KR20140095641A - 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치 - Google Patents

방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 가공소재(2)와 와이어(3)의 간극에서 발생하는 방전 에너지에 의해 가공소재(2)를 가공하는 방전가공기에 있어서, 상기 가공소재(2)의 1차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제1 방전 전원 발생부(10); 상기 제1 방전 전원 발생부(10)에서 발생된 방전 에너지로 상기 가공소재(2)의 가공시 발생하는 역기전력을 전원으로 회수하여 재사용하기 위한 전력회생부(20); 상기 가공소재(2)의 2차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제2 방전 전원 발생부(30); 상기 제2 방전 전원 발생부(10)에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가하는 공진회로부(40); 및 상기 공진회로부(40)에서 인가된 고주파수를 증폭하는 증폭부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치{A high frequency alternating current discharge power supply device of electric discharge machine}
본 발명은 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공소재의 2차 가공시 제2 방전 전원 발생부에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가하는 공진회로부와 이러한 고주파수를 증폭하는 증폭부에 의해 가공소재의 표면 조도를 향상시키고, 가공소재의 열변형을 최소화할 수 있는 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 방전가공기(EDM, electric discharge machining)라 함은 비접촉 가공기로 유전체 속에서 방전 전극 사이에 형성되는 방전 에너지에 의한 국부적인 발열 현상을 이용하여 가공소재를 가공하는 장치로서, 방전전극으로 총형 전극을 이용한 총형 방전가공기와 방전전극으로 와이어(wire)를 이용한 와이어 방전가공기 등 다양한 타입이 있다.
가공소재와 방전 전극 사이의 전기 방전은 방전 전극 사이에 펄스 전압을 인가하는 방전 전원장치에 의해 이루어진다.
가공소재와 방전 전극 사이의 간격은 수㎛에서 수십㎛의 범위 내에서 유지되어야만 한다.
종래 방전가공기의 방전 전원장치는 트랜지스터-저항(transistor-resistor)방식을 이용하였다. 이러한 트랜지스터-저항 방식의 방전 전원장치는 저항(resistor)에 의해 방전 전류가 제한되기 때문에 직류전압 공급 전력이 저항에 의해 소모되는 만큼 가공소재 가공에 직류전압 공급 전력이 공급되지 못하는 문제점이 있었다.
방전 에너지는 방전전류, 평균 연소전압, 방전시간에 의해 구할 수 있다. 다만, 연소전압은 가공소재의 재료에 따라 정해지기 때문에 방전에너지는 방전전류와 방전시간에 의해 결정되게 된다.
실제 방전흔의 크기는 방전하는 동안 전달되는 전하(coulomb)에 비례하게 된다. 따라서, 방전 간극에 공급되는 방전 에너지는 방전 전류의 크기와 방전 시간에 의해 결정되게 된다.
가공소재로부터 떨어져간 재료의 양, 즉 가공량은 방전 전극의 물리적 특성과 분류뿐만 아니라 방전 에너지, 방전 펄스의 모양과 파라미터, 방전 현상의 주기 등에 의해 결정된다.
완전한 방전 사이클이 매초마다 수천번 반복되고 수천개의 작은 방전흔이 만들어지게 된다. 결국, 방전흔의 크기와 가공소재 제거율(MMR, material removal rate)은 비례하게 된다.
가공소재의 제거율은 직접적으로 방전 펄스 온(on) 시간 동안 공급되는 에너지에 비례하게 되고, 이 에너지는 피크전류와 방전 펄스 온(on) 시간에 의해 제어된다. 펄스 온(on) 시간은 보통 펄스 지속시간과 휴지 시간인 펄스 오프(off) 시간의 조합으로 나타나게 된다.
일반적으로 방전 지속 시간을 길게 할수록 가공소재는 더 많이 녹아내려 방전흔이 더 넓고 깊게 생성되기 때문에 가공소재의 표면 조도가 악화된다.
