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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.8 pp.35-42
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.08.035

A Study on Graphite Electrode Wear in Sink EDM of HP1MA
Steel

Young-Jin Oh*, Hyeon-Je Jeong*, Su-Jin Kim*#
*School of Mechanical and Airospace Engineering, Gyeongsang
National University
#Corresponding Author : sujinkim@gnu.ac.kr Tel: +82-55-772-1636, Fax:
+82-55-772-1577
31/01/2020 14/05/2020 15/05/2020

Abstract


In discharge machining, material is removed by electrical discharge between the
electrode and the workpiece. An important consideration in EDM is that the wear
of the electrodes decreases the final precision of the workpiece. The edge wear
of the electrodes proceeds very quickly because sparks occur more frequently at
the edges with high local electrical strength. In this study, mold steel was
discharged with a wedge-shaped graphite electrode to measure the edge wear of
the electrode according to the depth. The electrode edge wear increased with
depth during EDM and a wear model was developed. The model predicted that the
edge wear can be reduced by approximately 70% using two electrodes instead of a
single electrode. The model was supported by the experimental comparison of the
dual electrode method and the single electrode method.



HP1MA 강의 형조 방전가공에서 흑연 전극 마모에 관한 연구

오 영진*, 정 현제*, 김 수진*#
*경상대학교 기계항공공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    방전가공(Electrical Discharge Machining)은 전극 과 공작물 사이의 반복되는 전기적 스파크로 소재 를 제거하는 것이다.

    형조 방전가공은 주로 밀링가공이 어려운 오목 한 모서리를 전극 형상을 투영하여 가공형상이 복 잡한 가공에 적합하다. 전극의 상태는 최종 정밀 도에 나타나며 전기 스파크는 전극을 마모시켜 공 작물 형상의 가공 정밀도가 저하된다[1]. 이전 연구 에서는 방전가공 조건과 표면 거칠기에 관한 연구 가 많이 진행되었다[2~5]. 표면 거칠기는 방전 전류 및 펄스 지속시간에 영향을 받고 전류 및 시간이 클수록 표면 거칠기가 증가한다. 그 이유는 에너 지가 높을수록 용해된 금속의 양이 증가하고, 각 배출 과정에서 분화구의 부피가 증가하기 때문인 데[5] 전류가 클수록 전극 마모가 증가하여 전극 마모율로 인해 표면 거칠기도 증가한다[3]. 이처럼 전극 마모는 표면 거칠기에도 중요한 요인이 된 다. 이전 마모에 관한 연구는 흑연 전극의 등급과 마모의 연관성 연구가 있었고[6] 형조 방전가공이 아닌 사이드 컷 EDM에서 전극의 마모는 전극의 측면에서 발생하며 폭의 변화가 나타나고 밀링 EDM 에서는 전극의 마모가 끝단에 집중되어 깊 이의 변화가 발생하였다[7]. 방전 조건과 마모에 관 한 연구에서는 전류가 증가하면 소재제거율, 공구 마모, 표면 거칠기가 증가하고 펄스 지속시간이 50 μs까지 증가하면 공구마모율이 증가하였다[8]. 또한 전자기 이론을 이용한 전극 마모 형상 시뮬 레이션 연구가 있었다[9]. 지금까지 다양한 소재에 대한 방전 전극 마모 연구가 이루어졌다[10~11]. 하 지만 금형에 사용하는 HP4MA 강을 흑연 전극으 로 방전 가공할 때 전극 마모에 관한 연구는 부족 했다.

    전극의 마모는 국소적인 전기 강도가 높은 가 장자리에서 스파크가 자주 발생기 때문에 가공 초 기에 전극의 모서리 부분에서 크게 발생하며[1] 전 극의 모서리 마모 형상을 지수 또는 다항식 함수 를 사용하여 모델링한 연구가 있었다[8]. 하지만 방 전 깊이에 따른 전극의 모서리 마모 연구는 부족 했다.

    본 연구는 HP4MA 금형강을 흑연 전극으로 방 전 가공할 때 전극의 깊이별 모서리 마모를 측정 해 경향을 분석하였다. 모서리 방전 정밀도를 향 상시키기 위한 방안으로 두 개의 전극을 사용한 경우와 단일 전극을 사용한 경우를 비교하였다.

