KR20170121935A - 전해방전가공장치 및 이를 이용한 전해방전가공방법 - Google Patents

전해방전가공장치 및 이를 이용한 전해방전가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해방전가공장치 및 이를 이용한 전해방전가공방법에 관한 것으로서, 가공 대상물(W)이 침지되는 전해액을 수용하는 전해액 용기; 상기 전해액 내에 일단부가 침지된 공구 전극; 상기 공구 전극과 전기적으로 연결된 양의 전극; 상기 공구 전극과 양의 전극 사이에 전력을 공급하는 전원; 및 상기 공구 전극의 일단부와 상기 가공 대상물(W) 사이에 존재하는 전해액의 수위를 조절하는 수단을 포함하되, 상기 전해액의 수위를 조절하는 수단은 노즐 등을 통하여 기체를 분사하는 기체 공급 수단인 것을 특징으로 한다.

Description

전해방전가공장치 및 이를 이용한 전해방전가공방법{APPARATUS FOR ELECTROCHEMICAL DISCHARGE MACHINING AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 전해방전가공장치 및 이를 이용한 전해방전가공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액 내에 가공 대상물 및 공구 전극을 침지한 상태에서, 공구 전극에 가해지는 전력에 의하여 발생하는 스파크에 의해 가공 대상물을 가공하는 가공 장치 및 가공 방법에 관한 것이다.
선반 또는 밀링과 같이, 공구와 가공 대상물의 물리적 접촉에 의하여 가공 대상물의 표면을 깎아내는 방식의 공작 기계가 일반적으로 이용되어왔다. 그렇지만 전술한 공작기계는 정밀 가공을 하는데 있어 한계가 있었고, 특히 가공 대상물의 재질이 충격에 약한 재질일 경우 공작 기계에 의한 가공에 현실적인 어려움이 있었다.
이러한 어려움을 극복하기 위하여 특수 가공 장치가 만들어졌는데, 화학적 원리를 이용하여 가공 대상물을 가공하는 전해가공(Electrochemical Machining; ECM) 및 가공 대상물과 공구 사이의 전기적 방전을 이용한 방전가공(Electrodischarge Mchining; EDM)이 그 대표적인 사례이다.
구체적으로 전해가공은 염기성의 전해액 내에 침지된 양극(Anode)인 가공 대상물 및 음극(Cathode)인 공구에 전압을 인가하고, 이때 발생하는 전기적, 화학적 반응을 통해 공작물을 가공한다. 이 전해가공의 종류로서, 전해연마, 전해연삭 등이 있다. 이러한 전해가공은 탄소함유량이 미비한 금속물질일수록 그 가공이 용이하기 때문에, 철금속물질보다는 물리적인 힘에 의해 가공이 어려운 내열강, 초경합금, 고장력강 등을 가공대상으로 한다.
방전가공은 가공 대상물에 음전압을 인가하고 공구에 양전압을 인가한 상태에서, 공작물과 공구를 수 ㎛/s까지 상호 접근시키면 절연파괴현상으로 스파크(Spark)가 발생하게 되는데, 이때 발생된 스파크를 이용하여 공작물을 가공한다. 이 방전가공은 주로 고경도 금속재료의 가공에 적용된다.
상기의 전해가공 및 방전가공은 각각 별도의 방법 및 장치로 구분되어 있었던 특수가공이었지만, 근래 들어, 전해가공 및 방전가공을 하나의 장치에서 구현하고자 하는 연구들이 진행되어 왔다. 그 결과, 전해방전가공(ECDM :Electrochemical Discharge Machining)이 제안되기도 하였다. 전해방전가공은 상기 방전가공과는 다르게, 비금속 또는 취성재료의 가공에 주로 이용된다.
