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EDM 작업에서 가공물의 변형을 방지하려면
등록일 2011-06-27 13:40:12 작성자 관리자
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이 기사는 미국 EDM TODAY 2010년도 봄호에 실린 로저 컨(GTN 최고기술책임자)의

칼럼내용을 저자의 허락에 따라 옮겨 실은 것임을 알려드립니다.




방전가공에 종사하고 있는 사람이라면 누구나 가공물의 변형에 대한 인식 부족과 그에
따른 처리 문제로 인해 하루 종일 골치를 썩은 적이 있을 것이다.
이번 호에서는 방전가공물의 변형을 초래하는 주요한 원인들을 밝혀내고, 잔류응력이나
유발된 변형력이 마감된 가공물의 품질에 미치는 부정적인 영향을 최소화 할 수 있는
방안을 모색하고자 한다.


대부분의 가공물은 잔류응력을 지니고 있다. 어느 공작물이 .0001 인치 오차범위 안에서 편평하고,

평행을 이루며, 직각을 유지하고 있다고 하더라도 그것 자체만으로 변형이 생기지 않으리라는 보장은

없다. (그림 1 참조) 그것은 단순히 가공물에 가해지고 있는 응력이 일순간 균형을 이루며, 일정하게,

정반대로 작용하고 있음을 의미할 뿐이다. 설사 가공물 자체에 잔류응력이 없다고 하더라도 방전

가공기에가공물을 고정시키는 과정에서 변형력이 유발될 수 있어 방전가공 중이나 혹은 작업이

끝나 부품이 고정상태를 벗어나게 된 후에 문제를 야기할 수 있다.








흔히 방전가공 중에 응력이 가해짐으로써 공작물이 뒤틀리거나 갈라진다고 알고 있지만,

이는 사실과 다르다. 고전압을 가하는 형조방전가공 외에는 그럴 가능성이 전혀 없다.




● 여러분은 다음과 같은 상황들을 경험한 적이 있습니까?

※ 방전가공작업 전에 부품의 편평도를 확인했는데도 불구하고 작업 후 다시 확인해 보니

    0.002 인치나 휘어져 있었다.

※ 권고된 허용오차를 넘어섰는데도 불구하고 마감작업이 깨끗하게 이루어지지 않았다.

※ 주말에 부품가공 작업을 걸어놓고 갔는데, 다녀와 보니 와이어가 모자라 작업부위에서

    블록의 끝 단에 이르는 균열이 발생했다.

※ 카바이드 펀치에 균열이 생기고 쪼개진다.

※ 황삭가공 중에 카바이드 다이에 균열이 생긴다.

※ 와동의 처음과 끝 윤곽선이 들어맞지 않는다.

※ 황삭 및 정삭 가공된 기어 구멍의 진원도가 .001”나 벗어나 있다.


이러한 경우들 모두가 방전가공물에 이미 존재하고 있었거나 혹은 가공물을 고정시키는

과정 중에 가공물에 유발된 응력 때문에 생기는 현상이다!

기계적으로 잔류응력을 해결하는 가장 잘 알려진 방법은 냉간 압연된 재료의 한쪽 면만을

가공해서 마감치수를 맞추는 것이다. (그림 3 참조)

아울러 방전가공작업을 실패하게 만드는 변형응력이 발생하는 주요 원인들에 대해 좀더

알아보기로 한다.




● 원재료의 응력


방전가공작업자라면 각종 동 혹은 텔루륨 성분이 함유된 동으로 암수전극을 만드는 작업을 자주 하게

마련이다. 이러한 재료들은 보통 공장으로부터 냉간 압연된 상태로 공급된다. 강편으로부터 막대가

냉간 작업으로 만들어지는 과정에서 응력이 사라지지 않고 엄청난 변형을 일으킴에 따라, 냉간

압연된 동 막대는 냉간 압연된 철과 마찬가지로 잔류응력을 지니게 된다. 냉간 압연된 재료로

전극을 만들거나 전극에 구멍을 내는 동안, 재료에는 엄청난 변형이 생긴다. 

