KR19980069017A - 방전 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열분해 탄소를 방전가공할 때 가공이 현저하게 불안정하게 되는 경우가 있음에 따라서, 공구전극 또는 가공물의 적어도 어느 한쪽에 이방성(anisotropic) 도전재료를 이용한 방전 가공장치에 있어서, 이방성 도전재료(2)의 양호 도전면(20b)에 등방성(isotropic) 전도체(22)를 접속하는 부분을 마련하였으며, 또한, 이방성 도전재료(2)의 양호 도전면(20b)에서 방전을 발생시킨다. 또한, 이방성 도전재료(2)와 등방성 도전체(22)와의 결합에 도전성 접착제(23)을 이용하여서, 이방성 도전재료는 열분해 탄소재료로서 열분해 탄소재료를 공구 전극의 재료로서 이용한다. 가공액으로서 순수 등 불연성 가공액을 이용하였으며, 방전중의 전압을 측정하는 수단과, 정상방전과 이상방전과의 판별에 이용되는 임계치를 설정하는 수단과, 측정된 방전전압이 상기 임계치보다 큰 경우에 가공전류의 공급을 정지 시키는 수단을 구비하였다.

Description

방전 가공장치

본 발명은 방전 가공장치에 관한 것이다.

(종래의 기술)

종래, 공구 전극재료로서는 동(brass)이나 등방성 그래파이트(graphite)가 사용되어 왔지만, 근래에는 열분해 탄소재료를 공구 전극에 사용하여 전극 소모를 저감시키는 시험이 보고되고 있다(예를들면 문헌(우노, 오카다 : 열분해 탄소전극의 방전 가공성, 전기 가공학회 일본 전국대회(1995)강연논문집, p163-166)참조)

그러나, 열분해 탄소를 방전가공하면, 가공이 현저하게 불안정하게 되는 경우가 있는 문제가 있다. 종래에 해당 재료를 이용한 방전가공의 경우에 재료의 방향성을 음미한 예는 볼수 없었지만, 필자들은 예의 연구를 진행하여 열분해 탄소재료등 이방성 도전재료를 이용하여 방전가공하는 경우에는 열전도성 및 전기전도성에서 이방성에 배려할 필요가 있다는 것을 확인하므로서, 본 발명을 완성하는데 이르렀다.

또한, 상기 열분해 탄소재료를 공구전극으로서 이용하는 경우, 종래 이용되어오던 전극재료와 비교하여 현저하게 고가인 것도 커다란 문제점 이었다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명의 청구항 제 1항에 따른 방전 가공장치는, 공구전극 또는 가공물의 적어도 어느 한쪽에 이방성 도전재료를 이용한 방전 가공장치에 있어서, 상기 이방성 도전재료의 양호 도전면에 등방성 도전체를 접속하는 부분을 마련한 것이다.

본 발명의 청구항 제 2항에 따른 방전 가공장치는, 청구항 제 1항 기재의 장치에 있어서, 이방성 도전재료의 양호 도전면에서 방전을 발생시키는 것이다.

본 발명의 청구항 제 3항에 따른 방전 가공장치는, 청구항 제 1항 기재의 장치에 있어서, 이방성 도전재료와 등방성 도전체와의 결합에 도전성 접착제를 이용한 것이다.

도 1은 실시예 1에 따른 흑연의 결정구조를 나타내는 설명도.

도 2는 실시예 1에 따른 열분해 탄소재료의 구조를 나타내는 설명도.

도 3은 실시예 1에 따른 열분해 탄소재료의 이방성을 나타내는 설명도.

도 4는 실시예 1에 따른 방전 가공용 전극의 구성을 나타내는 설명도.

도 5는 실시예 1에 의한 방전 가공장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 6는 실시예 2에 따른 방전 가공용 전극의 구성을 나타내는 설명도.

도 7은 실시예 2에 따른 열분해 탄소재료의 방향을 나타내는 설명도.

도 8은 실시예 2에 의한 가공 상태를 나타내는 설명도.

도 9는 실시예 3에 의한 방전 가공용 전극의 구성을 나타내는 설명도.