    2. 실험 장비 및 측정

    2.1 실험 장치 및 소재

    형조 방전가공(Die-sink EDM)은 Fig. 1과 같이 절연액인 등유 안에서 가공물에 양극, 전극에 음 극 전압을 가하고 접근시켜 방전 에너지가 가공물 을 용융, 증발시켜 가공을 진행하는 비접촉식 가 공방법이다. Table 1은 실험에 사용된 UNITECH U2610-2H 방전가공기 사양이다. 전극 재료는 구 리, 동-텅스텐, 은-텅스텐 및 흑연을 사용하며 방 전 가공시 흑연과 구리 전극을 비교한 연구에서는 전류가 3A로 매우 낮은 경우가 아니면 흑연 전극 이 구리 전극보다 소재제거율이 높고 전극 마모율 이 낮게 나타나며[12] 전극을 음극으로 사용할 경 우 흑연은 구리보다 안정적[13]이기 때문에 본 연 구에서는 흑연 전극을 사용하였다. 전극은 한 변 의 길이가 10 mm인 정사면체 기둥을 높이차 4 mm인 쇠기 모양으로 가공해 Fig. 1과 같이 위치 에 따라 방전 깊이가 달라지도록 했다. 소재는 금 형에 많이 사용하는 HP1MA 강을 대상으로 하였 다. 소재를 각 변의 길이가 20, 20, 50 mm인 직육 면체로 가공해 각 면에 2회 씩 실험할 수 있도록 하였다.

    소재와 전극 사이 칩 배출을 위해서 절연액을 측면에서 분사해 유동을 발생시켰다[14]. 유량이 소 재와 전극의 마모를 증가시키는데 낮은 분사 압력 에서는 압력과 전극 마모율이 비례하지만 고압 조 건에서는 압력 변화가 전극 마모율에 미치는 영향 이 작아진다[8]. 본 실험에서는 절연액 분사 방향 을 양 측면과 경사 시작 면으로 고정하고 고압 조 건을 사용해 유동에 의한 영향을 최소화 하였다.

    제어기의 출력 파형이 방전에 영향을 미침으로 Fig. 2와 같이 방전 전압과 전류 파형을 측정하고 영향을 분석한 연구들이 있었다.[15] 본 실험에서는 국내 형방전기 제조사의 추천 조건에서 제어기가 출력하는 파형을 그대로 사용해 방전 깊이의 영향 만을 관찰하였다.

    2.2 실험 및 측정 방법

    흑연 전극의 모서리 마모를 실험하기 위해서 HP1MA 금형강을 쇠기 모양의 흑연 전극으로 방 전하였다. 방전 가공 후 전극형상을 3차원 스캐너 로 측정했지만 Fig. 3과 같이 모서리 측정 오차가 커서, 흑연 전극을 1 mm 간격의 단면으로 나누어 광학 현미경으로 촬영하는 방법을 고안하였다. Fig. 4와 같이 밀링으로 흑연전극의 측면을 가공 해 단면을 만들었다. 가공된 단면의 모서리를 Fig. 5 와 같이 현미경으로 확대 마모량을 측정하였다. 모서리 마모 측정에는 ISM-PM200SA 현미경과 측 정 소프트웨어 ISM-PRO를 사용하였다.

    3. 깊이에 따른 모서리 마모

    3.1 모서리 마모 측정 결과

    방전 깊이에 따른 흑연 전극의 모서리 마모를 확인하기 위해 전류 14A, 펄스 지속 시간 140 μ s, 갭간격 0.04 mm 조건에서 3회 반복 실험 하였 다. 방전 후 전극의 단면을 광학 현미경으로 확대 해 측정한 방전 깊이에 따른 모서리 마모 실험 데 이터를 Table 2에 나타내었다. 세 번의 반복 실험 에서 모두 방전 깊이가 증가함에 따라 흑연 전극 의 모서리 마모가 커지는 것을 알 수 있다.

    Fig. 6은 Test 2 깊이 3.6 mm의 전극 마모를 측 정한 것이다. 측정에는 ISM-PRO 프로그램의 측정 프로그램을 통해 전극의 초기 모서리 부분에서부 터 마모된 전극의 가장 가까운 부분까지의 거리를 측정한 것으로 전극의 마모는 0.109 mm로 나타났 다. Fig. 7은 Test 3 깊이 1.2 mm의 전극 마모를 확대한 것으로 전극의 마모는 0.054 mm로 나타났 다.