피로변형을 유발하는 응력의 발생을 최소화하기 위해서는 응력이 제거된 동을 사용한다.

응력이 제거된 동은 장시간의 가열 및 냉각과정을 거쳐 냉간 작업 중에 생긴 응력을 없앤다.

다음의 전략을 따르면 카바이드 가공물에서 발생하는 잔류응력으로 인한 작업실패의 가능성을

줄일 수 있다.


카바이드는 주로 방전가공과정을 거치는 재료로서 텅스텐 카바이드와 코발트 분말을 섞어 압축

및 소결시켜 만드는 분말금속제품이다. 소결 공정을 거치는 동안, 카바이드는 대략 25% 정도 수축

되는데, 이 과정에서 상당한 양의 변형응력이 발생한다. 따라서 방전가공, 특히 와이어 방전가공에

의해 구멍을 내고 윤곽을 맞춰 가는 작업을 하다 보면 불균형적으로 잔류응력이 상쇄되면서 재료에

균열이 발생하게 되는 것이다.


※ 와이어 방전가공에 적합하도록 만들어진 카바이드를 등급에 따라 제공하는 유명제조업체에서

    카바이드를 구입할 것.

※ 소결에 따른 응력발생을 최소화하기 위해 예비 성형 틀에 구멍과 절개구조를 설계할 것.

※ 와이어 방전가공을 하는데 있어 마감 가공을 하기 전에 예비 및 황삭 가공을 실시할 것.


● 납땜에 따른 응력


후속작업으로서 방전가공을 거치게 되는 많은 공작물들은 카바이드와 철을 함께 납땜 처리한

것들이다. 납땜 공정을 거치는 동안 카바이드와 철은 납땜에 사용되는 물질(보통 은납)의 용융점을

초과하는 온도까지 가열된다. 불행히도 카바이드의 열팽창계수는 대략 철의 절반 수준이기 때문에,

납땜 처리된 조립부품이 상온에 이르게 되면 두 개의 물질이 나타내는 수축 정도의 차이가 상당한

잔류응력을 일으켜 이후에 진행될 방전가공작업에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

대부분의 납땜 전문가들은 카바이드와 철 사이에 동으로 된 쐐기를 끼워 상호간 수축도의 차이가

흡수되도록 한다. 또한 가능하다면, 하나의 긴 카바이드가 아닌, 여러 개의 짧은 카바이드를 철에
 
납땜하여, 각각의 간극이 자연스럽게 응력을 배출하는 포인트가 되도록 한다. 그밖에 앞서 언급된

것과 마찬가지로 카바이드에 대한 응력을 제거하는 방법을 따라야 한다.


● 제조과정에서 발생하는 응력


제조과정 중 부품의 표면에 응력을 발생시키지 않는 것은 래핑(lapping)과 호닝(honing)뿐이다.

※ 밀링과 회전 공정은 부품의 표면에 영향을 미치는 인장 및 압축을 일으키는 응력을 발시킨다.

※ 그라인딩 작업 중 발생하는 스파크는 부품의 표면이 높은 온도에 이르게 하며 그에 따라 보통

    잔류인장응력을 발생시킨다.

이처럼 기계작업 또는 연마작업을 마치고 후속적으로 방전가공작업을 실행하는 경우, 이미 발생된

잔류응력을 안고 있는 가공물은 방전가공을 거치면서 응력이 풀어진다.



● 열처리 과정에서 발생하는 응력


재료에 대한 열처리 과정에서는 두 개의 상이한 방법으로 상당한 잔류응력이 생길 수 있다.
 
대부분의 철강 부품에 있어서는, 열처리 과정에서 분자구조가 오스테나이트와 같은 면심입방구조

에서 마텐자이트와 같은 체심입방구조로 변화된다. 이와 같은 분자구조의 변화는 약간이나마

재료의 팽창을 불러일으키고 잔류응력을 발생시키는데, 이 응력의 대부분은 뜨임 공정을 통해 제거

될 수 있다. 그러나 담금질 중에는 모든 오스테나이트가 마텐자이트로 변환되지 않고, 2~3% 정도가

남아있다가 나중에 변환되곤 한다. 이러한 후속적인 변환 때문에 추가적으로 제거되지 않은

잔류응력이 발생하는 것이다.




