[논문]HP1MA 강의 형조 방전가공에서 흑연 전극 마모에 관한 연구

오영진; 정현제; 김수진

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.08.035

HP1MA 강의 형조 방전가공에서 흑연 전극 마모에 관한 연구
A Study on Graphite Electrode Wear in Sink EDM of HP1MA Steel 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.8, 2020년, pp.35 - 42

오영진 (경상대학교 기계항공공학부) , 정현제 (경상대학교 기계항공공학부) , 김수진 (경상대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In discharge machining, material is removed by electrical discharge between the electrode and the workpiece. An important consideration in EDM is that the wear of the electrodes decreases the final precision of the workpiece. The edge wear of the electrodes proceeds very quickly because sparks occur more frequently at the edges with high local electrical strength. In this study, mold steel was discharged with a wedge-shaped graphite electrode to measure the edge wear of the electrode according to the depth. The electrode edge wear increased with depth during EDM and a wear model was developed. The model predicted that the edge wear can be reduced by approximately 70% using two electrodes instead of a single electrode. The model was supported by the experimental comparison of the dual electrode method and the single electrode method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

금형의 형조방전에서 흑연 전극의 마모로 인한 모서리와 꼭짓점 오차는 정밀 방전의 애로 요인으로 많은 연구가 필요하다. 본 연구는 HP4MA 금형강을 흑연 전극으로 방전 가공할 때 가공 깊이별 전극 모서리 마모를 측정하고 다중 전극 방법으로 형상 정밀도 향상시켰다.
본 연구는 HP4MA 금형강을 흑연 전극으로 방전 가공할 때 전극의 깊이별 모서리 마모를 측정해 경향을 분석하였다. 모서리 방전 정밀도를 향상시키기 위한 방안으로 두 개의 전극을 사용한 경우와 단일 전극을 사용한 경우를 비교하였다.
본 연구에서는 Fig. 11의 (b)와 같이 일차 전극으로 황삭 방전 후 남은 정삭여유 0.15 mm를 이차 전극으로 정삭 방전하는 다중 전극 방법으로 모서리 마모를 개선하고자 한다.

