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로전 컨/예술과 과학의 관점에서 바라본 EDM 와이어의 생산공정
등록일 2011-03-11 08:43:21 작성자 관리자
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이 기사는 미국 EDM TODAY 2009년도 7/8월호에 실린 로저 컨(GTN 최고기술책임자)의 칼럼내용을 저자의 허락에 따라 옮겨 실은 것임을 알려드립니다.


이 기사는 미국 EDM TODAY 2009년도 7/8월호에 실린 로저 컨(GTN 최고기술책임자)의 칼럼내용을
저자의 허락에 따라 옮겨 실은 것임을 알려드립니다.

우리가 매일 사용하고 있는 EDM 와이어의 생산공정은 생각보다 훨씬 더 복잡하다. 이번 호에서는
원재료가공부터 포장에 이르는 EDM 와이어 생산공정 전반에 걸쳐 알아봄으로써 전체 산업에 걸쳐
광범위하게 활용되고 있는 EDM 와이어에 대한 독자 여러분의 보다 나은 이해를 돕고자 한다.

전반부에서는 황동 와이어의 생산공정을 세부적으로 다룰 예정이며, 후반부에서는 코팅 와이어 생산을
위해 거치게 되는 추가적인 단계에 대해 알아보기로 한다.



황동 와이어

황동 와이어의 생산공정(동 와이어의 생산공정과 유사)은 다음과 같이 주요한 단계로 나눌 수 있다.

*주조(Casting)
*압연(Rolling)
*예비 신선(Preliminary Drawing)
*마감 신선(Finish Drawing)
*권취(Spooling)
*포장(Packaging)


주조

황동 EDM 와이어는 구리와 아연의 합금이다. 그 대부분의 구성비는 구리 65: 아연 35에서 구리
60: 아연 40을 이루며 구성비 요소는 무게를 기준으로 한다. 이러한 합금과정에 있어서 구리는 주로
음극 판의 형태를 띠게 된다. 음극 판이라고 불리는 이유는 구리를 제조하는 최종 제련과정이 주로
전해공정이고, 그 과정 중에 구리가 수조 속에서 음극을 형성하기 때문이다. 따라서 구리는 종종 전해
성 구리라고 불린다. 반면에 아연은 합금과정에 있어 주로 잉곳(벽돌 모양의 덩어리)의 형태를 띤다.
대부분의 품질이 우수한 EDM 와이어는 부스러기 조각이 아닌 원광석으로부터 채취된 순수한 원재료
에서 만들어지며, 매우 중요한 것은 EDM 와이어를 생산하기 위한 이러한 원재료가 가능한 순수해야
한다는 점이다. 이는 부스러기 조각을 모아 구리나 아연을 만들게 되면 생산되는 최종 제품에 오염
물질이 함유될 가능성이 상존하기 때문이다. “쓰레기 같은 재료를 넣으면 결국 쓰레기 같은 제품이
만들어진다.”는 옛 속담은 EDM 와이어의 생산에도 적용된다.
원재료가 정확한 무게비율로 도가니에 담기면, 도가니는 원재료를 액화시키기 위해 저항소자 또는
유도에 의해 가열된다. 대량의 주조가 진행되기 전, 도가니에서 채취된 샘플은 굳힌 상태로 실험실로
보내져 분광사진을 찍어 합금비율과 함유된 오염물질을 검사하게 된다. (그림 1 참조)



16mm Cast Bar -> 16mm 주조 막대
8mm Rolled Rod -> 8mm 압연 봉
0.8mm Redraw Wire -> 신선된 0.8mm 와이어



실험실에서 샘플에 대한 분석이 끝나면, 주조를 시작한다. 대부분의 품질이 우수한 EDM 와이어의
생산은 연속주조방식으로 시작한다. 연속주조는 도가니 안에서 용융된 재료를 물로 냉각처리 한 흑연
금형으로 된 저장소에 연속적으로 부어 넣는 공정으로서, 저장소 안에는 용융된 금속을 실린더 형태의
막대로 변형시키는 통로가 있다. (그림 2A 및 2B 참조) 금형을 통과한 막대(보통 직경 16mm 정도)는
공기 중에서 냉각시켜 커다란 릴(reel)에 감아 놓는다. 이 공정 중에는 후속 작업을 위해 최적화시킨
막대의 입도와 일관성을 확보하기 위해서 공정에 적용되는 변수들을 세심하게 관리하여야 한다.


