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대면적 전자빔 조사(照射)에 의한 금형의 고능률 손연마 없는 다듬질법 개발
 
●「다듬질 기술」의 최신 동향
 
월간 기계기술기자 | 2004.10.01 | 2004년 10월호
 
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전자빔을 사용한 가공은 일반적으로 빔을 가늘게 좁혀 고(高)에너지 밀도로 한 다음 정밀 절단이나 고기능 정밀 용접 등에 이용되고 있다. 이에 대해 여기에 소개하는 전자빔 조사 장치에서는 특별한 고안을 통해 대면적에 비교적 균일한 고에너지 밀도 전자빔을 발생시킬 수 있다. 원래 이 장치는 의치에 대한 손연마 작업을 대체하는 도구로서 개발 되었다.
  한편 방전가공은 금형가공에 널리 사용되지만 실제로 방전 가공면을 그대로 사용하는 일은 드물고 표면 거칠기 저감, 미세 균열이나 백색층 등의 표면 결함층 제거, 형상 정밀도 개선 등을 위해 최종적으로 손연마 다듬질이 실시된다.
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일부 간단한 형상일 경우에는 로봇에 의한 연마가 이루어지는 예도 있으나 거의 모든 금형은 복잡한 형상을 하고 있기 때문에 로봇에 의한 다듬질 자동화는 어렵다. 손연마 공정은 숙련자의 기능에 의존하는 바가 많고 또 장시간을 요하기 때문에 손연마의 고능률화가 종전부터 과제로 남아 있었다.
  그래서 본 연구에서는 위에 언급한 대면적 전자빔 조사에 의한 새로운 금형의 다듬질법을 제안한다. 본 연구에서 사용하는 전자빔 조사장치는 종전의 빔을 가늘게 좁히는 것과는 달리 최대 전자빔 지름 60mm의 대면적 조사(照射)가 가능하다.
 이 대면적 전자빔 조사에 의해 금형 표면을 단시 간에 평활하게 다듬질하는 손연마 없는 새로운다듬질 가공의 가능성에 대해 실험적 검토를 실시했다.
1. 대면적 전자빔 조사법
<그림 1>에서는 본 연구에서 시험제작한 대면적 전자빔 조사장치와 대면적 전자빔 발생 메커니즘을 모식적으로 나타낸다. 전자 빔은 통상적으로 진공 상태에서 사용되나이 장치에서는 미리 (5~15) 10-2Pa정도의 Ar가스를 챔버 안에 도입해 둔다. 처음에는 챔버 외부에 만든 솔레노이드 코일에 의해 자장을 발생시킨다. 그리고 자장이 최대가 되는 순간 양극에 펄스 전압을 인가한다. 패닝 (Panning) 효과로 인해 챔버 안에 발생한 전자가 양극을 향해 이동하나 그와 동시에 로렌쯔 힘을 받기 때문에 전자는 나선형 운동을 한다. 주행 거리를 늘린 전자가 챔버 안에 있는 Ar 가스와의 충돌을 반복함으 로써 양극 부근에 플라즈마(양극 플라즈마)가 발생한다. 그 플라즈마 영역이 최대가 되는 순간 음극에 펄스 전압을 인가하면 음극 주변에 전기 이중층이 형성됨으로써 전계 강도가 증가하고 음극에서 방출된 전자가 강한 전계에 의해 가속된다. 그리고 양극 플라즈마의 존재는 전자빔의 수명을 길게 하는 효과도 있다. 즉 일반적으로 전자빔은 전자간의 쿨롬(Coulomb) 반발력에 의해 전자가 산란(散亂)하는 경향에 있으나 양극 플라즈 마를 통과하면 전자간의 쿨롬(Coulomb) 반발력을 차폐하므로 직진성을 향상시킬 수 있다. 또한빔 조사를 단펄스상(狀)으로 함으로써 재료 표면에 미치는 열 확산의 영향을 감소시키는 이점도 있다.
  이상과 같은 메커니즘에 의해 빔을 좁히지 않고 금속 재료 표면을 용융하기에 충분한 에너지 밀도로 전자빔을 조사할 수 있다. 본 장치에서는 최대 지름 60mm의 빔을 얻을 수 있다.
  <표 1>에서는 전자빔 조사 조건을 나타낸다.1회의 조사는 2~3 마이크로초이고 그것을 0.2Hz로 반복 하여 방전가공면에 조사한다. 빔의 지름은 60mm로 일정하게 했다. 주로 빔의 에너지 밀도 및 조사 회수의 조건을 변화시키고 우선 가장 적당한 조사 조건에 대해 검토했다. 조사 재료는 금형재로 널리 이용되는 프리하든강(大同특수강제 NAK80)으로 했다. 지름 10mm의 구리 환봉(丸棒) 전극을 사용해서 작성한 방전가공면을 빔의 중앙에서 조사했다.
2. 조사 조건이 조사면 거칠기에 미치는 영향
<그림 2>에서는 프리하든강의 방전가공면에 대해 전자빔 1펄스당 에너지 밀도를 변화시켰을 경우의 조사면 모습을 나타낸다.
  조사하기 전, 방전가공면의 표면 거칠기는약 6㎛Rz이고 조사 회수는 모두 30회로 했다. 그림에서 알 수 있듯이 에너지 밀도가 작은 1.4J/cm2일 경우에는 표면이 용융된 형적(形迹)을 관찰할 수 있다.2.1J/cm2가 되면 표면의 용융이 현저해져 평활하게 되어 있는 것처럼 보인다. 또한 에너지 밀도가 높은 조건에서는 방전면과는 전혀 다른 표면을 형성하고 있음을 알 수 있다.
