[헬로티]
야베 카즈토시 (矢部 和壽) ㈜牧野후라이스제작소
머시닝센터(MC)는 원하는 형상으로 고능률로 피삭재를 제거해, 요구되는 정도, 품질의 가공물을 생성하는 툴이다. 대표적인 가공물의 하나인 금형은 그 정도, 면질이 성형 전사되기 때문에 제품에 요구되는 품질에 대응해 고정도화해 왔다.
최근 품질과 함께 가공 형상의 미세화나 피삭재의 다양화, 난삭화 등 절삭가공의 난이도가 높아지는 케이스를 곳곳에서 볼 수 있다.
가공 형상의 미세화는 MC의 주축 회전 속도의 회전 정도 향상이나 고속화, 가공 정도의 향상을 촉구, ‘미세 가공기’라고 하는 카테고리가 형성되는 등 극소경 공구를 유효하게 활용할 수 있는 환경이 정비되어 왔다. 또한 공구를 포함한 가공 기술과 측정, 평가 등의 주변 기술도 진화하고 있으며, 금형의 품질 향상에 공헌하고 있다.
이 글에서는 새로운 시장 제품의 등장과 함께 보급되고 있는 ‘금형’에 관련해 MC를 사용한 특징적인 소재, 형상의 사례와 기계, 가공 기술을 소개한다.
그라파이트 가공
동사에서는 그라파이트 가공기를 제조․판매하고 있다. 기본적인 구조는 금형가공이 가능한 MC와 동일하며 집진기붙이 전개 스플래시 가드, 안내면이나 볼나사 와이퍼 등의 방진 대책, 분말 상태의 절삭칩이 퇴적하기 어려운 고안 등에 의해 공장 환경을 항상 클린하게 유지하는 것이 특징이다.
그라파이트재 외에 강재의 건식가공이 가능하다. 방전가공용 그라파이트 전극가공을 주 용도로서 개발했다. 현재는 내열 구조 부품, 지그나 유리형 등의 보급에 의해 최대 축이동량 1,200×700mm의 기종과 5축가공 제어 그라파이트 가공기를 제조하고 있다.
1. 그라파이트 전극
전극재로서의 그라파이트는 동 등의 금속계 전극재와 비교해 대전류 방전에 의해 방전가공 속도가 향상, 방전가공 시의 고온 하에서도 적은 열변형, 피삭성이 좋고 버가 나오지 않음, 경량 등 여러 가지 특징을 가지고 있으며, 재료 코스트의 관점에서도 주로 큰 체적을 제거하는 가공에 사용된다.
또한 좋은 피삭성은 리브 전극과 같은 단면적이 작고, 고애스펙트비의 형상가공에 유효하다. 가공 사례로서 그림 1에 허니콤 형상의 리브 전극, 그림 2에 가공에 사용한 5축 제어 그라파이트 가공기 ‘D200Z GRAPHITE’의 외관을 나타냈다.
가공 형상의 제원은 리브 끝단 폭 1mm, 높이 25mm, 구석 R 0.5mm이고, 3축 제어 MC에서도 가공 가능한 형상인데, 5축 제어 MC를 이용함으로써 공구 길이가 1/8, 사용 공구 수를 4개에서 3개로 삭감, 가공 시간 18% 저감의 효과를 얻을 수 있었다.
일반적으로 동시 5축가공은 프로그래밍의 난이도가 높은 것이 지적되고 있는데, 3축가공의 공구경로에 임의의 경사 각도를 지령, 공구 간섭을 자동 회피하는 등 CAM 소프트웨어가 보급되어 NC 데이터 작성의 공수는 대폭으로 개선됐다.
형상을 구성하는 면의 경계가 명확한 경우는 별로로 하고, 경사축, 회전축을 최적의 각도로 고정하는 가공법은 가공 형상에 맞춘 가공 영역의 분할, 간섭 회피의 공정 검토 등의 공수가 증가하는 경향이 있다.
동사의 제어장치인 ‘프로페셔널 6’은 NC 데이터 연산의 톨러런스 설정에 의한 가속도의 변화나 인접하는 패스와의 부정합을 자동적으로 스무딩 처리함으로써 미소한 절입이 없는 가공면을 실현했다.
또한 공구와 워크가 간섭하지 않는 범위에서, 기계의 동작이 매끄러워지도록 공구 자세를 제어하는 스무딩 기능 ‘동시 5축 GI 스무딩’을 개발했다. 이 기능을 사용함으로써 동시 5축가공에서 발생하기 쉬운 부주의한 회전축 이동에 의한 식입이 매우 적은 3축가공과 동등한 가공 면품위의 실현이 가능해진다.
2. 유리 금형
그라파이트는 내열성, 내열충격성이 우수하며, 고온 강도가 높고 열팽창이 매우 작다. 이러한 특성으로부터 고온 환경 하에서 사용되는 부품이나, 가까이에는 스마트폰 화면이나 케이스 등을 성형하는 유리 성형형에도 이용되고 있다.
