KR20160042386A - 고성능 금속 합금의 전기부식 기계가공을 위한 방법 - Google Patents

고성능 금속 합금의 전기부식 기계가공을 위한 방법 Download PDF

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앤드류 리 트리머
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Abstract

기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법이 설명된다. 방법은 파워 서플라이로 전극 및 워크피스를 전기적으로 파워링하면서 티타늄-기반 워크피스에 대해 사전-선택된 거리 및 포지션에서, 스핀들 어셈블리 내에 포함되는 도전성 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 프로세스에서, 유체 전해질이 기계가공 장치에서의 적어도 2개의 경로―스핀들 어셈블리 내의 내부 도관 및 외부 도관―를 통해 순환된다. 충전 전극은 고속 전기부식(HSEE) 프로세스를 사용하여, 비교적 높은 속도로 워크피스로부터 재료를 제거하기 위해 플런징 운동으로 워크피스에 대해 이동된다.

Description

고성능 금속 합금의 전기부식 기계가공을 위한 방법{METHODS FOR THE ELECTROEROSION MACHINING OF HIGH-PERFORMANCE METAL ALLOYS}
본 개시물은 일반적으로 금속 성분의 기계가공법(machining)에 관한 것이다. 일부 특정 실시예에서, 본 개시물은 고급 구조의 금속(advanced structural metals) 및 합금으로 형성되는 성분의 전기기계가공법(electromachining)에 관한 것이다.
고급 금속 재료(advanced metallic materials)는 항공기(aircraft), 자동차(automobile), 및 툴(tool)- 및 다이-제조(die-making) 산업과 같은 현대 제조 산업분야에서 점진적으로 중요한 역할을 하고 있다. 그 재료는 대개 종래의 재료와 비교하여 크게-개선된 열적, 화학적 및 기계적 특성을 나타낸다. 강화되는 고유 특성(specific properties)은 강도, 내열성(heat resistance), 내마모성(wear resistance) 및 내부식성(corrosion resistance)을 포함한다. 이 고유 특성의 약간의 개선만으로도 개선된 제품 성능 및 제품 설계를 통해 제조 산업분야에 상당한 경제적 이점이 발생할 수 있다.
고급 재료는 많은 바람직한 속성(attributes)을 나타내지만, 이 재료는 때때로 프로세싱(process)하기가 매우 어렵다. 일 예로서, 전통적인 기계가공 및 주조(casting) 프로세스는 티타늄 합금(titanium alloys)과 같은 특수 재료(specialized materials)에 대해 종종 부적합하고, 플레이트(plates), 바(bars) 등을 형성할 때 다량의 비축물(stock)의 제거를 필요로 한다. 더욱이, 그 동작은 종종 다수의 마무리(finishing) 동작과 같은 추가적인 프로세스에 의해 보충되어야 한다. 또한, 티타늄 및 그 합금의 화학 및 물리 특성은 드릴링(drilling) 동작을 어렵게 하여, 종종 바람직하지 않게 큰 열영향 부위(heated affected zone: HAZ)를 발생시킨다. 이러한 이유로, 강철과 같은 재료에 비해 고급 재료의 전체 프로세싱 비용이 훨씬 더 많이 들 수 있다.
티타늄 및 니켈 초합금(superalloy)과 같은 고급 재료를 프로세싱하기 위해 많은 기술이 개발되어왔다. 전기 방전 기계가공법(Electrical discharge machining: EDM)은 주로 초경합금(hard metals)을 위해, 또는 전통적인 기술로 기계가공할 수 없는 재료를 위해 사용되는 기계가공 방법이다. 그 기술은 활동적인(energetic) 전계의 존재시에, 전극(컷팅 툴(cutting tool))과 워크피스(work-piece) 사이의 빠르게-반복하는(rapidly-recurring) 전기 아크 방전(electrical arcing discharges)으로 실행된다. EDM 컷팅 툴은 워크피스에 매우 가까운 원하는 경로를 따라 가이드되지만, 워크피스를 터치하지 않는다. 이 기술은 때때로 "전기부식(electroerosion)"으로 지칭된다. 그 전부가 미국 특허번호 제 7,741,576 호(A. Trimmer et al)에 설명되는 전기화학 기계가공법(electrochemical machining: ECM), 전기화학 그라인딩법(electrochemical grinding: ECG); 및 전기화학 방전 기계가공법(electrochemical discharge machining: ECDM)을 포함하는 다른 전기기계가공 기술이 또한 기술분야에 공지되어 있다.
현재의 전기기계가공 프로세스는 여러 상황에서 수용가능하지만, 고성능 합금을 위한 다양한 추가적인 설계 및 성능 요건으로 인해 프로세스에서의 상당한 진보가 필요하게 되었다. 일 예로서, 낮은 열 전도성과, 기계가공 구역에 프로세스 잔해(debris)가 없게 유지하지 못하는 것으로 인해 티타늄 및 그 합금으로 형성되는 특정 성분은 여전히 기계가공하기가 매우 어렵다. 이하에 설명된 바와 같이, 기계가공 잔해는 전기부식 프로세스를 위태롭게 할 수 있고, 기계가공 장비 및 워크피스 둘 다를 손상시킬 수 있다. 더욱이, 과도한 기계가공 시간 및 많은 다른 프로세싱 단계의 필요성으로 인해 전체 프로세스의 경제성(economic viability)이 감소할 수 있기 때문에, 산업 현장에서 고성능 합금을 기계가공하기 위해 재료 제거 속도(material removal rate: MRR)를 개선할 필요성이 여전히 존재한다. 따라서, 이러한 도전과제 중 일부를 해결하는 개선된 전기부식 프로세스가 기술분야에서 환영될 것이다.
