KR20110064502A - 교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와이어 방전가공기에서 전압 강하를 방지하고, 입력전원의 에너지가 손실되지 않으면서도 가공품의 표면 품질 및 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 직류(DC) 전원을 공급하는 전원부와, 공진회로에서 소정 공진 주파수로 공진이 발생하도록 스위칭하는 스위칭부와, 인덕턴스와 캐패시턴스를 이용한 직병렬 회로로 구성되고, 소정 공진 주파수에서 최소 방전 전류를 출력하는 공진회로와, 전원의 크기를 소정 크기만큼 증폭시키는 증폭회로를 포함하고, 스위칭 회로, 공진회로, 증폭회로를 사용하여 전원부로부터 공급되는 직류(DC) 전원을 교류(AC) 전원으로 변환하여 방전전극 간에 공급하는 것을 특징으로 한다.

와이어 방전가공기, 방전전극, 교류 전원 방식.

Description

교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기{WIRE ELECTRIC DISCHARGE MACHINE OF ALTERNATING CURRENT POWER SOURCE PROVIDING METHOD}

본 발명은 와이어 방전가공기에 관한 것으로, 특히 와이어 방전가공기에서 전압 강하를 방지하고, 입력전원의 에너지가 손실되지 않으면서도 가공품의 표면 품질 및 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 교류(Alternating Current, 이하 ‘AC’라 함.) 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기에 관한 것이다.

일반적으로 방전가공기라 함은 두 방전전극 사이에서 방전을 일으켰을 때 발생하는 전기적 작용을 이용하여 대상물을 가공하는 장치로서, 방전전극으로 총형 전극을 이용한 총형 방전가공기와 방전전극으로 와이어를 이용한 와이어 방전가공기 등 다양한 타입이 있다.

한편, 이와 같은 방전가공기는 대상물의 가공속도와 가공면의 거칠기가 방전전극간에 인가되는 방전전원의 크기에 따라 달라지기 때문에 상기 방전전극간에 인가되는 방전전원의 크기를 미세하게 제어할 수 있는 방전전원 제어장치를 반드시 구비하여야 한다.

방전가공기들 중 와이어 방전가공기에서는 치수 정도와 표면조도 향상을 위 해서 보통 4차 가공까지 실시하고 있는데, 현재 방전가공기의 가공 성능을 살펴보면 1차 가공은 황삭가공에 해당하며 표면조도 Ra(표면 거칠기) 약 3um이고 2차 가공은 중삭가공으로 표면조도는 Ra 2um이다. 3차, 4차 가공이 정삭가공에 해당하며, 3차 가공시 표면조도는 약 Ra 1um이고 4차 가공시 표면조도는 약 Ra 0.7um이다.

이와 같이 4차 가공시 표면조도가 약 Ra 0.7um로 가공되는 와이어 방전가공기의 구성은 도 1과 같이 도시할 수 있다.

도 1을 참조하면, 가변저항(100)을 병렬로 연결하고 저항값을 가변시켜 방전전극 간에 흐르는 가공 전류를 조절하여 원하는 가공 표면조도를 맞추도록 한다. 이때, 가공 전류는 작게 흐를수록 가공 표면조도가 좋기 때문에 가변저항(100)의 저항값을 크게 할수록 방전전극 간에 흐르는 가공 전류가 작아져 가공 표면조도는 향상시킬 수 있게 된다.

그런데, 저항을 일정값 이상 크게 하면 방전전극 간에 인가되는 전압이 작아져 방전이 발생하지 않게 되는 문제가 있어 저항을 무한정 크게 하여 전류를 작게 할 수 없다.

이에 따라 가변 저항에 의한 극간 전압 강하를 보상하기 위해 인가전압 (V)를 증가시키게 되면 가공 전류가 증가하게 되어 가공 표면조도가 좋지 않게 된다. 이로 인해 인가전압(V)와 가변저항값의 적정 값을 찾아 실시한 결과 전류 제한용 저항의 최대값은 약 100Ω 정도이며, 인가전압을 80V로 할 경우 방전전극 간에 흐르는 전류는 약 0.8A 가 된다.