도 1을 참조하여, 전해방전가공장치(500)의 구조 및 작동원리를 살펴보면, 전해액 용기(560) 내에 전해액(530)이 채워지고, 음(-)의 전극인 공구 전극(510)과 가공 대상물(W)이 상기 전해액(530)에 침지된 상태에서 상기 공구 전극(510)과 양(+)의 전극(520) 사이에 전압을 걸어주면 공구 전극(510)의 주변에서 스파크가 발생하게 되는데, 위 스파크에 의해 얻어지는 열 에너지를 이용하여 가공 대상물(W)을 가공하게 된다.
구체적으로 전술한 전극들(510,520) 사이에 전압을 걸어주면, 공구 전극(510) 주변에는 수소 기포가 발생하여 공구 전극(510)의 표면에 달라붙게 되는데, 위 수소 기포에 의하여 형성되는 얇은 층이 절연막(540) 역할을 하게 된다. 절연막(540)이 존재하는 시기에는 전류가 흐르지 못하다가, 위 절연막(540)이 파괴되는 순간 스파크가 발생하게 된다. 그리고 위 스파크는 높은 열에너지를 방출하게 되는데, 위 열에너지에 의하여 가공 대상물(W)의 표면을 연화시켜 가공대상물(W)의 표면을 가공하게 되는 것이다. 상기 전해액(530)으로는 NaOH, KOH, HCl 등의 전해 물질이 사용될 수 있다.
방전가공이 전도성을 가지는 금속과 같은 가공 대상물에만 적용될 수 있는데 반하여, 전해방전가공장치(500)는 금속 물질 뿐만 아니라, 유리, 세라믹 등의 비전도성 물질들도 가공할 수 있어서, 그 적용 대상이 매우 넓다. 반면, 전해방전가공장치(500)는 방전가공을 포함한 기타 가공수단과 비교하여 그 가공 속도가 느리기 때문에, 그 활용에 제약이 있었다.
[1] 등록특허공보 제10-1474327호 (2014.12.12.) [2] 일본 공개특허공보 특개평9-234629호(1997.09.09.)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스파크가 발생하는 주기가 짧아지도록 하여 가공 속도를 높임과 동시에, 전해방전가공(ECDM)에 소비되는 전기 에너지를 감소시키는 것을 주 목적으로 한다. 더 나아가, 전해액 수면 위로 떠오르는 수소 기포에 의하여 발생하는 스파크 발생 주기의 변동을 감소시킬 수 있는 전해방전가공장치 및 위 전해방전가공방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 가공 대상물(W)이 침지되는 전해액을 수용하는 전해액 용기; 상기 전해액 내에 일단부가 침지된 공구 전극; 상기 전해액 내에 일단부가 침지되되, 상기 공구 전극과 전기적으로 연결된 양의 전극; 상기 공구 전극과 양의 전극 사이에 전력을 공급하는 전원; 및 상기 공구 전극의 일단부와 상기 가공 대상물(W) 사이에 존재하는 전해액의 수위를 조절하는 수단을 포함하는 전해방전가공장치를 제공한다.
바람직하게는 상기 전해액의 수위를 조절하는 수단은 기체 공급 수단으로서, 상기 기체 공급 수단은 전해액의 수면에 대하여 45-90° 로 기울어진 상태로 기체를 공급하게 된다.
상기 기체 공급 수단은 기체를 분사하는 노즐이고, 상기 기체는 공기 또는 불활성기체를 사용하는 것이 좋다. 그리고 상기 전원은 상기 공구 전극과 양의 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일실시예는 전해방전가공방법에 관한 것으로서, 가공 대상물(W)을 전해액에 침지하는 가공 대상물 침지 단계; 및 상기 전해액 내에 일단부가 침지된 공구 전극과 양의 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 단계를 포함하되, 상기 가공 대상물 침지 단계와 상기 전압 인가 단계, 또는 상기 전압 인가 단계 이후에 상기 공구 전극의 일단부와 상기 가공 대상물(W) 사이에 존재하는 전해액의 수위를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 전해액의 수위를 조절하는 단계는 기체 공급 수단에 의하여 기체를 공급하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하되, 상기 기체 공급 수단은 기체를 소정의 압력으로 분사하는 노즐이며, 상기 기체는 공기 또는 불활성기체인 것이 바람직하다. 더 나아가, 상기 전압 인가 단계에서는 직류 전압이 인가된다.
