KR101039509B1 - 방전가공 장치 및 방전가공 방법 - Google Patents

Abstract

가공액으로서 수계(水系) 가공액을 이용하여, 전극(2)과 피가공물(1) 사이에 형성되는 가공 틈에 전압을 인가하면서 상기 피가공물(1)의 가공을 실시하는 방전가공 장치에 있어서,

상기 피가공물을 설치하는 정반(11)과, 상기 피가공물(1)을 전기적으로 절연하는 절연 수단(12)과,

상기 가공액 상태를 계측하는 가공액질 측정기(22)와,

이 가공액질 측정기(112)의 계측 결과에 근거하여, 상기 가공액의 pH를 8.5 ~ 10.5가 되도록 제어하는 가공액질 제어수단(106, 107, 108, 109, 110, 111, 113)과,

을 구비한다.

Description

방전가공 장치 및 방전가공 방법{ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING APPARATUS AND ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING METHOD}

본 발명은 피가공물이 가공액에 장시간 침지(浸漬)되는 것에 수반하는 방식(防食) 방지 성능을 구비한 방전가공 장치에 관한 것이다.

피가공물에 가공액을 내뿜으면서, 또는 피가공물을 가공액에 침지시켜, 피가공물과 전극 사이에 펄스 전압을 인가하여 방전을 발생시켜 가공을 실시하는 방전가공 장치에서는 가공액으로서 물을 이용하는 경우, 전기적인 절연성이 요구되기 때문에, 통상 이온 교환수를 이용하고 있다.

그리고, 이 이온 교환수(가공액)는, 예를 들면 H⁺(수소이온)형 양이온 교환 수지와 OH^-(수산화물 이온)형 이온 교환 수지를 혼합한 이온 교환 수지에 수도물을 통하게 하여, 불순물을 제거한 방전가공에 필요한 가공액을 생성한다.

또한, 이온 교환 수지에서는 수도물에 포함되는 나트륨 이온(Na⁺)이나 칼슘 이온(Ca^{2 +}) 등의 양이온이 H⁺형 양이온 교환 수지와 접촉하는 것으로 H⁺와 교환되고, 염화물 이온(Cl^-)이나 황산 이온(SO₄ ^{2 -}) 등의 음이온이 OH^-형 음이온 교환 수지와 접 촉하는 것으로 OH^-와 교환되는 결과, 수도물에 포함되는 불순물이 제거되어, H⁺와 OH^-가 결합하여 물 H₂O가 생성된다.

이와 같은 수계(水系) 가공액을 이용하는 방전가공 장치에서는 피가공물이 장시간 수계의 가공액에 침지되어 있으면, 피가공물이 부식하여 피가공물의 품질 저하가 생기는 것이 알려져 있다.

그 때문에, 피가공물과 피가공물 근방에 방식 전극을 부착하고, 피가공물과 방식 전극 사이에 전압을 인가하여, 피가공물 측의 평균 전압이 영 또는 음이 되도록 제어하는 것으로, 피가공물의 부식을 막는 방법이 제안되고 있다.(예를 들면 특허문헌 1)

또, 정반(定盤)과 피가공물 사이에 절연물을 사이에 두고, 정반을 양극으로 하고 피가공물을 음극으로 하여 전압을 인가해 피가공물의 부식을 막는 방법도 제안되고 있다.(예를 들면 특허문헌 2)

특허문헌 1 : 일본국 특개평11-70414

특허문헌 2 : 일본국 특개2004-291206호 공보

<발명이 해결하고자 하는 과제>

이온 교환 수지에 의해 불순물이 제거된 가공액의 도전율(導電率)은 일반적으로 70(μS/cm) 이하가 된다.

또, pH는 수소이온농도로 정해지지만, 탄산수소이온(HCO₃ ^-) 등과 교환된 OH^-가 가공액 중에 나오기 때문에, 수소이온농도의 극단적인 변화는 없고 통상, pH는 7이다.

그리고, 이와 같은 가공액 중에는 부동태(不動態) 피막을 파괴하는 작용이 강한 Cl^- 등의 부식성 이온은 거의 존재하지 않지만, 가공액 중의 용존산소에 의해 피가공물이 부식해 버린다.

예를 들면, 피가공물이 초경합금(WC-Co)의 경우는 결합상인 코발트(Co)가 가공액 중에 용출해 버리고, 철(Fe)의 경우에서도 철이 용출하기 때문에, 피가공물 표면에 부식 생성물이 발생해 버린다.