본 발명의 일 실시예는 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법에 관한 것이다. 방법은:
(a) 파워 서플라이(power supply)로 전극 및 워크피스를 전기적으로 파워링(powering)하면서 티타늄-기반 워크피스에 대해 사전-선택된 거리 및 포지션(position)에서 스핀들 어셈블리(spindle assembly) 내에 포함되는 도전성(electrically-conductive) 전극을 제공하는 단계;
(b) 기계가공 장치에서 적어도 2개의 경로―제 1 경로는 스핀들 어셈블리 내의 내부 도관(internal conduit)을 포함하고, 제 2 경로는 스핀들 어셈블리 밖의 그리고 적어도 부분적으로 전극과 워크피스 사이의 갭 내의 외부 도관(external conduit)을 포함함―를 통해 유체 전해질(fluid electrolyte)을 순환시키는 단계; 및
(c) 고속 전기부식(high-speed electro-erosion: HSEE) 프로세스를 사용하여, 비교적 고속(high rate)으로 워크피스로부터 재료를 제거하기 위해, 플런징 운동(plunging motion)으로 워크피스에 대해 전극을 이동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예는 티타늄-기반 성분을 기계가공하는 방법에 관한 것으로, 그 재료는 고속 전기부식(HSEE) 프로세스를 사용함으로써 성분의 선택 구역으로부터 제거되고, 여기서 도전성 전극은 성분에 대해, 플런지의, 포켓-홀(pocket-hole) 형성 운동으로 제어가능하게 이동되고 회전되며; 유체 전해질은 전극 내의 내부 경로 및 전극 밖의 그리고 전극과 성분 사이의 갭 내의 외부 경로 둘 다를 통해 순환된다. 본 실시예에서, 성분으로부터의 티타늄 제거 효율성을 최대화하기 위해, 순환하는 전해질 유체의 총 압력 값과 전극의 회전 속도(rotational speed)가 자동화 메커니즘(automated mechanism)에 의해 동시에 제어된다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 기계가공 프로세스를 실행하기 위한 장치의 개략적 예시이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 위해 사용되는 스핀들 어셈블리를 예시한다.
도 3은 일부 발명 실시예에 따른 다양한 기계가공 단계의 예시이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 기계가공 프로세스를 위해 선택된 제어- 및 모니터링(monitoring) 단계의 예시이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 포켓-플런징에서 발생하는 홀(holes)의 포토그래프(photograph)이다.
도 6은 일부 발명 실시예에 따른 기계가공 프로세스를 위한 재료 제거 속도(removal rate) 특성을 도시하는 그래프이다.
본 개시물에 관하여, 본원에 개시되는 임의의 범위는 포괄적이고(inclusive) 병합가능하다(combinable)(예를 들어, "최대 약 25 wt%"의 조성 범위, 또는 더 구체적으로, "약 5 wt% 내지 약 20 wt%"는 범위의 종료점(endpoints)과 모든 중간 값을 포함한다). 더욱이, 용어 "제 1", "제 2" 등은 본원에서 임의의 순서, 수량 또는 중요도를 표시하는 것이 아니라 오히려, 일 엘리먼트를 다른 엘리먼트로부터 구별하기 위해 사용된다. 용어 "a" 및 "an"은 본원에서 수량의 제한을 표시하는 것이 아니라 오히려 참조 항목 중 적어도 하나의 존재를 표시한다. 더욱이, 명세서 및 청구범위 전반에서 본원에 사용되는 비슷한 언어(approximating language)는 관련되는 기본 기능을 변경시키지 않고서 허용가능하게 변화할 수 있는 임의의 수량 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약(about)"과 같은 용어에 의해 수정되는 값은 특정된 정밀 값에 제한되지 않는다. 일부 경우에서, 비슷한 언어가 값을 측정하기 위한 기구(instrument)의 정밀도에 대응할 수 있다.
티타늄 및 그 합금은 항공우주(aerospace), 핵(nuclear) 및 전자 산업에 종종 관련되는 다수의 중요한 응용분야에 사용된다. 그러나, 이전에 언급된 바와 같이, 종래 기술은 종종 티타늄뿐 아니라 다른 경금속을 기계가공하기에 비효율적이다. 본원에 설명되는 실시예에 따른 고속 전기-부식(HSEE) 기계가공법으로 공지된 특정 타입의 전기 방전 기계가공법을 사용하면 티타늄-기반 워크피스를 효율적으로 기계가공할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "티타늄-기반"은 적어도 약 50% 중량 티타늄을 포함하고, 일부 실시예에서, 적어도 약 75% 중량 티타늄을 포함하는 합금을 지칭한다. 일부 핵심적인 실시예에서, 이러한 타입의 기계가공 기술이 유리한 워크피스는 터빈 엔진(turbine engine)의 컴포넌트(component) 또는 항공기 기체(aircraft airframe)의 일부분이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 프로세스를 실행하기 위한 예시적인 기계가공 장치(10)이다. 스핀들 어셈블리(12), 머신 툴(13)의 동작-컴포넌트는 도 2에 더 상세하게 설명되는 스피닝 툴 전극(spinning tool electrode)(14)을 포함한다. 스핀들은 이하에 더 설명되는 바와 같이, 통상적으로 전극을 제자리에 유지한다; 그리고 스피닝 툴은 바람직한 현상일 수 있는 플러싱에서의 요동(fluctuation)을 강화시킬 수 있다. 대개, 스핀들 어셈블리는 전극을 지지하거나 회전시키도록 구성되는 다중-축(multi-axis) 머신에 포함되거나 그렇지 않다면 그 머신에 연결된다.