이러한 상황을 피하고 중요부품을 가공하기 위한 두 가지 전략

※ 가능한 한 공기 중에서 경화된 철을 사용할 것. 기름 안에서 담금질하는 것보다 공기 중에서 

    담금질 하는 것이 보다 용이하며 잔류응력도 덜 발생된다.

※ 일반 열처리 공정 이후에 급속냉동과 이중인발공정을 실시한다. 급속냉동과 이중인발공정은

    응력을 제거하기 위해 영하 100도 이하에서 오스테나이트를 변환시킨 후 부품에 대한

    이중뜨임작업을 진행한다.

    우리 공장에서는 이 기술을 적용하여 비행기 엔진의 회전자를 성공적으로 가공하고 있으며

    허용오차를 +/- 5/100,000 내에서 깐깐하게 유지하고 있다.


알루미늄이나 티타늄 그리고 스테인레스 강 같은 물질은 정반대의 방법으로 열처리된다.

이런 재재료들은 뜨임 작업을 하여 합금을 고용화열처리(solution treat) 한 후, 시효경화

(age hardening)시킨다. 이들 합금 중 일부는 상온에서 경화가 지속된다. 시효경화된 물질은

잔류응력이 발생할 수 있다.
 
이러한 물질들을 성공적으로 가공하는 실질적인 방법은 황삭 가공 후에도 상당한 여유를

남겨놓는 것이다.


열박음 과정에서 발생하는 응력

콘크리트처럼 카바이드는 높은 내마모성과 압축강도를 지니고 있지만, 인장강도는 낮다.

많은 금속 가공작업(인발 다이스, 압출 다이스와 분말금속압축 다이스)에서 이러한 단점을

극복하기 위해서 카바이드 인서트가 종종 철강 상자 안에 삽입된다. 철강 상자 안에 장착된

카바이드는 잠재 잔류 압축응력을 카바이드 인서트에 전달함으로써 인발, 압축 또는

압출공정에서 발생하는 인장응력을 견딜 수 있게 해준다. 이러한 끼워 맞춤은 종종 카바이드


인서트 직경 인치당 적어도 .001” 의 근접성을 갖고 있다. 이처럼 카바이드 인서트는 우리가

방전가공작업을 시작할 때에 철강이 전달하는 상당한 양의 잔류응력을 받게 된다. 방전가공이

진행되면서 카바이드 인서트가 열박음에 따른 응력에 저항하는 물질을 제거하기도 하지만,

때론 카바이드 단면으로부터 균일하게 제거하지 못하는 경우도 있는데, 이 경우 종종 인서트에

균열이 발생한다.


카바이드 인발, 압출 또는 압축 다이스에서 발생하는

열박음 응력에 대처하는 방법은 다음과 같다.

※ 케이싱과 방전가공에 적합한 카바이드를 선택할 것.

※ 소결 공정 전에 카바이드 예비성형에서 내부형태를 대략적으로 만들 것.

※ 케이싱 전에 카바이드 예비성형에서 내부형태를 대략적으로 만들 것.

※ 내부 형태를 위한 내부 모서리의 반지름을 넉넉하게 잡을 것.

※ 예비성형에서 마감형태로의 변환이 손쉽도록 수많은 황삭 공정을 실행할 것


형조방전가공으로 케이싱된 카바이드 다이스에 내부 형태를 만드는 것은 와이어 방전가공처럼

구멍을 내고 점진적으로 가공해 나가는 것이 아니라 전체 모양이 부품 안에 동시에 만들어지는

것이므로 균열이 발생할 위험성이 줄어든다. 아울러 부품 두께 길이의 구멍을 통해 즉각적으로

응력을 제거하는 방향과 반대인 z축 방향으로 진행하여 형상이 만들어지는 것도 위험성이

줄어드는 요소이다.


