형조 방전 가공에서는 3차원 형상과 함께 여러 용도의 홀 가공이 이루어지고 있다. 특히 프레스 금형제작에서 열처리 후 재료의 홀 가공은 재료의 높은 경도로 인해 기존의 절삭 가공의 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 산업현장에서는 다양한 방법으로 가공을 하고 있다. 그중 하나가 형조 방전에 의한 가공 방법이다. 산업현장에서는 오래전부터 열처리 후의 재료에 대한 홀 가공이 형조 방전에 의해 많이 이루어지고 있으나 이에 대한 학문적 연구는 미비한 상태이다.
더구나 방전 탭 가공에 대한 연구는 전무한 상태이다. 홀 방전과 탭 방전이 현장에서 작업자의 경험적, 자의적 판단에 의해 이루어지고 있다. 그리고 이미 그에 대한 해답을 얻었는지도 모른다. 하지만 이를 학문적으로 규명하고 정립할 수 있다면 방전 가공 기술 분야에 도움이 될 것이다.
방전 가공은 공구와 공작물간의 물리적인 접촉을 하여 공작물을 가공하는 기존의 가공 방식과 달리 공구전극과 공작물간의 물리적 접촉이 발생하지 않는다. 공작물의 표면에 방전 효과에 의한 초고온의 열을 집중시켜 용융 및 증발시키는 가공 방법으로 공작물의 강도와 경도에 관계없이 가공이 가능하다. 그러므로 공작물이 전기적으로 전도체이기만 하면 기존 절삭 가공으로 가공이 힘든 각종 신소재, 초경합금, 고경도 합금, 열처리 후의 소재의 가공이 가능하다는 장점이 있다.
본 연구에서는 금형제품에 널리 사용되는 열처리된 냉간단조금형용 공구강(STD11)을 동텅스텐 전극으로 홀 방전 가공과 탭 방전 가공을 실시하였다. 최대 전류치(peak current)와 방전 전류의 펄스지속시간(pluse-on time)이라는 전기적 가공 조건을 변화시켜 이에 따른 공작물의 표면 성상과 공작물 형상을 관찰 분석하였다. 또한 방전 횟수 변화와 플러싱 홀의 유·무관계라는 기계적 가공 조건의 영향도 함께 관찰 분석하였다.
모든 실험의 계획과 분석은 실험계획법(DOE: design of experiments)에 의해 이루어졌다. 방전 홀 표면과 방전 탭 형상이라는 특성치에 가장 영향을 준 가공인자는 최대 전류치이다. 각 인자별 기여도를 보면 다음과 같다. 첫째, 관통 홀 방전의 경우 최대 전류치(79.52%), 펄스지속시간(8.13%) 순이며 비관통 홀 방전의 경우 최대 전류치(87.59%), 펄스지속시간(5.19%), 플러싱 홀(4.01%) 순이다. 둘째, 관통 홀 탭 방전인 경우 최대 전류치(75.77%), 펄스지속시간(14.82%) 순이며 비관통 홀 탭 방전인 경우 최대 전류치(72.22%), 플러싱 홀(12.75%), 펄스지속시간(10.89%) 순으로 결과가 나왔다. 셋째, 그리고 펄스지속시간과 최대 전류치 값의 증가는 단발 방전 에너지 증가를 가져와 방전 홀 표면을 거칠게 하고 방전 탭의 나사산의 형상을 정밀하지 않게 가공하는 결과를 가져왔다. 넷째, 칩 배출이 원활하지 않은 비관통 홀 방전 가공에서 플러싱 홀이 있는 파이프 전극으로 가공하는 것이 칩 배출을 상대적으로 원활하게 하여 방전 홀의 표면과 방전 탭의 형상을 좋게 하였으나, 플러싱 홀의 크기에는 크게 영향을 받지 않았다. 최대 전류치 값이 커질수록 방전 가공으로 인한 방전 분화구, 용융층, 용출 입자 그리고 미세 균열 등이 표면에 더 많이 분포됨을 알 수 있었다.
그 결과 냉간금형용 공구강의 형조 방전 가공에 대한 최적 조건은 펄스지속시간 130 μs 와 최대 전류치 14.2 A 및 플러싱 홀이 있는 전극이 가장 좋은 표면 조도와 나사형상을 얻을 수 있었다.
박인수(공학박사)