이와 같이 방전전극 간에 흐르는 전류는 약 0.8A이 되는 경우 표면조도는 최 대 Ra 0.7um 수준이다.

상기의 도 1과 같이 방전전극 간에 흐르는 전류의 방향이 가공 대상물(103)에서 와이어(104) 방향 또는 와이어(104)에서 가공 대상물(103) 방향 즉, 한쪽 방향으로 흐르는 방식을 직류(DC; Direct Current) 전원 공급 방식이라고 한다.

그런데, 점점 표면조도를 향상시키는 기술이 개발되면서, 4차 가공 표면조도가 Ra 0.7um보다 더 작은 값인 Ra 0.3um 이하로 되도록 하는 회로가 개발되었다.

4차 가공 표면조도가 Ra 0.3um 이하로 되도록 하는 와이어 방전가공기는 도 2와 같이 도시할 수 있다.

도 2를 참조하면, 방전전극 간에 가변저항의 구성을 없애고, 링코어 인덕턴스(200)를 삽입하였다. 또한, DC 입력전원을 MOSFET(Tr)을 사용하여 1MHz로 스위칭하여 방전전극 간에 인가되는 전원의 온(ON) 시간을 0.5 us로 제한하였다.

이렇게 함으로써 방전전극 간에 흐르는 전류량을 제한하고, 전원전압(V) 값을 변화시켜 가공전류를 다양하게 변화시킴으로써 다양한 두께의 소재에 대하여 가공이 가능하게 하였고 4차 가공 표면조도를 Rmax 0.8~2.5um(Ra 환산 시 약 Ra 0.2~0.3um)가 되도록 하였다.

그런데, 도 2와 같이 링코어(200)를 사용하는 경우에는 입력전원의 에너지가 실제 가공에 사용되는 것은 불과 10% 정도이고, 나머지 90%의 에너지는 링코어(200)에서 열로 손실되는 문제가 있었다. 따라서, 링코어(200)의 열을 냉각하기 위하여 수냉식 구조로 링코어를 제작할 수 밖에 없었다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하여 와이어 방전가공기에서 전압 강하를 방지하고, 입력전원의 에너지가 손실되지 않으면서도 가공품의 표면 품질 및 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 와이어 방전가공기를 제공하고자 한다.

이를 위한 본 발명에 따른 와이어 방전가공기는, DC 전원을 공급하는 전원부(330)와, 상기 전원부(330)와 연결되고, 공진회로(310)에서 소정 공진 주파수로 공진이 발생하도록 스위칭하는 스위칭부(320)와, 상기 스위칭부(320)와 연결되고, 인덕턴스와 캐패시턴스를 이용한 직병렬 회로로 구성되고, 상기 소정 공진 주파수에서 최소 방전 전류를 출력하는 공진회로(310)와, 상기 공진회로(310)와 연결되고, 상기 AC 전원의 크기를 소정 크기만큼 증폭시켜 가공 대상물(340)을 가공하기 위한 방전전극(341, 351)으로 공급하는 증폭회로(300)를 포함하고, 상기 스위칭 회로(320), 공진회로(310), 증폭회로(300)를 사용하여 상기 전원부(330)로부터 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 방전전극(341, 351)간에 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 스위칭부(320)는, 스위칭을 통해 상기 공진회로(310)에서 이용되는 공진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 전원부(330)는, 가변 전원으로 구성하여 가공 대상물(340)의 종류와 두께에 따라 인가 전압을 선택할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 와이어 방전가공기에는 가공 대상물의 표면 조도 개선을 위해 교류고주파를 발생하는 공진형 증폭회로를 구비하여 기존과 같이 저항구성을 사용하지 않음으로써 종래의 와이어 방전가공기에서 발생하였던 문제점인 저항에 의한 전압강하 문제를 해결할 수 있게 되었다.

또한, 에너지 손실없이 방전전극으로 가공전류를 최대한으로 전달하기 위해 소정 공진 주파수로 스위칭하도록 함으로써 기존과 같이 링코어 사용에 따라 발생하는 에너지 손실 문제를 해결할 수 있게 되었다.

