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여과시스템의 기본
등록일 2011-12-05 11:56:09 작성자 관리자
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미국 EDM TODAY 2010년도 봄호에 실린 로저 컨(GTN 최고기술책임자)의 칼럼내용을 저자의 허락에
따라 옮겨 실은 것임을 알려드립니다.


 여과시스템의 기본

X축: 입자 크기, 마이크론
Y축: 밀리리터 당 입자의 수
DC Power Supply: 직류전원
AC Power supply: 교류전원
[그림 1]여과되지 않은 와이어방전가공 유전체의 입자크기 분포




⊙방전가공 유전체의 기초


여과시스템의 세부적인 사항들을 살펴보기에 앞서, 우선 방전가공에 있어서 유전체의 역할에 대해 알아보기로 하자. 유전체의 역할은 방전이 발생하는 동안 전극이나 와이어 그리고 가공물에서 떨어져 나온 물질을 고형화하여 배출하는 매개체의 역할을 하며 전극이나 와이어 그라고 가공물을 냉각시키는 역할도 한다. 이 글을 통해 알아보려는 우리의 주요한 관심사는 전자에 해당하는 유전체의 역할이다. 유전체는 절연체와 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 방전에 앞서 유전체는 절연체의 역할을 하여 와이어 또는 전극과 가공물간에 잠재적인 전위가 액 속으로 흘러나가지 않고 형성되도록 한다. 일단 와이어 또는 전극과 가공물 간에 일정한 강도의 전위가 형성되면, 유전체는 전기적으로 전도통로를 형성한다. (방전가공 용어로 방전주: Dicharge Channel)이 전도통로를 통해 스파크 에너지가 전극 또는 와이어로부터 가공물로 전달되어 가공물에 대한 절삭이 이루어지는 것이다. 방전주는 절삭속도, 표면마감 및 과대절삭에 영향을 줌으로써 모든 방전이 항상 일정한 상태를 유지하는데 있어 중요한 역할을 한다. 따라서 유전체의 상태를 항상 일정하게 유지하는 것은 방전가공을 통해 일정한 결과를 얻는데 있어 매우 중요하다고 할 수 있다. 유전체 속에 존재하는 전도성을 지닌 파편들은 방전작업 중 엄청난 영향을 미치게 되므로 유전체로부터 이러한 파편들을 효율적으로 제거하는 것은 궁극적으로 방전가공의 성공을 위해 매우 긴요하다고 할 수 있다.



⊙방전가공 유전체 시스템의 기초

유전체시스템의 기능은 기계 안에서 유전체의 상태를 항상 일정하게 유지하는 것이다. 방전과정을 거치는 동안 유전체는 고형의 오염물질, 즉 방전의 부산물로서 다시 고형화된 전극/와이어 그리고 가공물 등으로 오염된다. 이 고형의 오염물질은 방전가공 유전체시스템의 하위 여과시스템을 통해 제거된다. 일반적으로 여과시스템은 다음의 항목들로 구성된다:

 
 *오염된 유전체 보관탱크 – 오염된 유전체를 저장
 *여과 펌프 – 여과부에 압력을 가한 유전체를 공급
 *여과부 – 유전체를 정제
 *정제된 유전체 보관탱크 – 정제된 유전체를 저장


대부분의 방전가공시스템은 공장형 카트리지 여과방식의 유전체 시스템이므로, 이 글에서는 여과 카트리지에 대해 주로 논의할 것이다. 다만 글 말미에서 카트리지가 없는 여과시스템을 간략히 다룰 것이며 자세한 내역은 향후에 논의될 것이다.



⊙방전가공 여과시스템의 짧은 역사


1 세기에 이르는 방전가공의 역사에 있어서 처음 25년간, 여과시스템은 필수적이라기 보다는 뒤늦게 생각해낸 것에 불과했다. 사실, 트레일러가 달린 트랙터를 잘 살펴보면, 방전가공 여과시스템의 기원이 어디에서 시작됐는지를 알 수 있다. 바로 트랙터 운전석 외부에 장착된 빛나는 깡통이 해결책이었던 것이다. 일찍이, 방전가공과 와이어방전가공은 기본적으로 디젤 트럭에 사용된 통과 여과장치의 개념을 받아들였던 것이다.