또한, 방전 온 시간이 증가하게 되면 가공소재의 용융 온도가 증가하기 때문에, 가공면이 열에 의한 영향을 더 많이 받게 되고, 이러한 열변형에 따라 가공소재의 표면 조도가 악화된다.
일반적으로 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치는 2차 회로로 구성되며, 2차 가공회로는 메인 스위치를 구동하는 1차 회로를 그대로 사용하면서, 방전 펄스 온(on) 시간 값을 작게 설정하여 가공 전류를 제한하는 방식을 사용하고 있다.
이러한 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치의 2차 회로에 사용되는 주파수는 약 10KHz에서 100KHz 범위내에서 가공 상황에 따라 주파수를 변경하면서 가공을 수행하게 된다.
종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치는 단위 펄스의 에너지가 높아 가공소재의 표면 조도가 증가하여 표면 거칠기가 악화되고, 가공소재의 가공면이 열변형되어 제품의 내구성이 감소되는 문제점이 있었다.
또한, 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치는 가공 속도를 증가시키면 열변형이 발생하여 불량품이 증가하고, 이를 위해 가공 속도를 저속으로 조절할 경우 생산성이 현저히 감소하는 문제점이 있었다.
도 1은 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치에서의 방전 전류 파형을 나타낸다.
이러한 파형으로부터 방전 한 펄스 동안 간극에서 소모된 방전 에너지를 계산할 수 있다.
도 1의 종래 방전가공기의 2차 가공에서 피크전류 Ip는 160암페어(A), Iavg는 80암페어(A), 전류 지속 시간 te는 0.8㎲, 간극 연소 전압 Ude는 20볼트(V)이다.
따라서, 도 1의 종래 방전가공기의 2차 방전 전원장치의 방전 에너지는 1.3mj(milijoule)이 된다.
가공소재 제거율(MMR)은 방전 주파수와 방전 에너지에 비례한다.
종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치는 주파수가 상대적으로 낮기 때문에 높은 방전 전류를 공급하여 가공 속도를 조절하여 하고 있다.
이론적으로는 방전 주파수를 증가시켜서 가공소재 제거율(MMR)을 증가시킬 수 있다.
그러나 실제 방전가공에서는 방전 온 시에 방전하지 못하고 펄스가 오프되는 경우가 많아 가공 효율이 낮게 된다.
따라서, 표면 조도를 좋게 하면서 동일한 가공소재 제거율을 얻기 위해서는 방전 주파수를 증가시킬 필요가 있다.
대한민국 특허 공개 번호 제10-2010-0069038호 대한민국 특허 공개 번호 제10-2011-0064839호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 가공소재의 2차 가공시 제2 방전 전원 발생부에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가하는 공진회로부와 이러한 고주파수를 증폭하는 증폭부에 의해 높은 방전 전류의 공급 없이도 가공소재의 표면 조도를 향상시키고, 동시에 높은 방전 전류와 동일한 가공소재 제거율을 달성하며, 가공소재의 열변형을 최소화할 수 있는 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 가공소재와 와이어의 간극에서 발생하는 방전 에너지에 의해 가공소재를 가공하는 방전가공기에 있어서, 상기 가공소재의 1차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제1 방전 전원 발생부; 상기 제1 방전 전원 발생부에서 발생된 방전 에너지로 상기 가공소재의 가공시 발생하는 역기전력을 전원으로 회수하여 재사용하기 위한 전력회생부; 상기 가공소재의 2차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제2 방전 전원 발생부; 상기 제2 방전 전원 발생부에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가하는 공진회로부; 및 상기 공진회로부에서 인가된 고주파수를 증폭하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공진회로부는 서로 병렬로 연결된 제1 캐패시터와 제2 캐패시터; 및 상기 제2 캐패시터와 직렬로 연결되고 상기 제1 캐패시터와는 병렬로 연결되는 인덕터;를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치의 바람직한 다른 실시예에서, 제2 방전 전원 발생부는 30V에서 500V 사이의 전압을 인가할 수 있다.
