EDM 가공 유형: 방전 가공 가이드

가공 산업에서 제조업체는 기존 가공 방식으로는 너무 강하거나, 너무 얇거나, 또는 너무 복잡한 부품을 가공하는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 바로 이러한 부분에서 방전 가공(EDM)이 그 가치를 증명합니다. 이 CNC 가공 기술은 힘을 가하는 대신 제어된 방전을 통해 소재를 제거함으로써 공구강, 초경합금, 티타늄 및 기타 특수 합금의 정밀한 공차를 유지합니다.

방전 가공 공정은 가공 방법에 따라 여러 가지 변형으로 분류할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 와이어 EDM, 싱커 EDM, 홀 드릴링 EDM입니다.

와이어 방전 가공(WEDM)

작동 원리 및 설정

와이어 방전 가공(EDM)은 일반적으로 황동 또는 코팅 황동과 같이 장력을 받는 전기적으로 충전된 와이어를 이동 전극으로 사용합니다. 와이어는 가공물에 직접 닿지 않습니다. 대신 CNC가 프로그래밍된 경로를 따라 와이어를 안내하는 동안 제어된 간격이 유지됩니다. 가공물은 탈이온수에 잠겨 있는데, 탈이온수는 유전체 역할을 하여 이물질을 효율적으로 제거합니다. 상단 및 하단 와이어 가이드를 통해 와이어를 기울이거나 테이퍼링하여 각진 형상을 만들 수 있습니다.

기계의 발전기는 황삭 및 여러 번의 스킴 패스에 걸쳐 펄스 에너지, 지속 시간 및 주파수를 조절합니다. 황삭은 속도를 우선시하며, 공차와 표면 조도를 조절하는 연속적인 스킴 작업을 위한 여유 공간을 남겨둡니다. 고정 장치는 중요합니다. 견고하고 열적으로 안정적인 셋업, 정확한 기준점, 그리고 양호한 플러싱 경로는 정확도와 처리량에 직접적인 영향을 미칩니다.

일반적인 응용 분야 및 재료

와이어 방전 가공기는 일반적으로 다이, 펀치, 기어, 스플라인 형상, 의료 부품, 그리고 밀링 가공이 어렵거나 불가능한 복잡한 2.5D 윤곽선 등 복잡한 형상에 사용됩니다. 경화 공구강(A2, D2, H13), 텅스텐 카바이드, 티타늄, 인코넬 및 기타 초합금에 탁월한 성능을 발휘합니다. 일반적인 가공 예로는 절삭이 있습니다. 다이캐스팅 다이 블록에서 정밀 인서트를 생산하고, 응력을 유발하지 않고 취성 또는 경화된 부품을 절단하고, 왜곡 없이 얇은 웹이나 섬세한 형상을 만듭니다.

장점과 한계

• 정확도와 마무리: 안정적인 설정에서는 ±0.0001–0.0002″를 유지하는 것이 일반적이며, 여러 번의 스킴 패스를 통해 1μm Ra 미만의 표면 마감을 달성할 수 있습니다.
• 최소한의 기계적 스트레스: 절삭력이 없어 얇은 벽과 미세한 디테일이 그대로 유지됩니다. 열 영향 부위가 작고, 재성형층이 얇습니다.
• 자동화 친화적: 자동 스레딩, 끊어진 와이어 복구 및 통합 프로빙 기능은 특히 긴 프로필에서 안정적인 무정전 작동을 지원합니다.

제한 사항: 와이어는 윤곽에 물리적으로 접근해야 하므로 언더컷이나 폐쇄된 공동은 형성될 수 없습니다. 시작점이 모서리에 위치하지 않는 한, 진입을 위해서는 시작 구멍이 필요합니다. 키가 큰 부품은 안정성을 유지하고 와이어 부식 및 파손을 최소화하기 위해 신중한 플러싱 전략이 필요할 수 있습니다.

싱커 EDM(다이 싱킹/기존 EDM)

전극, 툴링 및 캐비티 형성

다이 싱킹(die sinking)이라고도 하는 싱커 방전 가공(EDM)은 일반적으로 흑연이나 구리로 된 형상의 전극을 램(ram)에 장착하여 사용합니다. 전극을 캐비티의 음극에 놓은 후, 서보 제어 하에 소재에 "침투"시키면서 스파크 방전으로 소재가 침식됩니다. 탄화수소 기반 오일은 일반적인 유전체입니다. 오비팅(원형 또는 벡터 궤도와 같은 작은 프로그램된 동작)은 플러싱을 향상시키고, 표면 조도를 개선하며, 코너 오버번(corner overburn) 없이 최종 치수를 보장합니다.