도 10은 실시예 3에 따른 열분해 탄소재료의 방향을 나타내는 설명도.

도 11은 실시예 3에 의한 가공의 상태를 나타내는 설명도.

도 12는 실시예 3에 따른 방전 가공용 전극의 구성 이외의 예를 나타내는 설명도.

도 13은 실시예 3에 의한 도 12의 방전가공용 전극을 이용한 가공 상태를 나타내는 설명도.

도 14는 실시예 3에 따른 방전 가공용 전극의 구성의 또다른 예를 나타내는 설명도.

도 15는 실시예 4에 따른 원통 적층형 열분해 탄소재료의 구조를 나타내는 설명도.

도 16은 실시예 4에 있어서 방전 가공용 전극의 구성을 나타내는 설명도.

도 17은 실시예 4에 있어서 열분해 탄소재료의 방향을 나타내는 설명도.

도 18은 실시예 4에 의한 가공상태를 나타내는 설명도.

도 19는 실시예 5에 의한 방전 가공장치의 구성을 나타내는 설명도.

도 20은 실시예 5에 있어서 제 2 제어장치 구성의 한 예를 나타내는 설명도.

도 21은 실시예 5에 있어서 제 2 제어장치 구성의 그 밖의 예를 나타내는 설명도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 주축2 : 열분해 탄소재료

3 : 공작물4 : 가공조

5 : 가공액6 : 제어장치

7 : 가공전원8 : 제 2 제어장치

20 : 적층면20a : 불량 도전면

20b : 양호 도전면21 : 원통 적층형 열분해 탄소재료

22 : 등방성 도전체23 : 도전성 접착제

81 : 방전전압 측정수단82 : 기준전압 설정수단

83 : 비교수단84 : 방전전류 측정수단

85 : 기준전류 설정수단200 : 탄소 원자층

실시예 1

도 1은 흑연의 결정구조를 설명하는 설명도이며, 도 2는 열분해 탄소재료의 구조를 설명하는 설명도, 도 3은 열분해 탄소재료의 이방성을 설명하는 설명도, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 방전가공용 전극의 구성을 나타내는 설명도, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 방전가공장치의 구성을 나타내는 설명도, 표 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 방전가공 결과를 종래의 것에 의한 방전가공 결과와 비교한 표 이다.

먼저, 열분해 탄소재료에 관하여 설명한다.

주지되어 있듯이 흑연의 결정은 도 1에 나타내듯이 탄소원자가 정육각형의 각 정점(꼭데기 점)의 위치를 차지하는 탄소원자층(200)이 몇겹으로 겹쳐져 구성되어 있다. 기판위에 기상성장에 의해 열분해 탄소를 적층시킨 경우도 이것과 동일하며, 기판과 평행으로 형성된 탄소원자의 층이 여러겹으로 겹쳐진 구조로 되어 있다(도 2). 이하에서는 설명을 위해 이 적층된 탄소원자층(200)의 면을 적층면(20), 적층면(20)에 평행한 단면을 불량 도전면(20a)으로 칭하며, 적층면(20)을 절단하는 단면을 양호 도전면(20b)이라고 칭하고, 도시하는 경우에는 도 3에 나타내듯이 적층면(20)을 복수개 도시하므로서 불량 도전면(20a)과 양호 도전면(20b)을 구별하도록 한다.

열분해 탄소재료는 상술하듯이 적층면(20)방향과 다른 방향에서는 구조가 다르기 때문에 열전도도 및 전기 전도도에서 현저하게 이방성을 나타낸다. 즉, 도 3에서 적층면(20)과 평행한 방향(화살표 Y, Z)의 전기 및 열전도도는 적층면(20)을 관통하는 방향(화살표 X)의 전기 및 열전도도의 100배 이상이며, 금속과 동등한 값이다. 따라서, 양호 도전면(20b)사이에는 열 및 전기가 금속과 동일하게 전도되며, 불량 도전면(20a)과 양호 도전면(20b)의 사이에서는 거의 전도되지 않는다.

또한, 방전 가공에 종래 이용되어오던 등방성 그래파이트전극에서는 전기 및 열전도성은 금속의 몇분의 일 밖이지만, 상기와 같은 이방성은 나타나지 않는다.