워크피스(16)는 전형적으로 워크피스 캐리어(work-piece carrier)(도시되지 않음) 상에 지지된다. 캐리어는 간략화를 위해 "컴퓨터" 또는 "제어기"로 설명되는 컴퓨터 제어부(예를 들어, 서보-제어부(servo-control)(18))에 의해, 워크피스 캐리어를 회전시키고 옮김으로써 밀링 툴(milling tool)에 대해 워크피스를 유지하고 이동시킨다. 때때로 EEM 수치적 제어 프로그램(numerical control program)을 포함하는 컴퓨터(18)는 기계가공 툴을 동작시키는 서보 및 전자부에 제어 신호를 송신하기 위해 저장 프로그램을 실행한다. 컴퓨터는 또한 파워 서플라이(이하에 언급됨)와 컴퓨터 사이의 시그널링 링크를 위한 인터페이스로서 플러그-인(plug-in) 회로 보드(circuit board)를 포함할 수 있다. 다양한 신호 및 제어/파워 회로(20)는 동작 조건을 컴퓨터(18)에 전달하고, 또한 과열(overheating), 저유량(low fluid) 등의 자동 시스템 셧-오프(shut-off)와 같은 관련 제어 신호를 컴퓨터로부터 전달할 수 있다. 따라서 종종 다중-축 이동 능력을 가지는 기계가공 툴(13)은 전극(14)과 워크피스(16) 사이의 간헐적인 다수의 전기적 아크의 분배를 허용하는 구성에 의해, 컴퓨터/제어기(18)와 동작적인 통신 상태에 있다. 당업자는 기계가공 장치의 고유 설계에 기초하여, 제어 회로의 구성이 상당히 변화될 수 있음을 이해한다.
상기에 언급된 바와 같이, 스핀들 어셈블리(12)는 대개 기계가공 툴(13) 상에 실장되거나 기계가공 툴(13)에 부착된다. (도 1에 도시된 바와 같이 분리되기보다는, 어셈블리(12) 및 툴(13)은 단일체(unitary body)의 형태로 있을 수 있다.) 더욱이, 전극과 워크피스(16) 사이의 갭에서의 전기부식을 위해, 툴 전극(14)을 에너자이징하도록(energize) (종종 임의선택적으로 펄스 모드에 있을 수 있는 DC 서플라이인) 파워 서플라이(22)가 제공된다. (일부 관련 상세가 Yuan et al에 의한 미국 특허번호 제 7,824,526 호에 제공되고, 그 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다).
제 1 전위(electrical potential)가 파워 회로(20)를 통해 툴 전극(14)에 전도될 수 있다. 제 2 전위는 갭(26) 내의 매개체(media)를 포함하는 전기 회로를 형성하면서, 파워 회로(24)를 통해 워크피스(16)에 전도될 수 있다. 이에 의해 워크피스(16)와 툴 전극(14) 사이의 갭(26)에 방전(예를 들어, 전기 아크)이 발생한다. 컴퓨터(18)는 전극과 워크피스 사이의 상대적 이동을 수행하여 갭을 제어하기 위해 대개 머신(machine)(10)에서의 서보를 제어한다. 따라서, 컴퓨터(18)는 스핀들 어셈블리(12)의 전기기계가공 프로세스, 관련 파워 서플라이(22); 및 이하에 언급되는 전해질 펌프(electrolyte pump)를 모니터링하고 제어한다.
파워 서플라이(22)는 종종 전압 측정 수단, 예를 들어, 전압 측정 회로를 포함한다. 회로는 파워 회로(20, 24)를 통해 갭(26) 양단의 전압을 센싱할 수 있고, 이 데이터를 시그널링 링크(30)를 통해 컴퓨터(18) 내의 회로 보드-프로세서에 전달할 수 있다. 이러한 방식으로, (상기 언급된 제어 프로그램의 도움으로) 갭(26)의 방전 상태 및 조건에 관한 정보가 획득되고 활용될 수 있고, 이 정보는 차례로 최적의 기계가공 동작을 위해 기계가공 공급 속도 및 파워 프로파일(profile)을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
파워 시스템은 대부분이 기술분야에 잘 알려져 있는 다양한 다른 피처(features) 및 디바이스를 또한 포함할 수 있다. 비-제한 예는 추가적인 마이크로프로세서(microprocessors) 또는 다른 컴퓨터 디바이스(computational devices); 타이밍 디바이스(timing device); 펄스 발생 디바이스(pulse generation device); 전압 비교 디바이스(voltage comparison device); 데이터 스토리지 디바이스(data storage device) 등을 포함한다. 지나친 노력 없이, 당업자는 본 발명의 범위 내에서 정해진 실시예에 대한 가장 적절한 피처를 선택할 수 있을 것이다.
