KR100454838B1 - 와이어 방전가공 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

와이어전극(1a)과 피가공물(2)과의 극간에 방전을 발생시켜서 피가공물(2)을 가공하는 와이어 방전가공 장치에서 상기 극간에 압력 기체를 공급하는 기체공급수단(8)을 구비하였다. 고정밀도가공에 적합한 생산성이 높은 와이어 방전가공 장치를 얻을 수가 있다.

Description

와이어 방전가공 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRODISCHARGE WIRE MACHINING}

방전가공은 금형 등의 가공기술로서 확고한 지위를 구축하고 있고 자동차산업, 가전산업, 반도체산업 등의 금형가공분야에서 사용되어 왔다.

도 6은 방전가공의 메카니즘의 설명도이고, 도면에서 1은 전극, 2는 피가공물, 3은 아크주(住), 5는 방전가공에 의해 생성된 가공 설(屑)이다. 아래의 (a) 내지 (e)의 사이클(도 6의 (a) 내지 (e)에 대응)을 반복하면서 피가공물(2)의 방전에 의한 제어가공이 진행한다. 즉, (a) 방전의 발생에 의한 아크주(3)의 형성, (b) 방전의 열에너지에 의한 국부적 용융 및 가공액(4)의 기화, (c) 가공액(4)의 기화폭발물의 발생, (d) 용융부(가공설 5)의 비산, (e) 가공액에 의한 냉각, 응고, 극간의 절연회복이다.

본 발명은 방전가공 중에서도 도려내기 가공, 절단가공 등에 사용되는 와이어 방전가공에 관한 것이다. 와이어 방전가공은 특히, 고정밀도화에의 요구가 강해지고 있고 예를들면, 반도체업계 등에서 사용되는 고정밀도금형의 가공에서는 1 ~ 2㎛정도의 높은 가공정밀도가 요구되어 오고 있다.

도 7는 와이어 방전가공의 가공프로세스의 예를 표시하는 설명도이고, 도면에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, 4a는 가공액인 물, 6은 이니셜홀이고, 도 7의 (a)는 일차가공인 퍼스트컷을, 도 7의(b)는 일차가공후의 중마감가공인 세컨드컷을, 도 7의 (c)는 최종다듬질가공인 서드컷으로 표시하고 있다.

도 7의 (a)의 퍼스트컷의 가공예는 이니셜홀(6)에 와이어전극(1a)을 통하고, 피가공물(2)을 도려내는 가공을 표시하고 있다.

이같은 퍼스트컷의 경우, 후의 가공으로 면의 거칠기 및 정밀도를 다듬질 하기 위해 지나치게 엄격한 면의 거칠기 및 정밀도는 요구되지 않고, 생산성 향상을 위해 특히 가공속도를 올리는 것이 중요하다. 와이어 방전가공에서 가공속도를 올리기 위해서는 극간으로부터의 가공설의 배출을 효율적으로 실시하기 위해 물(4a)을 극간에 강하게 뿌려주고 있다.

또, 극간에의 물(4a)에 의한 얼룩을 없이 하고, 와이어전극(1a)의 단선을 방지하기 위해, 도시하지 않은 가공조 중에 물(4a)을 저장해 피가공물(2)을 침지하는 방법이 사용된다.

이상과 같은 종래의 와이어가공에서는 퍼스트컷(도 7의 (a))후의 세컨드컷(도 7의 (b)) 및 서드컷(도 7의 (c)) 등의 가공도, 가공액인 물(4a)속에서 실시된다.

도 8은 극간의 전압 및 전류파형의 한 예를 표시한 것으로, 도면에서 V는 극간전압, I는 극간전류, t는 시간이다.

도 8의 타이밍 T1에서의 상태는 와이어전극(1a)과 피가공물(2)의 극간에 전압이 인가된 상태이다. 극간에 전압이 인가되면 플러스극성과 마이너스극성은 서로 끌어당기는 힘이 작용하므로 이 정전력에 의해 강성이 작은 와이어전극(1a)은 피가공물(2)쪽으로 끌리게 된다. 이것이 와이어전극(1a)의 진동의 원인이 되고, 이같은 진동에 의해 고정밀도가 가공이 곤란해진 다른 문제점이 있었다.

