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마이크로칩 2021-02

[TECH TREND] 복합 공작기계의 활용 기술

입력 : 2021.02.24 10:10

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[헬로티]


생산 현장의 중심을 담당해 온 머시닝센터와 터닝센터는 다축화에서 복합화 및 지능화로 그 트렌드가 변하고 있다. 최근에는 여러 가지 가공을 조합한 복합가공기도 등장, 1대의 공작기계로 모든 가공을 할 수 있게 됐다.


머시닝 기능과 선삭 기능이 복합화된 복합가공기는 1대로 여러 가지 가공 방법이 가능하기 때문에 공정집약에 의한 생산성 향상과 요구의 다양화에 대응할 수 있다. 더구나 공작기계의 복합화는 연삭가공이나 레이저 가공 등 절삭 이외의 제거가공도 조합할 수 있게 됐다. 제거가공에 그치지 않고 절삭기계와 적층제조(Additive Manufacturing)을 조합한 공작기계도 각 메이커에서 제안되고 있다. 또한 공정집약에 큰 역할을 하고 있는 것이 로봇과의 조합으로, 복합가공기와 일체화된 시스템이 실용화되고 있다. 최근에는 가공 상황의 실시간 모니터링에서부터 진단에 이르는 시스템도 실용 수준이 되어 공작기계의 지능화 흐름도 뚜렷하다.


한편 절삭공구는 예전에는 절삭감이 떨어지면 기술자가 재연마해 여러 번 동일한 공구를 이용하고 있었는데, 현재는 한번 쓰고 버리는 것이 일반적이다. 공구 날끝이 손상되거나 표면의 코팅이 벗겨지거나 하면, 비싼 공구의 경우는 공구 메이커에 재연마를 의뢰할지 혹은 폐기할지를 현장에서 판단하고 있다.


경제산업성의 3R 정책의 조사 자료에 의하면, 초경합금제 공구의 스크랩은 유감스럽게도 일본 국내에서 리사이클 자원으로 환류되지 않고, 절삭칩(가공칩)과 함께 산업폐기물 처리업자에게 유가로 처리를 의뢰하고 있는 케이스가 많다. 희토류인 텅스텐 자원을 포함하는 스크랩은 신흥국 등으로 유출하는 비율이 크며, 다른 나라에서 재이용되고 있는 것 같다.


그러므로 다기능화된 공작기계를 이용함으로써 1회용이 상식으로 되어 있는 절삭공구의 이용 개념을 그 일부만이라도 재사용으로 시프트할 수 없을지를 생각했다. 공작기계의 가동률 향상과 함께, 공구비 절감은 코스트 면뿐만 아니라 환경도 배려한 기술이 된다.


저자 등은 이와 같이 온고지신(溫故知新)의 개념으로, ‘온머신으로 공구 재성형이 가능한 절삭기계의 개발’을 목표로 하고 있다. 여기서는 5축 복합가공기를 활용한 새로운 제안의 초경 로터리 로드 공구에 의한 담금질강의 선삭가공과 그 공구의 기상 성형에 관련된 기술을 소개한다.


그림 1. 선반형 5축 복합가공기에 의한 담금질강의 끝단면 연삭의 모습 

(일본공업대학 니노미야연구실 소유 : INTEGREX 100-Ⅲ)


선반형 5축 복합가공기의 활용


저자 등은 선반형 5축 복합가공기를 이용해 절삭과 연삭의 복합가공에 관한 연구를 해왔다. 예를 들면 절삭가공기로 담금질강이나 경취 재료를 가공하는 경우, 초지립 숫돌의 이용이 반드시 필요하게 된다. 보통 연삭숫돌은 기상에서 수시로 트루잉·드레싱을 하면서 이용된다. 동 연구실에서 소유하고 있는 선반형 5축 복합가공기(야마자키마작제 : INTEGREX 100-Ⅲ)는 그림 1에 나타냈듯이 척 하부에 설치되어 있는 툴 프리세터의 위치를 변경해 세로 가로 겸용 로터리 드레서(오오타제)를 탑재하고 있으며, 숫돌축을 B축으로 선회시킴으로써 다이아몬드 숫돌이나 cBN 숫돌의 고정도 트루잉·드레싱이 가능하다.


