1. 흑연 소재의 EDM 특성.
1.1. 배출 가공 속도.
흑연은 3,650°C라는 매우 높은 융점을 가진 비금속 소재인 반면, 구리의 융점은 1,083°C이므로 흑연 전극은 더 높은 전류 설정 조건을 견딜 수 있습니다.
방전 면적과 전극 크기 규모가 클수록 흑연 소재의 고효율 황삭 가공의 장점이 더욱 두드러진다.
흑연의 열전도율은 구리의 1/3 수준이며, 방전 과정에서 발생하는 열을 이용하여 금속 재료를 더욱 효과적으로 제거할 수 있습니다. 따라서 중정밀 가공에서 흑연 전극의 가공 효율은 구리 전극보다 높습니다.
가공 경험에 따르면, 적절한 사용 조건에서 흑연 전극의 방전 가공 속도는 구리 전극보다 1.5~2배 빠릅니다.
1.2. 전극 소모량.
흑연 전극은 고전류 조건을 견딜 수 있는 특성을 가지고 있으며, 적절한 황삭 설정 조건 하에서, 가공 중 탄소강 공작물의 성분 제거 및 고온에서의 작동 유체 분해로 인한 탄소 입자의 극성 효과로 인해 성분의 부분적인 제거 작용 하에서 탄소 입자가 전극 표면에 부착되어 보호층을 형성함으로써 황삭 가공 시 흑연 전극의 손실을 최소화하거나 심지어 "폐기물 제로"를 보장합니다.
방전가공에서 전극 손실의 주된 원인은 황삭 가공입니다. 정삭 가공 설정 조건에서는 손실률이 높지만, 부품에 할당된 가공 여유가 작기 때문에 전체 손실은 낮습니다.
일반적으로 흑연 전극의 손실은 대전류를 이용한 황삭 가공 시에는 구리 전극보다 적고, 정삭 가공 시에는 구리 전극보다 약간 더 크다. 두 전극의 손실률은 비슷하다.
1.3. 표면 품질.
흑연 소재의 입자 직경은 방전가공(EDM)의 표면 거칠기에 직접적인 영향을 미칩니다. 직경이 작을수록 표면 거칠기가 낮아집니다.
몇 년 전에는 입자 직경이 5 마이크론인 흑연 소재를 사용했을 때 최상의 표면 조도는 VDI 18 edm(Ra 0.8 마이크론)에 불과했지만, 현재는 흑연 소재의 입자 직경이 3 마이크론 이내로 줄어들어 최상의 표면 조도가 안정적인 VDI 12 edm(Ra 0.4 μm) 또는 그 이상의 수준에 도달할 수 있게 되었습니다. 하지만 흑연 전극은 반사율(VDI 0.8)을 나타냅니다.
구리 소재는 저항이 낮고 구조가 치밀하여 까다로운 조건에서도 안정적으로 가공할 수 있습니다. 표면 조도는 Ra0.1μm 미만으로, 거울처럼 매끄럽게 가공할 수 있습니다.
따라서 방전 가공으로 극도로 미세한 표면을 얻고자 할 경우, 전극 재료로 구리를 사용하는 것이 더 적합하며, 이것이 구리 전극이 흑연 전극에 비해 가지는 주요 장점입니다.
하지만 구리 전극은 높은 전류 설정 조건에서 전극 표면이 거칠어지거나 균열이 생기기 쉽지만, 흑연 소재는 이러한 문제가 없습니다. VDI26 금형 가공에 필요한 표면 조도(Ra2.0 마이크론)를 고려할 때, 흑연 전극을 사용하면 거친 표면에서 미세한 표면으로 가공할 수 있어 균일한 표면 효과를 구현하고 표면 결함을 최소화할 수 있습니다.