스마트폰은 기종에 따라 케이스의 유리부가 평면만이 아니라 에지부의 곡면 처리나 표면 전체에 완만한 곡률을 가진 면으로 형성되는 경우가 있어, 유리 성형 금형에는 3차원 가공이 필요해기지 때문에 MC로 가공된다.
그림 3에 유리 성형형 형상의 사례를 나타냈다. 캐비티형을 동사 그라파이트 가공기 ‘V33i GRAPHITE’로 가공했다. 사양에 따라 요구되는 표면조도의 수치는 다르지만, 거의 Ra 0.5μm 전후에서 균질한 가공면이 요구된다.
일반적으로 그라파이트의 절삭 다듬질에 의한 표면조도의 한계는 그라파이트의 입자 지름에 의존한다. 가공 조건은 연성의 재료와 달리 입자의 탈락이나 결손이 발생하기 때문에 이송 속도, 절입량이 작을수록 높은 가공면질을 얻기 쉽다.
가공 형상에 따라 볼 엔드밀, 래디우스 엔드밀의 다듬질가공 외에 헤일 가공이 사용되는 경우도 있다. 또한 그라파이트의 가공은 공구 마모가 크고, 날끝의 열화와 함께 형상 에지 근방의 결손이 커지기 때문에 공구의 선정 및 수명 관리도 중요하다.
미세 형상가공
절삭가공에서 사용하는 최소의 공구 지름은 가공 형상에 따라 제약을 받는다. 특히 미세 형상의 소성가공이나 빼기, 절단형의 경우, 내마모성이나 형강도를 유지하기 위해 재료 경도가 높고 형상 정도, 클리어런스, 치수공차 등의 품질 요구로부터 절삭가공의 난이도가 높아진다.
또한 소경 공구에서는 흔들림이나 진동이 가공 품질과 공구 수명에 크게 영향을 미치기 때문에 주축의 회전 정도가 높은 MC를 권장한다. 이하에 미세 정밀 가공기 ‘iQ300’으로 가공한 특징적인 형상의 가공 사례를 소개한다.
1. 빼기형
정형으로 소재를 절단하는 금형의 종류에 빼기형이 있다. 절단하는 소재나 두께에 따라 재료, 날끝 형상이 다른데, 매우 폭이 좁은 윤곽 형상이 요구된다.
그림 4의 빼기형을 모방한 가공 사례에서는 가공 재종 SKH53(65HRC), ø10mm의 원기둥재의 단면에 50°의 테이퍼각을 가진 높이 1.2mm의 절삭날 형상으로, 끝단에 평탄한 면을 형성하고 폭 치수 3μm 이하를 목표로 가공을 했다.
원래 형상은 닫힌 원주 형상으로 비교적 형상의 강성은 유지할 수 있지만, 끝단부는 버나 변형의 원인이 되는 절삭부하를 경감하기 위해 공구의 접촉 부분이 작아지도록 다듬질가공에는 cBN ø0.8-R 0.1 래디우스 엔드밀을 이용했다.
등고선가공의 공구 궤적, 픽피드량을 조정함으로써 끝단 폭을 3μm 이하로 가공할 수 있다는 것을 알 수 있고, 최소 폭으로는 1.4μm(비접촉 지름 측정장치에 의한 단면 측정, 원주 상의 4개소)를 달성했다.
가공 과정에서 형상을 확인하기 위해 그림 5에 나타낸 워크 형상 측정장치를 사용했다. 이 장치는 CCD 카메라를 주축 단면에 원터치로 고정할 수 있고, 퍼스널컴퓨터를 이용해 미세 형상의 관찰, 간이 측정이 가능하다.
가공물의 강성을 유지하기 위한 고안으로서 끝단 평탄부와 경사면을 2개의 공구, 다른 가공 조건을 이용해 가공했다. 공구 길이, 공구 지름의 측정 오차에 따라서는 형상의 높이, 폭 치수가 변화해 평탄부의 형성이 곤란해지기 때문에 고정도의 공구 측정, 공구의 치수 관리가 필요하다.
또한 주축 회전 속도의 변화에 의한 주축 위치의 변화나 환경 온도 변화에 의한 기계의 자세 변화에 의해 균일한 폭 치수를 유지할 수 없게 되기 때문에 환경 온도, 기체 온도의 변화에 의한 변위가 적은 MC가 필요하다.
2. 마이크로 니들
마이크로 니들은 의료, 미용에서 주목받는 디바이스이다. 미소한 바늘을 가진 패치를 피부에 부착함으로써 약제를 피부의 원하는 부위, 깊이에 투여하는 기술이다. 가공 사례는 마이크로 니들의 요소를 단순화한 모델로 SUS420J2(52HRC)재의 10×10mm 범위에 끝단부의 직경 ø5μm, 높이 0.65mm의 2단 테이퍼 형상 225개를 iQ300으로 가공한 것이다.
