2.4.1 특수 가공(Unconventional Non-traditional Process) 개요

특수 가공은 절삭 공구, 고정 입자 또는 유리 입자를 이용한 절삭 가공과 달리, 열, 화학 또는 운동 에너지 등 실체가 없는 공구를 이용한 가공을 밀한다.

이런 특수 가공법은 일반 절삭 가공으로는 능률적인 가공이 어려운 피삭재나 난해한 형상의 부품 가공을 위해 개발된 경우가 대부분이다.

일반적으로 취성이 있는 고경도 재료에도 적용이 가능하고, 미세 가공이 가능한 특징을 가지고 있다.

이용 에너지의 형태와 발생시키는 방법에 따라 아래와 같이 구분한다.

 

구분		설명	비고
열에너지	방전 가공	아아크 방전에 의한 열로 공작물을 녹여서 공구 전극 형상을 공작물에 전사하는 가공법
	와이어컷 방전가공	CNC로 경로가 제어되는 와이어와 공작물 사이의 아아크 방전에 의한 열로 공작물을 녹여서 가공
	전자빔 가공	전자빔을 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 가공
	레이저 가공	레이저광을 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 가공
	기타	플라즈마가공, 마이크로파 가공 등
전기화학적에너지	전해 폴리싱	전해액 속에 공작물을 넣고 전기를 통해, 전기화학적으로 미세한 돌기를 석출시켜 광택면을 얻는 가공법
	전해 가공	전해 폴리싱의 전기화학적 반응을 보다 크게 하기 위해 기계적 작용을 추가한 가공법 내열강, 초경합금, 고장력강 등과 같이 일반 절삭 가공으로는 가공하기 어려운 공작물 가공
	전해 연마	연삭 가공과 전해 가공을 조합한 형태의 가공
	전해 호오닝	숫돌 호울더와 공작물 사이에 전해 전류를 흐르게 한 상태에서 호오닝 가공
	전해 랩핑	전해 가공와 일반 랩핑을 조합한 형태의 가공
화학 에너지	화학 절삭	부식액 중에 가공물을 침지하거나 부식액을 가공물의 해당 부위에 분사해 금속을 제거하는 가공
	화학 연마	일정한 온도의 강산, 약 알칼리 용액에 가공물을 단시간 담근 후 세척하여 광택을 얻는 가공법
운동 에너지	고속 액체 분사	액체를 고압으로 가압하고, 아주 작은 구멍의 노즐을 통해 초고속으로 공작물에 분출시켜, 그 충돌 압력으로 가공하는 방법

2.4.2 열 에너지를 이용한 가공

열 에너지를 이용한 가공은 열 에너지를 발생시키는 방법에 따라 여러가지로 구분된다.

1) 방전 가공 (Electro-discharge Machining : EDM)

전극과 공작물 사이에 아아크 방전을 발생시키고, 그 때 발생하는 열로 공작물을 녹여서 가공하는 방법을 말한다.

등유, 순수 등 절연액 속에서 전극과 공작물 간격을 0.02~0.05 mm 정도로 유지한 상태에서, 60 ~ 150V 정도의 직류 전압을 연결해 초당 10³ ~ 10⁶ 회 정도로 단속시키면 펄스성의 과도 아아크 방전이 직경 수백㎛ 범위 내에서 발생한다.

이 아아크 방전으로 발생한 열로 공작물은 국부적으로 용융, 기화하는 동시에, 방전시의 충격으로 용융 부분이 비산한다.

이런 작용이 계속되도록 공구 전극을 이송시켜, 공구 전극 형상을 공작물에 전사하는 가공법이 방전 가공이다.

공작물은 반드시 전도체라야 되는 단점이 있지만, 경도나 취성 등에 관계없이 가공이 가능하므로, 초경 합금, 금형강, 내열 합금 등의 가공이나, 금형 가공에 주로 적용된다.

◆ 방전 가공기

방전 가공기는 방전을 위한 펄스 전원 회로, 공구 전극, 여과 장치가 부착된 절연액 순환 장치, 전극 이송 서보 기구, 전극과 공작물 위치결정 및 고정을 위한 설치 기구 등으로 구성된다.

이외에 수치제어장치, 자동 전극 교환 장치 등이 추가로 부착되는 경우도 있다.

방전 가공기의 규격은 설치 가능 최대 공작물 크기 및 중량, 전원 용량(KW) 등으로 표시한다.

◆ 전극

가공 전극 재질은 공작물이나 가공 특성에 따라 선택한다.