● 프레스 작업 과정에서 발생하는 응력

프레스 작업 중에 발생하는 응력이 미치는 영향은 응력의 양과 강도가 상대적으로 낮다는

것을 제외하고는 열박음 과정에서 발생하는 응력과 비슷하다. 그러나 1/10의 허용오차가

주어지는 작업환경에서는 성공적인 결과를 위해 잠재응력의 수준이 설정되어야 한다.

프레스 작업에 따른 응력을 극복하기 위한 방법은 앞서 언급된 열박음 응력에 대처하는

방법과 유사하다.


● 고정과정에서 발생하는 응력

앞서 언급된 응력들은 방전가공작업으로 이어지는 일반적인 작업공정에서 재료들을
 
다루다 보면 흔히 발생하며 제시된 방법들을 따르면 잘 통제할 수 있는 것들이다.

그러나 방전가공작업을 위해 부품을 셋팅 하고 지지하는 과정에서도 또 다른 응력이

발생할 수 있기에, 우리는 이를 고려해야 한다. 와이어 방전가공작업을 위해 부품을

정형화된 툴링 시스템에 장착하는 가장 흔한 방법은 바이스(vice)와 비블럭(vee block)을

활용하는 것으로, 이를 통해 충돌에 대한 염려 없이 하부의 플러시 컵이 제약 없이 가공물의

하단부에 접근할 수 있다. 그러나 불행히도 오늘날 고압의 플러싱이 유발하는 상당한 힘을

견디기 위해서는, 이러한 장치들이 가공물을 안정적으로 지지해 주어야 하는데, 이로 인해
 
잠재적인  문제가 발생할 소지가 있다. 각각의 툴링 장비들을 개별적으로 살펴보도록 하자


● 방전가공작업용 바이스

방전가공용 바이스에는 두 가지 종류가 있으며 가정 기본적인 디자인(그림 4 참조)은 부품의

끝 단을 지지하는데, 중력이나 플러싱 압력에 의해 부품이 움직이지 않도록 압착시키는 과정에서

마찰력이 발생한다. 이와 같은 상당한 힘들을 견뎌내는데 있어서 마찰력은 압착력의 일부분에

불과하기 때문에, 부품에 부분적으로 상당한 응력이 발생하려면 보다 더 큰 압착력이 필요하다.

또 다른 형태의 바이스(그림 5 참조)는 부품의 양쪽 면 전체를 지지하는데, 마찬가지로 중력이나

플러싱 압력에 의해 부품이 움직이지 않도록 압착시키는 과정에서 마찰력이 발생한다.

이러한 종류의 바이스의 장점은 중력과 플러싱 압력간의 비틀림 모멘트를 견딜 필요가 없고

압착력으로부터 발생되는 응력이 부품의 한쪽 면으로 치우치지 않고 전면으로 확산되기

때문에 한쪽 끝 단만을 고정시키는 바이스에 비해 발생되는 압착력이 낮다는 점이다.

바이스는 가공물 내에 상당한 응력을 발생시켜 가공 후 고정상태에서 벗어나게 되면 심각한

형태의 변형을 초래할 수 있다.



 바이스와 연관하여 발생되는 응력을 최소화하는 방법들은 다음과 같다.

※ 가능한 최소한의 함을 가해 고정시킬 것. 보다 많고 센 것이 무조건 좋은 것만은 아님을

     잘 보여주는 사례임.

※ 가공될 블록을 세심하게 준비하여 고정되는 표면이 응력을 균등하게 분배할 수 있도록

     편평한 상태를 유지하도록 한다.

※ 한쪽 끝 단만을 고정시키는 바이스를 사용할 경우에는 두 개를 사용하여 양 쪽 끝 단을 

    지지하도록 한다. (그림 6 참조)

※ 큰 구멍은 먼저 대략적으로 다듬는다.