본 발명에 따른 전해방전가공장치 및 전해방전가공방법에서는, 기체 공급 수단에 의하여 전해액의 수위를 조절함으로써, 공구 전극의 표면에 형성되는 절연막의 크기를 조절할 수 있게 된다. 위 절연막의 크기 조절은 바로 스파크 발생 주기의 감소로 이어져 종래의 전해방전가공장치 및 전해방전가공방법과 비교하여 빠른 속도의 가공이 가능하게 된다.
더 나아가, 본 발명에 따른 전해방전가공장치 및 전해방전가공방법에서 이용되는 기체 공급 수단은 전해액의 수면위로 떠올라 축적되는 수소 기포를 매 순간마다 날려보냄으로써 전해액 수면에 축적되는 수소 기포에 의하여 발생하는 스파크 발생 주기의 변동을 막을 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전해방전가공장치를 도시한 것이다.
도 2(a)는 종래 기술에 따른 전해방전가공장치에서 공구 전극에 절연막이 형성된 상태를 도시한 것이고, 도 2(b)는 본 발명에 따른 전해방전가공장치에서 기체 공급 장치에 의하여 전해액의 수위가 조절되는 상태를 도시한 것이다.
도 3(a)는 종래 기술에 따른 전해방전가공장치에서 전해액 수면 위로 떠오른 수소 기포가 축적된 상태를 도시한 것이고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 전해방전가공장치에서 기체 공급 장치에 의하여 수소 기포를 날려보내는 상태를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해방전가공장치에서 시간에 따른 전류의 흐름을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 전해방전가공장치에 관한 것으로서, 전해액을 수용하는 용기, 음(-)의 전극인 공구 전극, 양의 전극, 그리고 전해액에 침지되는 가공 대상물(W) 각각의 형상 및 이들의 결합 관계는 도 1에 도시된 종래의 전해방전가공장치와 차이가 없으므로, 별도의 설명은 생략한다.
도 2(a)는 가공 대상물(W)과 공구 전극(110)이 전해액(130)에 침지된 상태에서, 공구 전극(110)에 전압을 걸어 공구 전극(110)의 표면에 수소 기포에 의한 절연막(140)이 형성된 상태를 도시하고 있다. 전해액(130)으로는 수산화나트륨(NaOH) 용액, 수산화칼륨(KOH) 용액, 염산(HCl) 등이 사용될 수 있는데, 안전상의 문제로 NaOH 용액 또는 KOH 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 전해방전가공(ECDM) 장치로 가공할 수 있는 가공 대상물(W)은 금속과 비금속 가리지 아니하나, 유리 또는 세라믹과 같은 절연 물질을 가공하는데 특히 적합하다.
공구 전극(110)으로는 음(-)의 전극이 사용되는데, 전해액(130)에 공구 전극(110)과 이와 전기적으로 연결된 양(+)의 전극이 전해액(130) 내에 침지된 상태에서, 위 두 전극 사이에 직류(DC) 전압이 걸리게 된다. 공구 전극(110)은 음(-)의 전극으로 형성되므로, 그 주변에는 수소 이온이 전자를 공급받아 수소 기포를 발생시키는 환원 반응이 일어나고, 반면 양(+)의 전극에서는 산화 반응이 일어나 산소 기포가 발생하게 된다.
공구 전극(110) 주변에서 발생하는 수소 기포는 공구 전극(110)의 표면에 달라 붙어 막을 형성하는데, 위 막은 공구 전극(110)과 전해액(130) 사이의 전류 흐름을 차단하는 절연막(140)으로 작용하게 된다. 그리고, 공구 전극(110)에 전압이 지속적으로 걸리게 되면, 절연막(140)이 성장하다가 전기적으로 절연되는 순간(공구 주변에 절연막이 완전하게 형성되는 순간) 파괴되고, 절연막(140)이 파괴되는 순간에 스파크가 발생하게 되는데, 위 스파크에 의하여 가공 대상물(W)의 표면을 가공하게 된다.
