 부위에 집중 분사함과 동시에 방전 홀 가공이 진행되는 동안 램의 상하점핑을 진행하여 가공 칩의 배출을 원활하게 하였다. Cu전극에 양극(+)을, 시편에는 음극(-)을 연결하였다.
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.
3에 보는 것과 같이 깊이 방향으로 절단 선을 따라 와이어 방전기를 이용하여두 조각으로 나누었다. 나누어진 방전 홀의 표면을 분석하기 위하여 표면 거칠기를 측정하였다. 스타일러스 형식의 표면 거칠기 측정기를 이용하였다.
본 연구에서는 금형제품에 널리 사용되는 열처리된 냉간금형용 공구강(STD11)을 소재로 방전 홀 가공을 실시하였다. 방전전류의 펄스지속시간(pulse-on time) 과 최대 전류치(peak current)라는 전기적 가공조건을 변화시켜 이에 따른 공작물의 표면형상을 관찰 분석하 였다. 이러한 과정을 통해 최적의 가공조건을 정립하여 공작물의 정밀도를 향상하고자 함이 연구의 목적이다.
본 연구를 통해 Cu전극으로 열처리를 한 냉간용금형 공구강인 STD11을 시편으로 하여 방전 홀 가공을 한 후 방전시간과 방전전류라는 조건이 방전 홀 형상에 미치는 영향을 다구찌 기법에 의해 계획하고 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 금형제품에 널리 사용되는 열처리된 냉간금형용 공구강(STD11)을 소재로 방전 홀 가공을 실시하였다. 방전전류의 펄스지속시간(pulse-on time) 과 최대 전류치(peak current)라는 전기적 가공조건을 변화시켜 이에 따른 공작물의 표면형상을 관찰 분석하 였다.
나누어진 방전 홀의 표면을 분석하기 위하여 표면 거칠기를 측정하였다. 스타일러스 형식의 표면 거칠기 측정기를 이용하였다. 서로 다른 방향의 6곳을 측정하여 결과 값으로 도출하였다.
실험계획법 중 다구찌 기법에서 사용되는 적은 수의 실험횟수로 최적의 효과를 찾을 수 있는 직교 배열표에 의해 가공 조건을 산출하였다. 인자가 2개이고 수준이 3수준일 때 사용 가능한 직교배열표 중 실험횟수를 9번으로 줄인 L₉을 이용하여 Table 5와 같이 실험을 실시하였다.

대상 데이터

2와 같다. 방전 홀 전극은 Flushing 홀이 없는 솔리드 형태로 준비하였다. 모든 공구전극은 표면조도가 0.
본 연구에 사용한 시편은 75 mm x 20 mm x 15mm 냉간용 금형 공구강( STD11)을 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.
본 연구에 사용한 전극은 순수 Cu로 준비하였다. 완성치수가 ∅12 mm 인 방전 홀을 가공하기 위한 전극의 치수는 Fig.
1은 본 연구에서 사용한 장비( Beijing agie charmilles actspark sp-3)의 개요도를 나타내고 있다. 형조방전기의 기본구조는 가공 액 공급 장치, 몸체, 그리고 전원장치로 구성되어있다.

이론/모형

다꾸지 기법에서 개선을 위한 정도를 나타내는 측정 치로 SN비(Signal-to-noise ratio)를 사용한다. SN비는 잡음에 대한 제어 인자의 영향력 정도를 나타낸다.

성능/효과

1. 방전 홀 표면이라는 특성치에 가장 영향을 준 가공인자는 최대 전류치이다. 각 인자별 기여도를 보면 최대 전류치(91.
2. 펄스지속시간이 130 ㎲ 이고 최대 전류치 값이 14.2 A 일 때 방전분포가 고르게 진행되어 방전 홀 표면 거칠기가 가장 좋게 가공이 되었으며 펄스지속시간과 최대 전류치가 증가할수록 방전 홀 표면이 거칠어지는 결과를 얻었다.
3. 최대 전류치 값이 커질수록 방전가공으로 인한 생성물인 용융층은 더 두텁게 형성이 되며 방전분화구, 용출 입자 등은 더 많이 분포되며 그리고 표면의 인장응력으로 생긴 미세 균열의 틈이 더 커진다.
93%) 순으로 표면 거칠기에 영향을 준다. 그러므로 현행 수준보다 문제의 개선인자로 찾은 펄스지속시간을 180 ㎲ 에서 140 ㎲ 로 수준을 변경하고 최대 전류치를 18.4 A 에서 14.2 A 로 수준을 변경하면 Through hole 방전의 표면 거칠기가 개선될 것이다.

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, 고강도 합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 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, 고강도 합금 그리고 열처리 후의 소재도 가공이 가능하다는 장점이 있다. [3] 또한 공구전극과 공작물간의 물리적인 접촉이 발생하지 않아 가공장비나 공구의 강성도가 가공정밀도에 영향을 주지 않는다.
	형조방전가공을 하는 이유는 무엇인가?	금형방전가공에서는 기계가공 또는 와이어 가공 등으로 미리 형성된 전극을 이용하여 3차원 형상가공과 함께 많은 수의 홀 가공이 이루어지고 있다. 특히 금형제작에서 열처리 후의 공작물의 홀 가공은 재료의 높아진 경도로 인해 기존의 기계적 방식으론 가공이 불가능하게 된다. 이러한 경우에 경도가 높아진 재료의 홀 가공 방법의 한가지로 전극을 이용한 형조방전가공이다.

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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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