기술 동향
앞으로 기대되는 최신 방전가공 기술
방전가공은 금형 제작을 비롯하여 금속가공에는 없어서는 안 되는 기술로, 1960년대 초에 우연히 발견된 무전극 소모 가공이 방전가공의 기초를 다져 주었다. 최근에는 전자부품, IT 관련부품 등의 고정도화, 초미세화 요구에 대응, 고부가 가치 제품 가공을 위해 새로운 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
정리┃김정아 기자 (prmoed@chomdan.co.kr)
미세 방전가공 기술
방전가공은 비접촉 가공으로 공작물이나 공구 전극에 대 한 가공 반력이 매우 작기 때문에 미세 가공에 유효하며, 미 세 정밀 금형, 고애스펙트비 리브가공, 엔진의 연료분사 노 즐, 화학섬유 노즐, 전자부품, 광파이버 관련 상품이나 잉크 젯 노즐 등의 미세 구멍뚫기 등에도 널리 이용되어 왔다.
미세 구멍 방전가공에서 가공의 가부 및 형상 정밀도는 공구가 되는 전극의 성형 기술에 크게 의존한다. 이전부터 미세 방전용 전극의 성형은 성형용 블록을 이용하는 역방전 법이나 와이어 방전연삭법에 의해 이루어져 왔다. 특히 와이 어 방전연삭법은 전극을 회전시키면서 가이드로 지지된 주 행하는 와이어와의 사이에서 방전하고 와이어를 축방향으 로 보내어 미세 축을 성형하는 방법으로 매우 유효한 방법이 라고 할 수 있다.
이 방법은 와이어를 지지하는 백업이 존재하기 때문에 와 이어나 축의 변형을 최소한으로 억제할 수도 있고, 또한 기 기 상의 성형이기 때문에 심이 어긋나는 문제도 없는 특징을 가지고 있다. 최근에는 더구나 동일한 기기 상에서 절삭, 초 음파가공, 조립 등이 시도되고, 또한 마이크로 선반에도 응 용되어 그 유효성이 증명되고 있다.
한편 공작물 상에 설치된 가공구멍을 이용하여 미세 축을 성형하는 방법이 제안되어, 효율적으로 여러 가지 형상을 성 형할 수 있는 가능성이 보였다. 또한 다수의 구멍을 가지고 있는 전극을 이용하여 동시에 다수 축의 성형을 효율적으로 실시하는 방법도 제안되고 있다.
미세 방전가공에서는 방전 에너지가 작기 때문에 필연적 으로 그 극간 거리가 작고 고성능 가공을 실현하기 위해 안 정된 방전가공 상태를 유지하는 것이 보다 중요해진다. 이 들을 실현하기 위해 로컬 액추에이터를 가공기의 주축 헤 드부에 장착, 높은 응답성이 필요한 극간 서보를 로컬 액추 에이터가 담당하고 전극 이송 동작을 볼나사 구동기구가 하는 협조 제어가 실용화되어 특히 미세 구멍 방전가공의 고속화, 전극 소모의 절감, 가공 정밀도의 향상에 효과를 발휘한다.
이상과 같이 미세 방전가공 기술은 앞으로도 미세 금형, 전자부품, 의료용 기기 등 미세 가공의 시장 요구에 대응하 여 한층 더 발전을 기대할 수 있다.
새로운 전극 재료
미세 형상의 경우에는 전극의 열변형이나 열충격에 의한 파편을 싫어하기 때문에 강성이 높은 동텅스텐 등 고가의 전 극 재료가 이용되어 왔다. 기존의 동텅스텐 전극은 텅스텐의 가소결체에 동을 함침하는 방법으로, 그 제조법 상의 제약 때문에 동과 텅스텐의 배분비를 크게 변화시키는 것이 어려 웠다.
그러나 최근 들어 분말소결에 의한 제법이 개발되어, 그 배분비를 변화시킬 수 있게 되었다. 그리고 최적의 동·텅스 텐 배분비의 전극에서는 기존 전극보다도 다듬질 조건 하에 서 전극소모율을 반감할 수 있다는 것이 보여졌다.
한편, 붕소를 도포하여 도전성을 부여한 CVD 다이아몬드 층을 전극으로서 이용하면, 펄스 폭이 짧은 다듬질 조건에서 도 전극소모율이 거의 없는 가공을 달성할 수 있다는 혁신적 인 성과가 보고되어 있다. 이것은 다이아몬드의 열확산률이
매우 높고, 또한 펄스 폭이 짧은 다듬질 조건에서도 열분해 카본의 전극 단면에 대한 부착이 촉진되기 때문이다. 또한 수중의 가공에서도 전극 소모가 다른 전극 재료에 비해 적다 는 것이 증명되었다.