 전극은 제작 비용이 전체 금형 제작 비용에서 차지하는 비중이 아주 크고, 금형의 품질에 직접적인 영향을 미치므로 재질 선택이나 제작 방법에 신중해야 된다.

2) 전자 빔 가공 (Electron Beam Machining : EBM)

전자를 진공 중에서 80~150 kV 로 가속하고, 전자 렌즈로 공작물 위에 집속 조사해 국부적으로 발생하는 고열로 공작물을 녹이고 증발시켜 가공하는 방법을 말한다.

① 주요 특징

 - 가공물의 기계적 성질에 관계없이 고경도 재료도 가공이 가능해, 다이아몬드 등에도 적용 가능

- 직경 1㎛ 정도의 극히 미소한 부분에도 에너지 집중이 가능해  미세 가공 가능

 - 전자 빔을 주사하여 복잡한 형상의 가공도 가능

 - 제거 가공 외에 용접(Electron Beam Welding), 증착 장치의 열원 등으로도 사용 가능

3) 레이저 가공

레이저(LASER : Light Amplification Stimulated Emission of Radiation)도 일반적으로 전자빔과 마찬가지로 제거 가공 외에 용접, 열처리 등에 적용이 가능하다.

◆ 레이저광의 특징

레이저는 인공 광선으로 자연광과 비교하면 다음과 같은 특징이 있다.

 

특성	설명	비고
지향성 Directivity	빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진
단색성 Monochromaticity	단일주파수의 단일광
간섭성 Coherence	위상이 균일해 약간의 장애물에만 부딪혀도 바로 간섭을 일으킴
에너지 집중/고휘도성 Brightness	에너지 밀도가 높아 철판도 절단 가능

◆ 레이저광의 구분

레이저 가공에 사용되는 레이저는 발진 물질과 모우드에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

일반적으로 금속 가공에는 Nd-YAG와 CO₂  레이저가 주로 이용된다.

 

분류 기준	구분		설명	비고
발진 물질 (주1)	고체 레이저	루비	- 파장 0.96㎛  - Cr2O3를 포함한 Al2O3의 결정체
		Nd-YAG (주2)	- 파장 1.06㎛  - 펄스 발진과 연속 발진 모두 가능  - 대형으로 만들기 어려운 단점
		Nd-유리	- 파장 1.06㎛
	기체 레이저	CO2 (주3)	- 파장 10.6㎛의 적외선 레이저  - 발진 효율이 높다.  - 연속 발진에서 출력은 수십kW까지 가능
		He-Ne (주4)	- 파장 0.6328㎛ 의 붉은색 가시 광선  - 출력이 작다 (0.5mW ~ 100mW).
		Ar	- 파장 0.49㎛
발진 모우드	연속 발진
	펄스 발진

 주 1) 이외에 액체 , 반도체 Laser 등이 있으나 금속 가공에는 별로 이용되지 않으므로 제외함.

     2) Nd-YAG : Neodium 이온이 첨가된, 석류석(Garnet) 결정구조로 된 이트륨(Yttrium)과

        알루미늄(Aluminum)의 산화물(Y₃Al₅O₁₂)을 말하며, Neodium이 실질적인 레이저 작동을 함.

     3) 일반 레이저는 투입된 에너지의 약 1% 만이 레이저광으로 변환되지만, CO₂ 레이저는

        약 15%까지도 레이저광으로 변환이 가능하다.

     4) 헬륨은 네온을 여기시키기 쉽게 들뜨게 하는 매개 물질로 작용하며, 실제의 발진은

        네온 가스에서 이루어진다.

4) 기타

플라즈마 가공, 마이크로파 가공 등

2.4.3 전해 응용 가공

전기 도금과는 반대로 공작물을 양극으로 한 상태에서, 적당한 용액 중에 넣어 통전하면 양극의 용출 작용에 의하여 공작물 표면이 미세하게 깍여나가게 된다.

전해 응용 가공은 이런 현상을 응용한 것으로 아래와 같은 가공법 들이 있다.

1) 전해 폴리싱 (Electrolytic Polishing)

전해 폴리싱은 공작물을 양극으로 한 상태에서 전해액 속에 넣고 전기를 통해, 공작물의 거칠게 튀어 나온 부분을 용출작용으로 제거함으로써 평활한 면으로 다듬는 가공법이다.

주로, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄 및 그 합금 등의 다듬질에 적용된다.