또, 도 8의 타이밍 T2에서의 상태는 방전에너지에 의해 가공액의 기화폭발력이 발생한 상태(예를 들면, 도 6의 (c))이고, 와이어전극(1a)에는 가공액의 기화폭발력에 의해 피가공물(2)과 반대방향에 큰 힘이 작용해서 진동이 발생한다. 이같은 진동에 의해 피가공물(2)의 형상으로 凹凸이 생기고, 정밀도의 악화에 연결된다는 문제점이 있었다.

와이어 방전가공의 이용분야인 반도체업계 등에서 예를 들면, IC리드프레임의 금형 등의 가공에서는 형상정밀도가 1㎛, 면의 거칠기가 1㎛ Rmax이하와 같은 피가공물에 대해 극히 고정밀도이고, 또 대단히 매끄러운 면의 거칠기가 구해지는 동시에 생산성의 향상이 필요한 용도가 증가하고 있고, 특히 이같은 용도에서는 상기와 같은 와이어전극의 진동 등에 기인하는 문제점이 현저하였었다.

(발명의 개시)

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 된 것으로, 고정밀도가공에 적합한 생산성이 높은 와이어 방전가공 방법 및 장치를 얻는 것을 목적으로 한다. 또, 고품위가공에 적합한 와이어 방전가공 방법 및 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 와이어 방전가공 방법은 와이어전극과 피가공물과의 극간에 기중에서 방전을 발생시켜서 상기 피가공물을 가공하는 와이어 방전가공 방법에서 상기 극간에 압력 기체를 공급하면서 가공을 하는 것이다.

또, 본 발명에 관한 와이어 방전가공 방법은 와이어전극과 피가공물과의 극간에 방전을 발생시켜서 상기 피가공물을 가공하는 와이어 방전가공 방법에서 가공액 중에서 초벌가공을 하는 제 1의 공정과, 기중에서 마감가공을 하는 제 2의 공정을 구비하고, 상기 제 2의 공정에서의 가공 중에 상기 극간에 압력 기체를 공급하면서 가공을 하는 것이다.

또, 본 발명에 관한 와이어 방전가공 방법은 상기 기체가 산소, 질소, 수소, 불활성가스 및 절연가스 중 적어도 한 종류로 된 것이다.

본 발명에 관한 와이어 방전가공 장치는 와이어전극과 피가공물과의 극간에 방전을 발생시켜서 상기 피가공물을 가공하는 와이어 방전가공 장치에서 상기 극간에 가공액을 압력을 상승시켜서 공급하는 가공액 공급수단과, 상기 극간에 압력 기체를 공급하는 기체공급수단을 구비한 것이다.

또, 본 발명에 관한 와이어 방전가공 장치는 노즐 내에 압력 유체를 공급하고, 이 압력 유체를 가공액 또는 기체로 전환하는 전환수단을 구비함으로써 상기 가공액 공급수단 및 기체공급수단을 구성하는 것이다.

또, 본 발명에 관한 와이어 방전가공 장치는 상기 기체가 산소, 질소, 수소, 불활성가스 및 절연가스 중 적어도 한 종류로 된 것이다.

본 발명은 와이어전극과 피가공물과의 극간간극에 방전을 발생시켜서 피가공물을 가공하는 와이어 방전가공 방법 및 장치의 개량에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 와이어 방전가공 방법의 일 예를 표시하는 설명도.

도 2는 와이어 방전가공에 의한 와이어전극의 변동량의 설명도.

도 3은 가공액 중에서의 와이어 방전가공의 예를 표시하는 설명도.

도 4는 기체중의 와이어 방전가공의 예를 표시하는 설명도.

도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 와이어 방전가공 장치에서의 극간에 기체를 공급하는 기체공급수단의 구성예를 표시하는 도면.

도 6은 방전가공의 메카니즘의 설명도.

도 7은 와이어 방전가공의 가공프로세스의 예를 표시하는 설명도.