제안 방법

2와 같이 방전 전압과 전류 파형을 측정하고 영향을 분석한 연구들이 있었다.^[15] 본 실험에서는 국내 형방전기 제조사의 추천 조건에서 제어기가 출력하는 파형을 그대로 사용해 방전 깊이의 영향만을 관찰하였다.
단일 전극 방법과 다중 전극 방법의 방전 가공 정밀도를 비교하였다. 전극 하나만 사용하면 Fig.
단일 전극으로 방전할 경우 깊이에 따라 모서리 마모가 증가하는 현상을 반복 실험으로 확인하고 데이터를 회귀분석하여 방전 깊이에 따른 전극마모 모델을 개발하였다. 이 모델을 이용해 두 개의 전극을 사용한 다중 전극 방법으로 방전 정밀 도를 70% 향상시킬 수 있음을 예측하고 비교 실험을 통해 증명하였다.
본 연구는 HP4MA 금형강을 흑연 전극으로 방전 가공할 때 전극의 깊이별 모서리 마모를 측정해 경향을 분석하였다. 모서리 방전 정밀도를 향상시키기 위한 방안으로 두 개의 전극을 사용한 경우와 단일 전극을 사용한 경우를 비교하였다.
흑연 전극의 모서리 마모를 실험하기 위해서 HP1MA 금형강을 쇠기 모양의 흑연 전극으로 방전하였다. 방전 가공 후 전극형상을 3차원 스캐너로 측정했지만 Fig. 3과 같이 모서리 측정 오차가 커서, 흑연 전극을 1 mm 간격의 단면으로 나누어 광학 현미경으로 촬영하는 방법을 고안하였다. Fig.
방전 깊이에 따른 흑연 전극의 모서리 마모를 확인하기 위해 전류 14A, 펄스 지속 시간 140 μs, 갭간격 0.04 mm 조건에서 3회 반복 실험 하였다.
유량이 소재와 전극의 마모를 증가시키는데 낮은 분사 압력에서는 압력과 전극 마모율이 비례하지만 고압 조건에서는 압력 변화가 전극 마모율에 미치는 영향이 작아진다^[8] . 본 실험에서는 절연액 분사 방향을 양 측면과 경사 시작 면으로 고정하고 고압 조건을 사용해 유동에 의한 영향을 최소화 하였다.
^[8] 하지만 가공 깊이에 따른 전극 모서리 마모를 모델링한 연구는 부족했다. 본 연구에서는 다른 실험조건들은고정하고 가공 깊이에 따른 모서리 마모를 3회 반복 실험한 측정값을 회기분석 하였다. 시작 전극의 모서리 마모를 0으로 고정하고 측정값과 모델의 오차가 최소가 되는 상수 및 지수 항을 최소자승법(Least square method)으로 계산해 식(1)의 전극 모서리 마모 모델을 얻었다.
소재는 금형에 많이 사용하는 HP1MA 강을 대상으로 하였다. 소재를 각 변의 길이가 20, 20, 50 mm인 직육면체로 가공해 각 면에 2회 씩 실험할 수 있도록 하였다.
Table 1은 실험에 사용된 UNITECH U2610-2H 방전가공기 사양이다. 전극 재료는 구리, 동-텅스텐, 은-텅스텐 및 흑연을 사용하며 방전 가공시 흑연과 구리 전극을 비교한 연구에서는 전류가 3A로 매우 낮은 경우가 아니면 흑연 전극이 구리 전극보다 소재제거율이 높고 전극 마모율이 낮게 나타나며^[12] 전극을 음극으로 사용할 경우 흑연은 구리보다 안정적^[13]이기 때문에 본 연구에서는 흑연 전극을 사용하였다. 전극은 한 변의 길이가 10 mm인 정사면체 기둥을 높이차 4 mm인 쇠기 모양으로 가공해 Fig.
하나의 전극만으로 황삭과 정삭 방전을 모두 완료하는 단일 전극 방법과 두 개의 전극으로 나누는 다중 전극 방법의 마모를 비교하는 실험을 실시하였다. 실험에서 황삭은 기존실험과 동일한 전류 14A, 펄스 지속시간 140 μs, 갭 간격 0.
흑연 전극의 모서리 마모를 실험하기 위해서 HP1MA 금형강을 쇠기 모양의 흑연 전극으로 방전하였다. 방전 가공 후 전극형상을 3차원 스캐너로 측정했지만 Fig.

대상 데이터

1과 같이 위치에 따라 방전 깊이가 달라지도록 했다. 소재는 금형에 많이 사용하는 HP1MA 강을 대상으로 하였다. 소재를 각 변의 길이가 20, 20, 50 mm인 직육면체로 가공해 각 면에 2회 씩 실험할 수 있도록 하였다.
실험에서 황삭은 기존실험과 동일한 전류 14A, 펄스 지속시간 140 μs, 갭 간격 0.07 mm 조건을 사용하고 정삭은 전류 5A, 펄스 지속 시간 50 μs, 갭 간격 0.07 mm 조건을 사용하였다.

이론/모형

5 와 같이 현미경으로 확대 마모량을 측정하였다. 모서리 마모 측정에는 ISM-PM200SA 현미경과 측정 소프트웨어 ISM-PRO를 사용하였다.
본 연구에서는 다른 실험조건들은고정하고 가공 깊이에 따른 모서리 마모를 3회 반복 실험한 측정값을 회기분석 하였다. 시작 전극의 모서리 마모를 0으로 고정하고 측정값과 모델의 오차가 최소가 되는 상수 및 지수 항을 최소자승법(Least square method)으로 계산해 식(1)의 전극 모서리 마모 모델을 얻었다.