⊙여과되지 않은 유전체 입자의 분포


유전체의 여과에 관한 주제를 보다 현명하게 논의하기 위해서는, 먼저 여과하고자 하는 오염된 유전체의 구성을 살펴볼 필요가 있다. 여과되지 않은 유전체의 오염원은 전극 또는 와이어 그리고 가공물에서 떨어져 나온 파편들의 입자로 구성되어 있다. 혹자는 방전 시 방출되는 에너지가 발전기에 의해 엄격하게 관리되고 있기 때문에 유전체 안의 입자의 크기가 모두 동일할 것이라고 생각하기 쉽다. 그러나 실제적으로는 여과되지 않은 유전체의 입자 크기가 큰 편차를 보이는데, 그 이유는 유전체에 의한 방전파편의 고형화 과정의 차이는 물론 황삭 및 마감절삭 시 방출되는 방전에너지의 차이도 상당하기 때문이다. [그림 1]은 와이어방전가공 시 직류 및 교류 발전기에 의해 생성되는 입자 크기의 분포를 나타낸다. 주목해야 할 점은 여과되지 않은 유전체에는 다양한 크기의 입자가 분포되어 있음은 물론 그 분포의 기울기가 전력공급의 유형에 따라 영향을 크게 받는다는 것이다. 아울러 대부분의 여과되지 않은 유전체에 들어있는 입자의 크기는 대다수의 방전가공업체에서 사용되는 5 마이크론 크기의 필터보다 작다는 것을 염두에 두어야 한다. 이러한 이유 때문에 많은 기계제조사들이 2-3 마이크론 규격의 필터를 장착하고 있으며 어떤 업체는 특정 기계에 한해 1 마이크론의 필터를 장착하도록 권고할 정도이다.



⊙필터의 규격


필터의 규격을 나타내는 방법에는 다음의 두 가지가 있음을 알아야 한다:


   *절대 표시 – 필터의 규격보다 큰 모든 입자를 걸러낸다. [그림 2] 참조
*명목 표시 – 필터의 규격보다 큰 입자의 대부분을 걸러낸다. [그림 3] 참조


일반적으로 방전가공 업계에서는 필터의 수명을 연장하기 위해 제조사에서 제시하는 필터의 규격보다 큰 규격의 필터 카트리지를 구매하고 있다. 그러나 이러한 구매행태는 비경제적일 뿐만 아니라 액면계, 솔레노이드 밸브와 배관의 오염을 초래하고, 예상치 못한 과대절삭이 이루어지며, 절삭속도가 떨어지기도 하고, 와이어방전가공기에서 수지의 수명을 급격히 떨어뜨리기도 한다. 극단적으로 말해 이는 카트리지에 스크류 드라이버로 구멍을 뚫어 카트리지를 갈지 않고 영구적으로 사용하는 것이나 다를 바가 없는 것이다!


[그림 2] 절대 여과



[그림 3] 명목 여과



⊙사전 피복과 필터 케이크


필터가 더러워지면, 입자를 걸러내는 성능은 오히려 더 좋아진다. 필터 표면의 오염된 층은 필터의 투과성을 어느 정도 막아줄 뿐만 아니라, 필터 자체로서의 역할도 한다. 이 오염 층은 필터 “케이크”라고 불리며 유전체의 여과 과정에서 중요한 기능을 한다. 아마도 여러분은 필터를 막 갈고 난 후에 유전체가 필터를 갈기 전만큼 깨끗하지 않았는데, 몇 시간이 지나고 나면 신기하게도 다시 깨끗해지는 것을 목격한 경험이 있을 것이다. 유전체가 정제되는 과정에서 이처럼 시간적인 지연이 발생하는 것을 “사전 피복” 시간이라고 하며 필터의 유형에 따라 그 차이가 크게 발생한다. [그림 4] 참조.