압연

이렇게 큰 코일 형태의 막대는 압연기로 이송되어 예비 신선작업을 진행할 수 있도록 단면 축소작업을
하게 된다. 실제 단면은 제조사에 따라 다르지만, 일반적으로는 변형된 정사각형 형태가 대부분이다.
일련의 압연 과정을 거치면서 단면은 대략 16mm에서 8mm 로 줄어들며, 생성된 와이어는 다시 릴에
감아놓는다. 압연공정 중에 와이어는 심하게 변형되면서, 강도가 지나치게 증가되므로 후속공정을
진행하기 위해서는 풀림(Anneal) 작업을 해야 한다. 감긴 릴을 커다란 용광로에 적재하여 재결정온도
까지 가열한 후 천천히 식혀 후속공정이 가능하도록 연화시킨다. 이 시점에서 또 다른 샘플을 채취하여
실험실로 보내 금속의 무결성과 입자의 크기를 검사한다.



예비신선

풀림 작업 후, 정사각형 단면의 와이어는 특수 윤활유에 잠긴 상태로 일련의 신선 다이(die)를 거치게
되며 (보통 열 개 내지 스무 개), 대략 직경 0.9mm 단면의 와이어로 신선된다. 각 다이를 거치는 동안
축소되는 정도, 신선작업의 속도, 윤활유의 종류와 상태, 신선 다이 입구의 기하학적 구조(그림 3 참조), 신선용 다이 제작에 사용된 재료들과 같은 것들이 최종적으로 생산된 제품의 품질에 영향을 미치는 중요한 요소들이다. 또한 예비신선공정 중에도 추가적인 풀림 작업이 진행될 수 있다. 최종적으로 생산된
제품 중 샘플을 골라 실험실에서 금속학적 무결성, 입자의 크기, 표면 마감정도, 인장강도 및 연신율을
검사한다. 이 단계에서 생산된 제품을 “반복신선 와이어” 라고 부른다.
이 때 주목해야 할 것은 주조, 압연 및 사전 신선 공정이 자본집약적인 특성을 지니고 있기에 많은
와이어 생산업자들이 직접 이러한 반복신선공정을 거친 와이어를 생산하지 않고 이를 전문적으로
생산하는 공장에서 구입한다는 사실이다. 따라서 자체적으로 반복신선공정을 거친 와이어를 생산하지
않는, 수직 계열화 체계를 갖추지 못한 와이어 생산업자는 최상의 품질을 보장하는 공장에서 반복신선
와이어를 구매하는 것이 무엇보다도 중요하다. 들쭉날쭉한 품질의 반복신선와이어를 사용하여 지속적
으로 고품질의 EDM 와이어를 생산하는 것은 불가능하기 때문이다.

마감신선

직경 0.9mm의 와이어를 최종적으로 원하는 단면적의 와이어로 가공하는 공정을 마감신선이라고 한다.
마감신선공정은 예비 신선공정과 유사하지만 최종적으로 완성된 제품을 생산하는 공정이니 만큼,
마감신선공정에 적용되는 변수들은 아주 엄격하게 관리된다. 반복신선공정을 거친 와이어는 특수 윤활
유에 잠긴 상태로 대략 열 내지 스무 개의 신선 다이를 통과한다. 마감신선공정에 있어서 제반 신선
다이 스테이션에는 인조 또는 천연 다이아몬드가 사용된다.
아울러 마감신선공정에 있어서 신선용 윤활유의 상태와 유지보수는 특히 중요하다. 와이어의 단면적이
줄어들기 때문에, 신선 다이 표면에 아주 미세한 흠집이 있으면 황동가루가 발생하게 되어 윤활유에
섞일 수 있기 때문에 후속 신선공정에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 또한 윤활유는 신선공정 중에
다량의 열을 흡수하기 때문에, 윤활유의 온도 역시 엄격한 관리를 필요로 한다.
궁극적으로 완성된 EDM 와이어의 진직도는 마감신선공정의 마지막 신선단계에서 결정된다. 따라서
진직도가 높은, 곧은 와이어를 생산하기 위해서는 마지막 신선 다이 삽입부품(insert)의 위치와 삽입
방식이 적절하게 조정되어야 한다. EDM 와이어의 신선작업에는 진직도를 향상시키기 위한 그 어떤
공정도 없다. 따라서 와이어는 진직도가 양호하든지 아니면 그렇지 않든지 둘 중의 하나일 수밖에 없다.
마지막 신선 다이를 통과한 와이어는 마감신선 전 공정에 걸쳐 냉온상태에서 변형이 이루어지기 때문에 딱딱하고 잘 부스러지는 특성을 지니게 된다. (마감신선공정 중에는 중간에 열처리 과정이 없다.)
따라서 신선이 끝난 와이어는 바로 풀림 처리를 하여 와이어가 활용될 작업의 성격에 맞게 고강도,
중간 강도 또는 다소 부드럽게 만들어야 한다. 이러한 풀림 공정은 제조사에 따라 그 작업과정이 다르다.
몇몇 와이어 제조사는 와이어가 물을 주요 성분으로 하는 냉매에 잠겨 있을 때 전류를 흐르게 함으로써
전기 저항을 이용하여 풀림 작업을 진행한다. 한편 일부 다른 제조사들은 산화를 방지하기 위해 비활성
기체로 보호된 튜브 형태의 용광로 속으로 와이어를 통과시키기도 한다.
풀림 작업과는 관계없이 세척 및 건조된 와이어는 대략 100내지 200kg 중량 단위로 임시 권취된다.
권취되기 전에 마감된 와이어의 샘플을 실험실로 보내 다음 사항들을 검사한다