성능/효과

다중 전극 방법을 사용한 방전 가공의 최종 형상의 정밀도는 정삭 과정에서 사용한 이차 전극의 마모에 의해 결정된다. 다중 전극 방법을 적용 했을 때 최종 전극의 마모는 Fig. 13에서 0.065 mm로 단일 전극 방법보다 70% 감소하였다.
8 그래프는 실험 데이터를 점으로 마모 모델을 일점쇄선으로 표시해 비교한 것이다. 마모 모델과 실험 데이터의 오차는 평균 0.0091 mm로 3회 반복 실험 데이터 사이의 오차 평균 0.0081 mm과 비슷한 것으로 나타나 모델과 실험 간의 오차는 실험과 측정오차로 인해 발생한 것으로 보인다.
방전 후 전극의 단면을 광학 현미경으로 확대해 측정한 방전 깊이에 따른 모서리 마모 실험 데이터를 Table 2에 나타내었다. 세 번의 반복 실험에서 모두 방전 깊이가 증가함에 따라 흑연 전극의 모서리 마모가 커지는 것을 알 수 있다.
위 모델을 활용한 이차 전극의 최종 모서리 마모는 0.044 mm로 단일 전극 방법에 비해 73% 감소할 것으로 예측된다.
단일 전극으로 방전할 경우 깊이에 따라 모서리 마모가 증가하는 현상을 반복 실험으로 확인하고 데이터를 회귀분석하여 방전 깊이에 따른 전극마모 모델을 개발하였다. 이 모델을 이용해 두 개의 전극을 사용한 다중 전극 방법으로 방전 정밀 도를 70% 향상시킬 수 있음을 예측하고 비교 실험을 통해 증명하였다. 이 결과는 방전 깊이에 따른 전극 마모를 예측하고 정밀도를 만족하는데 필요한 최소 전극의 수를 추천하는 기초로 활용될수 있을 것이다.
6 mm의 전극 마모를 측정한 것이다. 측정에는 ISM-PRO 프로그램의 측정 프로그램을 통해 전극의 초기 모서리 부분에서부터 마모된 전극의 가장 가까운 부분까지의 거리를 측정한 것으로 전극의 마모는 0.109 mm로 나타났다. Fig.

후속연구

하나의 전극을 사용하는 것 보다 두 개의 전극을 사용할 때 금형의 방전 정밀도가 향상되지만 전극 비용과 준비 시간이 증가한다. 따라서 이번 연구로 개발된 방전 깊이에 따른 전극 마모모델이 단일 전극 방법으로 방전 정밀도를 만족할 수 있는지 또는 비용이 증가해도 다중 전극 방전으로 정밀도를 높여야 하는지 판단하는 기준이 될 수있을 것이다.
이 모델을 이용해 두 개의 전극을 사용한 다중 전극 방법으로 방전 정밀 도를 70% 향상시킬 수 있음을 예측하고 비교 실험을 통해 증명하였다. 이 결과는 방전 깊이에 따른 전극 마모를 예측하고 정밀도를 만족하는데 필요한 최소 전극의 수를 추천하는 기초로 활용될수 있을 것이다.
이번 연구는 방전 깊이를 제외한 다른 모든 조건을 추천조건으로 고정했기 때문에 적용 범위에 제한이 있어 일반화하기 위해서는 다양한 조건에서 추가 실험이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방전가공이란 무엇인가?	방전가공(Electrical Discharge Machining)은 전극과 공작물 사이의 반복되는 전기적 스파크로 소재를 제거하는 것이다. 형조 방전가공은 주로 밀링가공이 어려운 오목한 모서리를 전극 형상을 투영하여 가공형상이 복잡한 가공에 적합하다.
	형조 방전가공이 적합한 분야는?	방전가공(Electrical Discharge Machining)은 전극과 공작물 사이의 반복되는 전기적 스파크로 소재를 제거하는 것이다. 형조 방전가공은 주로 밀링가공이 어려운 오목한 모서리를 전극 형상을 투영하여 가공형상이 복잡한 가공에 적합하다. 전극의 상태는 최종 정밀 도에 나타나며 전기 스파크는 전극을 마모시켜 공작물 형상의 가공 정밀도가 저하된다[1] .
	표면 거칠기가 방전 전류 및 펄스 지속시간에 영향을 받고 전류 및 시간이 클수록 표면 거칠기가 증가하는 이유는 무엇인가?	표면 거칠기는 방전 전류 및 펄스 지속시간에 영향을 받고 전류 및 시간이 클수록 표면 거칠기가 증가한다. 그 이유는 에너지가 높을수록 용해된 금속의 양이 증가하고, 각 배출 과정에서 분화구의 부피가 증가하기 때문인데[5] 전류가 클수록 전극 마모가 증가하여 전극 마모율로 인해 표면 거칠기도 증가한다[3] . 이처럼 전극 마모는 표면 거칠기에도 중요한 요인이 된다.