본 발명의 기계가공 장치는 유체 전해질 시스템을 포함한다. 그와 같은 시스템은 또한 기계가공되는 워크피스로부터 부식 입자 및 다른 잔해를 씻어내면서 전기적 부식(전기부식) 프로세스 동안 발생할 수 있는 열축적(heat buildup)을 최소화하기 위해 사용된다. 갭(26) 및 주변 구역으로부터 이들 입자를 제거하는 것은 전기부식 프로세스를 효율적으로 동작시킬 수 있다는 점에서 매우 중요할 수 있다. 액체 전해질 순환 시스템은 예를 들어, 상기 언급된 Yuan et al의 특허에 설명된 바와 같이 요구되는 냉각 및 플러싱 기능 둘 다를 제공하기 위해 종종 사용된다. 전해질 시스템은 이러한 타입의 기계가공 프로세스를 위한 고유의 전열 이벤트(electrothermal events)를 구동시키도록 전기 전도성을 제공하기 위해, 예를 들어 전압 파괴(voltage breakdown)와 같은 전기적 방전 이벤트의 타이밍에 걸친 더 많은 제어를 제공하기 위해 또한 중요하다. 유체 전해질은 종종 워크피스와 전극 사이의 전기적 방전을 증가시키기 위해 하나 이상의 종래의 첨가물을 포함한다.
이전에 언급된 바람직한 실시예에서, 유체 전해질은 기계가공 장치에서의 2개의 경로를 통해 순환된다. 2개의 경로는 도 1에 간략화된 형태로 도시되고, 여기서 제 1 경로는 갭(26)을 향하여 툴(14)을 통해 진행하는 내부 도관(32)을 포함한다. 경로는 대안적으로 스핀들(12) 및 툴(14)을 통해 유도될 수 있다. 다른 경로는 갭(26) 주변의 구역에 직접 전해질 유체를 흐르게 하는 외부 도관(34)을 포함한다. 예를 들어, 다수의 펌프와 같은 다른 펌핑 배치가 대안적으로 사용될 수 있더라도, 양쪽 유체들의 흐름을 유도하기 위해 펌프(36)가 사용될 수 있다.
외부 플러싱에 더하여, 내부 플러싱의 사용은 본 발명의 실시예에 대해 매우 유용할 수 있다. 내부 플러싱은 종종 갭 구역에서의 더 직접적인 (그리고 더 빠른) 냉각 효과를 제공할 수 있고, 그에 의해 외부 플러싱 시스템에 의해 제공되는 일반 냉각 동작을 강화시킨다. 더욱이, 이하에 설명되는 플런징 운동으로 기계가공 전극이 사용될 때, 잔해 제거를 허용하기 위해 전극이 리트랙트(retract)함에 따라 내부 플러싱은 더 평활하고 깨끗한 워크피스 표면을 보장할 수 있다. (플런징 운동은 대개 축방향이고 일반적으로 워크피스 표면에 수직이다). 내부 플러싱을 가능하게 하는데 필요한 주기적 공극(voids)인, 플러싱 포트(flushing ports)는 전기적 아크를 파괴하고 열적 프로세스의 완화를 야기하여, 임의의 축적된 기계가공 잔해가 효과적으로 치워지게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 축 홀, 예를 들어 3개의 오프-축(off-axis) 홀의 사용이 부분적으로 바람직한데, 그 이유는 다수의 축 홀 사용은 단일 축 플러싱 홀의 사용에 의해 야기되는 기둥의 발생을 회피하거나 최소화할 수 있기 때문이다.
도 1에 설명되는 시스템은 Yuan et al에 대한 인용 특허에 일부가 설명되는 다양한 다른 피처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크피스 및 툴 어셈블리는 보호 쉴드(protective shield)(도시되지 않음)에 의해 둘러싸일 수 있다. 더욱이, 전해질 수집 탱크(electrolyte collection tank)(38)는 모든 사용된 전해질 유체를 캐치(catch)하도록 포지셔닝될 수 있고, 이 전해질 유체는 그 후에 종래 수단에 의해 스토리지 탱크(storage tank)(40)로 향해질 수 있다. 스토리지 탱크는 전해질 유체로부터 잔해를 제거하고, 유체가 재사용을 위해 준비될 수 있게 보장하기 위한, 예를 들어 도관(42)을 통해 펌프(36)에 되돌아오게 하기 위한 필터 유닛(filtration unit)을 포함할 수 있거나 필터 유닛에 부착될 수 있다. 펌프(36)는 또한 상기에 언급된 데이터 도관(21)을 통해 컴퓨터(18)와 통신할 수 있어서, 컴퓨터에 대한 데이터 통신과 컴퓨터로부터의 제어 통신을 허용한다. 이러한 방식으로, 과열 또는 저유량과 같은 조건이 모니터링됨에 따라, 필요하다면, 전해질 흐름 제어 및 기계가공은 셧 다운(shut down)될 수 있다.
도 2는 도 1에 일반적으로 도시되는 어셈블리(12/14)와 유사한, 스핀들/툴 어셈블리(50)의 예시이다. 어셈블리(50)는 워크피스(54)로부터 갭(52) 양단에 포지셔닝된다. (도면에 도시되지 않는) 파워 서플라이는 워크피스를 기계가공하는 갭(52)에서의 전기적 방전을 발생시킨다. 툴(56)은 수집 수단(62)에 의해 회전가능한 어댑터 샤프트(adapter shaft)(60)의 전단(forward end)(58) 상에 실장될 수 있다. 툴 홀더(tool holder)(64)는 대개 스핀들(66)을 유지하는, 수집부(68)를 통해 정렬되는 어댑터 샤프트(60)의 상단에 고정된다. 그러나, 당업자는 적절한 포지션에 스핀들을 유지하기 위해 다른 적합한 수단에도 익숙할 것이다.