또한, 다이아몬드 숫돌의 기상 트루잉·드레싱 기술에 관해서는 저자 등은 방전 트루잉이나 도전성 다이아몬드 이용 숫돌 등의 연구도 겸해서 하고 있다.


이와 같이 공구가 연삭 숫돌이라면 기상 트루잉·드레싱은 일반적인 기술로 반드시 세트가 된다. 총형 다이아몬드 드레서 등의 특수한 경우를 제외하고는 트루잉·드레싱을 위해 숫돌을 떼어내 숫돌 메이커에 재성형을 의뢰하는 일은 거의 없다.


이와 같이 연삭 숫돌을 이용한 개념으로 절삭공구를 이용하는 기술이 있어도 좋지 않을까 생각했는데, 이후에서 소개하는 기술을 생각하기에 이른 계기가 됐다.


그림 2. 공작기계의 변천과 로터리 절삭의 연구


초경 로터리 로드 공구에 의한 담금질강의 선삭가공과 공구 기상 성형


최근 내열합금이나 내마합금 등에 대해 절삭공구를 오래 유지하면서 가공하는 로터리 절삭이 주목받고 있다. 로터리 절삭은 공구가 회전함으로써 냉각 사이클이 설정되어 날끝 온도가 분산되기 때문에 공구 마모가 대폭으로 저감되는 효과를 갖는다. 로터리 절삭에는 공구가 피가공재와의 접촉에 의해 자전하는 종동형과 공구 자체가 구동축을 가지고 회전하는 구동형이 있다. 그림 2에 대표적인 공작기계의 변천과 로터리 절삭 연구의 일부를 발췌해 정리한 것을 나타냈다. 모든 참고 문헌을 나타낼 수 없으므로 생략했는데, 공구를 강제 회전시키는 구동형 로터리 절삭의 연구는 1950년대부터 있었지만 일본 국내에서는 종동형의 연구가 계속됐으며, 2000년 이후 5축 복합가공기의 등장을 계기로 다시 산업계 및 연구기관에서 구동형 로터리 절삭에 관한 연구가 적극적으로 추진되어 왔다. 그러나 로터리 절삭공구 그 자체에 주목한 연구는 적다.


그림 3. 복합 공작기에 의한 로터리 절삭과 기상 공구 성형 

(연삭·연마·방전·초음파 진동의 복합화)


필자 등은 그림 3에 나타낸 5축 복합가공기를 이용한 로터리 절삭의 고기능화와 그 공구의 기상 성형을 위한 공작기계의 복합화에 대해 검토하고 있다. 여기서는 로터리 절삭의 연구와 함께, 공구 성형용으로서 연삭과 연마, 방전가공 및 초음파 진동의 원용 등 절삭 공작기계에 여러 가지 기능을 복합한 기술을 전개하고 있다.


그림 4. 시판 둥근 다이스 팁과 논코트 초경 원기둥


1. 초경 로터리 로드 공구

구동형 로터리 절삭에서는 피가공재뿐만 아니라 공구도 회전시켜 가공할 필요가 있으며, 일반적으로 팁 교환식의 절삭공구가 이용된다(그림 4 왼쪽). 그렇기 때문에 공구의 장착 시에 생기는 회전 진동이 과제가 된다(그림 5). 이 회전공구의 회전 진동을 제로로 억제하는 것은 쉽지 않다.


그림 5. 로터리 절삭공구의 회전 진동 문제


또한, 채용되는 원형 공구는 장착 제약 상, 직경이 큰 공구가 이용되는 경우가 많은데, 공구 지름이 커지면 피가공재의 접촉호 길이가 길어져 가공저항이 증대하는 동시에 재생 채터링이 발생하기 쉽다.


