방전가공 전극재료

왜 배우는가: 방전가공 전극재료는 공작물의 형상 정밀도, 가공 속도, 공정 비용을 함께 결정하는 소재이다. 전극재료의 특성은 방전 원리에서 바로 도출되므로 답안에서도 원리와 함께 설명해야 한다. 시험에서는 구비조건과 종류를 묻는 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제132회 1교시 5번, 제121회 2교시 3번, 제120회 1교시 9번, 제111회 1교시 4번, 제108회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

방전가공(EDM)의 전극재료는 방전을 일으켜 공작물을 깎아내는 전극을 만드는 도전성 재료이다.

방전가공에서 전극재료는 공구 역할을 하는 전극의 소재를 말한다. 전극은 공작물과 유전체 액 사이에서 반복적으로 방전을 일으키므로 전기가 잘 통하고 방전 열에 잘 견뎌야 한다. 전극재료의 선택은 가공 속도, 전극 소모율, 가공 면의 품질을 함께 결정한다. 방전가공의 전극은 공작물의 반대 형상을 가지므로, 전극재료는 전극을 만드는 가공 단계와 방전 가공 단계를 모두 고려해 골라야 한다.

핵심 키워드

• 방전전극: 방전 에너지를 공작물에 전달하는 도구 전극이다.
• 전극 소모율: 가공 중 전극이 닳는 비율로, 작을수록 형상 정밀도가 유지된다.
• 도전율: 전기가 흐르는 능력이며 방전의 안정성을 좌우한다.
• 융점: 방전 열에도 전극이 녹지 않는 한계를 나타낸다.
• 구리텅스텐(CuW): 구리와 텅스텐을 합금한 고융점 전극재료이다.
• 흑연: 가공이 쉽고 소모가 비교적 적은 전극재료이다.
• 황동: 와이어 방전가공에서 주로 쓰는 와이어 전극재료이다.
• 방전가공액: 유전체 액으로 방전 간극을 절연하고 녹은 찌꺼기를 씻어낸다.

2. 개념 풀이

방전가공에서 전극재료는 방전가공기의 공구 전극을 만드는 소재를 가리킨다. 전극과 공작물은 유전체 액 속에 놓이고 펄스 전압이 가해지며, 두 전극의 거리가 가장 가까운 지점에서 절연이 깨져 아크 방전이 일어난다. 이때 방전점의 온도가 급격히 올라 공작물 재료가 녹거나 기화되고, 그 열과 압력으로 용융 금속이 작은 알갱이로 튀어나온다. 이 과정이 짧은 주기로 수없이 반복되면서 전극의 형상이 공작물에 옮겨진다.

이 원리에서 전극재료에 요구되는 조건이 나온다. 방전이 매 펄스마다 안정적으로 일어나려면 전극의 전기저항이 낮아야 하므로 도전율이 높아야 한다. 방전 열을 받아도 전극이 녹아 형상이 무너지지 않아야 하므로 융점이 높아야 한다. 가공이 진행되어도 전극이 적게 닳아야 공작물에 옮겨지는 형상이 설계값에 가깝게 유지된다. 마지막으로 전극 자체를 원하는 음각 형상으로 깎아 만들어야 하므로 가공성이 좋아야 한다. 이 네 가지가 전극재료 선정의 기준이며, 실제 선정에서는 가공 목적과 예산에 따라 우선순위가 달라진다. 이 조건들은 서로 상충하기도 한다. 도전율이 높은 구리는 가공성이 좋지만 소모가 커서 정밀 가공에서는 구리텅스텐이나 흑연이 선택되는 경우가 많다.

전극 소모는 가공 정밀도와 직결되는 현상이다. 전극이 닳는 양을 공작물에서 제거된 양으로 나눈 값을 전극 소모율이라 하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

전극 소모율(%) = 전극 소모 체적 ÷ 공작물 제거 체적 × 100

소모율이 높으면 전극의 모서리가 둥글어져 공작물의 날카로운 모서리를 재현하지 못하고, 깊은 가공에서는 형상 오차가 누적된다. 방전가공액의 종류도 소모에 영향을 준다. 탄화수소계 유전체 액에서는 분해된 탄소가 전극 표면에 얇게 쌓여 전극을 보호하는 효과가 나타나는데, 이 효과는 전극재료와 극성 설정에 따라 크기가 달라진다.

핵심 용어는 다음과 같다.

방전 간극은 전극과 공작물 사이의 좁은 틈으로, 방전이 일어나는 공간이다. 가공 정밀도는 이 간극의 크기와 안정성에 따라 정해진다.

유전체 액은 절연성을 가진 가공액이다. 방전 뒤에 절연을 회복시키고 녹은 찌꺼기를 씻어낸다.

구리텅스텐(CuW)은 구리와 텅스텐을 합금한 전극재료이다. 텅스텐의 융점은 3420°C로 매우 높아 흑연보다 전극 수명이 길다.