●직경
●난형도
●인장강도(그림 4 참조)
●연신율
●진직도
●청결도
●표면 상태



X축 설명: 변형도
Y축 설명: 피로강도

권취

이 시점이 되면 아마도 여러분은 “이제 어려운 공정은 다 끝나고 나머지 공정은 쉽게 끝나겠지!” 하고
생각할 지도 모른다. 하지만 고객이 제기하는 불량요인의 대부분이 부적절한 권취 때문에 생긴다는
것을 알고 계신지? 사실이다!
권취 공정을 시작하기 전에 우선 와이어를 감을 스풀 자체를 검사해야 한다.

●스풀이 일정한 동심을 형성하고 있는가?
(스풀의 양단부가 스풀 중심의 구멍을 정확하게 관통하는지 여부)
●스풀의 테두리는 평행한가, 그리고 스풀의 중심과도 평행을 이루는가?
●금형 작업 중에 생긴 매듭 선이나 띠가 있어 혹 와이어가 안정적으로 감기고 풀릴 수 없지는 않는가?

기본적으로 와이어의 권취는 그 공정에 있어서 정확하고 일관된 관리가 필요하다는 점을 제외하면
릴에 낚시 줄을 감는 것과 크게 다를 바가 없다. 와이어가 부드럽고 엉킴 없이 감기지 않는다면, 스풀
자체가 무용지물이 되며, 권취 공정에서 야기된 문제로 인해 기계까지 서버린다면 전체 생산공정에
소요되는 시간이 늘어져 버리는 결과를 초래하게 된다.
권취 공정에 있어서 가장 중요한 작업 중의 하나는 스풀의 테두리를 정확히 맞추기 위해 횡단 전환점을
설정하는 것이다. 만약 전환점이 스풀의 테두리를 넘어 높게 설정되면, 와이어가 권취 중 전환될
때마다 이전에 감긴 와이어 위에 다시 감기게 되므로 자주 기계가 정지된다. (그림 5 참조) 그러나
반대로 전환점이 스풀의 테두리보다 낮게 설정되면, 전환된 와이어가 불규칙적으로 전환점을 넘어
흘러 넘치게 되므로 이 또한 이미 감긴 와이어 위에 또 와이어가 감기게 되는 결과를 초래한다.
(그림 6 참조)
한편 설정된 전환점과 스풀 테두리 사이의 간격은 맞지만, 테두리 쪽으로 중심이 치우쳐 설정되지
않으면, 앞서 언급된 상태의 불량이 나타나게 된다.
(그림 7 참조)
따라서 이상적인 것은 항상 스풀 테두리 벽보다 약간 낮게 전환점이 설정되는 것이다. (그림 8 참조)

많은 사람들은 권취기의 횡단율 (혹은 권취 간격)이 와이어가 서로 아주 근접하도록 설정된다고
생각한다. 그러나 보통 그렇지 않다. 원활한 권취와 되감기를 위한 정확한 권취 간격의 설정은 거의
예술에 가깝다고 할 수 있으며 와이어 생산 공정에 있어서 셀 수 없는 기밀사항들 중의 하나이다.
통상적으로 권취 간격은 와이어 직경의 서너 배에 달한다. (그림 9 참조)


