The effect of graphite-powder-mixed kerosene on tool wear in micro EDM

Abstract

This study investigates the tool wear reduction mechanism of graphite-powder-mixed kerosene (GPMK) in micro electrical discharge machining (EDM). Because an RC discharge circuit generates small and short discharge pulses, it is widely used in micro EDM rather than a transistor circuit. In this case, a tool electrode is negatively charged for high material removal rate (MRR) and low tool wear length (TWL) given that an anode has higher energy proportion than cathode by massive electron collisions to the positively charged workpiece. However, during the discharge phase, the direction of current flow is reversed by the stray inductance of an RC discharge circuit before the discharge plasma channel is extinguished. This reverse current intensifies the TWL and deteriorates the machining efficiency. In this study, TWL was decreased with GPMK by creating circumstance which facilitates the early extinction of discharge plasma channel before the generation of reverse current by two manners. Owing to the enlarged discharge gap by GPMK, the intensity of discharge energy becomes low and the plasma channel is easily flushed by dielectric fluid. Furthermore, even though a tool electrode comes close to a workpiece, the discharges occur with small values of energy before a capacitor is fully charged and these early discharges is also extinguished quickly before the generation of reverse current. The machining performance and quality of micro ED-milling and ED-drilling with GPMK were evaluated in comparison with those of pure kerosene (PK). With optimal machining conditions, MRR was increased by 140%, and TWL and surface roughness were respectively decreased by 55% and 57% with GPMK in micro ED-drilling. On the other hand, in micro ED-milling, MRR was increased by 61% and TWL and surface roughness were decreased by 61% and 23%, respectively by GPMK.

본 연구는 미세 방전 가공에서 흑연 파우더 혼합 등유에 의한 공구 마모 저감 원리를 규명한다. RC 방전 회로는 에너지 크기가 작고 짧은 지속 시간의 방전 펄스를 생성하기 때문에 미세 방전 가공에서 트랜지스터 회로보다 널리 쓰인다. 미세 방전 현상에서는 전자와 양극의 충돌로 인하여 양극의 에너지 분포가 높기때문에 재료 가공율을 높이고 공구 마모를 줄이기 위하여 공구를 음극으로 대전시킨다. 하지만 방전이 일어나는 동안 RC 방전 회로에 내재되어 있는 인덕턴스 때문에 방전 플라즈마 채널이 소멸되기 전에 전류의 방향이 역전된다. 이러한 역전류는 공구 마모를 증가시키고 가공 효율을 악화시킨다. 본 연구에서 흑연 파우더 혼합 등유는 다음의 두 가지 방법으로 역전류가 흐르기 전에 방전 플라즈마 채널이 소멸될 수 있는 환경을 조성함으로써 공구 마모를 저감시킨다. 첫 번째로, 흑연 파우더 혼합 등유에 의해 넓어진 방전 간극에 의하여 방전 에너지 밀도는 약해지고 방전 플라즈마 채널은 절연액에 의하여 쉽게 소멸된다. 두 번째로, 공구가 공작물에 가깝게 접근하더라도 축전기가 완충되기 전에 작은 충전 에너지가 조기 방전되고, 이러한 조기 방전에 의한 플라즈마 채널은 그 에너지 크기가 작기 때문에 역전류가 흐르기 전에 소멸된다. 흑연 파우더 혼합 등유에 의한 미세 방전 밀링과 드릴링의 가공 성능과 품질이 순수한 등유에 비교하여 평가되었다. 각각 최적의 가공 조건에서 비교하면, 미세 방전 드릴링에서 흑연 파우더 혼합 등유에 의하여 재료 가공율은 140% 증가하였고, 공구 마모는 55%, 표면 조도는 57% 감소하였다. 미세 방전 밀링에서는 흑연 파우더 혼합 등유에 의하여 재료 가공율은 61% 증가하였고, 공구 마모는 61%, 표면 조도는 23% 감소하였다.