그림 6에 가공 형상의 전자현미경 사진을 나타냈다. 제품은 사진과 동일하게 볼록형 형상이고, 가공 사례는 금형(오목형 형상)을 제작하기 위한 마스터형을 가정했다.
균일한 끝단 지름을 유지하는 것에 주력, 공구 마모가 매우 적은 PCD 공구를 가공기 내에 테이퍼 볼 모양으로 성형(형상이 크게 변화하는 경우에 ‘성형’, 형상을 갖춘 레벨의 경우에 ‘정형’으로 한다)해 사용했다.
그림 7에 PCD 공구의 외관을 나타냈다. PCD 공구는 툴링, iQ300에 장착한 후, 공구 정형장치에 의해 가공에 사용하는 주축 회전 속도로 성형된다.
성형된 공구는 주축 회전에 의한 동적 흔들림이 상쇄되고 iQ300의 운동 정도에 의해 성형되는 공구의 R 정도는 ±1m 이하로, 테이퍼부의 각도 정도에 맞춰 이상적인 상태로 가공이 가능해진다.
공구 끝단부의 형상은 다듬질값을 제거하는 부분의 접촉 길이를 작게 하기 위해 R 0.03mm로 했다. 공구 테이퍼부는 가공 형상과 동일한 각도로서 끝단 R 부분의 픽피드에 의해 발생하는 커스프나 버를 제거함으로써 가공 품질을 향상시켰다.
총가공 시간 76시간 중에 끝단 부분의 다듬질가공 시간은 4시간 정도로 아주 작은 버가 발생했기 때문에 화상측정기를 이용한 측정에 의한 정확한 지름 치수의 수치 판단은 불가했지만, 동시에 테스트한 cBN 래디우스 공구와 비교해 고품질의 가공면이 만들어졌다.
PCD 공구의 특성으로서 경면 수준의 가공면을 얻을 수 있는 것과 함께, 내마모성이 높아 장시간 가공의 품질 유지, 공구 코스트 다운에 효과가 있는 결과가 나왔다.
3. 초경재에 대한 마이크로 홈가공
앞에서 소개한 공구 정형장치는 원통 모양의 숫돌을 구비, 구 모양의 PCD 공구를 트루잉한다. 정형하는 구 형상의 공구 끝단 부분을 0°로 한 경우에 ±90°(반구)의 범위를 정형하기 위해서는 숫돌과 간섭하지 않도록 공구에 손잡이 길이가 필요해진다.
공구 R이 작아지면(손잡이 지름이 좁아진다) 공구 강성이 저하하고, 정도 유지가 어려워지기 때문에 최소 R 0.2mm까지를 권장한다. 그 이하의 공구 지름에 대해서는 마이크로 니들에서 사용한 테이퍼 볼 형상으로 함으로써 정형이 가능하다.
그림 8에 나타낸 가공 사례는 끝단부 R 5μm 정도로 뾰족하게 만든 1개의 PCD 공구로, 초경합금에 최대 20μm 깊이의 V 홈을 가공했다. 테이퍼 볼 형상에 이어서, 테이퍼 래디우스 형상의 정형 기술을 개발했으며, 고경도 재료에 여러 가지 형상의 미세 홈가공을 실시하는 것이 가능하다.
가공 지원 기술의 개발
이 글에서는 가공 사례로서 소개한 내용은 동사 CAM 제품인 ‘FFCAM’의 가공 조건 설정을 기본으로 가공을 하고 있다. 최적의 가공 조건은 제품에 요구되는 품질, 코스트, 납기의 우선순위, 형상에 의한 가공 노하우가 개입하기 때문에 각 요소와 가공 파라미터의 상관에 대해 연구를 추진, 제품에 피드백하고 싶다고 생각한다.
또한 동사에서는 가공 기술뿐만 아니라 ‘정도 설계’라고 하는 개념을 기초로 환경에 대한 로버스트니스, 측정장치의 캘리브레이션, 공구 관리의 최적화 기술을 제품에 전개하는 기술 개발을 추진하고 있다.
이 개념의 기본은 기계 정도의 추구, 가공 제품의 요구를 만족시키기 위해 필요한 장치, 기능의 완성도를 높이는 것과, 힘들이지 않고 올바르게 운용할 수 있는 지원 기술이다. 유저의 요구인 스마트한 제품의 제작 프로세스를 실현, 개발을 지원하는 MC의 성능과 품질을 제공하고 싶다.
시장과 함께 변화하는 제품 요구에 대응하는 기술로서 그라파이트, 미세 형상에 관한 가공 사례를 소개했다. MC는 고속화, 5축 제어, 미세 가공기 등 요구와 함께 진화해 완성도를 향상시켜 왔다. 제조의 근간을 이루는 생산재로서 동사는 앞으로도 시장의 변화에 대응한 가치를 창조하는 기술 개발을 해 나갈 것이다.