특허문헌 1과 같은 방법으로 피가공물의 부식을 막는 경우, 방식 효과 범위가 한정되어 있고, 방식 전극 근방에서밖에 피가공물의 부식을 방지할 수 없다는 문제가 있다.

또, 특허문헌 2와 같은 방법으로 피가공물의 부식을 막는 경우, 정반을 양극으로 하기 때문에, 정반을 부식시켜 버리는 것 등의 문제가 있다.

또한, 양 특허문헌 방법에서는 방식 전원 없이는 피가공물의 부식을 방지할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상술과 같은 문제점을 해결하기 위해서 된 것으로, 가공조 전역에 있어서 방식 효과를 발휘하고, 외부전원을 사용하지 않고 장시간에 걸쳐서 피가공물의 부식을 방지할 수 있는 방전가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명에 관한 방전가공 장치는 가공액으로서 수계 가공액을 이용하고, 전극과 피가공물 사이에 형성되는 가공 틈(간격)에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전가공 장치에 있어서, 피가공물을 설치하는 정반과 피가공물을 전기적으로 절연하는 절연 수단과, 가공액 상태를 계측하는 가공액질 측정기와, 이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거하여, 가공액의 pH를 8.5 ~ 10.5가 되도록 제어하는 가공액질 제어수단을 구비한 것이다.

<발명의 효과>

본 발명에 의하면, 방전가공에 필요한 절연성(도전율 70μS/cm 이하)을 가지고, pH가 8.5 ~ 10.5를 가지는 가공액을 이용하여, 정반과 피가공물을 전기적으로 절연하는 것에 의해, 가공조 전역에 있어서 방식 효과를 발휘하고, 외부전원을 사용하지 않고 장시간에 걸쳐서 피가공물의 부식을 방지할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

도 1은 실시 형태 1에 있어서의 와이어 방전가공 장치의 구성도이다.

도 2는 NaOH 수용액의 도전율과 pH와의 관계를 나타내는 도이다.

도 3은 실시 형태 1에 있어서의 제어동작을 나타내는 플로우차트이다.

도 4는 실시 형태 2에 있어서의 와이어 방전가공 장치의 구성도이다.

<발명을 실시하기 위한 바람직한 형태>

실시 형태 1.

도 1은 본 실시 형태의 전체 구성을 나타내는 구성도이다.

구체적으로는 피가공물을 정반(定盤)과의 사이에 절연물을 사이에 둔 상태로 설치하고, 방식 수지 및 액질 측정기로서 도전율계(導電率計)를 이용하여, 가공액의 pH를 9.0으로 제어하는 와이어 방전가공 장치를 나타내고 있다.

와이어 방전가공 장치는 피가공물(1)과 와이어 전극(2) 사이에 전압을 인가하고, 상부 가공액 노즐(4)과 하부 가공액 노즐(5)에서부터 분출되는 가공액을 통하여 방전을 실시하게 하여, 피가공물(1)을 용융 제거하는 것에 의해 가공을 진행시킨다.

이 때, 와이어 전극(2)도 방전가공 하고싶지 않은 방전 부분이 용융, 열화 하므로, 가공의 진행과 함께 새로운 와이어 전극(2)이 가공부에 공급되도록, 와이어 보빈(3)에 감겨진 와이어 전극(2)이 상부 가공액 노즐(4), 하부 가공액 노즐(5), 회수 롤러(6)를 경유하여 회수상자(7)로 계속 보내진다.

여기서, 피가공물(1)은 스테인리스강을 이용한 정반(11)에 절연체(12)를 통하여 전기적으로 절연된 상태로 설치된다.

또한, 방전가공에 사용하는 에너지는 가공액을 채운 가공조(8) 내에 설치된 피가공물(1) 및 와이어 전극(2) 사이에 가공 전원(9)으로부터 공급되어, 콘택터(10)의 전도, 비전도 상태를 제어하는 것으로, 방전 발생의 유무를 제어한다.

가공조(8) 내의 가공액은 가공액 액질 제어장치 본체(101)에서 슬러지의 제거, 가공액의 pH 제어를 실시하여, 가공조(8)로 환류(還流)된다.

구체적으로는 상부 가공액 노즐(4) 및 하부 가공액 노즐(5)에서부터 분출하고, 가공부에 발생하는 슬러지를 흐른 불순물을 많이 함유한 가공액은 가공조(8)에 한때 저장된 후, 배관 경로에 의해 오액(汚液)조(102)로 유도된다.