또한, 흑연과 구리의 구조적 차이로 인해 흑연 전극의 표면 방전 부식점은 구리 전극보다 더 균일합니다. 따라서 VDI20 이상의 동일한 표면 조도를 가공할 때, 흑연 전극으로 가공한 공작물의 표면 입자감이 더욱 뚜렷하게 나타나며, 이러한 입자감 표현 효과가 구리 전극의 방전 표면 효과보다 우수합니다.
1.4. 가공 정밀도.
흑연 소재의 열팽창 계수는 작지만, 구리 소재의 열팽창 계수는 흑연 소재의 4배에 달합니다. 따라서 방전 가공 시 흑연 전극은 구리 전극보다 변형이 적어 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있는 가공 정밀도를 얻을 수 있습니다.
특히 깊고 좁은 리브를 가공할 때, 국부적인 고온으로 인해 구리 전극은 쉽게 휘어지지만 흑연 전극은 그렇지 않습니다.
깊이 대 직경 비율이 큰 구리 전극의 경우, 가공 설정 시 크기를 보정하기 위해 특정 열팽창 값을 보정해야 하지만, 흑연 전극의 경우에는 이러한 보정이 필요하지 않습니다.
1.5. 전극 무게.
흑연 소재는 구리보다 밀도가 낮으며, 동일 부피의 흑연 전극 무게는 구리 전극 무게의 1/5에 불과합니다.
흑연은 부피가 큰 전극에 사용하기에 매우 적합하며, 방전가공 공작기계의 스핀들 부하를 크게 줄여줍니다. 또한, 흑연 전극은 무게가 커서 클램핑 시 불편함을 초래하거나 가공 중 처짐 변위를 발생시키지 않습니다. 따라서 대형 금형 가공에 흑연 전극을 사용하는 것은 매우 중요한 의미를 지닙니다.
1.6. 전극 제조의 어려움.
흑연 소재는 가공성이 우수합니다. 절삭 저항은 구리의 1/4에 불과합니다. 적절한 가공 조건에서 흑연 전극의 밀링 효율은 구리 전극보다 2~3배 높습니다.
흑연 전극은 각도를 쉽게 제거할 수 있으며, 여러 전극으로 마무리해야 하는 공작물을 하나의 전극으로 가공할 수 있습니다.
흑연 소재의 독특한 입자 구조는 전극 밀링 및 성형 후 버(burr) 발생을 방지하여 복잡한 형상에서 버 제거가 어려운 경우에도 사용 요구 사항을 직접적으로 충족할 수 있습니다. 따라서 전극의 수동 연마 공정을 없애고 연마로 인한 형상 변화 및 크기 오차를 방지할 수 있습니다.
참고로, 흑연은 분진이 많이 발생하는 물질이므로 흑연을 분쇄할 때 많은 분진이 발생하며, 따라서 분쇄기에는 밀폐 장치와 집진 장치가 반드시 있어야 합니다.
만약 흑연 전극을 가공하기 위해 edM을 사용해야 한다면, 가공 성능은 구리 소재만큼 좋지 않고 절삭 속도는 구리보다 약 40% 느립니다.
1.7. 전극 설치 및 사용.
흑연 소재는 접착력이 우수합니다. 전극을 밀링하고 방전시켜 흑연과 고정구를 접착할 수 있으므로 전극 소재에 나사 구멍을 가공하는 과정을 생략하고 작업 시간을 절약할 수 있습니다.
흑연 소재는 비교적 취성이 강하며, 특히 작고 가늘고 긴 전극은 사용 중 외부 힘을 받으면 쉽게 파손되지만, 전극이 손상되었는지 즉시 알 수 있습니다.
만약 구리 전극이라면 부러지지 않고 휘어지기만 할 뿐이므로 매우 위험하며 사용 과정에서 이를 발견하기 어렵고 가공물을 폐기해야 하는 상황으로 이어질 수 있습니다.
1.8.가격.
구리 소재는 재생 불가능한 자원이므로 가격이 점점 더 상승할 것으로 예상되는 반면, 흑연 소재의 가격은 안정세를 보일 것으로 전망됩니다.
