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[기술특집]5축가공에 의한 금형가공 공정의 변혁

입력 : 2019.04.15 16:19

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[첨단 헬로티]


오다 미츠나리 (尾田 光成) ㈜牧野후라이스製作所


사람들이 일상적으로 사용하는 스마트폰, 가전 제품, 플라스틱 제품, 자동차, 철도 차량, 항공기, 배 등의 공업 제품은 여러 가지 형상을 갖는 부품으로 구성되어 있다. 이들 부품의 일부는 금형에 의해 성형되고, 이들 공업 제품의 성능이나 안전성을 좌우하는 금형에는 높은 가공 정도가 요구된다.


또한 공업 제품이 많은 사람들에게 보급되는 스피드가 빨라짐에 따라 금형가공에 필요로 하는 생산 속도도 가속되고 있으며, 가공 시간과 가공 후의 후공정(가공면의 연마나 표면처리) 시간단축화가 요구되고 있다. 또한 공업 제품의 고성능화․에너지절감을 위한 경량화, 비용 대 효과 향상의 요구에 동반해 구성하는 부품 수는 줄고, 부품의 형상은 복잡해지는 경향으로 금형도 형상이 복잡해지고 있다.

 

 


금형 형상의 복잡화에 동반하는 과제


이와 같은 금형 제작 현장에서 금형을 가공하는 머시닝센터(MC)에 대해, 높은 정도와 생산성이 요구되고 있다. 기존 금형가공에서는 안정된 정도가 나오기 쉬운 3축가공이 주류로 되어 있다.


그러나 금형의 형상이 복잡화됨에 따라 다듬질가공에서는 공구 지름은 작아지고, 공구 길이도 길어지는 경향이 있다. 그렇기 때문에 공구의 강성이 낮고, 채터 진동 회피를 위해 가공 속도를 높일 수 없어 가공 시간이 길어지고 있다.


소경 공구가 필요하지 않은 가공 부위는 가공 능률을 높이기 위해 대경 공구로 변경하고 있는데, 사용하는 공구 수는 증가하고 툴링에 걸리는 시간이나 공구 간의 가공 단차를 최소화하기 위한 시행착오 시간이 생산성을 떨어트리고 있다.


또한 안이 깊은 금형의 구석 R의 가공이나 리브 홈의 가공에 대해, 절삭가공이 곤란하기 때문에 방전가공이 사용되고 공정과 가공 시간이 증가해 생산성을 크게 떨어트리는 원인이 되고 있다. 더구나 금형을 냉각하기 위한 물구멍 가공에 대해서는 금형의 세팅을 변경해 가공하기 때문에 세팅에 드는 시간이 필요해진다.


5축 MC의 보급이 진행되지 않는 이유

 

금형가공의 생산성 향상을 목적으로 공구 자세를 자유롭게 변경할 수 있는 5축 MC에 의해, 공구 길이를 짧게 해 가공 조건을 높이고 방전가공이나 세팅 교체의 횟수를 줄여 생산성을 높이는 대응이 시작되고 있다. 그러나 금형가공의 현장에서 5축 MC에 의한 금형가공의 보급이 진행되지 않고 있다. 그 배경에 몇 가지 문제점이 있다.


우선 5축가공을 하기 위한 CAM에 의한 NC 프로그램 작성에 매우 긴 시간을 필요로 하는 점이다. 다음으로 3축가공 수준의 가공 정도(치수 정도와 가공면 품위)가 5축가공에서 잘 나오지 않는 점이다. 동시 5축가공에서는 회전축과 직선축의 동기 오차가 가공면에 식입 등의 불량을 일으키고, 식입을 없애기 위해 시간과 기술이 필요한 손다듬질(후공정) 시간을 증대시키고 있다. 또한 MC의 회전축 중심 위치 어긋남이나 기울기 등의 오차는 가공 형상 정도에 크게 영향을 미친다.


또한 주축측과 테이블측의 간섭 리스크가 3축 MC보다 5축 MC가 높은 것도 문제이다. 그렇기 때문에 CAM으로 5축가공용 NC 프로그램을 작성하는 단게에서, 사전에 간섭하지 않는지 체크하는 작업이 보통 이루어지고 있다. 그러나 CAD/CAM의 모델과 실제 기기가 일치하지 않고 있으므로 완전히 간섭을 회피하는 것은 어렵다.