이러한 타입의 기계가공 프로세스(예를 들어, HSEE 프로세스)의 원리에 따라, 전극(56)은 워크피스의 원하는 전기부식을 야기시키도록 일련의 전류 방전 동안 회전된다. 본 발명에 대한 바람직한 실시예에서, 전극은 분당 적어도 약 36,000 인치; 그리고 대개, 분당 7,000 인치 내지 분당 125,000 인치의 범위에서의 선형 속도로 HSEE 프로세스 동안 회전된다. 매우 종종, 적어도 약 15 amps/mm2의 전류 밀도 하에서 전극이 동작된다. 적합한 HSEE 기술에 관한 다른 상세는 미국 특허 제 7,976,694 호 및 제 7,741,576 호(Trimmer et al)에서 발견될 수 있고, 둘 다는 본원에 인용에 의해 포함된다.
동작 어셈블리(50)를 위한 파워 방식은 일반적으로 종래기술이다; 그리고 그 상세는 도 2에 제공될 필요가 없다. (예시적인 기술은 Yuan et al의 인용 특허에 제공된다). 전형적으로, 파워 서플라이는 툴 전극에 부착되는 리드(lead)와 워크피스에 부착되는 리드 사이의 전압 차이 ΔV의 펄스를 인가함으로써 툴 전극(56)을 에너자이징한다. 정지-투-회전자(stationary-to-rotor) 전도성 디바이스(도시되지 않음)에 의해 툴 전극과 관련되는 리드와 스피닝 어댑터 샤프트(60) 사이에 파워가 전송될 수 있다. 그와 같은 디바이스의 예는 전기 브러시 컨택트(electrical brush contacts)의 어셈블리 또는 회전 변압기(rotary transformer)의 사용을 포함할 것이다.
도 2는 또한 본 발명의 실시예에 따른 간단한 형태의 내부 플러싱 시스템(70)을 도시한다. 상술한 바와 같이, 액체 전해질(72)의 흐름이 적합한 출입 도관(entry conduit)(74)을 통해 펌프(도시되지 않음)로부터 공급된다. 전해질 유체는 그 후에 샤프트가 스피닝하는 동안 어댑터 샤프트(60) 내의 축방향 홈(axial channel)을 통해 흐른다. 본원에 구체적으로 도시되지 않지만, Yuan et al 특허에 설명된 바와 같이, 샤프트(60) 일부분 주변에서 밀봉되는 유체 매니폴드(fluid manifold)가 전해질 유체를 포함하고 유도하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 이러한 방식의 유체 통과는 "스루-더-스핀들(through-the-spindle)" 플러싱으로 지칭된다.
전해질 유체는 그 후에 툴 도관(tool conduit)(76) 내로 흐르고, 하나 이상의 개구(구체적으로 도시되지 않음)를 통해 갭(52)으로 빠져나온다. (개구는 전극(56)의 하단(78)에 존재할 것이다). 유체는 플러싱 작동(action)에 의해 냉각 및 잔해-제거 기능을 제공한다. 상술한 바와 같이, 내부 플러싱은 본 발명의 실시예에 대해 상당한 장점을 제공할 수 있다. (다른 상세, 예를 들어, 처리 및 재순환을 위해 사용된 전해질을 캡처하기 위한 수집 탱크의 사용이 또한 도 1을 참조하여 제공되었다). 더욱이, 매칭 시스템을 위한 바람직한 실시예는 또한 유체를 갭 구역으로 유도하기 위한 외부 플러싱 시스템을 포함한다. 간략화를 위해, 그 시스템은 점선(80)으로 간단하게 도시된다.
본 발명의 매칭 시스템은 워크피스의 선택 두께를 통한 "플런징"을 위해 매우 효과적이고, 하나 이상의 비교적 큰 홀을 형성할 수 있다. 예를 들어, 홀의 패턴은 도 3에 도시된 바와 같이 일련의 포켓 홀(82)을 형성하는데 충분한 방식으로 워크피스를 부식시키기 위해, 양전하로-충전된 워크피스를 향하여 음전하로-충전된 전극을 전진시킴으로써 형성될 수 있다. 성분의 열-영향부위(HAZ)의 크기를 실질적으로 증가시키지 않고서 비교적 높은 재료 제거 속도를 유지하면서, 공격적인 기계가공 파라미터를 사용하여 유용하게 홀의 형성이 이루어질 수 있다.