최근 몇 년간 구리 소재 가격이 상승함에 따라 주요 흑연 제조업체들은 흑연 생산 공정을 개선하여 경쟁력을 확보했습니다. 현재 동일 생산량 기준으로 흑연 전극 소재 가격과 구리 전극 소재 가격은 대체로 비슷하지만, 흑연은 효율적인 가공이 가능하여 구리 전극을 사용할 때보다 작업 시간을 크게 절약할 수 있고, 결과적으로 생산 비용을 직접적으로 절감할 수 있습니다.
요약하자면, 흑연 전극의 8가지 edM 특성 중 장점은 분명합니다. 전극 밀링 및 방전 가공 효율이 구리 전극보다 훨씬 우수하고, 전극 크기가 크지만 무게가 가볍고 치수 안정성이 뛰어나며, 얇은 전극은 변형이 쉽지 않고, 표면 질감이 구리 전극보다 우수합니다.
흑연 소재의 단점은 VDI12(Ra0.4m) 조건에서 미세 표면 방전 가공에 적합하지 않고, edM을 사용하여 전극을 만드는 효율이 낮다는 점입니다.
하지만 실질적인 관점에서 볼 때, 중국에서 흑연 소재의 효과적인 보급을 저해하는 중요한 이유 중 하나는 전극 밀링에 특수 흑연 가공 기계가 필요하다는 점이며, 이는 금형 기업의 가공 장비에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 일부 소규모 기업은 이러한 조건을 충족하지 못할 수도 있습니다.
일반적으로 흑연 전극의 장점은 대부분의 전기방전(edM) 공정에서 활용 가능하며, 상당한 장기적 이점을 고려할 때 보급 및 적용 가치가 높습니다. 미세 표면 처리의 한계는 구리 전극을 사용함으로써 보완할 수 있습니다.
2. 방전가공용 흑연 전극 재료 선정
흑연 소재의 성능을 직접적으로 결정하는 주요 지표는 다음과 같은 네 가지입니다.
1) 재료의 평균 입자 직경
재료의 평균 입자 직경은 재료의 배출 상태에 직접적인 영향을 미칩니다.
흑연 소재의 평균 입자 크기가 작을수록 방전이 더욱 균일해지고, 방전 조건이 더욱 안정적이며, 표면 품질이 우수하고, 손실이 줄어듭니다.
평균 입자 크기가 클수록 황삭 가공에서 더 나은 제거율을 얻을 수 있지만, 정삭 가공의 표면 품질이 떨어지고 전극 손실이 커집니다.
2) 재료의 굽힘 강도
재료의 굽힘 강도는 재료의 강도를 직접적으로 반영하며, 내부 구조의 견고성을 나타냅니다.
강도가 높은 재료는 방전 저항 성능이 비교적 우수합니다. 고정밀 전극의 경우, 강도가 좋은 재료를 가능한 한 선택해야 합니다.
3) 재료의 쇼어 경도
흑연은 금속 재료보다 단단하기 때문에 절삭 공구의 손실이 절삭 금속의 손실보다 더 큽니다.
동시에, 방전 손실 제어 측면에서 흑연 소재의 높은 경도가 더 우수합니다.
4) 재료의 고유 저항률
고유 저항이 높은 흑연 소재의 방전 속도는 저항이 낮은 흑연 소재보다 느립니다.
고유 저항률이 높을수록 전극 손실은 줄어들지만, 고유 저항률이 높을수록 방전 안정성에 영향을 미칩니다.
현재 세계 유수의 흑연 공급업체들로부터 다양한 등급의 흑연을 구할 수 있습니다.
일반적으로 흑연 재료는 평균 입자 직경에 따라 분류되는데, 입자 직경이 4μm 이하인 경우 미세 흑연, 5~10μm인 경우 중간 흑연, 10μm 이상인 경우 조립 흑연으로 정의됩니다.
