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방전가공과 전해가공

放電加工－電解加工 단조(鍛造)나 프레스에 사용하는 형(型)은 복잡한 형태로 된 것이 많으며, 재료도 공구강(工具鋼)이라든가 고속도강 등이 쓰이고 있어서, 절삭(切削)하여 성형(成形)하는 데 장시간을 필요로 하는 경우가 많다. 최근에는 방전가공(放電加工), 전해가공(電解加工) 등의 전기적 가공법이 발달해서 고능률의 가공을 할 수 있게 되었다.이러한 가공법은 재료의 경도(硬度)에 관계없이 가공할 수 있으며 가공하기 쉬운 재료로 공구도 만들 수 있기 때문에, 복잡한 형태를 가진 것이나 절삭 가공이 어려운 재료를 가공하는 데 알맞다.

방전가공

放電加工

방전가공은 가공액 속에 담근 공작물에 전극을 접근시켜, 이들 사이에 전압을 걸면 아크가 발생하여, 그 고온에 의해서 방전점(放電點) 둘레가 녹고, 아크의 폭압(爆壓)과 발생하는 증기의 압력으로 그 용해물을 날려보내는 현상을 가공에 이용한 것이다.

공작물을 양극(陽極)으로, 공구(加工電極)를 음극으로 하여 조그만 아크를 단속적(斷續的)으로 발생시키면, 공구 형태와 같은 구멍이 공작물에 뚫린다. 전기회로로는 콘덴서를 사용하며, 이 콘덴서에 방전에 필요한 전기에너지를 공급하는데, 콘덴서가 지나치게 크면 커다란 아크가 날아 마무리된 면의 표면이 거칠어진다. 이 때 공구도 동시에 소모되지만 음극측에 접속(接續)하는 편이 소모가 적다. 또 공구 재료로 쓰이는 금속 중 소모가 큰 것부터 적으면 철·황동·구리·구리텅스텐·은텅스텐 등이 된다. 전극과 공작물은 보통 등유(燈油)에 담근 상태로 방전가공을 한다.

전해가공

電解加工

전해가공은 전기분해의 원리를 이용한 것으로서, 공구를 음극, 공작물을 양극(陽極)에 연결하고, 양자 사이에 전해질 용액을 흘려보내면서 수천 암페어의 대전류를 통한다. 공작물이 철합금인 경우, 전해질 용액으로 식염수를 사용하는 수가 많으며, 전극공구(電極工具)로는 구리 또는 황동을 사용하는 수가 많다. 전극공구와 마주보고 있는 공작물은 전기분해되어 철의 이온이 되고, 수산화철 혹은 산화철의 분말이 되어 가라앉는다. 전해가공은 3000A의 전류를 보낼 때에 공작물을 매분 40g 정도 제거할 수 있는 가공속도가 되는데, 방전가공에서는 기껏 매분 0.5g 정도에 불과한다. 이처럼 가공속도는 전해가공 쪽이 훨씬 크다. 그러나 가공의 정도(精度)는 방전가공쪽이 좋으므로 초벌가공(粗加工)은 전해가공에 의하여 다듬질가공은 방전가공으로 하는 기계도 있다.

전해연삭

電解硏削

전해가공과 연삭가공을 짝지은 전해연삭은 초경합금(超硬合金)을 높은 능률로 가공할 수가 있는 특징이 있으므로 이용 범위가 넓어지고 있다. 주로 다이아몬드의 지립(砥粒)을 금속원판(圓板)의 표면에 단열(單列)로 심은 특수한 숫돌을 쓰며, 전해질 용액으로서는 초경합금에 알맞는 질산소다·아질산소다 등이 쓰인다. 초경합금 공구는 보통 녹색 탄화규소(기호GC)숫돌바퀴로 초벌 연삭하고 다이아몬드숫돌바퀴로 다듬질 연삭을하는데, 전해연삭은 능률에서 GC숫돌바퀴에 필적하며, 가공정도(加工精度)는 다이아몬드숫돌바퀴와 동등하다. 주체(主體)는 전해가공이므로, 최근에는 다이아몬드숫돌바퀴 대신에 그라파이트바퀴를 사용하는 일도 많아졌다(〔그림〕－2).

이 밖에 전기분해를 이용하는 가공법의 일종으로

전해연마(電解硏磨)가

있다(〔그림〕－4). 공작물의 재질에 따라서 적당한 전해액을 선택하고, 양극(陽極)에 공작물을 접속(接續)시켜 음극과는 거리를 두고 대향(對向)케 하여 직류전압을 가하면 공작물 표면의 철부(凸部)만이 녹아 표면이 평활(平滑)하게 된다.

초음파가공

超音波加工

초음파를 이용한 가공에는 초음파용접과 초음파기계가공이 있다. 또 초음파기계 가공에는 지립(砥粒)을 사용하는 것과 절삭공구를 사용하는 방법이 있다. 초음파진동은 보통 2만 사이클 이상의 진동수를 가졌다. 전기회로로서 발생시킨 진동전압을 코일에 가해서 교번자계를 만들고 그 가운데에 자력(磁力)에 의해 변형을 일으키는 특수한 금속, 즉 니켈 같은 것을 놓으면, 이 굴 속이 초음파진동을 일으킨다. 이 진동을 용접접합점(溶接接合點)이라든가 공구(工具)로 인도(引導)한다. 초음파용접은 금속끼리를 접촉시켜 진동자(振動子)로 가볍게 밀면서 초음파진동을 가할 뿐으로 가열치 않고 용접한다.