    3.2 전극 모서리 마모 모델

    전극의 마모를 모델링한 연구로 실험계획법을 이용해 전극의 마모율을 방전조건의 이차식으로 모델링한 것과 모서리 마모 모양을 다항식 또는 지수함수로 모델링한 경우가 있었다.[8] 하지만 가 공 깊이에 따른 전극 모서리 마모를 모델링한 연 구는 부족했다. 본 연구에서는 다른 실험조건들은 고정하고 가공 깊이에 따른 모서리 마모를 3회 반 복 실험한 측정값을 회기분석 하였다. 시작 전극 의 모서리 마모를 0으로 고정하고 측정값과 모델 의 오차가 최소가 되는 상수 및 지수 항을 최소자 승법(Least square method)으로 계산해 식(1)의 전 극 모서리 마모 모델을 얻었다.

    w e ( d ) = 0.0513 d 0.504
    (1)

    • we : Edge wear (mm)

    • d : EDM depth (mm)

    Fig. 8 그래프는 실험 데이터를 점으로 마모 모 델을 일점쇄선으로 표시해 비교한 것이다. 마모 모델과 실험 데이터의 오차는 평균 0.0091 mm로 3회 반복 실험 데이터 사이의 오차 평균 0.0081 mm과 비슷한 것으로 나타나 모델과 실험 간의 오차는 실험과 측정오차로 인해 발생한 것으로 보 인다.

    3.3 전극 꼭짓점 마모

    두 측면과 바닥이 만나는 꼭짓점의 마모는 한 측면과 바닥이 만나는 모서리 마모보다 컸다. 또 한 같은 위치라도 측면과 바닥이 90°인 방향 보다 68.2° 방향의 꼭짓점 마모가 더 컸다. 다른 실험조 건을 고정하고 방전 깊이 4 mm에서 3회씩 반복 방전 실험한 꼭짓점 마모 데이터를 Table 3에 나 타내었다. 모서리 마모 식(1)과 꼭짓점 마모 실험 데이터의 상관관계로 부터 꼭짓점 마모 모델 식 (2)를 얻었다.

    w υ ( d ) = c υ w e ( d )
    (2)

    • wυ : Vertex wear (mm)

    • cυ : Vertex coefficient (1.41 at 90°, 1.55 at 68.2°)

    Fig. 9은 Test 3 각도 90°의 전극 꼭짓점 마모를 현미경으로 확대해 측정한 것으로 꼭짓점 마모 0.149 mm가 모서리 마모보다 크다. Fig. 10은 Test 2 각도 68.2°의 전극 마모를 확대한 것으로 예각 꼭짓점의 마모가 0.15 mm로 직각보다 크다.

    4. 다중 전극 마모 개선

    4.1 다중 전극 방법

    방전 깊이에 따른 전극 모서리 마모 모델 식(1) 과 꼭짓점 마모 모델 식(2)에 의하면 Fig. 11(a) 와 같이 한 전극으로 전체 깊이 4 mm를 방전하 면 전극 마모가 0.16 mm일 것으로 예측된다.

    본 연구에서는 Fig. 11(b)와 같이 일차 전극 으로 황삭 방전 후 남은 정삭여유 0.15 mm를 이 차 전극으로 정삭 방전하는 다중 전극 방법으로 모서리 마모를 개선하고자 한다.

    정삭여유에 일차전극의 마모를 더해 이차전극 의 방전 깊이로 입력하면 식 (3)과 같이 이차 전 극의 최종 마모를 예측할 수 있다.

    w υ ( 2 ) = w υ ( a + w υ ( 1 ) )
    (3)

    • w υ ( 2 ) : Vertex wear of 2nd electrode (mm)

    • w υ ( 1 ) : Vertex wear of 2nd electrode (mm)

    • a : Finishing allowance (mm)

    식(3)은 이전 방전의 전극 마모를 다음 방전에 입력하는 재귀함수 임으로 3개 이상의 전극을 사 용하는 다중 전극 방법에도 사용할 수 있다.

    위 모델을 활용한 이차 전극의 최종 모서리 마 모는 0.044 mm로 단일 전극 방법에 비해 73% 감 소할 것으로 예측된다.

    4.2 전극 마모 비교 실험

    하나의 전극만으로 황삭과 정삭 방전을 모두 완료하는 단일 전극 방법과 두 개의 전극으로 나 누는 다중 전극 방법의 마모를 비교하는 실험을 실시하였다. 실험에서 황삭은 기존실험과 동일한 전류 14A, 펄스 지속시간 140 μs, 갭 간격 0.07 mm 조건을 사용하고 정삭은 전류 5A, 펄스 지속 시간 50 μs, 갭 간격 0.07 mm 조건을 사용하였 다.