⊙분류식(By-pass) 필터와 전류식(Full Flow) 필터


[그림 4]에서는 ‘평판’ 필터가 실질적으로 전시간에 걸쳐 비효율적이라는 것을 바로 알 수 있다. [그림 5]는 한 때 형조 및 와이어 방전가공기에서 널리 사용되었던 평판 필터를 보여주고 있다. 평판 필터는 리벳으로 접합된 일단의 평판들로 구성되어 있으며 유전체가 평판 사이를 통과하면서 여과가 된다. 그러나 필터가 막히기 시작하면 유전체의 압력이 높아져 평판이 분리되므로 입자들이 여과되지 않고 그대로 통과되는 단점이 있다. 평판 필터의 설계는 디젤 트럭 엔진의 유산으로서 분류식 필터 시스템에서만 사용되도록 설계되었다. 분류식 필터시스템에서는 오로지 오염된 오일만이 필터를 통과할 뿐, 대부분의 오일은 필터를 우회해서 오일 통으로 들어가도록 되어 있다. 그 이유는 필터를 통과하는 오일의 속도를 낮게 유지하고 필터의 수명을 연장하기 위해서이다. (이에 대해서는 추후에 자세히 설명) 반면에 평판 필터는 유전체의 품질을 포기하는 대가로 불순물집적용량을 높이기 위한 것으로, 특히 오늘날의 전류식 방전가공 시스템에서 사용되고 있다. 그러나 평판 필터는 정밀방전가공에 더 이상 권장되지 않고 있다.

 


X축 – 분
Y축 – 분리도 %
Paper Filter 종이 필터
Plate Filter 평판 필터
[그림 4] 시간에 따른 필터의 효율성



[그림 5] 일단의 평판으로 만든 필터



[그림 6] 필터 성능도



⊙압력과 유속의 기울기


압력과 유속을 나타내는 도표는 카트리지 필터의 성능을 표시하는데 흔히 사용된다. (그림 6 참조) 위의 도표는 필터로부터 배출되는 깨끗한 물의 속도를 시간 대비 나타낸 것이다. 정제된 유전체 배출량이 지속적인 가공작업에 필요한 양을 맞출 수 없을 때, 필터의 수명이 다한 것으로 판정된다. 아래 도표는 필터가 만들어내는 배압(back pressure)을 시간 대비 나타낸 것이다. 일단 배압이 유전체 펌프의 공급압력이나 필터의 파열압력에 이르면, 필터의 수명이 다하게 된다. 필터가 파열된다는 것은 거이 재난의 수준에 이르는 것으로 어떠한 대가를 치르더라도 피해야만 하는 상황이다. 대부분의 기계 제조사들은 파열을 피하기 위해 초과 돼서는 안될 배압을 명시하고 있다. 배압이 게이지의 한계를 넘어서면(보통 붉은 색으로 표시) 지체 없이 필터를 교환한다. [그림 6]은 2세대와 3세대 필터 카트리지의 성능을 비교 명시하고 있다.




⊙여과 방법


여과 방법에는 다음의 세 가지가 주로 사용된다:

 
*표면여과 – 오염된 용액이 매개체의 층을 통과하여 오염물질이 매개체의 표면에 모인다.  
*에지여과 – 오염된 용액이 매개체의 강하게 압축된 층 사이를 통과하여 오염물질이 매개체의 
                   요소  요소 끝 단으로 모인다.  
*심층여과 – 오염된 용액이 다공질의 매개체를 통과하면, 오염물질이 매개체의 내부로 모인다.


대부분의 방전가공 카트리지는 현재 표면여과 방식을 사용하고 있다.