도 8은 극간의 전압 및 전류파형의 한 예를 표시하는 도면.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 와이어 방전가공 방법의 한 예를 표시하는 설명도이고, 도면에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, 4a는 가공액인 물, 6은 이니셜홀, 7은 공기 등의 기체이고, 도 1의 (a)는 초벌가공인 퍼스트컷을, 도 1의 (b)는 초벌가공 후의 마감가공인 세컨드컷을 표시하고 있다. 퍼스트컷 및 세컨드컷이라는 명칭은 편의상의 것이고, 반드시 와이어 방전가공이 2회의 가공으로 종료되는 것은 아니다. 피가공물에의 요구정밀도가 높은 가공에서는 7회, 8회의 가공을 하는 경우도 있다.

다음에, 가공방법의 개략에 대해 설명한다. 도 1의 (a)의 퍼스트컷은 이니셜홀(6)에 와이어전극(1a)을 통하고 피가공물(2)을 도려내는 가공이다. 퍼스트컷에서는 후의 가공으로 면의 거칠기 및 정밀도를 다듬질하기 위해 그다지 엄격한 면의 거칠기와 정밀도는 요구되지 않고, 생산성 향상을 위해 특히, 가공속도를 올리는 것이 중요하고, 배경기술의 도 7과 같이 가공액인 물(4a)을 극간에 개재시켜서 가공을 한다.

통상의 와이어 방전가공에서는 퍼스트컷 후에도 가공액 중에서 가공이 진행되나, 배경기술에 표시한 바와 같이 와이어전극(1a)의 진동 등의 문제가 있으므로, 고정밀도가공에는 적합치 않다.

본 발명은 다듬질가공에서 극간에 가공액을 개재하지 않고 가공을 하고, 피가공물의 형상정밀도 및 면의 거칠기를 개선하는 것이다.

도 1의 (b)의 다듬질가공인 세컨드컷에서는 와이어전극(1a)의 진동을 억제해서 가공정밀도를 개성하기 위해 가공액(4a)중에서의 가공이 아니고, 기체(7) 중에서의 가공을 하는 것이다.

이와 같은 기중의 와이어 방전가공에 의해 아래에 표시하는 바와 같이 와이어전극(1a)의 진동 등을 억제할 수가 있다.

즉, 극간에 전압이 인가되었을 때에 와이어전극(1a)과 피가공물(2)에 작용하는 정전력은 극간의 유전율에 비례하므로, 같은 극간거리로 계산을 하면 극간의 개재물이 물(4a)인 경우와 비교해서 극간의 개재물이 기체(7)인 경우는 상기 정전력이 수십분의 1이 된다(예를 들면, 유전율은 진공 중이 가장 작고, 수 중에서는 진공 중의 약 80배이다).

또, 방전에 의한 기화폭발력은 극간에 개재하는 액체에 의해 발생하므로 극간에 기체(7)만 존재하는 경우에는 와이어전극(1a)은 기화폭발력의 영향을 거의 받지 않는다.

따라서, 와이어전극(1a)의 진동 등을 억제할 수가 있다.

이상과 같이, 기중방전가공에서는 와이어전극(1a)의 진동 등을 억제할 수가 있으므로 피가공물의 형상정밀도 및 면의 거칠기가 향상된다.

또, 기중 와이어 방전은 가공조건 마다의 와이어전극의 변동량의 허용범위가 넓어진다는 이점이 있다. 도 2는 와이어 방전가공에 의한 와이어전극의 변동량(와이어전극을 가공의 횟수에 따라 순차 피가공물 측으로 어긋나게 해가는 량)의 설명도이고, 도 2의 (a)는 퍼스트컷을, 도 2의 (b)는 세컨드컷을, 도 2의 (c)는 서드컷을 표시하고 있다.

도 2에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, A는 가공진행방향(피가공물(2)에 대한 와이어전극(1a)의 상대이동방향)이다. 변동량은 어느 가공조건에서의 가공량에 의해 결정되는 값이다. 그러나, 어느 가공조건에 의한 가공량은 와이어전극의 이송속도 및 전조건의 다듬질 정도 등으로 크게 변하는 량이다. 이 때문에 와이어 방전가공의 가공조건은 초벌가공에서 마감가공까지 와이어전극의 변동량 및 와이어전극의 이송속도 등을 각종의 가공테스트결과에서 선출된 조건에 의한 조건예를 사용할 필요가 있다. 이것은 가공의 유통성이 없는 것을 표시하고 있고, 예를 들면 가공량이 약간 적어지고 추가공을 해서 치수를 다듬질하려고 해도 적절한 가공이 곤란해 진다.