또한, 열분해 탄소재료는 그 제조방법이 기상성장에 의하기 때문에 제조속도가 늦으며, 따라서, 고가인 점도 특징으로 말할 수 있다. 이어서, 본 실시예의 구성 및 동작에 관하여 설명한다.

우선, 도 4에 나타내듯이 열분해 탄소재료(2)의 양호 도전면(20b)에 도전성 접착제(23)를 도포하여 등방성 도전체인 동판(22)과 접착한 방전 가공용 전극을 제작한다. 이어서, 도 5에 나타내듯이 상기 전극을 방전 가공장치의 주축(1)에 장착하며, 가공액(5)을 채운 가곡조(4)내에 설치한 가공물 즉, 공작물(work ; 3)과의 간격을 제어장치(6)에 의해 제어하며, 가공전원(7)을 이용하여 방전을 발생시켜 방전가공을 실행한다.

상기와 같이 가공을 실행하면, 가공 전류는 동판(22)을 경유하여 열분해 탄소재료(2)의 적층면(20)에 따라서 흐르기때문에 전기저항이 낮으며, 안정된 가공이 실현된다. 또한, 고가인 열분해 탄소전극(2)의 사용량을 필요 최소한으로할 수 있기때문에 공구전극을 저렴하게 구성할 수 있다. 또한 양호 도전면(20b)에서 방전을 발생시킨 경우에는 방전면에서 발생하는 열이 적층면(20)에 따라서 전극내부에 빠르게 확산되기 때문에 방전면이 냉각되며, 탄소의 고온에서의 안정성과 어울려 전극이 거의 소모되지 않는다.

표 1은 본 실시예에 의한 전극을 이용한 경우의 가공결과와 종래 이용되어 왔던 등방성 그래파이트전극을 이용한 경우의 가공결과를 비교한 것이다. 가공조건은 역극성, 피크전류 5.5A, 펄스폭은 4 마이크로 초이다. 표에서 알수 있듯이 등방성 그래파이트전극과 비교하여 전극소모가 1/100의 정도로 저감하였다. 또한, 본 실시예에 있어서는 등방성 그래파이트전극의 경우와 동일하게 안정된 가공이 실현되는 것을 확인 하였다.

[표 1]

종래의 전극 저 소모 가공의 실현에는 전극표면에 보호 탄소피막을 형성할 필요가 있으며, 그것을 위해서는 100 마이크로 초 이상의 긴 펄스폭으로의 가공이 필요하였지만, 상기 실험에서 알수 있듯이 상기 전극의 경우에는 짧은 펄스폭에서도 전극 저 소모 가공이 실현되는 것으로 보호 탄소피막에 의하지 않고 저 소모 가공이 실현되는 것이 명백하게 나타나기 때문에, 이와 같은 것은 시판하는 불연성 방전 가공액 및 순수를 가공액으로 한 실험에 의해 동일의 결과가 얻어진 것도 확인 되었다. 현 시점에서는 상기 가공에서 저 전극 소모를 실현하는 기구는 꼭 명백한 것은 아니지만, 동일면 거침도를 실현하기 위해 종래보다도 짧은 펄스를 채용할 수 있는 점에서 가공속도가 향상되는 것은 명백한 것으로 또한, 물 계통의 가공액에서도 저 소모가 실현되는 점으로 방재상의 장점도 생긴다.

또한, 상기 실시예에서는 열분해 탄소재료(2)와 동판(22)을 도전성 접착제(23)를 이용하여 결합하였지만, 납땜, 볼트체결등 그밖의 방법에 의해 전기적 접속을 확보하여도 좋은 것은 물론이다. 또한, 양호 도전면(20b)의 일부 또는 전부에 니켈등의 도금(metal plating)을 시행한 후에 결합하면 전기적 접속이 한층 확실하게 되며 보다 바람직 하게 된다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 등방성 도전체(22)의 재질로서 일반적인 공구 전극재료인 동을 채용하였지만, 꼭 이것에 한정되는 것이아닌, 알루미늄, 강(steel), 황동, 동 텅그스텐등 그밖의 금속이나, 초경합금, 질화 붕소등이라도 좋으며, 종래 방전가공에서 이용되어 왔던 등방성 그래파이트전극등 통상 이용되는 등방성의 도전성 재료라면 무엇이라도 본 발명은 효과를 발휘할 수 있는 것은 물론이다.