그러나 CVD 다이아몬드는 고가이고, 생성할 수 있는 두 께에도 제한이 있기 때문에 전극 형상은 미세한 것으로 한정 된다. 앞으로 가격의 절감과 후막 생성 기술의 확립에 기대 하고 싶다. 또한 CVD 다이아몬드보다도 저렴하고 절삭공구 등에 다용되고 있는 다이아몬드 소결체를 방전가공용 전극 으로서 사용한 경우의 가공특성이 조사되어 다이스강이나 초경합금에 대해서 가공 능률은 낮지만, CVD 다이아몬드와 거의 동일하게 매우 낮은 전극소모율이 된다는 것이 확인되 었다.
앞으로 다이아몬드 입자지름이나 코발트 바인더량의 최 적화 등에 의해, 우수한 다듬질 가공용 전극재가 될 수 있는 가능성이 있다.
가공 시뮬레이션
절연액 중에서 전극과 공작물을 일정한 극간으로 유지하 면서 펄스 전압을 인가하여 가공이 진행되는 방전가공에서 는 단간극, 단시간의 현상 때문에 직접 극간의 모양을 관찰 하는 것이 어렵다. 보통은 방전 중의 전류·전압 파형의 모 니터링으로부터 극간 상태를 추정하는 것이 이루어진다. 그 러나 지금까지 얻은 가공 결과를 데이터베이스로 하여 극간 상태를 추정하는 시뮬레이션, 혹은 와이어 방전가공의 가공 액 흐름을 재현하는 시뮬레이션 등이 검토되어 그 해석 결과 가 보고되어 있다.
특히 전자의 경우, 가공칩 농도, 갭 길이, 가공 면적, 가공 칩 지름이 방전 지연에 미치는 영향을 라우에 플롯법을 이용 하여 정량화하여 시뮬레이션의 데이터베이스로 하고 있다. 이 방법에 의해 평균 극간 전압에 의한 서보 이송을 포함한 극간 현상의 추정이 가능해지고, 앞으로 가공기 서보계의 시 뮬레이터와 통합하여 형조 방전가공의 실제 가공 시뮬레이션 실현이 기대된다.
표면개질 방전가공
실리콘 전극을 이용하여 방전가공을 하면, 큰 전극소모 에 의해 극간은 대량의 실리콘 분말로 가득 차고, 그 결과 공작물 표면은 실리콘을 함유하여 매우 높은 내식성을 보 이게 된다.
이 현상을 기초로 방전가공에 의한 표면개질의 가능성이 검토되어 왔다. 예를 들면, 티탄계의 미세 분말을 압축성형 혹은 반소결하여 제작한 전극을 이용하여 가공을 하면 등 유계 가공액의 분해탄소와 화학반응하여 가공물 표면에 TiC 피막을 쉽게 형성할 수 있다. 이 경우, 매우 경도가 높 은 피막이 얻어지고 또한 모재와의 밀착성이 높다는 특징 이 있다. 그리고 블랭킹 형이나 절삭공구의 표면개질에 응 용되어 수명 연장의 효과가 확인되었다. 또한 WC나 각종 탄화물 피막 생성의 가능성에 대해서도 검토가 이루어지고 있다.
더구나 바이메탈 전극을 이용한 미세 방전 부착가공에 의 한 부착물의 Fe/Ni 합금화 및 그 성분의 제어가 가능하다는 것도 명확해져 있으며, 다양한 합금 창성에 응용도 기대할 수 있다.
고속 방전가공
방전가공은 다른 가공법과 비교하면, 능률이 높은 가공이 라고는 할 수 없다. 최근에는 미세화, 고정밀도화뿐만 아니 라, 금형·제품 제작의 단납기화에 동반하는 고속 가공에 대 한 요구도 매우 높아지고 있다.
이것에 대응하여 각 방전가공기 메이커는 고속 가공기 의 개발에 힘을 다하고 있다. 기존의 볼나사 구동 방식 대 신에 리니어 모터 드라이브 방식에 의한 고응답성을 이용 한 서보 시스템이 보급되어 가공 속도의 향상이 도모되고 있다. 또한 압전소자나 초자왜소자를 응용한 기구도 시도 되고 있다.
앞으로의 발전 방향
특수 가공법의 하나인 방전가공은 그 특수성을 활용하여 다른 가공법과의 차별화를 추구하는 연구가 앞으로 더욱 추 진될 것으로 기대하고 있다. 예를 들면 방전 표면개질 가공 은 금형 등의 공구 표면개질뿐만 아니라 항공기 제트 엔진의 터빈 블레이드의 개질 가공에도 적용, 실용기에 탑재되어 취 항하고 있다. 또한 각각의 펄스 방전을 디지털적으로 제어하 여 미세 가공이나 온도 제어 등 새로운 전개로 확대될 것으 로 전망된다.