도 3은 가공액 중에서의 와이어 방전가공의 예를 표시하는 설명도이고, 도면에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, A는 가공진행방향이다.

도 3의 (a)는 최종 마무리조건에서의 가공의 모양을 표시하고 있고, 목표 가공위치까지 가공하는 것을 목표로 하고 있다.

그러나, 실제의 가공결과는 목표와 달리, 도 3의 (a)의 예에서는 약간 남겨 놓은 경우를 표시하고 있다. 이 목표가공위치와 실제의 가공위치의 차를 예를 들어 2㎛로 했을 때, 추가공으로서 와이어전극(1a)을 피가공물(2)측에 2㎛밀어서 가공을 하면 목표 가공위치까지 마무리된다고 생각되나, 실제로는 앞의 마무리가공 때의 가공면의 상태, 와이어전극의 이송속도 등과 추가공때의 이들과는 다르므로 목표한 대로의 치수로는 다듬질이 되지 않는 경우가 많다. 예를 들면 도 3의 (b)와 같이 추가공에서의 가공위치와 목표 가공위치와의 사이에는 어긋남이 생긴다.

도 4는 기중 와이어 방전가공의 예를 표시하는 설명도이고, 도면에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, A는 가공진행방향이다.

도 3과 같은 가공을 하는 경우에, 도 4의 (b)와 같은 추가공을 기중에서 실시하면 방전갭 g가 좁기 때문에 목표로 한 치수에 보다 더 가까운 가공이 가능해 진다. 즉, 고정밀도가공에 적합하다. 이 이유는 가공치수를 정밀도 좋게 내기 위해서는 가공전의 면의 거칠기, 가공조건, 와이어전극의 이동속도 등이 합치된 조건으로 가공을 할 필요가 있으나, 이들의 조건이 달라졌을 때의 오차가 방전갭 g가 좁을 수록 작아지기 때문이다.

이는 초벌가공으로부터 마감가공까지의 일련의 가공프로세스 중에서 목표로 한 형상으로 가공할 수 있다는 것 뿐 아니라, 형상치수가 어긋나 버렸을 때도 추가공에 의해 간단하게 형상수정이 가능하다는 것을 의미하고 있다.

이상과 같이 기중 와이어 방전가공은 고정밀도 가공에 유효하나, 배경기술에 표시한 바와 같이 가속도가 액중 와이어 방전가공과 비해 늦어진다는 문제점이 있다. 이 원인의 주된 것은 액중 방전가공과 같이 방전에 의해 발생하는 기화폭발력이 없어지므로 피가공물의 제거량이 감소하는 것과, 방전에 의해 제거된 가공설(屑)이 와이어전극 및 피가공물 표면에 부착해서 가공을 불안정하게 하기 때문이다. 또, 이같은 불안정가공은 피가공물의 가공정밀도를 저하시킨다.

도 5는 상기한 가공설의 부착을 방지하기 위해 극간에 압력 기체를 공급하는 기체공급수단의 구성예를 표시하는 설명도이고, 도면에서 1a는 와이어전극, 2는 피가공물, 7은 기체, 7a는 기체의 흐름, 8은 기체공급수단이다. 기체공급수단(8)은 와이어전극(1a)의 주위로 부터 와이어전극(1a)과 피가공물(2)과의 극간을 향해(도 5에서는 Z방향), 기체(7)를 공급하는(도 5의 기체의 흐름(7a))것으로, 예를 들면 와이어전극(1a) 주위에 노즐을 형성해서 압력 기체를 공급하는 것 등에 의해 실현할 수가 있다. 이같은 기체공급수단(8)의 구성에 의해 가공설을 기체(7)의 압력에 의해 날려버릴 수가 있다. 따라서, 기중의 와이어 방전가공의 가공속도를 향상시킬 수 있는 동시에 가공정밀도의 저하를 방지할 수가 있다.