오액조(102)에 저장된 가공액은 여과펌프(103)에 의해 빨아 올려진 후, 여과필터(104)로 슬러지 등의 불순물을 여과하여, 청액(淸液)조(105)에 저장된다.

청액조(105)의 가공액은 가공액질 측정기로서의 도전율계(112)에 의해 도전율이 측정되어, 측정 결과가 제어부(113)에 보내진다.

제어부(113)에서는 도전율계(112)의 측정 결과와, 미리 설정된 설정값을 비교하여, 순수화 수지용 전자밸브(110) 또는 방식 수지용 전자밸브(111)의 개폐 동작을 실시한다.

순수화 수지용 전자밸브(110) 또는 방식 수지용 전자밸브(111)의 개폐 동작에 근거하여, 수지 펌프(109)로 빨아 올려진 가공액이 순수화 수지가 수납되어 있는 순수화 수지탑(107), 방식 수지를 수납하고 있는 방식 수지탑(108)에 공급되어, 청액조(105)에 소정의 pH가 되도록 환류된다.

또, 가공액 펌프(106)에 의해, 상부 가공액 노즐(4) 및 하부 가공액 노즐(5)을 통하여, 피가공물(1)과 와이어 전극(2) 사이로 분출하게 한다.

다음에, 방식 수지탑(108)의 상세에 대해서 설명한다.

방식 수지탑(108)은 Na⁺형 양이온 교환 수지와 OH^-형 음이온 교환 수지의 혼합 수지를 사용한다.

이것에 의해서 가공액은 희박한 NaOH 수용액이 된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, NaOH 수용액의 도전율과 pH의 관계는 일정하게 되기 때문에, 가공액의 도전율을 제어하는 것에 의해 가공액의 pH도 제어할 수 있다.

예를 들면, 가공액의 설정 도전율이 6.2μS/cm일 때, pH는 9.0이 되므로, 설정값보다 높은 도전율(pH값)의 경우는 순수화 수지용 전자밸브(110)를 작동시켜, 청액조(105)의 가공액을 배관 경로 경유로 순수화 수지탑(107)으로 보내고, 방전가공에 의해 생긴 금속 이온이나 대기중의 탄산 가스에 의한 탄산 이온 등을 없애, 가공액의 도전율(pH값)을 저하시킨다.

또, 가공액의 도전율(pH값)이 미리 설정한 값보다 낮아지면, pH값을 유지하여 가공액의 방식 특성을 해치지 않도록 하기 위해, 방식 수지용 전자밸브(111)를 작동시켜, 청액조(105)의 가공액을 배관 경로 경유로 방식 수지탑(108)으로 보내고, 가공액의 도전율(pH값)을 상기의 미리 설정한 설정값 가까이에 유지하도록 하고 있다. 도 3에 상술의 제어동작과 동작 플로우차트를 나타낸다.

본 실시 형태에 있어서의 가공액의 pH제어 범위는 피가공물(1)이 초경(超硬) 재료(WC-Co 등), Cu, Fe(철), Zn(아연) 등인 경우, 방식 효과를 발휘시키기 위해서는 pH의 하한을 8.5로 하는 것이 바람직하다.

또, pH가 상승하면 가공액의 도전율이 증가하여 방전가공 성능을 저하시켜 버리므로, pH의 상한을 10.5로 하는 것이 바람직하다.

상술의 가공액의 pH를 8.5 ~ 10.5로 제어하는 방법으로서 이온 교환 수지를 이용하는 방법이나 약품을 투입하는 방법, 전기분해수 생성기를 이용하는 방법의 3개가 고려된다.

이온 교환 수지를 이용하는 경우, 수도물을 순수화 수지에 통하게 한 후의 가공액(70μS/cm 이하, pH = 7)이 대상이 된다.

그 때문에, 도전율을 제어하는 것에 의해 pH도 제어하는 관점에서, Na⁺형 양이온 교환 수지와 OH^-형 음이온 교환 수지를 혼합한 방식 수지에 통하게 하는 것에 의해 가공액은 희박한 NaOH 수용액이 되어 소망한 pH와 도전율을 나타낸다.

여기서, 방식 수지는 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지의 혼합일 필요는 없고, 각각 다른 이온 교환 수지탑에 봉입한 2개의 이온 교환 수지탑으로도 좋으며, 양이온 교환 수지로서 Na⁺형 이외에 K⁺형이나 Ca^{2 +}형이 고려되어, 적어도 1 종류를 사용하고, 음이온 교환 수지로서 OH^-형 이외에 CO₃ ^{2 -}형으로도 좋고, 적어도 1 종류를 사용할 수 있다.