도 3의 좌상단(upper-left) 부분은 포켓(82)이 도 1에서와 유사한 기계가공 시스템에 의해 형성된 테스트 쿠폰(test coupons)을 도시하고, 포켓(82)은 하부의 기판으로 연장하고, 인접한 예시된 포켓은 쿠폰을 통해 부분적으로만 연장한다. 도면의 중간 섹션에 도시되는 포켓 플런지의 수집 패턴은 상술한 바와 같이 CNC-제어되고, Ti6Al4V와 같은 하드-투-머신(hard-to-machine) 합금에서 비교적 큰 원하는 개방 구역(84)을 정밀하게 형성할 수 있다. 도 3의 우하단(lower right) 부분은 사후-기계가공 기술에 의해 세정되고 평활화된 후의 개방 구역(84)을 도시한다. 그 구역 위의 클린 패스(clean pass)(프로파일 밀링(profile milling))는 또한 플런징에 의해 야기되는 두꺼운 재-주조(re-cast) 층 및 HAZ를 제거하면서, 플런지 컷팅으로부터의 임의의 표면파형(waviness)을 제거하기 위해 비교적 "약한(gentle)" 파라미터를 활용하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기부식은 상술한 기계가공 시스템을 위해 특히 적합한 고유 제어 기술에 의해 제어될 수 있다. 본 기술의 양상은 미국 특허번호 제 8,323,473 호(Luo et al)에 설명되고, 본원에 인용에 의해 포함된다. 도 1은 파워 서플라이(22)가 워크피스(16)를 기계가공하는 전기 방전을 발생시키도록 구성되는 예시를 위해 사용될 수 있다. 상기에 언급한대로, 파워 서플라이는 선택적으로 워크피스를 부식시키는 갭(26)에서의 방전을 발생시키도록 ΔV 펄스를 인가함으로써 툴 전극(14)을 에너자이징한다.
펄스 폭 Δτ(타우(tau))를 가지는 인가 펄스는 다수의 펄스-온(pulse-on) 및 펄스-오프(pulse-off) 상태를 가지는 인가 전압 파형을 발생시킨다. 인가 전압 파형에 응답하여, 갭(26)에서의 방전은 갭에서의 전압을 나타내는 전압 파형을 발생시키고, 전압 파형은 다수의 방전 펄스를 포함한다. (인가 펄스를 가지는 인가 파형 및 방전 펄스를 가지는 전압 파형은 서로 구별됨이 이해되어야 한다). 컴퓨터(18)와 관련되는 서보-제어기(servo-controller)(즉, 서보-제어기는 집적될 수 있거나, 별개의 유닛일 수 있음)는 특정 기계가공 조건을 위한 원하는 정렬을 유지하도록, 갭(26)의 크기, 및 전극(14) 및 워크피스(16)의 상대적 이동을 제어하는 것을 포함하여, 전체 기계가공 장치에서의 기계적 이동을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 컴퓨터/제어기(18)가 파워 서플라이(22), 전극(14) 및 워크피스(16)에 연결되는(coupled) 것이 이해되어야 한다. 컴퓨터는 일반적으로 다수의 기능을 수행하도록 구성된다. 그 중 일부는: 전극과 워크피스 사이에 전위차 ΔV의 펄스를 인가할 것을 파워 서플라이에 지시하는 것; 갭(26) 양단의 전압을 측정하는 것; 선택 시간 간격을 발생시키는 것; 시간 간격(또는 시간 지연)의 경과 후에 측정을 개시하는 것; 전압 값을 비교하는 것; 전기 전류를 측정하는 것; 및 파워 서플라이와 같은 특정 기능을 조절하기 위해 제어 신호를 발생시키는 것을 포함한다.
당업자는 컴퓨터/제어기(18)가 마이크로프로세서 또는 다른 타입의 컴퓨터 디바이스, 전압 및 전류 측정 디바이스, 타이밍 디바이스, 펄스 발생 디바이스, 전압 비교 디바이스, 전류 비교 디바이스, 데이터 스토리지 디바이스 및 다양한 다른 디바이스를 포함할 수 있음을 이해한다. 이들 디바이스는 일반적으로 기술분야에 공지되어 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 적합한 버전이 사용될 수 있다.
도 4는 도 1과 유사한 예시적인 시스템을 사용하여, 본 발명의 실시예에 따른, 워크피스로부터 티타늄을 제거하기 위한 기계가공 단계를 모니터링하고 제어하기 위한 방법의 예시이다. 기계가공은 단계(100)에서 워크피스 상에 개시되고, 그 후에 고유 시간 지연(td) 후의 지점에서 초기 전압이 측정된다(단계(102)). 일부 실시예에서, 인가 전압 파형의 인가 펄스의 펄스-온 상태로부터 측정된 바와 같이, 시간 지연은 인가 펄스 폭 Δτ의 절반에 대응한다. 시간 지연(td)은 인가 펄스 폭에 상대적으로, 예를 들어 인가 펄스 폭의 2/3로 변화될 수 있다. 이러한 방식의 전압 측정은 전압 파형의 다수 펄스에 대해 단계(104)에서 반복되고, 각 측정은 인가 파형에 대한 인가 펄스의 펄스-온 상태에 대한 고유 시간 지연 후에 완료된다.
이러한 타입의 기계가공 동작은 대개 직류(direct current: DC)에 의해 실행되기 때문에, 기계가공 프로세스가 시작하고 정상 상태(steady state)로 진행함에 따라 인가 전압 파형에 대한 임계 전류가 또한 측정된다. 기계가공 동안, 단계(106)에서 주기적 전류 측정이 보통 사전-선택 간격에서 이루어진다. 전류 흐름은 워크피스(16)에 대해, 예를 들어 갭 구역(26)(도 1)에서, 워크피스 상의 기계가공의 효과에 부분적으로 관련된다. 상술한 바와 같이, 플러싱 동작이 진행중인 때조차, 워크피스로부터의 잔해 또는 "칩(chips)"이 갭에 누적될 수 있다. 이들 칩을 갭 구역으로부터 배출할 충분한 힘이 없다면, 칩의 존재는 용융 금속 브리지(metal bridge)의 형성을 유도할 수 있고, 그 다음에 시스템에서의 전기적 쇼트(short)를 야기할 수 있어서, 기계가공 동작을 셧 다운시킨다.
