전기만 흐르면 재료의 경도에 의존하지 않고 가공할 수 있는 강점을 활용해 담금질강과의 좋은 상성으로 방전가공기가 금형 제작의 최종 공정에 중요시됐던 것은 한참 옛날의 이야기이다. 현재 절삭 툴의 고정도화·고강도화·내마모성 향상과 고속 회전 주축 탑재 머시닝센터의 성능 향상에 의해 금형 제조에서 직조가공이 다용되고 있으며, 최종 공정에 한정하지 않고 방전가공의 활용 패턴이 모색되고 있다.
이 글에서는 공작기계의 각 특징을 이해·습득, 종합력의 최적화와 자사 노하우 구축을 달성함으로써 글로벌 금형 제조의 경쟁력을 향상시킨다는 요구에 대응하기 위해 방전가공의 원리를 다루면서 최신 기술과 그 활용 사례를 소개한다.
방전가공의 우위성
방전가공은 절삭가공에서 공구에 해당하는 전극과 워크의 간극(방전 갭)에 방전 현상을 발상시켜, 방전에 동반하는 역학적 작용(방전 충격 압력)과 열적 작용(증발·용융)에 의해 제거가공을 하는 가공 수단이다. 방전가공의 대표적인 특징을 아래에 든다.
• 단위면적당 고밀도 에너지 부가가 용이
• 절삭가공과는 달리 부드러운 것(동)으로 단단한 것(철)을 가공할 수 있다
• 비접촉 가공에 의해 절삭가공에 비해 가공 반력이 작다
• 고밀도 가공에 우수하고, 특히 미세·정밀 영역에서 고품위 가공이 우수
• 샤프 에지나 고애스펙트비의 형상가공이 우수
• 통전성이 있는 고경도재나 난삭재의 고효율 가공에 우수하다
• 전기 신호를 이용, 기기 상에서 전극과 워크에 의한 직접 위치결정이 가능
동사의 최신 기술과 활용 사례
1. 전극 점프와 방전 효율
가공 칩의 처리는 절삭가공과 동일하게 방전가공에서도 중요한 팩터이다. 형조 방전가공에서 전극의 점프는 방전·절연 회복의 반복과 주축의 서보 제어에 의한 것이다. 기존 점프(=동사 볼나사 구동 머신에 의한 주축 성능)에서는 극간에 가공 칩이나 타르가 체류, 이상 방전이나 2차 방전에 의한 방전의 분산이 가공 속도의 저하와 가공 깊이의 한계를 초래하고 있었다. 또한 이 점프 특성으로 안정 방전을 얻기 위해서는 외부에서 액처리를 필요로 하고, 다수개 떼기의 세팅이나 무인가공의 장해가 되기도 했다.
동사는 리니어 모터 구동에 의한 전극의 고가속 점프를 하여 쾌속으로 가공 칩이나 타르를 배출시키고, 이상 방전을 회피해 유효 방전을 높임으로써 방전 효율 향상에 성공했다. 전극의 고가속 점프는 가공 속도 향상에 더해, 전극 소모의 저감, 가공 형상의 고정도화, 액처리가 필요 없는 심물가공 외에 세팅의 축소나 무인 연속가공을 가능하게 했다.
방전 안정가공 시스템 ‘아크리스 Plus’와의 상승 효과에 의한 고애스펙트비 150배의 초심물가공 사례를 그림 1에 나타냈다. 기초구멍이 없는 깨끗한 워크에 끝단 ?1mm, 테이퍼 각도 0.5°/편측의 게이트 형상 동 전극을 대치시켜, 전극 회전 없고 액처리 없고 요동 없는 과혹한 조건 하에서 깊이 150mm의 방전가공을 했다. 가공 깊이가 깊어져도 가공 속도가 직선적으로 추이, 안정 방전을 지속하고 있는 것을 그래프로부터 할 수 있다. 제조현장에서는 당연한 다수개 떼기에 대응하는 복수 전극이나 일체형 전극의 멀티 방전에서 효과를 발휘하는 가공 성능이다.
▲ 그림 1. 고애스펙트비 150배의 초심물가공
2. 피치 이송 전극에 의한 고정도 가공
형조 방전가공의 전극 설계는 전극을 제작하는 가공기의 성능이나 그 외의 설비 상황에 의존한다. 일반적으로 금형 부품의 형상을 분할해 심플한 전극으로 디자인하는 경우와 그대로 전사해 일체형으로 디자인하는 경우로 크게 나누어지는데, 후자는 전극 교환의 세팅이 적고 교환에 동반하는 기계적 오차를 회피할 수 있는 메리트가 있다.