또, 초벌가공을 액중 와이어 방전가공에 의해 실시하고, 마감가공을 기중 와이어 방전가공에 의해 하는 경우에, 배관을 밸브 등의 전환에 의해 전환하고, 상기 와이어전극(1a)의 주위에 형성한 노즐 내에 공급하는 유체를 가공액 또는 기체로 전환함으로써, 가공액 공급수단과 기체공급수단을 전환해서 사용할 수가 있다. 이같은 초벌가공과 마감가공의 전환에 의해 피가공물의 가공을 더욱 효율적으로 시행할 수가 있다.

또, 기중 와이어 방전가공에서 기체공급수단(8)에 의해 극간에 공급하는 기체(7)를 산소가스로 함으로써, 공기중에서의 가공에 비해 가공속도가 약 배가 된다는 것이 알려져 있다.

이는 산소가스를 공급함으로써 방전에 의해 용융한 피가공물을 날려버리는 효과 및 산소에 의해 방전의 에너지가 피가공물에 흡수되기 쉬워져, 피가공물의 제거량이 증가하기 때문이라고 생각된다. 또, 산소를 극간에 공급함으로써 방전에 의한 플라즈마 중에서 화학반응을 일으켜, 피가공물 표면의 탄소 또는 유황 등의 불순물을 CO₂, SO₂등의 기체로 해서 제거하는 것이 가능하다.

또, 기체공급수단(8)에 의해 극간에 공급하는 기체(7)를 질소가스로 함으로써 피가공물 표면을 질화할 수가 있고, 피가공물 표면의 경도를 향상시킬 수가 있고, 피가공물의 내구성을 향상시킬 수가 있다.

또, 기체공급수단(8)에 의해 극간에 공급하는 기체(7)를 수소가스로 함으로써, 방전에 의한 플라즈마 중에서 화학반응을 일으켜 피가공물 표면의 산소 등의 불순물을 H₂O로 해서 제거할 수가 있다.

또, 기체공급수단(8)에 의해 극간에 공급하는 기체(7)를 불활성가스로 함으로써 방전에 의한 플라즈마 중에서의 화학반응을 억제하고, 피가공물 표면의 물질에 변화를 가하지 않고 제거가공을 진행할 수가 있다.

또, 기체공급수단(8)에 의해 극간에 공급하는 기체(7)를 SF₆또는 CF₄등의 절연가스로 함으로써, 방전의 극간간극을 작게하고 또 고정밀도가공을 할 수가 있다.

이상과 같이 본 발명에 관한 와이어 방전가공 방법은 특히, 고정밀도방전가공작업에 사용되는데 적합하다.

Claims (5)

1. 피가공물을 가공하기 위해, 와이어전극과 상기 피가공물의 극간에 방전을 발생시키는 단계;

   노즐 내에 압력 유체를 공급하는 단계;

   상기 압력 유체를, 상기 피가공물의 초벌가공 시에는 가공액으로 하고, 상기 피가공물의 정밀가공 시에는 기체로 하여, 전환하는 단계;

   상기 가공액의 분위기에서 상기 피가공물의 초벌가공을 행하는 단계; 및

   상기 와이어전극과 상기 피가공물의 극간에 압력 기체를 공급하면서, 상기 기체의 분위기에서 상기 피가공물의 정밀가공을 행하는 단계;

   를 포함하는 와이어 방전가공 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 기체가 산소, 질소, 수소, 불활성가스 및 절연가스 중 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 와이어 방전가공 방법.
3. 피가공물을 가공하기 위해, 와이어전극과 상기 피가공물과의 극간에 방전을 발생시키는 방전수단;

   상기 극간에 압력 가공액을 공급하는 가공액 공급수단;

   상기 극간에 압력 기체를 공급하는 기체 공급수단; 및

   노즐 내에 압력 유체를 공급하고, 상기 압력 유체를 상기 가공액 또는 상기 기체로 전환하는 전환수단;

   을 포함하고,

   상기 전환수단은 상기 기체 공급수단에 상기 가공액 공급수단을 구성하도록 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 와이어 방전가공 장치.
4. 삭제
5. 제 3항에 있어서, 상기 기체가 산소, 질소, 수소, 불활성가스 및 절연가스 중 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 와이어 방전가공 장치.