⊙여과재의 형태

 
*섬유질 – 가장 흔하고 저렴한 방전가공용 여과재
*종합형 – 종합형 여과재는 주로 고성능의 방전가공 여과에 사용되며 그 수명이 길고 투과율이 
                낮고 사전피복시간이 짧다.
*다층형 – 다층형 여과재는 복수의 층으로 이루어져 높은 강도와 처리용량을 나타낸다. 
                    (그림 7 참조)




[그림 7]상부에 필터 층이 얹어진 종합형 여과재의 단면도
미세 섬유질로 구성된 종합형 여과재의 구조




[그림 8]외부 유입 형 주름 종이 필터와 외형




[그림 9] 표면이 파인 주름형 여과재

 


⊙카트리지 필터의 유형


주로 사용되는 카트리지 필터의 유형은 다음과 같다:

 외부 유입 형 주름 종이 – 이러한 유형의 필터는 가압된 통을 사용해야 한다 (그림 8 참조) 오염된 용액은 우선 통 안으로 유입되고 난 후 방사상 방향으로 필터의 중심부로 흘러 들어 집적 파이프에 모이게 되며 입자들은 필터 카트리지의 외부에서 걸러진다. 주로 주름진 매개체는 오염된 용액에 최대한 노출될 수 있도록 물결 형태의 홈이 파인 모양을 이루게 된다. (그림 9 참조)
역방향(내부 유입 형) 주름 종이 – 이러한 유형의 필터는 통을 사용하지 않는다. 대신 가압된 유전체가 연결장치를 통해 필터의 중심부로 유입되어 방사상 방향으로 바깥쪽으로 흘러 필터의 외부로 빠져나가게 되며 정제된 유전체를 보관하는 탱크로 모인다. (그림 10 참조)
양방향 주름 종이 – 이러한 유형의 필터는 내부 및 외부의 주름진 매개체로 구성된 밴드를 형성함으로써 여과 면적을 크게 증가시킨다. 통을 사용하지 않으며 가압된 유전체가 내부와 외부의 주름진 밴드 사이로 유입된다. 여과된 유전체의 일부가 방사상 방향으로 외부로 진행됨과 동시에 일부 깨끗한 유전체가 또한 안쪽으로 흐르게 된다. (그림 11 참조) 
최신형 주름 종이 – 현재 시장에서 가장 발전된 형태의 필터이다. 최신의 주름 패턴을 활용하여 필터 카트리지가 지닌 전체 부피를 이용함으로써 최대의 여과 면적을 얻어내며 필터의 수명이 혁신적으로 연장된다. (그림 12와 13 참조) 이러한 유형의 필터는 통을 사용하지 않으며, 가압된 유전체가 연결장치를 통해 필터의 중심부로 유입되고 방사상 방향으로 외부로 흘러 필터의 외부로 배출되어 정제된 유전체를 보관하는 탱크에 모인다.




[그림 10] 역방향 주름 종이 카트리지



[그림 11] 양방향 주름 종이 카트리지



[그림 12] 최신형 주름의 상세 모습



[그림 13] 보다 발전된 주름과 삼중 주름통 구조를 지닌 최신식 필터 카트리지



⊙유동률과 필터의 수명


필터 수명 연장의 핵심은 면적과 유속이다. 주름진 매개체의 표면적이 넓을수록, 필터의 수명은 연장된다. 또 하나의 잘 알려지지 않은 요소는 매개체를 통과하는 유전체의 유속이 줄어들수록 카트리지의 수명이 늘어난다는 것이다. 이는 줄어든 유전체의 유속으로 인해 오염물의 입자가 매개체에 덜 달라붙어 다공부의 구멍이 막힐 확률이 줄어들기 때문이다. 또한 두 개의 필터를 병렬로 배치할 경우, 필터의 수명이 두 배 이상으로 늘어나는 것도 매개체를 통과하는 유속이 줄어드는 것에 기인한다. 실제로 한 기계 제조사는 16개의 필터를 병렬로 배치하여 여과시스템의 효율성을 획기적으로 개선한 사례가 있다.
 



⊙플라스틱 구조


대부분의 필터 제조사는 금속을 대체한 플라스틱 구조의 부품들로 구성된 카트리지를 생산하고 있다. 이는 금속부품이 없는 필터가 소각처리가 가능하며 처리비용 또한 저렴하기 때문이다.