또한, 인가 전압값을 소정 범위 내에서 선택할 수 있도록 함으로써 가공 대상물인 소재의 종류와 두께에 따라 적절한 가공 조건을 생성할 수 있게 되어 원하는 치수의 표면조도를 달성할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 방전가공기에 대해 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서는 방전전극들 중 일측 방전전극에는 가공 대상물이 연결되고, 다른 측 방전전극에는 와이어로 이루어지는 와이어 방전가공기에서 방전전극 간에 흐르는 전류의 방향이 가공 대상물에서 와이어 방향과 와이어에서 가공 대상물 방향으로 번갈아가며 바뀌는 AC 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기를 구현한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 AC 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기를 나타낸 구성도이다. 도 3을 참조하면, AC 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기는 전원부(330), 스위칭회로(320), 공지회로(310), 증폭회로(300), 일측의 방전전극(351)에 와이어(351)가 연결되고, 타측의 방전전극(341)에 가공할 가공 대상물(340)이 연결된다.

스위칭 회로(320)는 전원부(330)와 연결되고, 공진회로(310)에서 소정 공진 주파수로 공진이 발생하도록 스위칭한다. 이때, 본 발명의 실시 예에서 공진 주파수 크기는 공진회로(310)에서 최소 방전 전류를 출력할 수 있을 정도의 주파수 크기로 설정하면 되는데, 가장 이상적인 값으로는 1MHz가 될 수 있다.

공진회로(310)는 상기 스위칭부(320)와 연결되고, 인덕턴스와 캐패시턴스를 이용한 직병렬 회로로 구성되고, 스위칭 회로(320) 동작에 의해 소정 공진 주파수로 공진이 발생하고, 발생된 공진 주파수에서 최소 방전 전류를 출력한다.

증폭회로(300)는 상기 공진회로(310)와 연결되고, 상기 AC 전원의 크기를 소정 크기만큼 증폭시켜 가공 대상물(340)을 가공하기 위한 방전전극(341, 351)으로 공급한다.

상기 스위칭 회로(320), 공진회로(310), 증폭회로(300)를 사용하여 상기 전원부(330)로부터 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 방전전극(341, 351) 간에 공급한다. 이에 따라 방전전극(341, 351) 간 전류는 한번은 가공 대상물(340)에서 와이어(351)로 다음은 와이어(351)에서 가공 대상물(340)로 전류가 교번하면서 흐르게 되는 AC 전원 공급 방식으로 공급된다.

이와 같이 방전전극(341, 351) 간에 AC 전원을 공급하게 되면, 절연 회복에 필요한 가공 오프(OFF) 시간을 크게 줄일 수 있어 고주파 전원으로 가공이 가능하게 된다.

방전전극(341, 351)으로 인가되는 가공 전류와 공진주파수의 개략적인 함수 관계는 하기의 <수학식 1>과 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 가변저항 구성을 사용하지 않기 때문에 저항(R) 값은 0이 되므로, 전류는 인덕턴스 L과 캐패시턴스 C와 인가전압 V에 의해서 결정된다. 인덕턴스 L과 캐패시턴스 C를 이용한 직병렬 공진 회로(310)를 사용하여 소정의 공진 주파수에서 최대전류가 1A 이하의 약한 가공 전류가 방전전극(220, 230)으로 전달되도록 회로를 설계한다. 이때, 공진 주파수는 가공 전류가 1A 이하가 되는 공진 주파수를 사용하도록 한다.

본 발명의 와이어 방전가공기는 저항을 사용하지 않기 때문에 종래와 같이 저항 사용에 의해 발생하는 극간전압 강하 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명의 와이어 방전가공기에서는 공진회로(310)의 인덕턴스 L과 캐패시턴스 C 값이 고정이므로, 전원부(330)의 인가전압(V)에 의해 가공 전류값이 결정된다.

또한, 본 발명에서는 에너지 손실없이 가공 전류를 최대한 전달하기 위해서 공진 주파수로 스위칭하는 것이 중요한데, 바람직하게는 1Mhz의 공진 주파수로 스위칭하는 것이 바람직하다. 하지만, 공진 주파수 크기를 1Mhz로 한정되는 것은 아니고, 가공 전류가 1A 이하의 값을 가질 수 있도록 공진 주파수가 발생하도록 설계하도록 한다.