※ 모든 구멍은 마감가공 전에 먼저 대략 다듬는다.

※ 황삭가공을 통해 절삭해 내는 경우에는 연마작업 중간 중간에 고정장치를 풀었다

     죄기를 반복한다.

※ 펀치 작업을 하는 경우에는 작업대상 윤곽부분에 충분한 여유를 둘 것(최소 가공물 두께의 1/5)

※ 접착식 고정방법을 고려할 것. (뒷부분에 상세설명 있음)


● 방전가공작업용 비 블록

방전가공용 비 블록(그림 7 참조)는 와이어 방전가공을 위한 원형 부품을 고정시키는 데 있어

탁월한 장치로서 부품을 감싸 안듯이 고정시키므로 부품의 위치를 반복적으로 제공함은 물론 보다

안정적인 고정이 가능하다. 그러나 바이스와 마찬가지로 비 블록 역시 방전가공 중인 가공물에

상당한 응력을 발생시킨다. 비 블록에 물린 부품의 주요한 문제는 부품이 방전가공 되는 도중 혹은

전에 고장압력이 가해져 부품이 찌그러질 수 있다는 점이다. 부품이 완성되고 고정압력이 제거되면

부품은 다시 원형 상태로 되돌아가지만, 방전가공의 결과는 왜곡된다.


비 블록과 연관하여 발생되는 응력을 최소화하는 방법들은 다음과 같다.

※ 가능한 최소한의 함을 가해 고정시킬 것. 보다 많고 센 것이 무조건 좋은 것만은 아님을 잘

     보여주는 사례임.

※ 가공될 블록을 세심하게 준비하여 고정되는 직경이 응력을 균등하게 분배할 수 있도록 진원

상태를 유지하도록 한다.

※ 큰 구멍은 먼저 대략적으로 다듬는다.

※ 모든 구멍은 마감가공 전에 먼저 대략 다듬는다.

※ 황삭가공을 통해 절삭해 내는 경우에는 연마작업 중간 중간에 고정장치를 풀었다 죄기를

    반복한다.

※ 펀치 작업을 하는 경우에는 작업대상 윤곽부분에 충분한 여유를 둘 것

    (최소 가공물 두께의 1/5)

※ 접착식 고정방법을 고려할 것. (뒷부분에 상세설명 있음)



접착식 고정방법

가공물을 고정시키면서도 응력을 발생시키지 않는 편리하고, 융통성도 있고, 안전하며, 반복성도

갖춘 바이스와 비 블록 시스템을 어떻게 하면 얻을 수 있을까? 답은 에폭시 수지 접착제이다.

통상적으로 하던 대로 바이스나 비 블록에 부품을 최소한의 압력을 주어 고정시킨다. 고정나사를

부품이 미끄러지거나 회전되지 않을 정도로만 잠그는 것이다. 그리고 나서 에폭시 수지 접착제를

부품과 바이스 죠의 사이를 따라(그림 8 참조) 혹은 직경과 비 그리고 클램프 사이에(그림 9 참조)

조금씩 떨어뜨려 바른다. 약 5분간 에폭시를 그대로 둔 상태에서 레일 위에 수평을 잡아주는

헤드를 장착한다. 부품과 고정장치가 정확한 위치를 유지하게 되며 에폭시는 중력과 플러싱

압력을 부품에 전달하지 않고 견뎌낸다. 작업이 끝나고 나서는 비금속성 망치로 톡 쳐주기만

하면 간단히 부품과 고정구가 분리된다.





 결론

방전가공을 하다 보면 겪게 되는 업무적인 스트레스를 최소화하는 데 필요한 두 가지 요소는

다음과 같다.

※ 당신이 다루는 가공물과 고정장치에서 응력이 발생할 수 있음을 인지한다.

※ 작업을 시작하기 전에 그러한 가능성에 대처할 수 있는 적절한 방법을 찾아 적용한다.


스트레스 없는 행복한 방전가공작업이 되시길 바랍니다!

 
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