권취 장력은 와이어가 성공적으로 풀리게 하는데 있어서 또 하나의 매우 중요한 공정 요소이다. 만약
권취 장력이 너무 높게 설정되면, 와이어가 층층이 쌓이면서 발생되는 축력이 배가되어, 와이어가 감긴
스풀이 포장되고 선적된 지 한참 지나서 스풀의 테두리가 부서지는 사고가 발생할 수 있다. 반대로 권취 장력이너무 낮게 설정되면, 포장된 와이어를 이송할 때 충격이 가해질 경우, 인접한 와이어가 이동하여
포장을 풀기도 전에 뭉치거나 엉켜버릴 수 있다.
한 때는, 권취 작업을 시작하기 전에 EDM 와이어 가닥마다 파라핀 왁스를 뿌려 코팅한 적이 있었다.
이처럼 윤활제를 첨가하는 것은 와이어를 감거나 푸는 공정을 보다 원활하게 하기 위해서였다. 아울러
와이어가 다이아몬드 가이드를 통과할 때 파라핀이 마치 윤활제처럼 작용할 것이라고 여기기도 했다.
게다가 조잡하게 만들어진 와이어의 경우, 표면에 뿌려진 파라핀이 황동가루를 감추는 역할도 했다.
하지만 불행히도, 파라핀은 실제 작업 중 EDM 와이어에 문제를 일으킬 소지가 있다. 파라핀이 기계의
롤러에 쌓이게 되면 미끄럽게 되어 장력에 문제가 생길 수 있다. 또한 파라핀이 가이드 시스템에 쌓이면 와이어 이송 및 유지보수에 문제가 발생할 수도 있다. 게다가 파라핀은 절연체의 특성도 갖고 있어
와이어 끝 단이 가공물을 찾아 들어가는 작업에 방해 될 수도 있다. 그래서 오늘날 높은 정밀도를 지닌 EDM 와이어는 많은 공작기계 생산자들이 요구하는 대로 파라핀 성분 없이 생산되고 있다.

포장

와이어를 포장하는 데는 두 가지 주요한 목적이 있다:

●와이어의 산화와 부식 방지
●스풀을 충격으로부터 보호

산화방지

와이어 생산업체가 와이어를 산화와 부식으로부터 보호하는 방법은 다음의 세 가지이다:

●와이어를 포장하는 상자 안에 습기를 제거하는 건조제를 집어 넣는다.
●플라스틱 커버를 스풀 통과 테두리 부분에 두른다.
●스풀 전체를 플라스틱이나 호일로 된 가방 안에 집어 넣고 공기를 제거한 후 밀봉한다.

분명 마지막 방법이 비록 포장비는 비싸지겠지만 가장 최선의 방법일 것이다.

충격으로부터 보호

여러분은 택배직원이 트럭에 화물을 올리고 또 내리는 것을 본 적이 있나요? 당신의 소중한 EDM
와이어가 담긴 상자는 배달 중에 종종 아주 거칠게 다뤄진다. 또한 상자가 현대적인 물류시스템을
구성하는 컨베이어 벨트를 통과하는 중에도 육십 내지 백 센티미터에 육박하는 낙차에서 떨어질 수
있다는 것을 알고 있나요? 따라서 이처럼 거칠게 다뤄지는 과정 속에서도 견딜 수 있도록 스풀을 세심
하게 포장하는 것이 무엇보다도 중요하다. 이를 위해 스풀을 성형된 스티로폼 박스에 집어넣거나
(그림 10 참조), 판지를 이용해 상자 안에 받침대를 만들고 빈 틈새를 채워 넣기도 한다. 개인적인
생각으론 스티로폼만큼 좋은 것은 없다고 여기지만, 일부 국가, 주, 지방자치단체 및 세관에서 스티로폼 사용을 금지하고 있는 것이 문제이다. 따라서 잘 고안된 판지를 이용하여 받침대와 완충장치를 디자인해서 쓰면 EDM 와이어 스풀을 적절히 보호할 수 있다. (그림 11 참조) 또한 진공압축포장을 적용하면 와이어를 안정적으로 지탱해주기 때문에 선적 중 심한 충격에도 잘 움직이거나 흔들리지 않는다는 것도 증명된 바 있다.


코팅와이어

실질적으로 EDM 와이어에 적용되는 모든 코팅은 아연을 얇게 입힌 것이다. 코팅와이어의 종류는
기본적으로 다음의 세 가지이다:

●아연코팅
●열처리 아연코팅
●열처리 다층 아연코팅

이러한 와이어를 생산하는데 있어서는 앞서 소개한 일반 황동 (혹은 동)을 제조하는 공정에 추가적으로
도금 및 열처리 공정이 요구된다. 여기에서는 와이어의 종류와 구성에 대해서가 아닌 제조공정에 대해서 기술하기로 한다.

