방전 가공은 제거 가공이면서 절삭 가공이나 연삭 가공 등과는 색다른 다른 가공 방법으로 기계 에너지가 아닌 열에너지를 사용하는 가공법입니다. 시간은 걸리지만 전기를 통하는 소재라면 무엇이든 가공할 수 있는 편리한 방법입니다. 이번에는 방전 가공의 원리와 종류, 장점과 단점, 그리고 이름이 비슷한 「전해 가공」과의 차이 등을 해설합니다.
목차
방전 가공이란?
방전 가공은 방전 현상으로 발생하는 열을 이용하여 공작물을 녹이는 방법입니다. 절연성 가공액(탈이온수나 석유 등)에 공작물을 가라앉히고 공작물과 전극 사이에 펄스 전압을 인가합니다. 그렇게 하면 공작물-전극 사이에 아크 방전(방전 온도는 3000℃ 이상)이 일어나고 공작물이 고온이 되어 융해하는 것입니다. 이때 가공액이 비등, 팽창하기 때문에 공작물에서 융해된 부분(금속 가루 등)이 비산하지만 이들은 가공액으로 밀려들어가므로 단락의 우려는 없습니다. 또한 가공액에는 공작물의 융해 부분를 냉각하는 효과도 있습니다. 위의 사이클을 1초간 1000회~10만 회 정도 반복하여 공작물을 조금씩 융해시키는 것입니다. 방전 가공에서는 전극 부근의 공작물만이 융해합니다. 따라서 전극 모양을 바꾸면 다양한 형상을 가공할 수 있습니다. 또한 공작물이 전기를 통하는 재질이면 단단한 공작물이라도 가공할 수 있습니다. 방전 가공은 다른 가공 방법에 비해 시간이 걸리지만 정밀도가 높은 점이 특징입니다. 그래서 금형의 인서트와 같은 정밀도가 필요한 부품 제조에 사용됩니다.
방전 가공에 적합한 소재
전기를 통하는 소재라면 무엇이든 방전 가공이 가능합니다. 예를 들어 초경합금, 티타늄,스테인리스, 몰리브덴, 인코넬과 같은 단단한 소재도 문제 없이 가공할 수 있습니다. 단, 공작물의 크기나 재질에 따라 가공 시간이 다른 점은 주의해야 합니다.
방전 가공의 주요 종류
방전 가공은 크게 아래와 같은 2종류로 나눌 수 있습니다. 주된 차이는 사용하는 전극의 형상입니다.
와이어 방전 가공
와이어 방전 가공은 와이어 모양의 가늘고 긴 전극(직경 0.2mm 정도)을 사용하는 방법입니다. 팽팽하게 당겨진 와이어 전극을 공작물에 가까이 둔 상태에서 방전을 일으켜 실톱처럼 공작물을 절단해(녹여 ) 갑니다. 와이어 전극의 주행 경로는 수치적으로 제어할 수 있습니다(NC 제어). 따라서 마치 일필휘지의 요령으로 공작물을 임의의 형상으로 절단할 수 있는 것입니다. 와이어 방전 가공의 장점은 전극을 가공할 필요가 없다는 점이나 절삭 가공으로 만들 수 없는 복잡한 형상을 가공할 수 있다는 점입니다. 그러나 가공 정밀도는 와이어 직경에 의존합니다. 가는 와이어 전극을 사용하면 보다 섬세한 가공이 가능하지만 전류값이 작아 가공 속도는 느려집니다. 반대로 굵은 와이어 전극을 사용한 경우는 빠르게 가공할 수 있지만 가공 정밀도는 감소합니다. 굵은 와이어를 사용하는 경우 1회 가공(퍼스트 컷)만으로 끝낼 수도 있지만 와이어 직경을 바꾸면서 세컨드 컷, 서드 컷까지 가공하는 경우도 있어 가공 시간과 가공 정밀도가 다릅니다. 와이어 방전 가공에는 단점도 존재합니다. 와이어 전극은 매우 가늘고 방전으로 인해 간단하게 마모되므로 가공 중에는 새로운 와이어 전극을 계속 보내야 합니다. 월 400~500시간 정도 가동할 경우 60kg~80kg이나 되는 와이어 전극이 필요합니다. 또한 와이어 전극에 의해 공작물을 세로 방향으로 완전히 절단해버리므로 바닥 있는 가공이 불가능한 점도 주의해 주십시오. 와이어 방전 가공은 프레스 금형의 제작이나 초경 공구의 칼날 끝 가공 등에 사용됩니다.
형조 방전 가공
형조 방전 가공은 원하는 형태로 가공한 전극을 사용하는 방법으로 전극이 「틀」로 기능합니다. 이 「틀」과 공작물을 가까이 해서 방전을 일으키면 공작물이 「틀」의 형태대로 융해됩니다. 다시 말하면 「틀」의 형태가 공작물로 전사되는 것입니다. 와이어 방전 가공이 실톱으로 공작물을 절단하는 이미지인데 반해 형조 방전 가공은 「틀」로 공작물을 새기는 이미지에 가까울 것입니다. 형조 방전 가공을 사용하면 와이어 방전 가공으로는 불가능했던 바닥 있는 가공이 가능합니다. 또한 「틀」의 형태를 만들면 깊은 홈이나 코너과 같은 복잡한 형태도 전사 가능합니다. 한편 목적의 형상에 맞춰 그때마다 전극을 만들어야 하므로 비용과 시간이 든다는 점은 단점입니다. 형조 방전 가공 중에서도 봉 모양으로 가공한 전극을 사용하는 「미세 홀 방전 가공」을 이용하면 절삭 가공으로는 어려운 아주 가늘고 긴 홀도 가공할 수 있습니다. 형조 방전 가공은 수지 성형용 금형을 제조할 때, 미세 홀 방전 가공은 금형 등에 홀을 가공할 때 사용됩니다.