그 외에 기계 오퍼레이터가 3축 동작에 대해 5축 동작을 복잡하게 느끼는 점이나 조작 미스를 일으키기 쉬운 점, 초기 투자(5축 MC, 5축가공 대응 CAM의 준비)가 드는 점이 5축가공이 보급되지 않는 이유이다.


이에 5축가공의 이점을 살리면서 3축가공 수준의 간단함, 정도, 안전성으로 동시 5축가공을 하고, 금형가공의 생산성을 대폭으로 향상시키는 동사의 대응을 소개한다. 그림 1에 대응의 개요를 나타냈다. MC로 금형을 가공하는 전공정으로서, 5축 CAM에 의한 NC 프로그램 작성과 금형 워크를 가공기에 장착하기 위한 세팅이 있다.


후공정으로서는 연마 등의 손다듬질이 있다. 동사의 대응은 가공 시간을 단축하는 것만이 아니라, 전공정 및 후공정의 모두를 단축함으로써 금형가공 전체의 생산성을 향상시키는 점에 주안을 두고 있다. 이하에 그 상세한 것을 나타냈다.

 


3차원 CAM 시스템 ‘FFCAM’


5축가공용 NC 프로그램의 작성에서는 3축가공과는 달리, 공구 자세가 항상 Z축 방향을 향하고 있지 않기 때문에 CAM 오퍼레이터는 공구나 홀더와 워크나 지그의 간섭을 고려하면서 공구 자세를 결정할 필요가 있고, 시행착오에 필요한 시간이 큰 공수가 되고 있다. 이에 최근 5축 대응의 CAM은 간섭을 회피한 공구 자세를 자동으로 결정하는 기능을 준비하고 있으며, 공구 자세의 결정에 드는 시간을 최소화해 NC 프로그램의 작성 시간이 단축됐다.

동사 3차원 CAM 시스템 ‘FFCAM’은 3축가공용 CAM과 동일한 절차로 커터패스를 생성, 체크 하나로 자동적으로 공구축을 경사시켜 간섭을 회피한 동시 5축가공용 NC 프로그램을 작성하는 기능(그림 2)을 준비하고 있다. 이 기능에 의해 3축가공과 마찬가지로 간단하게 5축가공용 NC 프로그램을 작성할 수 있기 때문에 CAM의 조작 시간과 CAM 오퍼레이터에 대한 부담이 대폭으로 절감됐다.

 

5축 제어 기능

 

앞에서 말한 공구 자세를 자동 결정하는 기능을 갖춘 CAM으로 작성된 NC 프로그램은 공구와 워크가 간섭하지 않고 가공할 수 있는 프로그램으로 되어 있다. 그러나 공구 자세가 변화함으로써 회전축의 각가속도 및 직선축의 가속도가 발생, NC 프로그램의 지령에 대해 MC가 대응할 수 없어 추종 오차가 생기고 가공면에 식입이 발생하는 원인이 되고 있다.


그렇기 때문에 최근의 5축 MC 제어장치에는 공구 자세의 변화를 매끄럽게 하는 스무딩 기능을 탑재하고 있으며, 공구 자세가 변화해도 회전축의 각도 속도 및 직선축의 가속도를 매끄럽게 작게 억제함으로써 높은 가공 정도를 유지하고 있다. 동사 MC의 최신 제어장치 ‘Professional 6’에 탑재되는 ‘슈퍼 GI.5 제어’에 있어, 공구와 워크가 간섭하지 않는 범위에서 기계의 동작이 충분히 매끄럽도록 공구 자세를 인텔리전트하게 제어하는 선진적인 스무딩 기능의 개발에 대응하고 있다.

 


그림 3은 그 효과를 나타내고 있다. 기존 제어에서는 공구의 급격한 자세 변화에 기계가 추종할 수 없어 식입이 가공면에 발생하고 있었다. 그것에 대해 슈퍼 GI.5 제어(동시 5축가공용 스무딩 기능)에서는 공구의 자세 변화가 매끄러워져 가공면의 식입은 거의 없어졌다.


또한 공구 자세가 변화함으로써 가공 정도에 영향을 미치는 다른 문제로서, 회전축의 중심 위치 오차가 있다. 이 오차는 기계의 설치 환경이나 경년 변화에 의해 생긴다. 이에 동사 5축 MC에는 이 오차를 자동 계측해 보정하는 구조 ‘회전축 중심 측정 기능’을 준비하고 있다.