    하나의 흑연 전극을 사용한 단일 전극 방법과 두 개의 전극을 황삭과 정삭 과정에 각각 사용한 다중전극 방법의 전극 마모 실험 결과를 Table 4에 비교하였다. 단일 전극 방법으로 방전가공 했을 때 전극의 마모는 Fig. 12와 같이 0.216 mm으로 크다. 다중 전극 방법을 사용한 방전 가공의 최종 형상의 정밀도는 정삭 과정에서 사용한 이차 전극 의 마모에 의해 결정된다. 다중 전극 방법을 적용 했을 때 최종 전극의 마모는 Fig. 13에서 0.065 mm로 단일 전극 방법보다 70% 감소하였다.

    4.3 금형 정밀도 비교

    단일 전극 방법과 다중 전극 방법의 방전 가공 정밀도를 비교하였다. 전극 하나만 사용하면 Fig. 14과 같이 전극의 마모에 의한 모서리와 꼭짓점 오차가 방전 후 금형의 최종 형상에서 남게 된다. 동일한 방전조건에서 두 개의 전극을 사용한 다중 전극 방법은 Fig. 15와 같이 이차 전극의 마모가 작기 때문에 금형의 모서리와 꼭짓점이 정밀하게 방전된 것을 확인할 수 있다.

    하나의 전극을 사용하는 것 보다 두 개의 전극 을 사용할 때 금형의 방전 정밀도가 향상되지만 전극 비용과 준비 시간이 증가한다. 따라서 이번 연구로 개발된 방전 깊이에 따른 전극 마모모델이 단일 전극 방법으로 방전 정밀도를 만족할 수 있 는지 또는 비용이 증가해도 다중 전극 방전으로 정밀도를 높여야 하는지 판단하는 기준이 될 수 있을 것이다.

    이번 연구는 방전 깊이를 제외한 다른 모든 조 건을 추천조건으로 고정했기 때문에 적용 범위에 제한이 있어 일반화하기 위해서는 다양한 조건에 서 추가 실험이 필요하다.

    5. 결론

    금형의 형조방전에서 흑연 전극의 마모로 인한 모서리와 꼭짓점 오차는 정밀 방전의 애로 요인으 로 많은 연구가 필요하다. 본 연구는 HP4MA 금 형강을 흑연 전극으로 방전 가공할 때 가공 깊이 별 전극 모서리 마모를 측정하고 다중 전극 방법 으로 형상 정밀도 향상시켰다.

    단일 전극으로 방전할 경우 깊이에 따라 모서 리 마모가 증가하는 현상을 반복 실험으로 확인하 고 데이터를 회귀분석하여 방전 깊이에 따른 전극 마모 모델을 개발하였다. 이 모델을 이용해 두 개 의 전극을 사용한 다중 전극 방법으로 방전 정밀 도를 70% 향상시킬 수 있음을 예측하고 비교 실 험을 통해 증명하였다. 이 결과는 방전 깊이에 따 른 전극 마모를 예측하고 정밀도를 만족하는데 필 요한 최소 전극의 수를 추천하는 기초로 활용될 수 있을 것이다.

    후 기

    ““이 논문은 2017년도 산업핵심기술개발사업(과 제번호 1004855)의 연구비 지원에 의하여 연구되 었음.”

    Figure

    KSMPE-19-8-35_F1.gif
    Electric discharge machining principle
    KSMPE-19-8-35_F2.gif
    Voltage and current waveform of EDM[15]
    KSMPE-19-8-35_F3.gif
    3D scanning measurement error
    KSMPE-19-8-35_F4.gif
    Section milling of electrode for edge wear measurement
    KSMPE-19-8-35_F5.gif
    Edge wear measurement by ISM-PM200SA and ISM-PRO
    KSMPE-19-8-35_F6.gif
    Edge wear of test 2 depth 3.6 mm
    KSMPE-19-8-35_F7.gif
    Edge wear of test 3 depth 1.2 mm
    KSMPE-19-8-35_F8.gif
    Experiment data and edge wear model
    KSMPE-19-8-35_F9.gif
    Vertex wear of test 3 angle 90°
    KSMPE-19-8-35_F10.gif
    Vertex wear of test 2 angle 68.2°
    KSMPE-19-8-35_F11.gif
    Single electrode vs. Dual electrodes method
    KSMPE-19-8-35_F12.gif
    Wear of single electrode method
    KSMPE-19-8-35_F13.gif
    Wear of dual electrodes method
    KSMPE-19-8-35_F14.gif
    EDM result of single electrode method
    KSMPE-19-8-35_F15.gif
    EDM result of dual electrodes method

    Table

    Specification of experimental equipment
    Edge wear experiment result
    Vertex wear experiment result
    Wear and Machining time of single electrode vs. dual electrodes method

    Reference

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