또한, 상기 실시예에서는 열분해 탄소재료(2)를 공구 전극재료로서 이용하였지만, 공구 전극재료로서만이 아닌 가공물(3)로 하는 경우에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 이방성 도전재료를 이용하여 안정하게 방전가공하는 경우에 넓리 이용될 수 있는 것이기 때문에 이방성 도전재료로서 열분해 탄소재료(2)에만 한정되는 것이아닌 단결정 흑연등 여러가지의 이방성 도전재료에 대해서도 적용할 수 있다.

실시예 2

도 6에 나타내듯이 동 파이프(22)의 선단에 원통형상의 열분해 탄소재료(2)를 접속한 공구전극을 제작하였다. 이때, 열분해 탄소재료(2)는 도 7에 나타내는 방향으로 설정한다. 이어서, 도 8에 나타내듯이 제작된 공구전극을 회전시키면서 이동시켜 선단의 열분해 탄소재료(2)의 부분에서 방전가공을 실행한다.

이와같이 전극을 구성하여도 열분해 탄소재료(2)의 양호 도전면(20b)이 동 파이프(22)와 접속되어 있으며, 방전이 양호 도전면(20b)에서 발생하기 때문에 실시예 1과 동일한 효과를 이룬다. 여기에서 원통 전극내부에서 가공액을 유통시키도록 구성하면 더욱 가공성능이 향상된다.

또한, 상기 실시예에서는 원통형상의 전극을 사용하였지만, 동(22)및 열분해 탄소재료(2)중 어느 한쪽 또는 양쪽을 내부로 관통구멍을 갖지않는 원주형상으로 하는등, 그밖의 형상으로 하여도 관계없는 것은 물론이다.

또한, 등방성 도전체(22)의 재질이 동에 한정되지 않는 것은 실시예 1과 동일하다.

실시예 3

도 9는 본 발명의 실시예 3에서 방전 가공용 전극의 구성을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예 3에서 열분해 탄소재료의 방향을 나타내는 도면이며, 도 11은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 가공 상태를 나타내는 도면이다.

이어서 구성 및 동작에 관하여 설명한다.

도 9에 나타내듯이 동 파이프(22)의 외주에 원통형상의 열분해 탄소재료(2)를 접속한 공구전극을 제작한다. 이때 열분해 탄소소재(2)는 도 10에 나타내는 방향으로 설정한다. 이어서, 도 11에 나타내듯이 제작된 공구전극을 회전시키면서 이동시켜 외주의 열분해 탄소재료(2)의 부분에서 방전가공을 실행한다.

이와같이 전극을 구성하여도 열분해 탄소재료(2)의 양호 도전면(20b)이 동 파이프(22)와 접속되어 있으며, 방전이 양호 도전면(20b)에서 발생하기 때문에 가공액을 유통시키도록 구성하면 더욱 가공성능히 향상된다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 동 파이프(22)는 열분해 탄소소재(2)내를 관통하였지만, 도 12와같이 동 파이프(22)의 저면이 열분해 탄소재료(2)의 저면과 동일 평면상으로 되도록 삽입하면, 도 11과 같은 측면 가공만이 아닌 도 13과 같은 저면가공도 실행하는데 유용할 수 있다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 열분해 탄소재료(2)를 원통형으로 하였지만, 꼭 이것에 한정되는 것이아닌, 예를들면 도 14에 나타내듯이 선단형상을 구(둥근)형상으로 하는등 여러가지 형상의 열분해 탄소재료(2)를 이용하여 측면가공 및 저면가공을 실행하여도 좋다.

또한, 상기 실시예는 원통형상의 동 파이프(22)를 사용하였지만, 동 파이프(22)가 아닌 내부에 관통구멍을 갖지않는 원주형상의 동봉(brass stick)을 이용하여도 무관하다.

또한, 도전체(22)의 재질이 동에 한정되지 않는것은 실시예 1과 동일 하다.