저자 등은 코팅되어 있지 않은 단순 형상의 초경합금제 둥근 봉(ø6~12mm)을 로터리 절삭공구로서 채용, 5축 복합가공기로 날끝 위치를 제어하면 둥근 봉의 끝단면 외주부를 절삭날로 이용할 수 있을 것으로 생각했다(그림 4 오른쪽). 여기서는 이 공구를 초경 로터리 로드 공구라고 부르기로 한다.


표 1. 로터리 절삭의 공구로서 원기둥 재료를 채용하는 이점


초경 로터리 로드 공구는 둥근 다이스 절삭 팁에서 생기는 장착에 의한 오차를 최소화할 수 있는 동시에, 비교적 소경의 공구라도 이용할 수 있다. 또한, 코팅이 불필요하고 저렴하며, 더구나 단순한 원기둥 형상이므로 기상에서 공구 성형하기도 쉽다. 로터리 절삭공구로서 원기둥 재료를 채용하는 이점을 표 1에 열거했다. 공구 재질로는 초경합금 이외에도 PCD나 PcBN의 원기둥을 납땜한 것도 이용할 수 있다.


그림 6. 관용 절삭면과 로터리 절삭면


2. 담금질강의 로터리 절삭

초경 로터리 로드 공구(ø12mm)로 경도 HRC63의 고주파 담금질강 재료의 외주를 로터리 절삭(주속도 : 100m/min, 이송 : 0.1mm/rev.)하면, 코팅 초경 편날 바이트(R0.4mm)로 동일한 조건으로 관용 절삭한 가공면에 비해 그림 6과 같이 양호한 가공면이 됐다. 한편 그림으로 나타내지 않았지만, 초경 로터리 로드 공구의 회전을 멈추고 절삭하면, 현저하게 공구 마모를 일으켰다. 즉, 로터리 절삭은 공구 상의 가공점이 항상 이동, 가공열이 절삭날 전체로 분산됨으로써 초경 날끝부가 산화 온도에 달하지 않아 공구의 소모가 억제된다는 것을 알 수 있었다. 또한, 초경합금 로터리 로드 공구의 직경을 ø6mm로 변경해도 동일한 경향을 얻을 수 있다는 것을 확인했다.


3. 초음파 로터리 절삭

로터리 절삭에 관한 새로운 복합화의 시도로서 복합가공기에 주파수 대역 40kHz의 초음파 스핀들을 탑재해 회전 공구에 종진동을 부여하는 초음파 로터리 절삭을 제안하고 있다. 초음파 로터리 절삭은 가공저항의 저감과 가공면 조도의 개선에 효과가 있다는 것을 밝혔다.


로터리 절삭공구의 기상 성형


1. 연삭·연마에 의한 공구 기상 성형

단순 형상의 원기둥 공구는 공구의 성형이 쉽다. 이 공구의 기상 성형이 가능하면, 회전 진동이 없는 절삭공구로 로터리 절삭을 할 수 있고, 또한 공구 끝단면에 임의의 레이크각이나 칩 브레이커를 부여할 수 있다. 더구나 공구가 마모해도 기상에서 간단히 재성형할 수 있다. 엔드밀이나 드릴의 재연마와는 달리, 재연마해도 공구 길이가 짧아질 뿐이므로 1개의 공구를 몇 번이나 재이용할 수 있다. 또한, 공구 지름이 변화하지 않으므로 가공 조건 등을 변경할 필요가 없다.


공구 성형은 다이아몬드 숫돌에 의한 기상 연삭으로 쉽게 할 수 있다. 공구의 회전 진동을 제거하기 위해 초경 로터리 로드 공구의 날끝 외주부(여유면부)의 기상 수정을 시도했다. 실험을 간략화하기 위해 고정도 에어 스핀들을 기계의 척으로 파지, C축으로 자세 제어했다. 이번에는 거친 입자의 다이아몬드 숫돌(SD200P)로 초경 로터리 로드 공구의 회전 진동를 기상 제거하고, 다듬질로 버프 연마를 실시했다.


