[첨단 헬로티]
호리에 토시하루 (堀江 利治) 新日本工機(주)
1. 서론
최근의 금형가공에서 고속․고정도․고품위 등의 요구는 계속 높아지고 있다. 이 글에서는 이러한 요구를 반영해 보정 없이 트라이 한 번으로 금형을 제작하기 위해 정도, 면품위, 가공 시간 단축의 3요소를 고차원으로 양립시키는 것을 목적으로 하는 대응을 소개한다.
2. 금형가공기 기술
금형의 고속․고정도․고품위를 달성하기 위해서는 기계와 제어의 요소가 높은 수준으로 밸런스가 잡혀 있어야 한다. 우선 기계는 고속의 가속도에서도 고정도를 유지하는 강성, 그리고 장시간의 무인가동을 실현하는 안정성이 필요하다. 제어에 있어서는 디자인을 충실하게 재현하는 가공 패스와 최속 가공을 실현하는 속도 제어가 필요하다(그림 1).
(1) X축 리니어모터 구동을 채용
기존 동사에서는 대경 볼나사를 채용, 금형 중량에 대응한 X축의 가감속 설정과 최적의 파라미터 설정을 하는 방법에 의해 고속․고정도․고품위 가공을 실현해 왔다.
그러나 특히 금형 중량이 큰 경우나 X축 스트로크가 긴 경우에는 각 축의 동기를 유지할 필요성에서 X축의 영향(볼나사의 비틀림에 의한 응답성의 저하 등)을 받아 Y․Z축의 능력이 제한되고, 그 결과 가공 시간의 증가로 이어지게 되는 과제가 있었다.
이 과제를 해결하기 위해 X축의 강화가 전체의 생산성 향상에 유효하다고 판단, X축에 리니어모터 구동 방식을 채용하기로 했다.
비접촉 구동이기 때문에 마모가 발생하지 않고, 메인티넌스 없이 장기간에 걸쳐 기계의 초기 성능을 유지할 수 있는 장점도 있다. 고추력의 리니어모터 채용에 의해 급이송 속도․절삭 이송 속도․가속도 모두 기존 기기보다 향상됐다.
(2) TR(Thermal Resistance) 칼럼
기계 본체의 주요 구조물인 칼럼은 고강성, 그리고 환경 온도 변화에 대해서도 안정된 정도 유지가 요구된다. 환경 온도 변화에 의한 칼럼의 기울기가 공구 날끝 위치 정도에 크게 영향을 미치기 때문에 기존 동사에서는 칼럼 내에 열대칭 부재를 설정, 환경 온도 변화에 의한 칼럼의 기울기를 억제하고 있다.
이번에 환경 온도 변화가 더 급격한 경우에도 칼럼의 기울기를 억제하는 TR 칼럼을 개발했다. TR 칼럼은 좌우 칼럼의 내부에 유체를 투입해 컬럼의 열용량을 대폭으로 증대시키고, 또한 컬럼 전후의 온도차를 경감함으로써 칼럼의 기울기 변화를 억제한다. TR 칼럼의 채용에 의해 기존기와 비교해 기계 정도 변화를 1/3 이하로 경감할 수 있다(그림 2).
(3) 카메라식 공구 측정장치
기존 공구 측정에는 레이저 측정기를 사용해 왔는데, 이번 측정장치를 레이저식에서 카메라식으로 진화시켰다. 공구 날끝에 이물이 부착해도 화상 인식에 의해 부착의 자동 판별을 가능하게 함으로써 고정도의 측정을 실현했다(그림 3).
그리고 최근 새롭게 개발되고 있는 배럴(이형) 공구 등의 계측도 가능하고, 금형 생산성 향상에 공헌할 수 있다.
(4) 금형가공용 제어 소프트웨어 ‘DCS’
금형가공기의 개발과 동시에 제어장치로서 ‘DCS(Dynamic Control System)’을 내제 개발하고 있다. 지령 속도가 올라가면 가감속 영역이 넓어지고 기계 및 제어 상의 오차는 확실하게 늘어난다.
‘DCS-Ⅷ’에서는 보정 수준을 한 단계 높이고, ‘고정도․고속’ 밸런스를 높이기 위해 제어 기술을 수정했다. 높은 수준의 제어 기술에 의해 고속 영역에서도 안정된 속도 제어를 실현하고, 속도를 변화시켜도 고정도․우수한 면품위를 유지하고 있다.
또한 워크 중량 선택 기능을 기존과 비교해 보다 세분화해, 워크 중량에 맞춘 최적의 중량 모드 설정을 가능하게 했다. 그리고 워크 중량 자동 측정 기능을 개발해, 중량 모드 선택을 자동화하는 기능도 추가했다.
3. 금형가공기의 성능 평가 (실력)
금형가공의 고속․고정도․고품위를 목표로 해왔던 금형가공 전용 기계로서 2018년 JIMTOF에 출품한 DC-5SL기로 금형가공 테스트를 했다. 대상 워크는 동사의 공개 금형인 도어 이너부과 펜더이다.
도어 이너의 가공은 연속의 가감속이 필요한 형상으로 하고, X축 리니어모터 채용에 의해 기존 볼나사 사양 대비 21%의 시간 단축 결과를 얻을 수 있었다(그림 4).
마찬가지로 펜더의 가공에서는 기존의 볼나사 사양 대비 13%의 시간 단축 결과를 얻었다. 또한 가공 속도가 다른 부위(이음부)에서, 단차 없이 고품위 면을 얻을 수 있는지에 대해 테스트 가공을 했다.
결과로서 높은 수준의 제어 기술에 의해 고속 영역에서도 안정된 속도 제어를 실현하고, 속도를 변화시켜도 고정도․우수한 면품위를 유지하는 것을 확인할 수 있었다(그림 5).
4. 보정 없이 트라이 한번으로 금형을 제작하기 위해
동사에서는 금형 제작에서 ‘계획한 대로 가공할 수 있는 기계’를 만들 뿐만 아니라, ‘금형 제작 전체의 프로세스’를 서포트하고 있다(그림 6).
가공 전의 분석으로 구성점 배치․상한 전환 위치․디자인과의 상관을 볼 수 있으며, 양부 판단을 가능하게 해 트라이에서 불량이 나왔을 때에 데이터 분석을 통해 원인 구명을 할 수 있다.
사람의 경험과 감에 의존하지 않고 각 공정을 수치화함으로써 ‘가시화’한다. 분석으로부터 얻은 식견을 상류 공정으로 피드백함으로써 ‘보정 없이 트라이 한번으로 금형 제작’을 가능하게 할 수 있다고 생각한다.