입자 직경이 작을수록 재료비가 비싸지므로, EDM 가공의 요구 사항과 비용에 따라 더욱 적합한 흑연 재료를 선택할 수 있습니다.
3. 흑연 전극 제작
흑연 전극은 주로 분쇄 공정을 통해 만들어집니다.
가공 기술적인 관점에서 볼 때 흑연과 구리는 서로 다른 재료이며, 각 재료의 절삭 특성 차이를 숙지해야 합니다.
흑연 전극을 구리 전극 공정으로 가공할 경우, 판재의 잦은 파손과 같은 문제가 불가피하게 발생하므로 적절한 절삭 공구와 절삭 매개변수를 사용해야 합니다.
흑연 전극을 가공할 때 구리 전극보다 공구 마모가 심하므로 경제적인 측면에서 초경 공구를 선택하는 것이 가장 경제적입니다. 다이아몬드 코팅 공구(흑연 나이프라고도 함)는 가격이 더 비싸지만 수명이 길고 가공 정밀도가 높아 전체적인 경제적 이점이 좋습니다.
공구의 전면 각도 크기 또한 수명에 영향을 미칩니다. 전면 각도가 0°인 공구는 15°인 공구보다 수명이 최대 50% 더 길고 절삭 안정성도 더 좋습니다. 하지만 각도가 클수록 가공면 품질이 향상되므로, 15° 각도의 공구를 사용하면 최상의 가공면 품질을 얻을 수 있습니다.
가공 시 절삭 속도는 전극의 형상에 따라 조절할 수 있으며, 일반적으로 10m/min 정도입니다. 알루미늄이나 플라스틱 가공과 유사하게, 황삭 가공 시에는 절삭 공구가 공작물에 직접 접근하고 이탈할 수 있습니다. 그러나 정삭 가공 시에는 모서리 붕괴 및 파편화 현상이 발생하기 쉬우므로, 가벼운 칼날을 이용한 고속 이동 방식이 흔히 사용됩니다.
절삭 공정에서 흑연 전극은 많은 분진을 발생시키는데, 흑연 입자가 기계 스핀들과 스크류에 흡입되는 것을 방지하기 위해 현재 두 가지 주요 해결책이 있습니다. 하나는 특수 흑연 가공 기계를 사용하는 것이고, 다른 하나는 일반 가공 센터를 개조하여 특수 집진 장치를 장착하는 것입니다.
시중에 판매되는 특수 흑연 고속 밀링기는 높은 밀링 효율을 자랑하며, 높은 정밀도와 우수한 표면 품질을 갖춘 복잡한 전극 제조를 손쉽게 완료할 수 있습니다.
EDM(전기 방전 가공)을 이용하여 흑연 전극을 제작해야 하는 경우, 입자 직경이 더 작은 미세 흑연 소재를 사용하는 것이 좋습니다.
흑연의 가공 성능은 좋지 않으므로 입자 직경이 작을수록 절삭 효율이 높아지고, 잦은 와이어 끊김이나 표면 가장자리 손상과 같은 이상 현상을 방지할 수 있습니다.
4. 흑연 전극의 EDM 매개변수
흑연과 구리의 EDM 파라미터 선택은 상당히 다릅니다.
EDM의 주요 매개변수에는 전류, 펄스 폭, 펄스 간격 및 극성이 포함됩니다.
다음은 이러한 주요 매개변수를 합리적으로 사용하는 근거를 설명합니다.
흑연 전극의 전류 밀도는 일반적으로 10~12 A/cm²로 구리 전극보다 훨씬 높습니다. 따라서 해당 면적에서 허용되는 전류 범위 내에서 전류를 크게 선택할수록 흑연 방전 처리 속도가 빨라지고 전극 손실이 줄어들지만 표면 거칠기는 증가합니다.
펄스 폭이 클수록 전극 손실은 줄어듭니다.