그림 7. 소경 다이아몬드 숫돌에 의한 초경 로터리 로드 공구의 회전 진동 수정


공구의 장착 시에 생긴 공구 회전 진동은 ø6mm 공구에서 4.5μm, ø12mm 공구에서 6μm였는데, 모두 거의 0μm로 수정할 수 있었다(그림 7). 또한, 그림 3의 모식도 중에 나타냈듯이 공구 끝단면의 레이크면도 쉽게 성형할 수 있고, B축 선회에 의해 원하는 레이크 각을 부여할 수 있다. 또한 임의의 칩 브레이커 형상도 성형할 수 있다는 것을 밝혔다.


그림 8. 블록 동 전극 및 파이프 동 전극에 의한 초경 원기둥 공구의 방전 성형 상황 

(일본공업대학 니노미야연구실 소유 : INTEGREX 100-Ⅲ)


2. 방전가공에 의한 공구 기상 성형

다음으로 다른 새로운 복합화의 시도로서 절삭 복합가공기에 방전가공용 전원을 탑재, 기상에서 방전 갭 제어를 할 수 있는 사양으로 커스터마이즈했다. 간이 실험을 하기 위해 절연에 배려해 초경 로터리 로드 공구를 장착, 회전하는 공구 끝단면의 에지부를 방전가공했다(그림 8).


동 전극의 형상은 블록형(세로 20mm×가로 20mm×두께 5mm) 및 파이프 모양으로 했다. 파이프 동 전극은 초경원기둥 외주와 동일한 사이즈로, 외경 ø12mm×내경 ø10mm이다. 이온 교환수를 가공점 상부에서 떨어트리면서 방전가공한 결과, 모든 전극에서 활발하게 방전 현상이 생기고 극간 제어도 양호했다. 방전 제거를 채용함으로써 비접촉으로 초경 재료를 제거할 수 있기 때문에 비교적 제거량이 많아도 다이아몬드 숫돌의 마모나 기계의 강성 부족을 고려할 필요는 없다. 이것에 의해 초경 로터리 로드 공구 외에, PcBN나 PCD제 로터리 로드 공구의 기상 성형에도 대응할 수 있게 됐다.


3. 도전성 PCD 조각을 이용한 방전·연삭 축차가공에 의한 공구 기상 성형

다결정 다이아몬드 소결체(PCD) 원반을 회전공구로서 이용한 방전·연삭 축차가공은 하나의 공구로 방전가공과 연삭 다듬질을 할 수 있는 새로운 가공법이다. PCD 전극은 극저 소모의 방전가공이 가능하고, 그대로 PCD가 연삭 숫돌이 되어 다듬질가공할 수 있다. 이 가공법을 공구의 기상 성형에 응용함으로써 초경합금과 같은 도전성 초경질재를 정밀하게 가공할 수 있을 것으로 생각했다.


그림 9. 도전성 PCD 조각에 의한 방전·연삭 축차가공

(일본공업대학 니노미야연구실 소유 : 소딕제 AQ35L)


공구 성형용의 전극으로 이용하는 PCD 소재에는 붕소를 도프해 도전성을 부여한 다이아몬드 입자를 원재료로 한 도전성 PCD를 채용, 이 PCD 전극을 회전시키지 않고 고정한 도전성 PCD 조각을 이용했다. 초경 로터리 로드 공구를 회전시켜 방전 성형을 하고, 동일한 PCD 조각에 회전하는 로터리 로드 공구를 밀어붙여 인피드 연삭하는 것만으로, 방전가공 후에 잔존하는 공구 표면의 열영향층을 제거했다(그림 9). 이 도전성 PCD는 극성을 바꾸는 것만으로, 도전성 PCD 자체의 방전가공을 쉽게 할 수 있는 특징도 있고 전극의 형상 성형도 쉽게 할 수 있다.