즉, 공구 전극(110)과 양(+)의 전극 사이에 전압이 지속적으로 걸리게 되면, 절연막의 생성 및 파괴가 주기적으로 발생하게 되는데, 그로 인하여 스파크 역시 주기적으로 발생하게된다. 본 발명의 발명자는 스파크 발생 주기를 감소시킬 수 있다면(즉, 스파크 발생 빈도를 높일 수 있다면), 가공 효율을 높일 수 있을 것이라는 기술적 인식 하에, 스파크 발생 주기에 영향을 미치는 요인에 대한 분석을 수행하였다.
그 결과 공구 전극(110)이 전해액(130)에 침지되는 깊이(h)가 중요한 요소임을 파악하였다. 구체적으로, 공구 전극(110)과 전해액(130)이 맞닿는 부위에는 전체적으로 수소 기포가 발생하여 부착되고, 그로 인하여 공구 전극(110)이 전해액(130)에 침지된 부위 전체적으로 절연막(140)이 형성된다. 공구 전극(110)과 가공 대상물(W) 사이에 발생하는 스파크는 가공 대상물(W)의 가공에 실질적으로 이용되지만, 그 외의 영역에서 발생하는 스파크, 그리고 절연막은 가공 대상물(W)의 가공에 실질적으로 이용되지 못한다.
그러므로 가공 대상물(W)의 가공에 실질적으로 이용되지 못하는 절연막 및 스파크의 형성을 최소화할 필요가 있고, 그 해결책으로서 공구 전극(110)이 전해액(130)에 침지되는 깊이(h)를 최소화할 필요가 있음을 발견하였다. 가장 손쉬운 해결책으로는 전해액(130)의 수위(가공 대상물(W) 위를 덮는 전해액의 수위)를 낮게 하거나 공구 전극(110)이 전해액(130)의 수면 아래로 깊이 내려가지 않도록 할 수 있다.
그렇지만 전해액(130)은 표면 장력을 가지고 있는 액체로서, 가공 대상물(W)이 전해방전가공(ECDM)이 가능할 정도로 침지되도록하기 위해서는 가공 대상물(W) 위에 소정량 이상의 전해액(130)이 위치할 수 밖에 없고, 가공 대상물(W) 위를 덮는 전해액의 수위를 낮게 하는 것은 한계를 가지고 있다. 더 나아가 공구 전극(110)은 가공 대상물(W)의 가공을 위해는 가공 대상물(W)과 가까운 상태, 필요에 따라 가공 대상물(W)과 접촉 상태를 유지해야 하므로, 공구 전극(110)이 전해액(130)의 수면 아래로 깊이 내려가지 않도록 하는 방법 역시 한계가 있다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 전해방전가공이 이루어지는 상태를 도시한 것이다. 공구 전극(110), 전해액(130), 그리고 가공 대상물(W)의 위치 관계 자체는 종래의 전해방전가공과 특별히 차이가 있지는 아니하다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서는 공구 전극(110)의 일측에서 기체 공급 수단(160)에 의하여 기체를 분사하여 공구 전극(110) 주변을 덮고 있는 전해액(130)의 수위를 조절하게 된다.
기체 공급 수단(160)에 의한 기체 공급 방향은 특별히 제한되지는 아니하나, 전해액(130)의 수면에 대하여 45-90° 범위로 경사진 상태, 특히 90°로 기체가 공급되었을 때 높은 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
기체 공급 수단(160)은 기체를 소정의 압력으로 분사하는 노즐일 수 있으며, 기체는 공기 또는 불활성 가스인 것이 바람직하나, 전해액(130)의 수면에 압력을 가하여 수면이 낮아지도록 할 수 있는 기체라고 한다면, 기체의 종류는 특별히 제한되지 아니한다.