전극 선택은 큰 차이를 만듭니다. 흑연은 빠른 속도, 내열성, 그리고 더 큰 캐비티에 적합합니다. 구리는 디테일을 잘 유지하고 더 섬세한 마감을 얻을 수 있습니다. 숙련된 제조업체는 종종 여러 전극을 사용합니다. 거친 전극부터 호그(hog)까지, 벽면을 안정시키는 세미 피니셔(semi-finisher), 그리고 정밀한 공차와 Ra를 위한 피니셔(finisher)까지 다양합니다.

응용 프로그램, 허용 오차 및 표면 마감

싱커 방전 가공(Sinker EDM)은 3D 금형 캐비티, 엠보싱, 리브, 깊은 포켓, 로고 및 직선 와이어로는 접근하기 어려운 형상에 적합한 옵션입니다. 크기와 설정에 따라 ±0.0002~0.001인치의 허용 오차가 현실적이며, 마무리 버닝 시 1μm Ra 미만의 표면 조도가 가능합니다. 전극이 형상을 부여하기 때문에 복잡한 블렌드와 자유형상이 일반적입니다. 사출 금형 및 다이캐스팅 도구.

장점과 한계

• 진정한 3D 기능: 이 기술의 주요 장점은 와이어 방전가공(Wire EDM)으로는 생산이 불가능한 사각지대, 언더컷, 복잡한 3차원 형상을 만드는 것입니다.
• 뛰어난 표면 마감: 복잡한 윤곽선에서도 매우 정밀한 표면 마감을 생산할 수 있어 수동 연마가 필요 없는 경우가 많습니다.

제한 사항: 이러한 지속적인 침식은 프로그래밍 시 마모 보정이 필요하며, 단일 작업에 여러 개의 전극을 제작해야 하는 경우가 많습니다. 체적 절삭 속도는 일반적으로 와이어 EDM보다 느리기 때문에 대규모 절삭에는 효율이 떨어집니다. 또한, 각각의 고유한 캐비티에는 전용 전극이 필요하며, 깊고 좁은 형상은 유전체 플러싱에 어려움을 초래하여 속도와 정확도를 모두 저하시킬 수 있습니다.

EDM 홀 드릴링(고속 홀/소형 홀 EDM)

공정 역학

홀 드릴링 EDM의 핵심은 일반적으로 황동, 구리 또는 내마모성 구리-텅스텐으로 제작된 고속 회전 관형 전극입니다. 대부분의 경우 이 속이 빈 관은 음극 역할을 하고, 가공물은 양극 역할을 합니다. 발전기는 두 전극 사이의 틈에 고주파 전기 펄스를 전달하여 재료를 기화시키고 침식시키는 일련의 제어된 스파크를 생성합니다.

이 공정에서 중요한 것은 회전 전극 중앙을 통해 펌핑되는 가압 유전체 유체(일반적으로 탈이온수)입니다. 이 유체는 두 가지 중요한 기능을 합니다. 좁은 틈에서 부식된 입자를 강제로 씻어내 단락을 방지하고, 채널을 탈이온화하여 안정적인 스파크 상태를 유지합니다. 전극의 회전은 균일한 마모를 보장하고 튜브를 안정화하여 더 곧은 구멍을 얻는 데 도움이 됩니다. 서보 시스템은 구멍이 깊어짐에 따라 정확한 스파크 갭을 유지하기 위해 전극의 위치를 지속적으로 조정하여 기존 가공에서 발생할 수 있는 공구 편향 없이 경화된 소재에 깊고 작은 직경의 구멍을 가공할 수 있도록 합니다.

사용 사례: 시작 및 냉각 구멍

제조업체에서는 프로파일이 가장자리에서 멀어지는 방향으로 시작되는 경우 와이어 EDM 가공 전에 EDM 드릴링을 사용하여 스타터 홀을 가공하는 것이 일반적입니다. 이는 터빈 블레이드와 베인의 작고 종횡비가 높은 냉각 홀, 유출 및 필름 냉각 패턴, 그리고 의료 또는 미세유체 부품의 정밀 홀 가공에도 표준으로 사용됩니다. 니켈 기반 초합금, 티타늄, 경화강은 전도성이 있는 경우 모두 적합한 후보입니다.

속도, 정확도 및 제한 사항

• 구멍 뚫기 속도: EDM 드릴링은 특히 기존 드릴링이 느리거나 불가능한 질기고 전도성이 있는 소재에서 작고 깊은 구멍을 만드는 데 매우 빠릅니다. 속도는 주로 유전율, 전극 소재, 그리고 드릴링되는 특정 합금에 의해 결정되므로 빠른 시작 구멍과 높은 처리량의 구멍 패턴을 구현할 수 있습니다.
• 직경 정확도: 이 공정은 위치 정확도가 뛰어나고 직경이 0.015인치만큼 작은 직선형 고종횡비 구멍을 생산합니다.