다양한 실시예에 대해, 단계(108)에 따라 기계가공 동작 동안의 측정 전류는 임계 전류에 대해 비교된다. 상술한 바와 같이, 측정 및 비교는 컴퓨터/제어기에 의해 자동으로 취급될 수 있다. 과도한 또는 급격한 전류의 증가는 상술한 바와 같이 잔해가 누적될 수 있음을 표시하고, 이는 툴 전극으로부터의 전기적 방전에 불리하게 영향을 미친다. 비-제한 예로서, 약 20 볼트의 설정 전위(set potential)에서, 티타늄 성분에 대한 기계가공 동작 동안 평균 전류는 약 500 Amps, 즉 정상 동작 동안일 수 있다. 사전-선택된 전류 제한, 예를 들어 700-900 Amps에 걸친 전류의 급격한 증가는 대부분 잔해의 누적으로 인해, 기계가공 동작이 사양을 벗어남(out-of-specification)을 표시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수용가능한 임계값을 초과하는 전류의 증가는 관련 컴퓨터/제어기를 통해, 예를 들어 도 1의 시스템에서의 스테이션(18)을 통해 단계(110)에서 제어 신호를 발생시킨다. 제어 신호는 기계가공 시스템에 대한 2개의 동작 파라미터 중 적어도 하나를 조절한다. 제 1 파라미터는 툴 회전 속도, 예를 들어 도 2에 도시된 툴 전극(56)의 회전 속도이다. 이전에 언급된 바와 같이, 회전은 모두 도 1에 도시된 바와 같은 파워 서플라이에 의해 파워링되는 스핀들(66) 및 회전가능 샤프트(60)에 의해 제어된다. 일 실시예에서, 예를 들어 도 4의 단계(112)에서, 제어 신호는 파워 서플라이에 툴의 회전 속도를 증가시킬 것을 명령한다. 증가한 회전 속도는 차례로 갭 영역(52)으로부터 전기-부식 칩 및 다른 잔해를 치워버릴 수 있고, 및/또는 갭을 막는 용해 금속의 임의의 마운드(mound) 또는 브리지를 배출시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 프로세스는 예를 들어, 정상 전기 전류 파라미터로의 복귀에 의해 나타나는 바와 같이, "제어가능(in-control)" 상태로 복귀할 수 있다.
조절될 수 있는 제 2 파라미터는 플러싱 파라미터이다. 따라서, "제어불능(out-of-control)" 상태의 경우에, 제어 신호는 파워 서플라이에 플러싱을 제어하는 펌핑 활동을 증가시킬 것을 명령할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 기계가공 시스템의 경우에, 컴퓨터(18)에 의해 제어되는 파워 서플라이(22)는 내부(32) 및 외부(34) 전해질 도관 중 하나 또는 둘 다를 통해 전해질의 흐름을 증가시킬 수 있다. (어느 플러싱 시스템을 조정할지의 선택은 불필요한 노력 없이, 특정 타입의 시스템에 관한 실험을 통해 결정될 수 있다). 플러싱 압력에서의 증가는 툴 회전 속도에서의 조정의 경우와 같이, 시스템이 제어가능 상태로 복귀할 때까지 잔해를 치울 수 있고 갭 영역에 형성된 용융 금속 덩어리를 배출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대해 상술한 기술은 기계가공 프로세스를 정상 조건으로 복원하기 위해 매우 유용할 수 있다. 그 기술은 또한 기계가공 현장(machining site)에 요구되는 에너지량을 감소시킬 수 있어, 전극 및 워크피스에 대한 손상을 최소화한다. 일부 실시예에서, 제어 시스템은 기계가공 프로세스가 제어불능일 때 파워 서플라이에 턴 오프할 것을 명령할 수 있다. 일반적으로, 이 전략 중 임의의 전략 또는 전략의 조합이, 제어 신호를 적절하게 구성함으로써 기계가공 시스템의 원하는 특성에 따라 사용될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 바와 같은 스핀들/툴 어셈블리의 사용에 기초하여, 상술한 포켓-플런징 기술("Z" 방향 플런지)에 따른 테스트 쿠폰 상에 형성되는 홀의 포토그래프이다. 각 홀 또는 "포켓"의 크기는 분당 인치(inches-per-minute: IPM) 단위의 관점에서 툴 공급 속도에 부분적으로 의존한다. 도 6은 도 1에서와 유사한 시스템으로부터 발생하는 전기부식에 기초하여, Ti-6Al-4V(티타늄-알루미늄-바나듐)로 형성되는 워크피스의 그래프이다. 그래프는 시스템 전류의 함수로서, 암페어 단위의 재료 제거 속도(material removal rate: MRR)를 도시한다. 평균 전기 전류에서의 증가는 MRR 값에 대해 긍정적인 효과를 가진다.
더욱이, (본원에 구체적으로 설명되는 것 이외의) 본 발명의 다른 수정이 본 발명의 정신을 이탈하지 않고서 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 당업자에 의해 고려되는 수정은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다. 더구나, 상기에 언급된 모든 특허, 특허 논문 및 다른 인용문헌이 인용에 의해 본원에 포함된다.