전술한 구성을 통하여, 공구 전극(110)이 전해액(130)에 침지되는 깊이가 실질적으로 감소하게 되고(h’), 그로 인하여 공구 전극(110) 주변에 형성되는 절연막(140) 형성 범위 역시 감소하게 된다. 즉, 절연막(140)이 최대 상태가 되었을 때 절연막이 파열되면서 스파크가 발생하게 되는데, 절연막(140)의 최대 크기 자체가 작아지게 되므로, 동일한 전압을 걸어주었을 때 더 짧은 시간 내에 절연막(140)이 최대 상태에 도달해서 파열하게 됨을 의미한다. 그리고 이러한 작용은 스파크의 발생 주기를 짧아지게 하는 효과를 가져오므로, 전압을 높이지 않아도 스파크 발생 주파수를 높여서 작업 효율의 증대를 가져올 수 있다.
이때, 기체 공급 수단(160)에 의하여 기체를 공급하는 시점은 가공 대상물(W)을 전해액(130)에 침지한 다음 공구 전극(110)에 전압을 걸기 전, 또는 공구 전극(110)에 전압을 건 후가 될 수 있다.
도 4는 일정한 크기(예를 들면 28V)의 직류 전압을 공구 전극(110)에 걸어주었을 때, 전류의 흐름을 나타낸 그래프로서, 도 2(b)에 도시된 것과 같이 공구 전극(110) 주변에 기체를 분사하여 전해액의 두께를 감소시킨 상태에서 측정된 것이다.
전압을 걸었을 때 전극 및 전해액을 통하여 전류가 흐르면서 공구 전극(110) 주변에 수소 기포가 발생함과 동시에 전극(110) 주변에 절연막(140)이 점점 형성된다. 절연막(140)이 점점 형성되어가면서 전류 흐름이 감소하다가 절연 상태에 이르는 순간 절연막(140)이 파열됨과 동시에 다시 전류가 흐르게 되는 과정이 반복되는 것을 도 4의 그래프는 보여주고 있는데, 대략 4 kHz의 주파수로 위 과정이 반복됨을 확인할 수 있었다. 공구 전극 주변(110)에 기체를 분사하지 아니한 종래의 전해방전가공에서는 동일 전압이 걸렸을 때 대략 1 kHz의 주파수로 위 과정이 반복되었다. 즉, 단순히 공구 전극 주변(110)에 기체를 분사한 것만으로도, 스파크 발생 빈도를 현저히 높일 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure pat00001
표 1은 기존의 전해방전가공(ECDM)과 본 발명의 일 실시예에 따른 전해방전가공(Air-ECDM)에 따른 가공 속도 및 표면 거칠기를 개시하고 있다.
본 발명에 따른 전해방전가공(Air-ECDM)과 종래의 전해방전가공(ECDM)을 비교하여 보면, 대략 15배 정도의 가공 속도의 향상을 가져옴을 확인할 수 있었다. 즉, 공구 전극 주변에 기체를 분사하는 비교적 단순하고, 적은 비용의 기술적 수단을 구비하는 것만으로도, 종래의 전해방전가공(ECDM)과는 차별화되는 가공 속도를 가질 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 3(a)는 종래의 전해방전가공(ECDM) 과정에서, 수소 기포가 전해액(130)의 수면에 떠올라 축적되는 상태를 도시한 것이다. 공구 전극(110)에 전압을 걸어주면 공구 전극(110) 주변에 형성된 수소 기포가 공구 전극(110)에 달라붙어 절연막(140)을 형성하게 됨은 전술한 바와 같다. 그렇지만 일부 수소 기포는 전해액(130)의 수면 위로 떠올라 공구 전극(110)의 주변에 달라붙어 축적되는데, 이렇게 축적된 수소 기포들은 갑자기 파괴되면서 스파크 발생 주파수에 영향을 미치게 된다.