전해액은 황산, 인산 등 점성이 있는 액체가 사용되며, 점성을 높이기 위해 글리세린, 젤라틴, 한천 등을 첨가하기도 한다.

가공 변질층이 없으며, 선재나 박판의 연마가 가능하고, 연질 금속의 경면 다듬질이 용이하며, 여러개의 공작물을 동시에 가공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 가공면은 금속 산화물이 부착하여 내부식성이 강해진다.

반면에, 연마량이 작아 깊은 흠집은 제거되지 않으며, 모서리가 둥글게 되고, 불순물이 많은 주철이나 대형 공작물에는 적용할 수 없는 단점이 있다.

2) 전해 가공 (Electro-chemical Machining : ECM)

전해 가공은 전해 연마의 전기 화학적 반응을 보다 크게 하기 위해 기계적 작용을 추가하여, 내열강, 초경합금, 고장력강 등과 같이 일반 절삭 가공으로는 가공하기 어려운 공작물의 구멍 뚫기, 형조각 등의 가공을 하는 방법이디.

방전 가공과 유사하지만, 공작액이 절연액이 아닌 전해액이고, 사용 전류가 직류라는 점 등이 다르다.

수십 m/분 의 속도로 흐르는 알칼리성의 전해액(소금, 또는 질산염 용액) 속에서, 가공물을 양극, 가공할 형상으로 만든 공구를 음극으로 하고, 공구를 가공물과 간격 0.02~0.7 mm 정도를 유지하면서 계속 이송시켜, 가공물을 공구 형상대로 전사 한다.

금속 재료의 전기화학적 용해에는 그 진행을 방해하는 양극 생성물인 금속 산화물막이 생기는데 이를 흐르는 전해액으로 제거하면서 가공하므로 능률적인 가공이 가능하다.

직류 전압 5~20V 수준으로 하며, 단위 시간당 가공량은 30~170 kg/min 정도이다.

가공 능률은 공작물의 경도와는 무관하며, 표면 조도는 1~20 μ Rmax, 가공 정도는 0.1~0.3mm 수준까지 얻을 수 있다.

전해 가공의 주요 특징은 다음과 같다.

 - 경도가 크고 인성이 큰 재료에도 적용이 가능하다.

 - 복잡한 3차원 형상도 공구 자국이나 버(burr) 없이 쉽게 가공할 수 있다.

 - 열이나 힘의 작용이 없으므로 금속적인 결함이 생기지 않는다.

 - 공구인 음극의 소모가 거의 없다.

전극은 주로 강 또는 동을 사용하며, 경면(Mirror Surface)으로 가공해 사용한다.

3) 전해 연마 (Electro Chemical Grinding : ECG)

연삭 가공과 전해 가공을 조합한 형태의 가공을 말한다.

즉, 연마 숫돌을 음극, 공작물을 양극으로 한 상태에서 연삭 작업을 수행한다고 생각하면 된다.

이 방법은 전해 작용에서 생긴 산화막을 기계적으로 제거하는데 주목적이 있으며, 가공물 다듬질량의 대부분은 전해 작용에 의한다.

가공 능률은 일반 연삭 가공에 비해 4~10배 이상이 되며, 가공면은 일반 연삭면과 달리 광택이 없다.

전극 원판으로는 메탈 본드를 사용한 다이아몬드 숫돌, 금속 표면에 다이아몬드를 전착한 원판 등이 주로 사용된다.

초경 공구의 연삭에 주로 사용하며, 연마 숫돌의 마모가 매우 작아 유리하다.

4) 전해 호오닝

호오닝 머신을 그대로 사용하고, 추가로 숫돌 호울더와 공작물 사이에 전해 전류를 흐르게 한 상태에서 가공하는 것을 말한다.

알루미나계 등의 비전도성의 숫돌로 양극성 물질을 제거하면서 작업하게 되므로, 일반 호오닝 작업에 비해 단위 시간당 절삭량이 증가하고 숫돌의 마모도 감소한다.

호온의 구조상 공작물과 숫돌 호울더 사이의 간격이 넓어질 수밖에 없으므로, 극간 전압은 10~15 V 정도로 약간 크게 한다.

5) 전해 랩핑

전해 가공와 일반 랩핑을 조합한 형태로, 랩을 음극, 공작물을 양극으로 한 상태에서 랩핑 작업을 하는 것을 말한다.

비전도성 랩을 사용하는 경우에는 랩면에 전극을 파묻은 형태로 랩을 제작해 사용한다.