제한 사항: 정확도 향상에는 몇 가지 단점이 있습니다. 구멍 내부의 표면 마감은 일반적으로 와이어 EDM이나 싱커 EDM의 마무리 가공보다 거칠습니다. 또한, 이 공정은 대부분 직선 구멍에만 적용되며 굽은 형상을 만들 수 없습니다. 마지막으로, 강한 국부 열로 인해 재주조층과 입구 및 출구 지점에 작은 버(burr)가 생길 수 있으며, 이는 중요한 용도의 경우 2차 마무리 작업이 필요할 수 있습니다.

특수 EDM 기계 및 하이브리드 프로세스

분말 혼합 방전 가공(PMEDM)

이 기술은 전도성 또는 반도체 분말을 유전체에 분산시킴으로써 방전 채널을 확장하고, 에너지 밀도를 낮추며, 공구 마모를 줄이는 동시에 표면 조도를 향상시킬 수 있습니다. PMEDM은 표면 무결성이 중요한 금형이나 부품의 마감 공정에 유용합니다. 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 여과 및 공정 제어가 필요합니다.

3D 형상을 위한 EDM 밀링/오비팅

램 방전 밀링이라고도 하는 이 방식은 3D 툴패스를 따라 회전하는 소형 전극을 사용하여 볼 엔드밀처럼 절삭력을 사용하지 않고 복잡한 형상을 가공합니다. 섬세하거나 접근하기 어려운 형상에 효과적이며 전용 전극의 수를 줄일 수 있습니다.

EDM 기계 유형별 성능 비교

절삭 속도 및 사이클 시간 드라이버

• 와이어 방전 가공: 주변부 절단 시, 특히 긴 일정 높이 프로파일에서 상대 속도가 빠릅니다. 사이클 시간은 부품 높이, 윤곽 길이, 스킴 수 및 플러싱에 따라 달라집니다.
• 싱커 EDM: 중간 수준의 제거율: 전극 면적, 궤도 전략, 플러싱 구동 시간. 전극 제작으로 인해 리드타임이 추가됩니다.
• 구멍 뚫기: 작고 깊은 구멍에는 빠릅니다. 처리량은 전극 마모, 유전압, 합금에 따라 달라집니다.

정확도, 허용 오차 및 표면 마감(Ra)

• 와이어 방전 가공: 매우 높은 정확도: ±0.0001–0.0002″ 공통, 여러 스킴으로 <1 μm Ra 달성 가능.
• 싱커 EDM: 높은 정확도: 일반적으로 ±0.0002–0.001″: 조정된 에너지와 궤도를 사용한 마무리 연소에서 <1 μm Ra.
• 구멍 뚫기: 구멍 위치에 대한 위치 정확도가 높음. 표면 마감은 와이어/싱커에 비해 적당함.

열 효과: 재주조층, 미세균열 및 HAZ

모든 EDM 공정은 미세균열이 발생할 수 있는 얇은 재주조층을 생성하지만, 열영향부(HAZ)는 일반적으로 얕습니다. 이는 저에너지 마무리 패스, 최적화된 펄스 매개변수, 적절한 플러싱, 그리고 표면 무결성이 중요한 경우(예: 피로에 취약한 항공우주 부품) 후처리 연마 또는 가벼운 연삭을 통해 완화할 수 있습니다.

전기 방전 가공 요구 사항에 대한 선택

이제 다양한 유형의 EDM을 살펴보았으니, 향후 EDM 가공 공정을 선택할 때 참고할 수 있도록 각 유형을 요약해 보겠습니다. 선택 기준은 네 가지로 나눌 수 있습니다.

기하학 및 기능 고려 사항

• 개방형 윤곽선 및 관통형 프로필: 와이어 EDM을 선택하세요. 와이어가 언더컷 없이 전체 경로에 접근할 수 있을 때 이상적입니다.
• 폐쇄된 공동과 진정한 3D 형태: 싱커 EDM을 선택하세요. 와이어가 닿지 않는 형상을 생성하고 전극에서 복잡한 형상을 전달합니다.
• 작고 깊고 곧은 구멍: EDM 드릴링을 선택하세요. 스타터 홀과 고종횡비 냉각 기능을 얻는 가장 빠른 방법입니다.

재료, 경도 및 열처리 상태

모든 유형의 EDM 가공에는 전도성이 필요하지만, EDM은 열처리된 공구강, 초경, 티타늄 및 니켈 합금에서 효과적이므로 경도는 제한 요소가 아닙니다. 열처리 후 치수 안정성이 중요한 경우, 경화 후 EDM을 사용하면 가공 부하로 인한 변형 위험을 없앨 수 있습니다. 초경 또는 섬세한 소재의 경우, 미세 균열을 최소화하기 위해 와이어 또는 정밀하게 조정된 싱커 매개변수를 사용하는 것이 좋습니다.