약품을 투입하는 방법을 이용하는 경우는 수산화 나트륨(NaOH)이나 수산화 칼슘(Ca(OH)₂) 등의 알칼리토(土) 종류 원소를 포함한 약품이 고려되고, 수도물을 순수화 수지에 통하게 한 후의 가공액(70μS/cm 이하, pH = 7)에 투입하면 좋다.

전기분해수 생성기를 사용하는 경우는 수도물을 순수화 수지에 통하게 한 후의 가공액(70μS/cm 이하, pH = 7)을 전기분해에 의해 pH가 8.5 ~ 10.5의 전기분해수로 하면 좋다.

상술한 3개의 방법으로, 가공액질 측정기, 예를 들면 도전율계나 pH계, 산화환원전위계 중 적어도 1종류의 측정기를 사용하고, 제어부의 지령에 의해 pH조정되지만, 가공 성능을 좌우하는 도전율의 제어성이나 피가공물의 부식대책을 좌우하는 pH의 제어성의 점으로부터 이온 교환 수지를 사용하는 방법이 적합하다.

피가공물(1)을 절연물(12)을 통하지 않게 정반에 설치하면, 서로가 이종 재료의 경우에는 전압이 생기고, 특히 피가공물이 정반 재료보다 이온화 경향이 높은 경우에는 피가공물 측에 부식이 발생한다.

피가공물(1)을 정반(11)과의 사이에 절연물(12)을 사이에 둔 상태로 설치함으로써, 상술한 부식의 발생을 방지할 수 있다.

절연물(12)로서는 가공 성능을 열화시키지 않기 위해, 알루미나(alumina)(Al₂O₃)나 실리카(silica)(SiO₂) 등의 고경도한 세라믹스가 적합하다.

상술한 피가공물의 방식 방법을 구비한 와이어 방전가공 장치에서, 가공액의 도전율을 6.2μS/cm(pH = 9.0에 대응)로 제어하는 것에 의해, 장시간(100시간 이상)이라도 초경 재료(WC-Co)의 부식을 방지할 수 있었다.

또, 가공액의 도전율을 6.2μS/cm(pH = 9.0에 대응)으로 제어하는 것에 의해, 장시간(100시간 이상)이라도 철계 재료(SKD-11)의 부식을 방지할 수 있었다.

또한, 이 실시 형태 1에서는 방식 수지로서 Na⁺형 양이온 교환 수지와 OH^-형 음이온 교환 수지의 혼합물을 사용했지만, 순수화 수지탑(107)에 통과시킨 물의 불순물 양이온의 대부분이 Na⁺이므로, 도전율과 pH의 상관의 정밀도는 뒤떨어지지만, 방식 수지로서 OH^-형 음이온 교환 수지만을 사용하여도 좋다.

실시 형태 2.

도 4는, 정반(11)을 화강암 등의 절연체로 구성하고, 방식 수지 및 가공액질 측정기로서 도전율계를 이용하여 가공액 pH를 9.0으로 제어할 때의 본 실시 형태 2에 의한 와이어 방전가공 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.

실시 형태 1과 마찬가지로, 외부전원을 사용하지 않고 장시간에 걸쳐서 피가공물의 부식을 방지 가능할 뿐만 아니라, 실피가공물(1)과 정반(11)과의 사이에 절연물(12)을 사이에 둘 필요가 없어져, 절차성을 향상시킬 수 있다.

상술한 피가공물의 방식 방법을 구비한 와이어 방전가공 장치에서, 가공액의 도전율을 6.2μS/cm(pH = 9.0에 대응)으로 제어하는 것에 의해, 장시간(100시간 이상)으로도 초경 재료(WC-Co)의 부식을 방지할 수 있었다.

또, 가공액의 도전율을 6.2μS/cm(pH=9.0에 대응)으로 제어하는 것에 의해 장시간(100시간 이상)으로도 철계 재료(SKD-11)의 부식을 방지할 수 있었다.

본 발명은 수계 가공액을 이용하여 전압 인가하면서 가공을 실시하는 와이어 방전가공 장치의 방식 기술에 적용하는 것에 적합하다.