방전 가공 시 장점·단점
계속해서 방전 가공의 장점과 단점을 소개합니다.
방전 가공의 장점
- 소재의 경도와 관계없이 가공할 수 있다
- 복잡한 형상이라도 고정밀도로 가공할 수 있다
- 공작물에 대한 부담이 적다
- 절삭에서는 어려운 형상의 가공도 가능하다
전기를 통하는 소재라면 단단해도 문제없이 가공할 수 있습니다. 따라서 금형 등 높은 강도가 요구되는 부품 제조에 사용됩니다. 또한 방전 가공에서는 1미크론 단위의 정밀한 가공이 가능합니다. 절삭 가공에 비해 매우 정밀도가 높고 나사 절삭이나 스파이럴과 같은 형상도 실현할 수 있습니다. 전기적 조건을 변경하여 가공면의 거칠기를 세밀하게 조절도 가능합니다. 전극과 공작물이 물리적으로 접촉하지 않으므로 공작물에 주는 부담이 적은 점도 장점입니다. 공작 기계가 고장날 가능성도 다른 가공 방법에 비해 낮아집니다. 공작물은 가공액으로 항상 냉각되므로 방전 열로 변형될 우려도 없습니다. 또한 형조 방전의 경우 밀링 등의 절삭 가공에서는 어려운 형상의 가공도 가능합니다. 예를 들어 홀이나 오목한 모서리를 최대한 핀 각에 근접하거나 언더컷부를 가공할 수 있습니다.
방전 가공의 단점
- 가공에 시간이 걸린다
- 비용이 든다
- 전기가 통하지 않는 소재는 가공할 수 없다
- 가공 후 표면이 요철 형상으로 된다
방전 가공은 1회 방전으로 가공할 수 있는 양이 적고 가공 속도는 2~5mm/분 정도입니다. 따라서 공장에 사람이 있는 주간은 비교적 단시간에 가공할 수 있는 부품을, 사람이 없는 야간은 가공에 시간이 걸리는 부품을 세트하고 있는 기업도 있습니다. 또한 방전 가공은 가공 장치가 고가이고 와이어 전극 등의 소모품도 많아 전체적으로 비용이 소모됩니다. 가공 시간과 비용 면에서 고려하면 방전 가공은 고정밀도 부품의 작은 로트 생산에 적합한 방법으로 대량 생산에는 적합하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 또한 당연하지만 전기가 통하지 않는 소재는 아크 방전을 일으킬 수 없어 가공할 수 없습니다. 방전 가공에서는 가공 눈이 요철 형상으로 되는 것도 주의해야 할 포인트입니다. 표면을 마감할 때는 절삭 가공면과 다르므로 주의하여 가공해야 합니다.
방전 가공과 전해 가공의 차이
방전 가공과 유사한 가공 방법으로 「전해 가공」이 있습니다. 양자는 모두 공작물과 전극 사이에 전압을 거는 방법이지만 공작물의 용해에 사용하는 에너지가 다릅니다. 앞에서 설명한 바와 같이 방전 가공은 절연성 가공액 속에서 아크 방전을 발생시켜 그 「열에너지」를 사용하여 공작물을 융해시키는 방법입니다. 한편 전해 가공에서는 전해액 속에 공작물을 넣어 전기 분해한 후 양극(공작물) 속의 원자를 이온화하여 제거합니다. 이는 「화학 반응(화학 에너지)」을 사용하는 방법입니다. 전기가 통하지 않는 액체 속에서 방전을 일으키느냐 전기가 통하는 액체 속에서 전자를 이동시키느냐 하는 차이라고도 할 수 있습니다. 전해 가공은 방전 가공과 달리 공작물의 버 제거에 사용되는 경우가 많다고 합니다. 또한 전류 밀도가 높을수록 가공 정밀도와 가공 속도, 표면 거칠기가 동시에 향상되는 특징이 있습니다.
정리
방전 가공은 공작물과 전극 사이에 인공적으로 방전 현상을 발생시켜 방전 열로 공작물을 조금씩 녹이는 가공 방법입니다. 수지의 사출 성형용 금형이나 인서트, 난삭재에 의한 기계 부품 등의 제작에 사용됩니다. 와이어 방전 가공과 형조 방전 가공의 2종류가 있고 이들은 사용하는 전극의 종류나 가공 가능한 형상이 다릅니다. 방전 가공에는 전기가 통하는 소재라면 단단해도 가공할 수 있고 가공 정밀도가 높다는 장점이 있는 반면 가공 시간이 길다는 단점도 있습니다. 장점과 단점을 이해한 후 방전 가공을 활용합시다.