그림 2는 모델화한 좁은 피치 커넥터용 코어핀의 가공 사례이다. 5개로 구성되는 거친·중간·다듬질 전극을 일정한 피치 사이에 배치한 일체형 전극 디자인을 채용했다. 이 경우 머신의 축이동으로 피치 이송을 하고, 다음 공정의 전극을 세트하기 때문에 전극 교환장치가 불필요하며, 매우 정확한 위치결정의 방전이 거친·중간·다듬질로 이동해 절삭으로는 얻을 수 없는 샤프한 코너 에지를 가능하게 한다. 피치 이송 시의 전극·워크의 간섭이 없는 형상으로 한정되는데, 미세한 박육 전극 등의 고정도·고품위 가공에 유효한 활용 사례이다.
▲ 그림 2. 피치 이송 전극에 의한 고정도 가공
3. 고애스펙트비 가공을 가능하게 하는 가공패스
와이어 방전가공에서 가공패스는 대상으로 하는 가공 형상에 대해 한번에 그릴 수 있는 것이 일반적인데, 가공이 진행되는 과정에서 부분적인 분리에 의해 워크에 내재하는 응력의 밸런스가 무너짐으로써 생각 외의 변형이 발생, 2nd 가공의 와이어 단선이 다발하거나, 혹은 고정도 가공을 얻을 수 없는 등의 트러블에 빠지는 경우가 있다.
그림 3은 애스펙트비가 높은 빗살 형상의 가공 사례이다.
▲ 그림 3. 고애스펙트비 대응의 가공패스
판두께 20mm, 애스펙트비 100배의 빗살 형상을 한번에 그릴 수 있는 가공패스로 가공하면, 그림 3 (상)에 나타낸 끝단의 결손이나 끝이 가늘어지는 등의 불량이 발생한다. 한편 빗살 사이의 홈 센터에 해당하는 부위에 절입가공을 하여 변형의 분산을 도모한 후, 빗살 강성을 길게 유지할 수 있도록 이뿌리에서 이끝으로 진전하는 가공패스를 설정하면, 그림 3 (하)에 나타낸 판두께 50mm, 폭 0.2mm, 애스펙트비 100배의 고난도 가공이 가능해진다.
리니어 모터 구동의 높은 응답성과 안정 방전을 지속하는 최신 방전회로를 기본으로 하고, 와이어 텐션의 미묘한 조정이나 와이어의 진동을 억제하는 최적의 분류 설정을 계속하면서 변형을 억제하기 위한 가공패스를 시행착오함으로써 진직성이 우수하고 버가 없는 균일한 다듬질면의 고품위 가공을 얻을 수 있다.
4. 장시간 고정도 가공과 여러 가지 지원 기능
고정도 가공을 실현하기 위해서는 머신의 우수한 정적 정도는 최저 조건인데, 프레스 금형의 플레이트 장척화나 제품의 복잡화·다기능화에 동반하는 금형의 요구 정도가 엄격해지고, 고정도 가공을 장시간 안정되게 할 수 있는 와이어 방전가공에 대한 요구가 높아지고 있다. 동사는 여러 가지 제조현장에서 효율적인 실천을 촉진하기 위해 새로운 지원 기능을 개발했다.
±1μm 영역의 고정도 가공을 목표로 하는 경우, 워크를 머신의 설치환경에 익숙하게 하고 세팅 종료 후 가공액을 송액해 워크를 침적시켜 가공 시와 동일한 상태가 되도록 분류를 설정한 채로, 몇 시간의 난기운전을 한 후 실제 가공으로 이행하는 것이 일반적이다.
최신의 와이어 방전가공기에 탑재한 아이들링 액면 기능은 워크를 고정하는 스탠드 바로 아래까지 가공액을 모은 상태를 유지할 수 있고, 고정도 가공의 준비를 원터치로 할 수 있다. 아이들링 액면 모드를 오토로 함으로써 고정도 가공에 최적의 상태로 세팅작업이 가능해지고, 효율적인 머신 운용을 실현한다.