지립(砥粒)을 사용하는 초음파 기계가공(機械加工)은 다이아몬드·루비 등의 보석, 세라믹·초경합금(超硬合金) 등의 매우 굳은 재료에 정밀한 구멍을 뚫기도 하고, 형(型)을 판다든지 하는 데에 이용되고 있다. 바이트와 같은 절삭공구를 사용하는 초음파가공은 알루미늄이나 구리와 같은 연성·전성(延性展性) 풍부한 재료의 표면을 아름답게 다듬질하는 데에 이용되고 있다(〔그림〕－3).

전자빔가공과 레이저가공

電子 beam 加工－laser 加工진공 속에서 전자(電子)의 흐름(전자빔)을 모아 공작물에 쬐면 고열을 일으키고, 그 때문에 공작물이 녹는다. 이것을 이용하여 구멍뚫기·절단(切斷)·용접 등을 하는 것을 전자빔가공이라 한다. 공기중에서는 산화되어 곤란한 재료의 가공, 매우 작은 구멍, 좁은 홈가공, 좁은 부분에서의 용접 등에 알맞다.

레이저가공 역시 에너지가 고도로 집중된 레이저광선을 공작물에 쬠으로써 공작물을 녹이는 것으로서, 이것은 진공으로 할 필요가 없이 대기중에서 가공할 수 있다.

태양광선을 렌즈로 모으면, 렌즈의 초점에서 3000℃나 되는 매우 높은 온도가 얻어지며, 이것은 태양로(太陽爐)로서 이용되고 있다. 그런데 태양의 빛은 크게 나눠서 7색의 빛, 즉 7종의 파장을 가진 빛으로 구성되고 있어 파장에 따라 굴절 정도가 달라지기 때문에, 렌즈로 집광(集光)하더라도 정확히 1점에 집중되지 않으며, 어느 정도의 면적을 차지하게 된다.

이와는 달리 레이저는 단일파장의 빛이므로, 렌즈를 사용하면 날카롭게 초점을 맺는다. 따라서 매우 정밀한 가공을 할 수가 있다. 레이저가공은 레이저광을 간헐적으로 또 충격적으로 발사시키는 편이 효과가 좋으므로 고체레이저광이 알맞다.

전자빔가공과 레이저가공을 비교하면, 전자빔가공은 좁은 부분에 에너지를 집중시킬 수 있으며, 또 빔을 편향시키기 수월하다는 이점이 있다. 레이저가공은 대기중에서 할 수 있다는 점과 간헐적으로 커다란 에너지를 집중시킬수 있기 때문에 효율적으로 가열시킬 수 있다는 특징을 갖고 있다.

스트레치드로포밍

scretch drawforming

판자를 길이의 방향으로 강한 힘으로 잡아당길 때, 인장력(引張力)이 재료의 탄성한도(彈性限度)를 넘으면 소성변형(塑性變形)을 일으키고, 잡아당기는 힘을 제거하여도 변형이 남는다. 이와 같이 잡아당기는 힘을 부여한 채, 형(型)에 감으면 형의 형상(形狀)과 동일한 제품을 만들 수 있다. 이 방법을 스트레치포밍(stretch forming)이라고 한다. 이 원리를 프레스의 가공에 응용하여 판자에 인장력(引張力)을 가한 뒤 프레스로 쬐면 판자 전면(全面)에 걸쳐 소성변형이 균일하게 이루어져 정도(精度) 높은 성형(成形)을 할 수 있다. 이 방법을 스트레치드로포밍이라 하며, 자동차 보디의 지붕(roof)·보닛·도어 등의 성형에 알맞다(〔그림〕－7).

액압성형

液壓成形

보통의 프레스 작업에서는 상·하 1쌍의 형(型)을 사용하여, 그 사이에 판을 끼워 성형한다. 형의 형상이 복잡하면 부분적으로 변형되는 정도가 달라지는데, 그 때문에 균열이나 일그러짐이 없이 균일하고 충분하게 소성변형할 수 있도록 상·하의 형을 맞추는 데에 연구가 필요해진다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로 형을 하나만 사용하고 여기에 판재(板材)를 얹고 액체의 압력을 그 위에서 가하면, 압력은 어느 부분이고 균일하게 미치므로 판의 변형 정도가 균일한 소성성형이 가능하다. 이 때 액체의 압력은 고무막(膜)을 거쳐서 판에 걸리도록 한다. 이 방법을 액압성형(液壓成形)이라 하는데, 하이드로폼법이 유명하다(〔그림〕－6의 c).

고속고에너지성형

高速高 energy 成形

변형의 속도를 높이면, 재료의 구석구석에까지 힘이 미쳐서, 복잡성형(複雜成形)이 수월하게 된다는 사실이 최근에 밝혀졌다. 변형의 속도를 높이는 방법에는 여러 가지 고안(考案)이 있다.

다이내믹법은 피스톤에 높은 가스압(壓)을 걸어서 상형(上型)을 붙인 피스톤을 고속으로 움직이게 한다. 동시에 하형(下型)을 부착한 실린더에는 반력(反力)이 작용하여 상하의 형이 서로 마주보며 급격히 이동하여 격돌한다.

폭발성형은 수중에서 화약을 폭발시켜 그 때 생기는 충격압(衝擊壓)을 이용하는 방법이다. 하형과 판은 수중에 두고 형에 판을 씌운 다음, 판과 형 사이의 물을 빼 진공 상태로 만들고 폭발시키면, 판은 형 모양대로 변형한다.

방전성형(放電成形)은 역시 수중에서 방전시켜 방전에 의한 충격압을 이용한다. 폭발성형과 동일하게 방전에 앞서 판재와 하형 사이의 물을 펌프로 빼 둔다.

전자성형(電磁成形)은 순간적으로 강한 전자력(電磁力)을 작용시켜 판재를 형(型)에 밀어붙여서 성형한다.