본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 완전 교류 방전 전원으로서 전해부식에 강한 효과를 나타낸다. 이에 따라 고주파 양극성 펄스가 와이어와 가공소재 전극에 인가되고 전해 부식 없이 고속으로 가공소재의 가공이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 방전 전류 방향을 매 펄스마다 바꿔 개방 상태로 복귀되기 때문에 아크 방전이 발생하지 않아 가공소재의 표면 조도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 방전 전류를 공진회로 임피던스에 의해 제한할 수 있어 가공소재의 표면 조도에 유리한 소전류 제어가 가능하여 동일한 방전 전류에서 종래 2차 가공시보다 표면 조도를 30%이상 개선할 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 작은 방전 전류로 가공소재를 가공하여 가공소재의 가공면이 열화에 따른 열변형을 최소화하여 최종 가공품의 내구성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치에서의 방전 전류 파형을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치에서의 방전 전류 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치의 회로 개념도를 나타낸다.
도 4는 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도의 결과표를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도의 결과표를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치에서의 방전 전류 파형을 나타낸다.
도 2에서 고주파수는 455KHz, 피크전류 Ip는 20암페어(A), Iavg는 12.7암페어(A), 전류 지속 시간 te는 1.1㎲, 간극 연소 전압 Ude는 20볼트(V)일 때, 방전 에너지는 280uj(microjoule)이 된다.
도 2에서 알 수 있는 것처럼, 고주파수를 사용할 경우 낮은 방전 전류를 사용하고도 높은 방전 전류를 사용한 것과 동일한 가공소재 제거율을 달성할 수 있고, 동시에 가공소재의 표면 조도를 개선할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치(1)의 회로 개념도를 나타낸다.
도 3을 참고하여 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치(1)를 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치(1)는 제1 방전 전원 발생부(10), 전력회생부(20), 제2 방전 전원 발생부(30), 공진회로부(40), 및 증폭부(50)로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 와이어(3)는 권치릴(도면에 미도시)에 권선되고 가공소재(2)와 직교하도록 위치된다.
도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 가공소재(1)는 테이블에 놓일 수 있고, 이러한 테이블은 X축 구동모터와 Y축 구동모터에 의해 X, Y축으로 이동할 수 있다.
즉, NC(numerical control)에 의해 X축 구동모터와 Y축 구동모터가 구동되어 테이블이 X, Y축으로 이동하고, 이에 따라 원하는 가공소재의 형상되로 가공소재를 방전에 의해 가공하게 된다.
제1 방전 전원 발생부(10)는 가공소재(2)의 1차 가공을 위한 방전 전원을 발생시킨다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 발전기 또는 통상적인 공장에 공급되는 전력이 사용될 수 있다.
전력회생부(20)는 제1 방전 전원 발생부(10)에서 발생된 방전 에너지로 가공소재(2)의 가공시 발생하는 역기전력을 전원으로 회수하여 재사용한다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 이러한 전력회생부(20)는 에너지를 축적하는 인덕터, 메인 스위치, 회생 스위치, 캐패시터 등을 포함할 수 있다.
제2 방전 전원 발생부(30)는 가공소재(2)의 2차 가공을 위한 방전 전원을 발생시킨다.
본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 제2 방전 전원 발생부(30)는 30V에서 500V 사이의 전압을 인가할 수 있고, 더욱 바람직하게는 10V 단위로 인가 전압을 38가지로 설정할 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 조작반에 설치된 NC(numerical control)와 이에 저장된 PLC(programmable logic controller)에 의해 이러한 제2 방전 전원 발생부(30)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
이에 따라 가공소재의 종류와 두께에 따라 가공 조건을 변화시켜 생산성을 향상시키고, 가공소재의 표면 조도를 개선할 수 있다.
공진회로부(40)는 제2 방전 전원 발생부(10)에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가한다.