도 3(b)에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전해방전가공(Air-ECDM)에서는, 공구 전극(110) 주변에서 기체가 지속적으로 고압으로 분사되므로 전해액(130)의 수면에 떠오르는 수소 기포를 날려보내게 된다. 그러므로 전해액(130)의 수면 위로 떠오르는 수소 기포가 공구 전극(110)의 주변에 축적되는 것을 사전에 방지하게 된다. 그러므로 본 발명에 따른 전해방전가공(Air-ECDM)에서, 공구 전극(110) 주변에 기체를 분사하는 기술적 사상을 통하여, 가공 속도를 획기적으로 높이는 것은 물론, 전해액 수면에 축적되는 수소 기포에 의해서 발생할 수 있는 스파크 발생 주파수 변동을 감소시킬 수 있게 된다.
도 2(b) 및 도 3(b)에서 기체를 분사하는 기체 공급 수단(160)은 공구 전극(110)의 일측에서 전해액(130)의 수면 방향으로 경사지게 기체를 공급하는 형태로 도시되었으나, 통상적으로 노즐이 채용되는 기체 공급 수단(160)은 둘 이상이 배치되어 사용될 수 있다. 그리고 노즐의 방향은 공구 전극(110)의 하단부에 위치하는 전해액(130)의 수면 높이를 감소시킬 수 있는 방향이라면, 그 구체적인 방향(각도 및 방위) 은 특별히 제한되지 아니한다.
이상 본 발명을 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예를 기초로 설명하였으나, 위 도면은 본 발명에 따른 일 실시예를 도시한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은 위 도면에 도시된 실시예에 한정되지 아니하고, 청구범위에 기재사항에 의하여 결정되는 것임은 자명하다고 할 것이다.
110, 510: 공구 전극(음(-)의 전극) 130, 530: 전해액
140, 540: 절연막 150: 수소 기포
160: 기체 공급 수단 500: 전해방전가공장치(ECDM)
520: 양(+)의 전극 560: 전해액 수조
W: 가공 대상물(Workpiece)

Claims (9)

  1. 전해방전가공장치에 관한 것으로서,
    가공 대상물(W)이 침지되는 전해액을 수용하는 전해액 용기;
    상기 전해액 내에 일단부가 침지된 공구 전극;
    상기 전해액 내에 일단부가 침지되되, 상기 공구 전극과 전기적으로 연결된 양의 전극;
    상기 공구 전극과 양의 전극 사이에 전력을 공급하는 전원; 및
    상기 공구 전극의 일단부와 상기 가공 대상물(W) 사이에 존재하는 전해액의 수위를 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해방전가공장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전해액의 수위를 조절하는 수단은 기체 공급 수단인 것을 특징으로 하는 전해방전가공장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기체 공급 수단은 기체를 분사하는 노즐인 것을 특징으로 하는 전해방전가공장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기체는 공기 또는 불활성기체인 것을 특징으로 하는 전해방전가공장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기체 공급 수단은 전해액의 수면에 대하여 45-90° 로 기울어진 상태로 기체를 전해액으로 공급하는 것을 특징으로 하는 전해방전가공장치.
  6. 전해방전가공방법에 관한 것으로서,
    가공 대상물(W)을 전해액에 침지하는 가공 대상물 침지 단계; 및
    상기 전해액 내에 일단부가 침지된 공구 전극과 양의 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 단계를 포함하되,
    상기 가공 대상물 침지 단계와 상기 전압 인가 단계, 또는 상기 전압 인가 단계 이후에 상기 공구 전극의 일단부와 상기 가공 대상물(W) 사이에 존재하는 전해액의 수위를 조절하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 전해방전가공방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전해액의 수위를 조절하는 단계는 기체 공급 수단에 의하여 기체를 공급하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전해방전가공방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기체 공급 수단은 기체를 분사하는 노즐인 것을 특징으로 하는 전해방전가공방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 기체는 공기 또는 불활성기체인 것을 특징으로 하는 전해방전가공방법.










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