Claims (20)

1. 가공액으로서 수계(水系) 가공액을 이용하여, 전극과 피가공물 사이에 형성되는 가공 틈에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전(放電)가공 장치에 있어서,

   상기 피가공물을 설치하는 정반(定盤)과, 상기 정반과 상기 피가공물과의 사이에 구비되어 상기 피가공물을 전기적으로 절연하는 절연 수단과, 상기 가공액의 상태를 계측하는 가공액질(加工液質) 측정기와,

   이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거해, 상기 가공액의 pH를, 방식효과를 발휘시키는 하한 값인 8.5로부터 방전가공 성능을 저하시키지 않는 상한 값인 10.5 사이가 되도록 제어하는 가공액질 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
2. 가공액으로서 수계(水系) 가공액을 이용하여, 전극과 피가공물 사이에 형성되는 가공 틈에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전(放電)가공 장치에 있어서,

   상기 피가공물을 설치하는 정반(定盤)과, 상기 피가공물을 전기적으로 절연하는 절연 수단과, 상기 가공액의 상태를 계측하는 가공액질(加工液質) 측정기와,

   이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거해, 상기 가공액의 pH를, 방식효과를 발휘시키는 하한 값인 8.5로부터 방전가공 성능을 저하시키지 않는 상한 값인 10.5 사이가 되도록 제어하는 가공액질 제어수단을 구비하며,

   상기 정반을 절연체로 구성하는 것에 의해, 상기 정반과 상기 피가공물을 전기적으로 절연하는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   가공액질 측정기는 수계 가공액의 도전율(導電率)을 계측하는 도전율계(導電率計)인 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   가공액질 제어수단은 순수화 수지부, 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 혼합된 방식 수지부로의 통수(通水)를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   가공액질 제어수단은 순수화 수지부, 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 혼합된 방식 수지부로의 통수를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
6. 청구항 4에 있어서,

   방식 수지부는 Na⁺형 또는 K⁺형 혹은 Ca²⁺형 양이온 교환 수지와 OH^-형 또는 CO₃ ^2-형 음이온 교환 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
7. 청구항 5에 있어서,

   방식 수지부는 Na⁺형 또는 K⁺형 혹은 Ca²⁺형 양이온 교환 수지와 OH^-형 또는 CO₃ ^2-형 음이온 교환 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   가공액질 제어수단은 순수화 수지부, OH^-형 음이온 교환 수지로 이루어지는 방식(防食) 수지부로의 통수를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
9. 청구항 3에 있어서,

   가공액질 제어수단은 순수화 수지부, OH^-형 음이온 교환 수지로 이루어지는 방식 수지부로의 통수를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 가공액으로서 수계 가공액을 이용하여, 전극과 피가공물 사이에 형성되는 가공 틈에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전가공 방법에 있어서,

    상기 가공액의 상태를 가공액질 측정기에 근거하여 계측하는 공정과,

    이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거하여, 상기 가공액의 pH를, 방식효과를 발휘시키는 하한 값인 8.5로부터 방전가공 성능을 저하시키지 않는 상한 값인 10.5 사이가 되도록 제어하는 공정을 구비하고,

    상기 피가공물을 설치하는 정반과 상기 피가공물을, 상기 정반과 상기 피가공물과의 사이에 구비되는 절연 수단에 의해 전기적으로 절연한 상태로 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 방전가공 방법.
18. 청구항 17에 있어서,

    가공액질 측정기에 근거하여, 수계 가공액의 도전율을 계측하고, 순수화 수지부, 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 혼합된 방식 수지부로의 통수를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 방법.
19. 청구항 18에 있어서,

    가공액질 측정기에 근거하여, 수계 가공액의 도전율을 계측하고, 순수화 수지부, OH^-형 음이온 교환 수지로 이루어지는 방식 수지부로의 통수를 제어하는 것에 의해, 가공액의 pH를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전가공 방법.
20. 초경(超硬) 재료, 동재(銅材), 철계 재료, 아연재를, 수계 가공액을 이용하여, 전극과의 사이에 형성되는 가공 틈에 전압을 인가하면서 가공을 실시하는 방전가공 방법에 있어서,

    상기 가공액의 상태를 가공액질 측정기에 근거하여 계측하는 공정과,

    이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거하여, 상기 가공액의 pH를, 방식효과를 발휘시키는 하한 값인 8.5로부터 방전가공 성능을 저하시키지 않는 상한 값인 10.5 사이가 되도록 제어하는 공정을 구비하고,

    상기 피가공물을 설치하는 정반과 상기 피가공물을, 상기 정반과 상기 피가공물과의 사이에 구비되는 절연 수단에 의해 전기적으로 절연한 상태로 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 방전가공 방법.

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