도 3에 도시된 것처럼 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 공진회로부(40)는 서로 병렬로 연결된 제1 캐패시터(41, first capacitor)와 제2 캐패시터(42, second capacitor)과 제2 캐패시터(42)와 직렬로 연결되고 제1 캐패시터(41)와는 병렬로 연결되는 인덕터(43, inductor)로 형성된다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 공진회로부(40)에서 발생된 고주파수는 455MHz로 이루어질 수 있다. 그러나, 필요에 따라 그 이상의 다양한 고주파수가 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 만약 고주파수를 1MHz로 하고, 피크전류 Ip는 15암페어(A), Iavg는 9.6암페어(A), 전류 지속 시간 te는 0.5㎲, 간극 연소 전압 Ude는 20볼트(V)일 때 방전 에너지는 96uj(microjoule)이 된다.
다만, 고주파수가 1MHz인 경우에 고주파수가 455MHz와 같은 방전 에너지에 도달하기 위해서는 피크전류는 약 45암페어가 되어야 한다. 이처럼, 주파수가 달라지는 경우 피크전류도 변화시켜 다양한 고주파수가 적용될 수 있다.
증폭부(50)는 공진회로부(40)에서 인가된 고주파수를 증폭한다.
이에 따라, 본 발명에 의한 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치(1)는 방전 전류를 낮게 유지하면서도 고주파수를 통해 높은 방전 전류로 가공하는 것과 동일한 가공소재 제거율을 달성할 수 있고, 가공소재의 표면 조도를 향상시킬 수 있다. 또한, 작은 전류로 가공소재를 가공하여 가공소재의 가공면의 열화 정도를 최소화하여 가공물의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도의 결과표를 나타내고, 도 5는 본 발명의 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도의 결과표를 나타낸다.
도 4 내지 도 5에 나타난 것처럼, 동일한 가공 속도에서 동일한 가공소재를 가공한 결과 종래 방전가공기의 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도(Ra)는 3.08㎛이고, 본 발명에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치를 사용한 방전가공기에서 가공소재의 표면 조도(Ra)는 2.06㎛로 약 30% 정도의 가공소재의 표면 조도가 개선된 효과가 있음을 알 수 있다.
도 4 내지 도 5에서도 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치는 가공소재의 표면 조도를 개선하고, 작은 전류로 높은 전류와 동일한 가공소재 제거율을 달성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
1 : 고주파 교류 방전 전원장치, 2 : 가공소재,
3 : 와이어, 10 : 제1 방전 전원 발생부,
20 : 전력회생부, 30 : 제2 방전 전원 발생부,
40 : 공진회로부, 41 : 제1 캐패시터,
42 : 제2 캐패시터, 43 : 인덕터,
50 : 증폭부.

Claims (3)

  1. 가공소재와 와이어의 간극에서 발생하는 방전 에너지에 의해 가공소재를 가공하는 방전가공기에 있어서,
    상기 가공소재의 1차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제1 방전 전원 발생부;
    상기 제1 방전 전원 발생부에서 발생된 방전 에너지로 상기 가공소재의 가공시 발생하는 역기전력을 전원으로 회수하여 재사용하기 위한 전력회생부;
    상기 가공소재의 2차 가공을 위한 방전 전원을 발생시키는 제2 방전 전원 발생부;
    상기 제2 방전 전원 발생부에서 발생된 주파수를 필터링하여 고주파수를 인가하는 공진회로부; 및
    상기 공진회로부에서 인가된 고주파수를 증폭하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진회로부는 서로 병렬로 연결된 제1 캐패시터와 제2 캐패시터; 및
    상기 제2 캐패시터와 직렬로 연결되고 상기 제1 캐패시터와는 병렬로 연결되는 인덕터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 방전 전원 발생부는 30V에서 500V 사이의 전압을 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치.
KR1020130007995A 2013-01-24 2013-01-24 방전가공기의 고주파 교류 방전 전원장치 KR20140095641A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108380988A (zh) * 2018-01-30 2018-08-10 南京理工大学 一种电火花线切割脉冲电源及其控制方法

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