그림 10. 방전·연삭 축차가공 후의 초경 끝단면의 성상


와이어 방전가공기로 원호 상에 결손을 설정한 도전성 PCD 조각을 형조 방전가공기의 베드에 고정, 오일 속에서 회전하는 초경 로터리 로드 끝단부(외주에서 1mm)를 방전·연삭 축차가공한 결과를 그림 10에 나타냈다. 방전가공에서는 PCD 조각은 극저 소모 전극이 됐다. 그대로 오프셋된 연삭가공에서는 동일한 PCD 조각은 연삭 숫돌이 되어 설정 깊이 20μm로 연삭 제거할 수 있으며, 연삭 후의 가공면을 보면 초경 끝단면은 전면에 걸쳐 경면으로 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 가공 후의 도전성 PCD 조각의 소모는 거의 없고, 초경의 가공면 조도는 방전가공 후에 비해 축차 연삭 후의 최대 높이가 1/2 이하인 값이 됐다.


그림 11. 도전성 PCD 조각을 이용한 방전·연삭 축차가공의 5축 절삭 복합가공기 탑재 

(일본공업대학 니노미야연구실 소유 : INTEGREX 100-Ⅲ)


이 기술을 전개해 절삭 복합가공기 내에 설치한 포트에 방전가공유를 넣고, 그 속에 도전성 PCD 조각을 침적시켜 둠으로써 기상 방전 성형이 가능해진다. 현재 5축 복합가공기 상의 간이 실험을 계속하고 있다(그림 11). 이것을 실현할 수 있으면 하나의 PCD 조각을 복합 가공기 내부에 준비하는 것만으로, 초경 로터리 로드 공구의 기상 성형을 쉽게 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.


맺음말


이상과 같이 절삭 복합가공기의 활용 예로서 저자 등이 대응해 온 공작기계의 복합화를 중심으로 소개했다. 복합가공기의 날끝 위치 제어 기능을 구사한 초경 로터리 로드 공구에 의한 로터리 절삭과 연삭 기능, 방전 기능, 초음파 진동 원용 기능을 복합가공기에 부여함으로써 로터리 절삭용 공구의 기상 성형을 실현할 수 있다는 것을 보였다.


또한, 초음파 로터리 절삭에서 설명한 공구를 초음파 진동시키는 기능은 절삭, 연삭 및 방전가공에서도 효과적이다. 이러한 가공의 조합에 의한 하이브리드화는 초음파+방전 원용 연삭이나 초음파+방전 연삭 축차가공 등 공구 성형뿐만 아니라, 재료가공에도 이용할 수 있다. 1대의 다축 복합가공기를 이용해 여러 가지 응용 전개가 기대된다.


현재는 절삭가공과 변형 가공(굽힘·벌징·인크리멘탈포밍 등)의 복합화에 도전 중이다. 앞으로도 산업계와 협력해 실제 생산에 도움이 되는 새로운 복합화를 갖춘 차세대 다기능 공작기계의 개발을 목표로 할 것이다.


첫머리에서 말한 선반과 밀링머신을 융합한 복합가공기를 야마자키마작사에서는 인테그렉스라고 부르고 있다. 이 글에서 소개한 다기능을 가진 복합 공작기계는 적확하게 표현할 수 있는 명칭이 존재하지 않아, 다기능 복합가공기나 하이브리드 복합가공기로 불리고 있다.


오늘날 공작기계는 특히 복합화에 관한 기술 혁신이 뚜렷하며, 최근 10년 간 여러 가지 기능을 가진 공작기계가 등장하고 있어 의도한 공작기계를 한마디로 표현할 수 없는 상태이다. 산업계나 학회 등에서 논의해 각각의 공작기계에 대해 적절한 명칭을 붙이는 것도 중요하지 않을까 생각한다.


니노미야 신이치, 일본공업대학 기간공학부 기계공학과 기계가공연구실 교수

코가 후미오, ㈜코가 대표이사

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