Claims (14)

  1. 기계가공 장치(machining apparatus)를 사용하여 티타늄-기반(titanium-based) 재료로 형성되는 워크피스(work-piece)를 기계가공하는 방법에 있어서,
    (a) 파워 서플라이(power supply)로 전극 및 상기 워크피스를 전기적으로 파워링(powering)하면서 상기 티타늄-기반 워크피스에 대해 사전-선택된(pre-selected) 거리 및 포지션(position)에서 스핀들 어셈블리(spindle assembly) 내에 포함되는 도전성(electrically-conductive) 전극을 제공하는 단계;
    (b) 상기 기계가공 장치에서 적어도 2개의 경로―제 1 경로는 상기 스핀들 어셈블리 내의 내부 도관(internal conduit)을 포함하고, 제 2 경로는 상기 스핀들 어셈블리 밖의 그리고 적어도 부분적으로 상기 전극과 상기 워크피스 사이의 갭 내의 외부 도관(external conduit)을 포함함―를 통해 유체 전해질(fluid electrolyte)을 순환시키는 단계; 및
    (c) 고속 전기-부식(high-speed electro-erosion: HSEE) 프로세스를 사용하여 비교적 높은 속도(high rate)에서 상기 워크피스로부터 재료를 제거하기 위해 플런징 운동(plunging motion)으로 상기 워크피스에 대해 상기 전극을 이동시키는 단계
    를 포함하는, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 적어도 분당 약 36,000 인치의 선형 속도(linear speed)에서 상기 HSEE 프로세스 동안 회전되는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선형 속도는 분당 약 7,000 인치 내지 분당 약 125,000 인치 사이의 범위에 있는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전극은 적어도 약 15 amps/mm2의 전류 밀도하에서 동작되는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체 전해질은 또한 기계가공으로부터 발생하는 잔해(debris)를 씻어내면서 상기 워크피스에 대해 그리고 상기 워크피스와 상기 전극 사이의 상기 갭에 대해 냉각을 제공하는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유체 전해질은 상기 워크피스와 상기 전극 사이의 전기적 방전을 증가시키기 위한 하나 이상의 첨가물을 포함하는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들 어셈블리는 상기 전극을 지지하고 회전하도록 구성되는 다중-축 머신(multi-axis machine)에 포함되거나 그렇지 않으면 상기 머신에 연결되는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다중-축 머신은 상기 전극과 상기 워크피스 사이의 간헐적인 다수의 전기적 아크(arc)를 분배하도록 구성되는 제어기와 동작적으로 통신 상태에 있는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플런징 운동은 축 방향이고 재료의 제거를 필요로 하는 상기 워크피스 표면에 일반적으로 수직인 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플런징 운동은 포켓 홀(pocket holes)을 상기 워크피스 표면 내로 컷팅(cuts)하는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 워크피스는 터빈 엔진(turbine engine)의 컴포넌트(component) 또는 항공기 기체(aircraft airframe)의 일부분인 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  12. 제2항에 있어서,
    순환하는 전해질 유체의 총 압력 값 및 상기 전극의 회전 속도는 상기 워크피스로부터의 티타늄 제거 효율성을 최대화하도록 자동화 메커니즘에 의해 동시에 제어되는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극은 임계값 전류로, 상기 워크피스와 상기 전극 사이의 전위 차 ΔV를 인가하는 상기 파워 서플라이에 의해 파워링(powering)되고, 상기 방법은,
    (i) 기계가공 동안 선택된 간격에서 상기 전류를 측정하는 단계;
    (ii) 상기 측정 전류가 제어불능(out-of-control) 상태를 표시하는지 여부를 결정하기 위해 상기 측정 전류를 상기 임계값 전류와 비교하는 단계; 및
    (iii) 상기 제어불능 상태의 표시시에 제어 신호를 발생시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제어 신호는, 상기 기계가공 단계를 제어-가능(in-control) 상태로 복귀시키도록, (I) 전극 회전 속도 또는 (II) 전해질 플러싱 압력(flushing pressure) 중 적어도 하나의 조정을 발생시키는 것인, 기계가공 장치를 사용하여 티타늄-기반 재료로 형성되는 워크피스를 기계가공하는 방법.
  14. 티타늄-기반 성분(titanium-based component)을 기계가공하는 방법에 있어서,
    상기 티타늄-기반 성분의 재료는, 도전성(electrically-conductive) 전극이 상기 티타늄-기반 성분에 대해, 플런징의(plunging), 포켓-홀(pocket-hole) 형성 운동으로 제어가능하게 이동되고 회전되는 고속 전기부식(high-speed electroerosion: HSEE) 프로세스를 사용함으로써 상기 티타늄-기반 성분의 선택 구역(selected regions)으로부터 제거되고,
    상기 전극 내의 내부 경로(internal pathway) 및 상기 전극 밖의 외부 경로(external pathway) 둘 다를 통해, 그리고 상기 전극과 상기 티타늄-기반 성분 사이의 갭(gap) 내에서 유체 전해질(fluid electrolyte)이 순환되고,
    상기 순환하는 전해질 유체의 총 압력 값 및 상기 전극의 회전 속도는 상기 티타늄-기반 성분으로부터의 티타늄 제거의 효율성을 최대화하도록, 자동화 메커니즘에 의해 동시에 제어되는 것인, 티타늄-기반 성분(titanium-based component)을 기계가공하는 방법.
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