  <그림 3>에서는 그때 보이는 각각의 단면 곡선을 나타낸다. 조사 실시전의 방전가공 면은 요철(凹凸)이 심하지만 에너지 밀도가 증가함에 따라 표면의 요철이 감소되고 에너지 밀도가 큰 조건에서는 충분히 평활해져 있다.
  <그림 4>에서는 에너지 밀도에 의한 조사 면의 표면 거칠기 및 광택도의 변화를 나타 낸다. 광택도 측정은 JIS(Z8741)에 준거해서 측정하고 측정각은 금속 측정에 적당한 60° 로 했다.
 이 경우에 완전 경면의 광택도는 1,000이 된다. 표면 거칠기는 에너지 밀도 1~4J/cm²일때 에너지 밀도가 증가함에 따라 감소하고 6~7J/cm2에서는 약 0.7㎛Rz로 최소가 된다. 에너지 밀도가 그 이상으로 높아지면 거칠기는 약간 증가한다.
  한편 광택도는 표면 거칠기와 잘 대응하는 변화를 보이고 있어 표면 거칠기가 최소로 될 경우 광택도는 최대가 됨을 알 수 있다.
  그리고 조사 회수가 미치는 영향에 대해 검토 했더니 조사 회수를 많이 할수록 충분히 평활해지고또 작은 에너지 밀도로 여러 번 조사하는 편이 평활화 효과가 높으며 경사진 면에 대해서도 마찬가지로 평활화가 가능한 것으로 확인되었다.
  이상의 결과를 토대로 대면적 전자빔 조사에 의해 불과 몇 분만에 지름 60mm의 대면적을 일괄하여 표면 거칠기 1㎛Rz 이하로 다듬질할 수있음이 판명되었다.
3. 평활화 메커니즘
다음은 조사한 단면을 관찰하고 평활화 메커니즘에 대해 고찰하였다. <그림 5>의 사진은 왼쪽에서부터 방전가공면, 방전가공 면에 전자빔을 조사한 면 그리고 연삭면에 전자빔을 조사한 면이다. 조사 실시전의 방전가공면을 보면 재응고층(백색층)이 형성 되어 있다.
  이에 대해 전자빔을 조사한 후에는 그 백색층의 두께가 수 미크론 감소하고 동시에 표면의 요철이 감소되어 있음을 확인할 수있다.
  한편 연삭면에 전자빔을 조사한 면에서는 백색층을 거의 확인할 수 없다. 따라서 방전면에 전자빔을 조사한 후에 확인할수 있는 백색층은 방전가공에 의해 형성된 백색층이 제거되지 않고 남아있는 것이라고 말할 수 있다. 본 가공법에서는 1펄스의 전자빔 조사시간이 2~3㎲로 매우 짧기 때문에 재료 표면에 미치는 열확산의 영향은 적고 재료의 용융·증발 제거가 극(極)표면에서만 이루어지고 있는 것으로 추측된다.
  <그림 6>에서는 방전가공면의 좌측 절반을 얇은 스테인리스 판으로 덮고 조사했을 경우의 단면 형상을 나타낸다.
  그림에서 나타내듯이 두께 약 1㎛가 균일하게 제거되어 있음을 알 수 있다.
  종전에 손연마에 의한 연마 다듬질에서는 연마 개소에 따른 제거량 차이를 피할수 없고 경우에 따라서는 형상 정밀도의 악화를 초래하나, 본 기법을 적용하면 형상 정밀도를 악화시키지 않고 평활하게할 수 있다.
4. 내식성(耐蝕性) 향상
<그림 7>은 전자빔 조사 시료와 조사하지 않은 시료를 약 1년간 대기중에 방치해 둔사진이다. 중앙의 둥근 부분이 방전가공면 이고 그 주위는 연삭면으로 되어 있다.
  조사하지 않은 시료의 경우는 연삭면 도처에 녹이 발생되어 있고 또 원래 내식성이 뛰어난 방전가공면에서도 녹이 발생했음을 볼 수 있다.
  이에 대해 전자빔을 조사한 시료에서는녹 발생을 전혀 확인할 수 없고 광택면을 유지하고 있다.
  <그림 8>은 전해액에 3%의 NaCl 수용액을 사용했을 경우에 나타나는 양극 분극 전류 곡선이다. 같은 전위에서 비교하면 전자빔을 조사한 면의 전해 전류밀도 수치가 가장 작고 다음이 방전가공면, 연삭면으로 되어 있다.
 즉 대면적 펄스 전자빔을 조사함으로써 표면 평활화와 동시에 내식성도 향상시킬수 있음이 확실해졌다.
5. 금형에 적용한 예
<그림 9>와 <그림 10>은 금형 샘플에 대해 대면적 펄스 전자빔을 조사했을 경우 조사 실시를 전후한 사진이다.
  전자(前者)에서는 조사 조건을 에너지 밀도 7.3J/cm², 조사 회수 30회로 하고 공작물 재질은 SKD61이다. 그리고 후자에서는 조사 회수를 50회로 했다.
  공작물 재질은 NAK80이다. 어느 쪽에서든 조사 실시후의 표면 거칠기는 2~3㎛ 이하로 감소 되었다.
  이상과 같이 여기에 소개한 대면적 펄스 전자 빔을 조사하면 금형을 손연마 없이 다듬질할 수있는 가능성을 갖고 있으며 앞으로도 실제로 금형에 적용 가능한 기술에 대해 상세히 검토해 갈예정이다. 그리고 표면 개질법으로서의 가능성, 다른 분야에 대한 적용 가능성도 포함하여 검토해 갈것이다.

 
TAG :  다듬질법  대면적전자빔  방전가공면  손연마  펄스전자빔  평활화메커니즘
 
 
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