실시예 4

도 15는 원통적층형 열분해 탄소재료의 구조를 설명하는 도이며, 도 16은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 방전가공용 전극의 구성을 나타내는 도면이고, 도 17은 본 발명의 실시예 4의 열분해 탄소재료의 방향을 나타내는 도, 도 18은 본 발명의 실시예 4의 가공 상태를 나타내는 도면이다.

먼저, 원통적층형 열분해 탄소재료에 관하여 설명한다.

상기, 실시예 1 내지 3에서 서술한 열분해 탄소재료(2)는 적충면이 평면이지만, 카본 화이버(carbon fiber)를 심재로하며, 그 주위에 열분해 탄소를 적층하면, 도 15에 나타내듯이 동심 원통형상으로 적층면이 형성된 재료(이하에서는 원통 적층형 열분해 탄소재료(21)라고 칭한다)를 얻을 수 있다. 이 재료에서는 적층면의 형상으로 알수 있듯이 원주의 축방향의 열전도율 및 전기 전도율이 반경방향 보다도 현저하게 크다.

이어서, 본 실시예의 구성 및 동작에 관하여 설명한다.

도 16에 나타내듯이 동 파이프(22)의 선단에 원통형상의 원통 적층형 분해 탄소재료(21)를 접속한 공구전극을 제작하였다. 이때 원통 적층형 열분해 탄소재료(21)는 도 17에 나타내는 방향으로 설정된다. 이어서, 도 18에 나타내듯이 선단의 원통 적층형 열분해 탄소재료(21)의 부분에서 방전가공을 실행한다.

이와같이 전극을 구성하여도 원통적층형 열분해 탄소재료(21)의 양호 도전면(20b)이 동 파이프(22)와 접속되어 있으며, 양호 도전면(20b)에서 방전이 발생하기 때문에 실시예 1과 동일한 효과를 이룰수 있다. 이 공구 전극은 가공물(3)을 공구의 축방향으로 가공하는 경우에 적합하다. 여기에서 전극을 회전시키거나, 내부에서 가공액을 유통시키면 더욱 가공성능이 향상된다.

또한, 상기 실시예에서는 원통형상의 전극을 사용하였지만, 동 파이프(22)및 원통 적층형 열분해 탄소재료(21)의 어느 한쪽 또는 양쪽을 내부로 관통구멍을 갖지않는 원주형상이나 회전대칭이아닌 형상등의 다른 형상으로하여도 관계없는 것은 물론이다.

또한 등방성 도전체(22)의 재질이 동에 한정되지 않는 것은 실시예 1과 동일하다.

실시예 5

도 19는 본 발명의 실시예 5에 의한 방전 가공장치의 구성을 나타내는 도면이며, 도 20은 본 발명의 실시예 5의 제 2 제어장치 구성의 한예를 나타내는 도면이고, 도 21은 본 발명의 실시예 5의 제 2제어장치 구성의 다른 예를 나타내는 도면이다.

먼저, 본 실시예의 배경을 서술한다.

앞에서 서술한 것 같이 열분해 탄소재료에는 현저한 이방성이 존재한다. 예를들면, 도 13가 같은 저면가공을 실행하는 경우에는 전극의 회전축과 평행한 방향의 전기저항이 전극의 반경방향의 전기저항에 비교하여 현저하게 크다. 따라서, 전극의 회전축과 평행한 방향으로 방전이 발생하는 것은 희박하다. 그러나 한번쯤 그와같은 방전이 발생한 경우에는 그 높은 전기저항 때문에 전극내부에 고열이 발생하며, 전극을 파손한다는 문제가 있다.

이와같은 방전의 경우, 전극내부에서 전압 강하가 발생하기 때문에 통상의 방전과 비교하여 방전 전압이 높게 측정되는 점이 특징이다. 또한, 전류제한 저항을 이용하여 가공전류의 설정을 행하고 있는 가공전원에서는 이와같은 방전의 경우에는 통상의 방전과 비교하여 방전전류가 낮게 측정되는 점도 특징이다. 또한, 내부의 임피던스를 변화시켜 가공전류를 피드백(feed back)제어에 의해 일정하게 유지하는 가공전원에서는, 이와같은 방전의 경우 통상의 방전과 비교하여 내부의 임피던스가 낮게 설정되는 점도 특징이다. 본 실시예는 이것들의 특징을 이용하여 이와같은 원하지 않는 방전의 발생을 검지하여 즉시 방전을 종료시켜 전극의 손상을 방지하는 것이다.