코팅된 EDM 와이어에 대한 가장 흔한 오해는 코팅이 마지막 공정에서 이루어질 거라고 생각하는 것이다. 일반적으로 이는 사실이 아니다. 실제로 도금 및 열처리는 마감신선공정이 아닌 0.9mm로 신선된 와이어에 적용한다.

코팅

직경 0.9mm로 신선된 와이어는 다음 중 한 가지 방법으로 아연을 코팅한다:

●용융도금
●전기도금

용융도금은 와이어가 용융된 아연이 담긴 수조를 통과하면 아연이 와이어에 달라붙어 굳는 방식이다.
용융도금방식은 아연을 와이어에 코팅하는 가장 경제적인 방법이지만, 코팅 두께를 정확하게 조절해야 하며 미세한 구멍을 방지하기가 용이하지 않다.

전기도금방식에서는 와이어가 전류가 흐르는 화학도금수조를 통과할 때, 수조 속의 아연이온이 와이어
표면에 도금된다. 전기도금의 용착 속도는 용융도금보다 엄청나게 느리기 때문에 수조는 30미터에 달하며 와이어는 수도 없이 수조 속을 오가야만 한다. 단 전기도금을 통해 코팅 두께를 매우 정확하게 조절하는 것은 가능하다. 반복 신선된 와이어의 코팅 두께는 일반적으로 10 내지 50 마이크론이다.

열처리

코팅와이어에 처리되는 아연코팅은 그 절삭능력을 향상시키기 위해 종종 열처리 과정을 거치게 된다. 열처리공정(확산 풀림이라고 불리는)을 거치는 동안, 중심부와 코팅물질의 분자는 맞닿는 경계부분에서 집중적인 변화를 일으키며 섞인다. 그 결과 순수한 아연코팅이 베타 또는 감마 황동와이어에 아연이 풍부하게 함유된 합금으로 변화된다. 코팅된 반복신선와이어에 대한 열처리에는 다음의 두 가지 방법이 있다:

●일괄 열처리
●연속 열처리

일괄 열처리공정에서는 코팅된 반복신선와이어를 공기조절장치가 장착된 용광로에 집어넣고 일정한
온도에 도달하기까지 일정 시간 동안 놓아두게 되며 그 동안 공기를 비활성 상태 또는 진공상태로 만들어 산화가 발생하지 않도록 한다.
반면 연속 열처리공정에서는 와이어가 두 세트의 롤러 사이로 이송되는 동안 와이어에 전류가 흐르게
되며 가스 발생식 피복에 의해 대기로부터 차단된 상태에서 가열된다. 전류의 크기, 이송거리 및 이송
되는 와이어의 속도가 연속 열처리공정의 중요한 변수로 작용한다.
말할 필요도 없이, 복수 코팅 및 열처리된 와이어는 코팅 및 열처리 공정 전체가 두 번 반복된다.


코팅와이어의 마감신선에 있어서 고려할 점

코팅된 반복신선와이어의 마감신선작업을 수행하는 데는 그 난이도와 복잡성이 배가된다. 코팅된 반복
신선와이어의 직경을 4배 정도 축소하는데 있어서 코팅이 벗겨나가지 않고 일정한 코팅 두께를 유지하는 것은(와이어는 열처리 후 보통 잘 부서짐) 상당히 어려운 일이다.
마감신선 후 와이어는 실험실로 보내져 플라스틱에 장착하여 단면검사를 실시한다. 현미경 사진을 찍어 코팅의 균일한 정도와 두께 그리고 열처리에 따른 코팅변화의 완성도를 검사한다. (이중 코팅 및 열처리
된 와이어의 단면을 나타내는 그림 12 참조)


결론

우리가 많이 활용하고 있는, 그러나 종종 너무나 당연하게 여기는 고정밀 EDM 와이어는 거대한 자본
투자, 높은 수준의 공학기술, 수세기에 걸쳐 예술의 경지에 도달한 신선기술 그리고 끊임없는 품질향상
의 노력이 성공적으로 결합된 놀라운 결과물이다. 와이어에 내재한 아주 미세한 결함이 매우 중요한
작업을 망칠 수도 있는 오늘날의 산업환경 하에서 EDM 와이어를 고를 때는 “소탐대실” 이라는 격언을
명심해야만 한다.

 
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