⊙필터의 재활용


유전체의 필터를 재활용할 수 있다면 얼마나 좋을까? 필터의 재활용은 기업의 쓰레기처리량을 줄이면서 ISO 환경인증을 준수할 뿐만 아니라 처리비용도 줄일 수 있는 매력적인 방안이다. Ebbco사는 폴리에스터로 제작된 와이어 방전가공용 유전체 필터에 대한 재활용 프로그램을 제공하고 있다. 사용된 필터는 Ebbco사에 반납되어 세척과정을 거친 후 다시 장착되며 4번 사용하고 나면 자동적으로 새것으로 교체된다. 이 프로그램을 통해 처리되는 오염물의 양뿐만 아니라 필터에 소요되는 비용도 줄게 된다. 필터의 재활용이 대대적으로 보급된 것은 아니지만, (재생 수지가 그러한 것처럼) 보다 많은 기업들이 점점 더 오염물의 양을 줄이기 위한 방법으로 이를 채택하고 있다.



⊙와이어방전가공을 위한 카트리지 없는 여과 시스템


와이어 방전가공기를 구입할 때 카트리지가 없는 여과시스템을 고려하는 이유는 다음의 세 가지이다:

 
*필터 카트리지의 구입 비용 때문에
*필터 교환에 따른 유지보수비용과 기계를 멈추어야 하는 시간 때문에
*사용하고 난 카트리지를 처리하는데 드는 비용 때문에

이들 비용은 특히 성가신 문제를 야기하는 알루미늄을 절삭하는 기계의 경우 기계의 수명이 다할 때까지 수만 달러에 이르는 것이 보통이다.

ONA사의 아쿠아 프리마 시스템은 자생적으로 농축된 수정을 이용한 여과시스템을 채택하여 필터를 역류로 씻어내고 찌꺼기는 처리용 백에 모은다. (그림 14 참조) 와이어방전가공용 카트리지 없는 여과시스템에 적용되는 광물 베드 개념은 3 마이크론 수준의 일정한 여과 정도를 나타내며 수년간에 걸쳐 수백 번에 이르는 장착실험을 통해 그 우수성이 입증된 바 있다.



⊙형조방전을 위한 카트리지 없는 여과 시스템

형조방전가공기를 구입하거나 장착할 때 카트리지가 없는 여과시스템을 고려하는 다섯 가지 이유는 다음과 같다:

 
*필터 카트리지의 구입 비용 때문에
*유전체 오일을 추가적으로 구입하고 전환하는 비용 때문에
*필터 교환에 따른 유지보수비용과 기계를 멈추어야 하는 시간 때문에
*사용하고 난 카트리지를 처리하는데 드는 비용 때문에
*사용하고 난 유전체 오일을 처리하는데 드는 비용 때문에

이러한 절감비용을 기계의 수명이 다할 때까지 따져보면 수만 달러에 이를 수도 있다.




[그림 14] 와이어방전가공용 카트리지가 없는 영구 광물 필터




[그림 15] 고압을 가해 수천 개의 디스크를 쌓아 에지 여과를 수행한다.




[그림 16] 필터에 붙은 오염물질을 처리하기 위해 폐기물 백에 담고 있다.



ONA사와 Transor사 (부품 공급사 및 특허 취득자)는 층층이 쌓아 올린 디스크로 구성된 에지 여과시스템을 활용하여 (그림 15 참조) 필터를 역류로 씻어내고 찌꺼기는 처리용 백에 모은다. (그림 16 참조)

형조방전가공용 카트리지 없는 여과 시스템에 적용되는 에지 여과 개념은 개선된 순환시간과 보다 정밀한 표면마감과 함께 1 마이크론 단위의 여과도 가능하다.



⊙결론


방전가공이 시작된 초창기에는 “오일이 더러울수록 절삭은 빨라진다”는 말이 회자되기도 했지만, 그 이후로 모든 방전가공에 있어서 (와이어, 형조 및 세혈 방전가공) 방전가공용 유전체의 청결성은 무엇보다도 중요한 요소임을 누구나 잘 알고 있다. 결국 효율적인 여과야말로 효율적이며, 정밀하고 신뢰할 수 있는 방전가공의 핵심요소라고 할 수 있는 것이다. 모든 세상사가 다 그러하듯, 비용을 들인 만큼 결과는 그 만큼 좋아질 수밖에 없는 것이다. 
  

 
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