이어서, 본 실시예의 구성 및 동작에 관하여 설명한다.

본 실시예에서는 지금까지 서술한 실시예의 구성(도 5)에 추가하여 가공전원(7)을 제어하는 제 2제어장치(8)가 마련되어 있다(도 19). 상기 제 2제어장치(8) 구성의 한 예를 도 20에 나타내며, 동작을 이하에 설명한다.

제 2 제어장치(8)는 방전 전압 측정수단(81), 기준전압 설정수단(82)및 비교수단(83)으로 이루어진다. 기준전압 설정수단(82)에는 정상인 방전이 발생한 경우에 측정되는 방전전압보다도 약간 높은 임계치(예를들면 공작물(3)이 강(steel)의 경우 30V정도)가 미리 설정되어 있다. 방전전압 측정수단(81)은 방전의 발생을 검출후에 방전중의 공구전극(2)과 공작물(3)의 사이의 전압을 측정한다. 비교수단(83)은 측정된 방전전압과 설정되어 있는 임계치를 비교하며, 상기 방전전압이 상기 임계치보다도 큰경우에는 가공전원(7)에 대하여 가공전류의 공급을 중지하는 지령을 출력한다.

이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 통상의 방전보다도 방전전압이 높은 이상방전이 발생한 경우에는 즉시 가공 전류의 공급이 정지되기 때문에 원하지 않는 방전의 발생이 억제되며, 전극의 손상이 방지된다.

또한, 상기 실시예에서는 방전전압을 측정하였지만, 방전전류나 가공전원 내부 임피던스를 측정하여도 좋은 것은 상기 배경의 설명에서 서술한 것으로 명확하다.

도 21은 방전전류를 측정한 경우의 제 2제어장치(8)의 구성예이며, 방전전류 측정수단(84), 기준전류 설정수단(85)및 비교수단(83)으로 이루어져 있다. 동작은 상기 도 20의 경우와 동일하기때문에 설명을 생략한다.

상기와 같이 본 발명의 청구항 제 1항에 따른 방전 가공장치는 공구전극 또는 가공물의 적어도 어느 한 쪽에 이방성 도전재료를 이용한 방전 가공장치에 있어서, 상기 이방성 도전재료의 양호 도전면에 등방성 도전체를 접속하는 부분을 마련하였기 때문에 이방성 도전재료내에서 등방성 도전체로 가공전류가 용이하게 유통되기 때문에 전기저항이 낮게되어 가공의 안정이 도모된다.

본 발명의 청구항 제 2항에 따른 방전 가공장치에 있어서, 이방성 도전재료의 양호 도전면에서 방전을 발생시키기 때문에 방전에 의해 발생하는 열이 전극내부로 빠르게 확산되며, 방전면이 냉각되어 전극 소모가 저감된다.

본 발명의 청구항 제 3항에 따른 방전 가공장치는 청구항 제 1항에 따른 방전 가공장치에 있어서, 이방성 도전재료와 등방성 도전체와의 결합에 도전성 접착제를 이용하였기 때문에 상호 전기적으로 접속을 용이하게 또한 확실하게 실행하여 고정할 수 있다.

Claims (3)

1. 공구전극 또는 가공물의 적어도 어느 한쪽에 이방성(anisotropic) 도전재료를 이용한 방전 가공장치에 있어서,

   상기 이방성 도전재료의 양호 도전면에 등방성(isotropic) 도전체를 접속하는 부분을 마련한 것을 특징으로 하는 방전 가공장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 이방성 도전재료의 양호 도전면에서 방전을 발생시키는 것을 특징으로 하는 방전 가공장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 이방성 도전재료와 등방성 도전체와의 결합에 도전성 접착제를 이용한 것을 특징으로 하는 방전 가공장치.