기계의 테이블에 장착한 측정구와 주축에 장착한 터치식 프로브를 사용, 공구 자세를 분할하면서 구의 위치를 측정하고 각 분할 위치의 측정 결과로부터 회전축의 오차를 계산한다. 그리고 5축가공용 제어 기능에 의해 회전축의 오차를 보정한다.

 


5축 MC ‘D200Z’, ‘V90S’


3축가공에 의한 금형가공과 동등한 가공 정도를 5축가공에서도 유지하기 위해서는 앞에서 말한 제어측의 대응에 더해, 5축 MC의 운동 성능 향상이 요구된다. 특히 5축가공에서는 회전축의 운동 오차를 적극 억제하는 것이 중요한 기술이 된다. 이 오차는 회전축 중심에서 가공점까지의 거리(선회 반경)에 비례해 커진다.


동사의 5축 MC에서 테이블측에 회전축을 2축 갖는 ‘D200Z’(그림 4)는 직교 좌표에서 기울어진 회전축을 가지고 있는  경사축을 갖고, 워크 적재 시의 회전축 운동 정도를 높게 유지할 수 있는 설계로 하고 있다.

 


한편, 주축측에 콤팩트한 회전축을 2축 갖는 ‘V90S’(그림 5)는 큰 금형의 5축가공을 대상으로 하고 있으며, 주축측에 회전축을 가져감으로써 워크의 적재 질량이 커져도 회전축의 운동 오차에 영향을 미치지 않는 축 구성으로 하고 있다. 또한 양 MC의 회전축에는 다이렉트 드라이브 모터를 사용, 최신 모션 컨트롤과 함께 운동 오차를 가급적 작게 억제하고 있다.


안전성과 조작성의 향상


주축측과 테이블측의 간섭 리스크는 3축 MC에 대해 운동이 복잡한 5축 MC에서는 현격하게 높다. 그렇기 때문에 NC 프로그램을 작성하는 공정에서, 공구, 기계, 지그, 그리고 워크 등의 모델을 가공 시뮬레이션 소프트웨어에 넣고 사전에 간섭하지 않는지 체크하는 작업이 현장에서 이루어지고 있다.


그러나 모델과 실제 기기가 일치하고 있지 않은 상태(예를 들면 CAM으로 설정한 공구 형상과 다른 공구가 기계에 장착되어 있거나, 워크의 세팅 위치가 어긋나 있거나 등)도 있고 완전히 간섭을 회피하는 것은 어려운 실정이다.


이에 동사는 간섭 방지 기능 ‘콜리전 세이프 가드’를 MC에 탑재하고 있으며, 수동 조작일 때나 가공 중에 간섭이 예측되면 사전에 기계를 정지시킬 수 있다. 이 기능이 유효하게 작용하기 위해서는 가공 전에 MC의 제어장치 중에 공구, 기계, 지그 그리고 워크 등의 모델이 설정되어 있을 필요가 있다.


동사는 콜리전 세이프 가드용 인터페이스를 CAD/CAM 메이커와 공동으로 개발해 CAD/CAM에서 모델 데이터를 원터치로 출력, 제어장치에 간단히 로드할 수 있다(그림 6). 더구나 워크 자동 측정 기능에 의한 기상에서 측정한 워크 실제 위치나 공구 길이 자동 측정 기능으로 측정한 공구 길이를 제어장치 내의 모델에 반영함으로써 CAD/CAM과 가공기 내가 완전히 링크, 만일에 발생할 간섭에 대해 정확한 간섭 방지를 할 수 있다.


5축가공에 의해 금형가공의 생산성이 대폭으로 향상되는 것은 이전부터 제안되고 있었지만, 실제 금형가공 현장에서는 5축 CAM의 사용성, 5축 MC의 성능, 간섭 리스크 등의 우려 때문에 보급이 답보 상태이다.


이에 동사는 그림 1에 나타낸 금형가공 전체의 생산성 향상을 실현하기 위해 5축 CAM에서는 3축 CAM 수준으로 간단한 NC 프로그램 작성을 가능하게 하고, 5축 MC의 성능은 선진적인 동시 5축가공 기능과 가공기의 특징으로 3축가공과 동등한 가공 성능을 실현해 안전하고 간단하게 간섭을 신경 쓰지 않고 5축가공을 실현할 수 있는 환경을 준비했다.


이러한 종합적인 5축가공에 의한 금형가공 공정의 변혁을 보급시켜, 금형가공 현장의 생산성 향상에 공헌할 수 있도록 노력해 갈 것이다.


오다 미츠나리 : 개발본부 선행개발과 스페셜리스트

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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