또한 장시간 가공 시의 안심·안전 대책으로서 와이어 잔량 예측 기능과 가공 종료 시간 예측 기능을 새롭게 개발했다. 와이어 잔량 예측 기능은 가공 전에 장비한 와이어 사용량을 체크하고 와이어 잔량이 적은 경우, NC 화면의 스테이터스 영역에 얼러트를 표시함으로써 가공 중에 와이어가 없어지는 것을 예방할 수 있다. 더구나 가공 종료 시간 예측 기능을 활용함으로써 ①종료 시간을 미리 알 수 있기 때문에 머신의 빈 시간을 줄여 효율적 운용을 실현, ②실제 가공 진행을 보면서 리얼타임으로 종료 시간을 갱신, ③지정한 가공의 남은 시간을 메일로 통보함으로써 원격지의 가공 상태 파악이 가능, 등의 메리트를 얻을 수 있다.
그 외에 일반적인 설치 환경에서도 고정도 가공을 실현할 수 있도록 주위 외란에 강한 풀 커버 스타일을 장비, 고차원 보정 기능이나 열변위 대책을 실시함으로써 그림 4에 나타낸 장척 플레이트에서 우수한 피치 가공 정도를 가능하게 했다.
▲ 그림 4. 장척 플레이트의 고정도 피치 가공
그림 5는 오일 사양 와이어 방전가공의 고정도 가공을 고속으로 실현하는 ‘고속 에코컷 O-Plus’의 활용 사례로, 이하의 효과를 발휘한다.
▲ 그림 5. 오일 사양 와이어 방전가공의 고정도 가공
• 가공 표면에 경화층을 성형하기 때문에 형수명 향상에 효과적
• 녹이나 초경합금의 코발트 석출이 없고, 2차 가공이 불필요
• 가공 시간 단축에 의해 소비전력을 절감, 에너지절감 효과를 발휘
• 와이어 소비량이 줄고 이온 교환수지도 불필요해 에코에 최적
5. 타이코 억제의 성능 향상
타이코란 와이어 방전가공의 특성으로, 가공 대상의 두께 방향·중앙 부근에서 활 모양으로 움푹 패어 버리는 현상이다. 또한 진행 방향에 대해 와이어 중앙부는 지연이 발생하고, 이 지연이 원호부에서 가공 궤적보다 내회전하기 때문에 직선부보다 타이코량이나 치수 정도가 열화, 판두께가 두꺼운 형상일수록 이러한 영향이 현저해진다. 이러한 타이코는 와이어에 작용하는 방전 반력과 정전 흡인력의 밸런스에 의한 것으로, 그림 6에 나타낸 상황에 대응한 가공 조건의 조정이 요구된다.
▲ 그림 6. 타이코 발생 시의 가공 조건 조정
이 조정을 자동화·최적화한 최신 가공 제어 기능 ‘타이코리스 제어 Ⅱ’에 의한 적응 사례를 그림 7에 나타냈다. 판두께 100, 200, 300mm의 트랙 형상에서 1st 가공만을 실시한 경우, 직선부·원호부 모두 폭 4μm 이내가 되는 타이코량 절감을 실현하고, 또한 최대로 종래비 25%가 되는 가공 시간 단축을 얻을 수 있어 거친가공 영역의 성능을 향상시켰다.
▲ 그림 7. ‘타이코리스 제어 Ⅱ’에 의한 고직진 정도 (AL600P에 의한다)
그림 8은 초경합금의 고판두께·미소 테이퍼가 있는 형상에서 오일 사양 와이어 방전가공에 의해 고품위 다듬질 면질을 고정도로 실현할 수 있는 가공 사례이다. 이 가공 성능을 프레스 금형의 롱 펀치에 적응한 경우, 오일 가공이 가져오는 가공 표면의 경도 향상이 마모 억제에 의한 형수명 향상에 유효하고, 절삭칩 막힘 등 프레스 금형 특유의 트러블 발생을 억제해 메인티넌스 빈도의 저감 등 종합적인 생산성 향상에 효과를 발휘한다.
▲ 그림 8. 오일 사양 와이어 방전가공에 의한 초경합금 고정도 가공 사례 (AP450L-oil에 의한다)
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동사는 NC 장치를 자체 개발·제조함으로써 일찍부터 IoT 대응의 기능을 제공, 업계에 선두적으로 3차원 모델을 직접 대응함으로써 혁신적인 조작 환경을 제안해 왔다. 또한 AI를 활용한 가공 조건 어시스트 기능을 강화, 숙련을 필요로 하지 않는 스마트한 조작 환경의 개발을 추진하고 있다. 앞으로도 방전가공의 성능과 조작성 향상을 계속하면서 금형 제조의 현장력을 높이는 ‘사용 노하우’를 서포트해 갈 것이다.
사와자키 타카시 (澤崎 隆) 소딕
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