배치 크기, 비용 및 툴링 경제성

• 프로토타입 및 소량 배치: 와이어 EDM은 사전 툴링을 최소화하고 전극이 거의 필요하지 않으므로 일회성 및 단기 작업에 비용 효율적입니다.
• 대용량 금형 또는 반복 캐비티: 싱커 방전 가공은 전극 설계 및 제작 비용을 여러 부품에 분산할 때 경제적입니다. 효율적인 전극 전략(거친/마무리, 공통 형상)을 통해 총비용을 절감할 수 있습니다.
• 홀 드릴링 셀: 반복되는 냉각 홀 패턴의 경우 자동화를 통한 전용 EDM 드릴링을 통해 예측 가능한 처리량을 제공합니다.

자동화, 고정 및 프로세스 모니터링

최신 EDM은 무인 생산을 지원합니다. 자동 와이어링, 공구 교환기, 공정 중 프로빙, 그리고 기계 모니터링은 유휴 시간과 불량률을 줄여줍니다. 다음 사항에 우선순위를 두어야 합니다.

• 깨끗한 유전체와 안정적인 여과로 스파크 안정성을 유지합니다.
• 반복성을 보장하기 위해 스킴이나 전극 전반에 걸쳐 신뢰할 수 있는 기준점을 갖춘 견고한 고정 장치입니다.
• 좁은 내부 반경에서도 정확도를 유지하기 위한 적응형 생성기와 코너 제어 기능.
• 의료 및 항공우주 부품 생산 시 규제된 정밀 가공에 대한 추적성을 위한 SPC 및 매개변수 세트 로깅.

결론

전기 방전 가공은 정밀한 기술을 활용하여 복잡한 설계를 가능하게 합니다. CNC 가공 와이어 EDM을 이용한 프로파일 가공, 싱커 EDM을 이용한 캐비티 가공, 드릴링 EDM을 이용한 깊은 구멍 가공 등 상호 보완적인 방법을 통해 소재의 경도를 극복합니다.

본 기사에서 얻은 지식을 바탕으로, 여러분은 첨단 제조 분야에서 부품 품질과 경쟁력을 강화하기 위해 EDM을 선택할 때 올바른 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있을 것입니다!

자주 묻는 질문

EDM은 금속에만 사용 가능한가요? 부드럽고 단단하지 않은 소재에도 사용할 수 있나요?

꼭 그렇지는 않습니다. EDM은 정의상 전기 전도성 소재에만 적용되며, 플라스틱, 유리, 일반 세라믹 또는 복합 소재와 같은 절연체는 사용할 수 없습니다. 그러나 흑연, 탄화규소, 이붕화티타늄, 그리고 특정 고분자 복합 소재와 같은 소재도 전기 전도성을 지닙니다. 이러한 소재는 EDM의 틈새 시장임에도 불구하고, 기계 가공 방식으로도 가공될 수 있습니다.

또한, 문제의 연성 소재가 알루미늄이나 연강과 같은 연성 금속인 경우, EDM은 일반적으로 경질 소재에 사용됨에도 불구하고 충분히 활용 가능합니다. 다만, 형상이 매우 복잡하거나 섬세한 경우가 아니면 기존의 가공 방식이 더 빠르고 비용 효율적일 수 있습니다.

부품 크기는 어떻게 EDM을 제한합니까?

각 EDM 유형에는 고유한 크기 제약이 있습니다. 와이어 EDM은 이동 거리와 탱크 크기에 제한을 받습니다. 싱커 EDM은 작업 탱크와 전극 중량에 제약을 받습니다. 선박 프로펠러와 같이 매우 큰 부품의 경우, 전용의 대형 EDM 기계가 필요합니다.

리캐스트 레이어의 원인은 무엇이며, 항상 문제가 되나요?

재주조층은 용융되었지만 유전체 유체에 의해 씻겨 나가지 않은 얇은 재응고된 재료층입니다. 모든 EDM에서 재주조층이 생성되지만, 그 중요성은 용도에 따라 다릅니다. 많은 금형과 공구의 경우, 재주조층은 중요하지 않거나 제거될 수 있습니다. 표면 처리피로에 노출된 고응력 항공우주 부품의 경우, 이는 최소화하거나 제거해야 하는 중요한 요소입니다.

EDM은 느린 과정으로 여겨지나요?

EDM은 일반적으로 기존 가공에 비해 대량 소재 제거에 고속 가공이 어렵습니다. EDM의 가치는 가공 속도가 아니라 정밀 가공 능력에 있습니다. 여러 단계(예: 황삭, 열처리, 정삭)를 생략하고 경화된 소재에서 완제품을 한 번의 설정으로 생산할 수 있다는 점을 고려하면 "유효" 속도가 높다고 할 수 있습니다.