이와 같이 함으로써 본 발명에서는 종래의 와이어 방전가공기에서 에너지 효율이 높아 문제가 되었던 에너지 손실 문제를 해결할 수 있다. 또한, 상기와 같이 공진 주파수를 1Mhz로 스위칭하는 경우 소비전력은 약 50W가 되고, 가공 대상물(340)의 표면 거칠기(Ra)는 0.2~0.3um의 4차 가공 표면조도를 달성할 수 있다.

와이어 방전가공기는 다양한 소재 종류와 두께를 가공할 수 있어야 하며 이를 위해서 본 발명에 따른 와이어 방전가공기의 회로 요소 2가지를 조합하여 소재의 종류와 두께에 알맞은 가공 조건을 생성할 수 있다.

즉, 가공 대상물(340)의 종류와 두께에 따라 전원부(330)에서 인가되는 인가전압(V) 값을 조절하여 가공할 수 있다.

예를 들어, 인가전압 값을 하기의 <표 1>과 같이 50~200V 전압의 범위에서 10V 단위로 16가지 레벨로 설정할 수 있다.

레벨	전압값	레벨	전압값
1	50V	9	130V
2	60V	10	140V
3	70V	11	150V
4	80V	12	160V
5	90V	13	170V
6	100V	14	180V
7	110V	15	190V
8	120V	16	200V

즉, 가공하고자 하는 가공 대상물의 종류와 두께에 따라 상기의 <표 1>에 정의된 16가지의 레벨 중 하나의 인가전원을 사용할 수 있다.

황삭(1차) 가공과 중삭(2차) 가공 완료 후 정삭 가공인 3차 가공부터 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 방전가공기를 이용하여 가공할 수 있다.

가공 대상물의 두께에 따라 가공 속도가 달라지므로 두께에 따라 인가 전압을 변경하여 3차 가공을 하게 되면 다양한 소재 종류와 두께에 따른 가공이 가능하다.

예를 들어, 40mm 스틸(Steel) 소재의 경우 3차 가공은 100V를 인가하고, 4차 가공 시는 50V를 인가하여 가공하게 되면, 가공 결과 가공 대상물의 표면 거칠기는 Ra 0.3um 이하의 표면조도를 얻을 수 있다.

상기한 본 발명의 실시 예에 따른 와이어 공진가공기에서는 표면조도 개선을 위해 교류고주파를 발생하는 공진형 증폭회로를 추가하여 표면조도 Ra 0.3um 이하를 달성할 수 있다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 와이어 방전가공기를 나타낸 구성도.

도 3은 본 발명에 따라 AC 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기를 나타낸 구성도.

도 4는 본 발명에 따라 AC 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기를 통해 가공된 가공 표면조도 계측 결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300: 증폭회로 310: 공진회로

320: 스위칭 회로 330: 전원부

340: 가공 대상물 350: 와이어

341, 351: 방전전극

Claims (3)

1. 와이어 방전가공기에 있어서,

   직류(DC) 전원을 공급하는 전원부(330)와,

   상기 전원부(330)와 연결되고, 공진회로(310)에서 소정 공진 주파수로 공진이 발생하도록 스위칭하는 스위칭부(320)와,

   상기 스위칭부(320)와 연결되고, 인덕턴스와 캐패시턴스를 이용한 직병렬 회로로 구성되고, 상기 소정 공진 주파수에서 최소 방전 전류를 출력하는 공진회로(310)와,

   상기 공진회로(310)와 연결되고, 전원의 크기를 소정 크기만큼 증폭시키는 증폭회로(300)를 포함하고,

   상기 스위칭 회로(320), 공진회로(310), 증폭회로(300)를 사용하여 상기 전원부(330)로부터 공급되는 직류(DC) 전원을 교류(AC) 전원으로 변환하여 방전전극(341, 351)간에 공급하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기.
2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부(320)는,

   스위칭을 통해 상기 공진회로(310)에서 이용되는 공진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기.
3. 제1항에 있어서, 상기 전원부(330)는,

   가변 전원으로 구성하여 가공 대상물(340)의 종류와 두께에 따라 인가 전압을 선택할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 공급 방식의 와이어 방전가공기.

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