2.4.4 화학적 가공 (Chemical Machining)

대부분의 재료는 화학적으로 용해 및 부식시킬 수 있으며, 이런 현상을 이용한 가공법을 화학적 가공법이라 하고, 복잡한 형상, 가공면이 넓고 기계적 부하를 피해야 하는 경우 및 기계적인 지지가 어려운 공작물 등의 가공에 이용된다.

오래 전부터 녹을 제거하는 산세정, 공예에서의 부식(Etching) 및 금속표면의 광휘침지 등에 화학적 특수 가공법이 적용되었으나, 최근에는 단순하게 표면처리에 국한하지 않고 재료의 제거를 목적으로 하는 가공에도 많이 사용되고 있다.

과거에는 정도가 그다지 높지 않은 부분에 이용되었으나, 현재는 기계나 전기적으로 가공할 수 없는 재료의 정밀가공에도 많이 이용된다.

예를 들면, 정밀도가 높은 자의 눈금, 진공관 격자, 반도체 등이다.

1) 화학 절삭 가공 (Chemical Milling)

화학 절삭 가공은 교반되는 부식액 중에 가공물을 침지하거나 부식액을 가공물의 해당 부위에 분사하므로써 금속을 제거하는 가공이다.

주로, 다른 가공법으로는 가공이 어려운 아주 얇은 판이나 복잡한 형상의 오려 내기나 파내기에 적용한다.

기계적 부하가 없고 비교적 복잡한 형상도 쉽게 가공이 가능하며, 두께가 아주 얇은 항공기 스킨 등의 성형후 면삭 가공 등에도 적용이 가능하다.

단, 조대 결정립 조직을 가진 부분은 화학 절삭 가공면의 표면거칠기가 좋지 않은 단점이 있다.

부식액으로는 HNO3, NaOH, H2SO4 등을 가공재료에 적당한 배율로 혼합하여 사용한다.

가공을 필요로 하지 않는 부위는 마스컨트(Maskant : Neoporene, Vinyl, Wax 등)로 마스킹(Masking)하여 보호한다.

보통은, 전 부위를 마스킹한 후 가공할 부위의 마스컨트를 오려내 제거하는 방법을 사용한다.

1차 가공후 다시 마스컨트를 오려내고 2차 가공을 하는 방식으로 2단 이상의 단차면 가공도 가능하다.

2) 화학 연마 (Chemical Polishing)

화학연마는 일정한 온도의 강산, 약 알칼리 용액에 가공물을 단시간 담근 후 세척하여 광택을 얻는 방법이다.

화학 연마법을 많이 이용하고 있는 금속에는 동합금, 아연, 알루미늄 합금 등이 있다.

동합금의 화학연마는 인산 7ℓ, 질산 3ℓ, 초산 0.5 ~ 0.7ℓ의 혼합액 40 °C에서 행한다.

아연 및 카드뮴(Cadmium) 도금한 면을 연마하기 위해서는 0.5 ~ 0.7% 질산에 담그면 광택도 나고 내식성이 향상된다.

알루미늄의 화학연마는 순도가 높은 것은 순가성 soda, 가성 alkali, 인산, 황산으로 화학연마 할 수 있고, 순도가 낮은 aluminium 합금은 인산 1ℓ, 질산 0.5ℓ, 액온 110 ~ 120 °C, 시간 10분 또는 불소산 1 ~ 5%, 질산 5%, 시간 1 ~ 5 분의 조건에서 행한다.  

2.4.5 운동 에너지를 이용한 가공

액체 또는 유리 입자의 운동 에너지를 이용한 가공법을 말한다.

단, 유리 입자를 이용하는 초음파 가공은 유리 입자를 이용한 가공에 포함시켰으므로, 여기서는 순수 액체의 운동 에너지를 이용한 특수 가공에 대해서만 설명하기로 한다.

1) 고속 액체 분사 가공 (High Speed Water Jet Cutting)

액체(주로 물 사용)를 2,000~10,000 ㎏/㎠ 정도의 아주 고압으로 가압하고, 아주 작은 구멍(0.1~1.0 mm)의 노즐을 통해 수백~수천 m/초 수준의 초고속으로 공작물에 분출시켜, 그 충돌 압력으로 가공하는 방법을 말한다.

금속, 플라스틱, 목재, 천, 암석 등 다양한 재료의 천공이나 절단에 적용된다.

단, 두꺼운 재료의 천공이나 절단시, 가공면의 표면 상태는 그다지 좋지 않다.