참고문헌 (15)

Mohri, N., Suzuki, M., Furuya, M., Saito, N. and Kobayashi, A., "Electrode Wear Process in Electrical Discharge Machining," CIRP Annals, Vol. 44, No. 1, pp. 165-168, 1995.
Ramasawmy, H. and Blunt, L., "Effect of EDM process parameters on 3D surface topography," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 148, No. 2, pp. 155-164, 2004.

상세보기
Kiyak, M. and Cakir, O., "Examination of machining parameters on surface roughness in EDM of tool steel," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 191, No. 1-3, pp. 141-144, 2007.
Jeong, H. J., Byun, J. H., Cheng, D. J., Oh, Y. J. and Kim, S. J., "The Comparison of Response Surface and Discharge Energy Methods in Predicting MRR and Roughness of Sink EDM," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 26, No. 5, pp. 466-471, 2017.

상세보기
Gostimirovic, M., Kovac, P., Sekulic, M. and Skoric, B., "Influence of discharge energy on machining characteristics in EDM," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, No. 1, pp. 173-179, 2012.

원문보기 상세보기
Klocke, F., Schwade, M., Klink, A. and Veselovac, D., "Analysis of material removal rate and electrode wear in sinking EDM roughing strategies using different graphite grades," Procedia CIRP, Vol. 6, pp. 163-167, 2013.

상세보기
Kim, S. H. and Lim, H. S., "Development of Micro Milling EDM and Analysis of Machined Characteristics," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 10, No. 1, pp. 1-7, 2011.
Ozgedik, A. and Cogun, C., "An Experimental Investigation of Tool Wear in Electric Discharge Machining," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 27, No. 5-6, pp. 488-500, 2006.

상세보기
Pei, J., Zhang, L., Du, J., Zhuang, X., Zhou, Z., Wu, S. and Zhu, Y., "A model of tool wear in electrical discharge machining process based on electromagnetic theory," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 117, pp. 31-41, 2017.

상세보기
Luis, C., Puertas, I. and Villa, a. G., "Material Removal Rate and Electrode Wear Study on the EDM of Silicon Carbide," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 164, pp. 889-896, 2005.

상세보기
Khan, M., Rahman, A., Rahman, M. and Kadirgama, K., "Electrode Wear Rate of Graphite Electrodes During Electrical Discharge Machining Processes on Titanium Alloy TI-5AL-2.5SN," International Journal of Automotive & Mechanical Engineering, Vol. 9, pp. 1782-1792, 2014.
Haron, C. C., Ghani, J. A., Burhanuddin, Y., Seong, Y. and Swee, C., "Copper and Graphite Electrodes Performance in Electrical-discharge Machining of XW42 tool steel," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 201, No. 1-3, pp. 570-573, 2008.
Amorim, F. L. and Weingaertner, W. L., "The behavior of graphite and copper electrodes on the finish die-sinking electrical discharge machining (EDM) of AISI P20 tool steel," Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 29, No. 4, pp. 366-371, 2007.

상세보기
Maeng, H. Y., Park K. and Kim, S. D., "Improvements of Electro Discharge Machining Characteristics using Side Flushing Devices", Proceedings of KSMTE Annual Spring Conference 2005, pp. 272-277, 2005.
Yu, S. F., Lee, B. Y., and Lin, W. S., "Waveform Monitoring of Electric Discharge Machining by Wavelet Transform," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 17, pp. 339-343, 2001.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증