하지만 펄스 폭이 커지면 처리 안정성이 떨어지고 처리 속도가 느려지며 표면이 거칠어집니다.
황삭 가공 중 전극 손실을 최소화하기 위해 일반적으로 비교적 큰 펄스 폭을 사용하는데, 이 값이 100~300 US 사이일 때 흑연 전극의 저손실 가공을 효과적으로 실현할 수 있습니다.
미세한 표면 특성과 안정적인 방전 효과를 얻기 위해서는 더 작은 펄스 폭을 선택해야 합니다.
일반적으로 흑연 전극의 펄스 폭은 구리 전극의 펄스 폭보다 약 40% 작습니다.
펄스 간격은 주로 방전 가공 속도와 가공 안정성에 영향을 미칩니다. 값이 클수록 가공 안정성이 향상되어 표면 균일도가 좋아지지만 가공 속도는 감소합니다.
처리 안정성을 확보하는 조건 하에서는 펄스 간격을 작게 선택할수록 처리 효율이 높아지지만, 방전 상태가 불안정할 경우에는 펄스 간격을 크게 선택할수록 처리 효율이 높아진다.
흑연 전극 방전 가공에서는 펄스 간격과 펄스 폭을 보통 1:1로 설정하는 반면, 구리 전극 방전 가공에서는 펄스 간격과 펄스 폭을 보통 1:3으로 설정합니다.
안정적인 흑연 가공 조건에서 펄스 간격과 펄스 폭의 정합 비율은 2:3으로 조절할 수 있다.
펄스 간극이 작은 경우, 전극 표면에 피복층을 형성하는 것이 전극 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.
방전가공에서 흑연 전극의 극성 선택은 기본적으로 구리 전극의 극성 선택과 동일합니다.
EDM의 극성 효과에 따라 금형강 가공 시에는 일반적으로 양극 가공이 사용됩니다. 즉, 전극은 전원 공급 장치의 양극에 연결하고 공작물은 전원 공급 장치의 음극에 연결합니다.
높은 전류와 펄스 폭을 사용하고 정극성 가공을 선택하면 전극 손실을 극히 낮출 수 있습니다. 극성이 잘못되면 전극 손실이 매우 커집니다.
표면 조도가 VDI18(Ra0.8m) 미만으로 정밀하게 가공되어야 하고 펄스 폭이 매우 작을 경우에만 음극성 가공을 사용하여 더 나은 표면 품질을 얻을 수 있지만, 전극 손실이 큽니다.
현재 CNC edM 공작기계는 흑연 방전 가공 매개변수를 갖추고 있습니다.
전기적 매개변수의 사용은 지능적이며 공작기계의 전문가 시스템에 의해 자동으로 생성될 수 있습니다.
일반적으로 기계는 프로그래밍 과정에서 재료 쌍, 적용 유형, 표면 거칠기 값을 선택하고 가공 영역, 가공 깊이, 전극 크기 등을 입력하여 최적화된 가공 매개변수를 구성할 수 있습니다.
EDM 공작기계 라이브러리의 흑연 전극 설정에는 풍부한 가공 매개변수가 제공되며, 재질 유형은 거친 흑연, 일반 흑연, 다양한 공작물 재질에 맞는 흑연 중에서 선택할 수 있습니다. 적용 유형은 표준, 깊은 홈, 날카로운 끝, 넓은 면적, 큰 구멍, 미세 가공 등으로 세분화되며, 저손실, 표준, 고효율 등 다양한 가공 우선순위 선택 옵션도 제공합니다.
5. 결론
새로운 흑연 전극 소재는 적극적으로 보급할 가치가 있으며, 그 장점은 국내 금형 제조 업계에서 점차 인정받고 수용될 것입니다.
흑연 전극 재료의 적절한 선택과 관련 기술 단계의 개선은 금형 제조 기업에 고효율, 고품질, 저비용이라는 이점을 가져다줄 것입니다.
게시 시간: 2020년 12월 4일