[첨단 헬로티]

 

1. 서론

 

일부 엔드밀이나 드릴 등의 절삭공구 제조 공정에는 일반적으로 CNC 공구연삭반이라고 불리는 기계로 이루어지는 ‘날붙이’ 전의 공정으로서 ‘단붙이 연삭’이라고 부르는 공정이 있다. 이것은 센터리스 연삭반 등에서 고정도 연삭된 원통 소재에 대해 공구의 섕크부가 되는 부분을 남기고, 그 외의 부분을 원통 연삭함으로써 공구 날붙이 전의 단붙이 형상을 만들어내는 공정이다(그림 1).

 

이 단붙이 연삭 공정을 하기 위해 원통연삭반에 의한 복수 세팅 공정(센터붙이→거친가공→다듬질가공→끝단가공)을 거치면서 시간을 들여 하는 경우가 있다. CNC 공구연삭반으로도 동일하게 복수 공정에 걸쳐 가공을 할 수 있는데, 기계 특성 상 원통 연삭 능력에서는 원통연삭반보다 떨어지고, 또한 날붙이 공정과 같은 복잡한 움직임이 불필요하기 때문에 동시 다축 제어를 주로 하는 CNC 공구연삭반으로 시간을 들여 하는 것은 고가의 공정이 된다. 그렇기 때문에 ‘단붙이 연삭’ 공정은 전공정으로서 위치매김해, 전용의 라인이나 전용의 기계에 의해 하는 것이 일반적이다.

▲그림1. 단붙이 연삭에 의한 소재 가공

 

그 단붙이 연삭에 요구되는 성능은 ①섕크가 있는 원통 단붙이 형상을 고능률, 고정도, 고면품위로 연삭할 수 있다. ② 자동 운전으로 1로트분의 소재를 안정되게 연삭할 수 있다. ③ 소재 형상마다 다른 가공 전의 세팅을 쉽게 단시간에 할 수 있다. ④ 메인티넌스성의 향상(러닝코스트를 억제한다) 등 이다.

 

이들 요구에 대응하기 위해 단붙이 연삭에 특화해, 주로 초경공구을 대상으로 한 단붙이 연삭가공기가 2017년에 발표한 동사의 고정밀 세로형 원통연삭반 ‘TAD’이다(그림 2).

 

▲그림2. 고정밀 세로형 원통연삭반 TAD

 

2. 단붙이 연삭을 위한 고능률 연삭

 

앞에서 단붙이 연삭에 대해 말했는데, 원통연삭반과의 큰 차이는 절삭공구 블랭크의 고능률 연삭으로 특화한, 거친가공과 다듬질가공의 원패스 가공 방법에 있다(한 번의 소재 이송 동작으로 다듬질 연삭까지 한다).

 

▲그림3. 거친 연삭용 주축(왼쪽), 다듬질 연삭용 주축(오른쪽), 공작 주축(중앙 아래)에 의한 동시 가공

일반적인 원통연삭반은 워크를 무는 공작 주축 1기, 가공하는 숫돌축 1기로 이루어지는 구성인데, 단붙이 연삭기는 공작 주축 1기에 대해, 거친연삭용 숫돌축, 다듬질연삭용 숫돌축의 2기 구성으로 되어 있다. 이 2기의 숫돌축으로 동시에 가공을 하는 것이 이 연삭 방법의 큰 특징이다(그림 3).

 

▲그림4. 거친·다듬질 동시 연삭

 

이것에 더해 소재 진동 정지장치(이후 워크 서포트)로 유지함으로써 진동을 최소로 억제하고, 워크 서포트에서 일정 위치에 날붙이를 대고 외경 방향에서 절입을 더하면서 소재를 이송함으로써 긴 공작물을 고정도로 연삭할 수 있다.

 

▲그림5. 연삭 중의 주축 회전 이미지

 

구체적으로는 V 블록형의 워크 서포트로 소재를 유지함으로써 워크 서포트의 입구에서 최소 거리의 가공점에서는 긴 소재를 계속 보내도 이론 상, 항상 진동을 1μm 이하로 해 워크 강성이 가장 높은 상태를 유지하는 연삭이 가능하다(그림 4). 그 가공점에 거친가공과 다듬질가공의 2가지 숫돌을 끼우도록 댐으로써 긴 소재를 항상 워크 서포트에 꽉 누르면서 안정된 가공을 할 수 있다(그림 5).

 

이 때, 거친 연삭용 숫돌을 다듬질 연삭용 숫돌에 대해 워크 서포트 측으로 약간 선행시킴으로써 거친 연삭의 직후를 따라 다듬질 연삭용 숫돌로 약간의 절입에 의한 다듬질 연삭을 한다. 이것에 의해 거친연삭용 숫돌은 정도를 신경쓰지 않고 고능률의 숫돌로 크게 절입, 부담이 적은 다듬질 연삭용 숫돌은 다듬질에 적합한 숫돌에 의해 고정도로 고면품위 가공이 가능하다. 이 상승 효과에 의해 원패스에 의한 고능률 가공이면서 장시간의 정도 유지가 가능해진다.

 

이들 가공법은 이미 알고 있는 기술이지만, 어떻게 고능률화, 고품위화, 작업의 편리성 및 작업 환경의 고도화를 도모할지가 차별화의 포인트이다.

 

▲그림6. 고정밀 원통연삭반 TAD의 축 구조

3. TAD의 특징

 

고정밀 세로형 원통연삭반 TAD는 공간절감성, 시인성, 세팅성, 워크의 안정성을 목표로 독자의 세로형 구조로 되어 있다(그림 6).

 

(1) 세로형 구조의 이점
세로형 구조의 채용에 의해 입체적인 구조 배치가 가능해지고, 공간절감성이나 작업성을 크게 개선시키고 있다. 기계의 폭은 1,400mm로 하고, 기존 설비와 교체하기 쉬운 치수로 하고 있다. 또한 세로형 입체 배치에 의해 창 입구부는 충분히 크게 설치되고, 작업 포인트도 가볍게 손이 닿는 범위에 있어 로더 조작을 포함한 세팅 작업은 기계 정면에서 모두 할 수 있다.

 

이것에 의해 기계의 측면에서 하는 작업 공간이 필요 없어 더욱 공간절감이 된다(그림 7). 또한 자동 운전 시에 사용하지 않는 조작반은 간단히 기계 본체 내에 들어갈 수 있고, 통로의 확보가 어려운 장소에서도 설치할 수 있도록 고려하고 있다.

▲그림7. 작업 공간의 집중에 의한 공간 절감화

 

가공하는 워크의 자세는 이상적인 세로형 자세가 되고, 자중에 의한 워크의 휨 영향을 없앨 수 있다. 또한 워크의 세트 시에는 자연스럽게 워크 끝단면이 스토퍼에 접지하기 때문에 확실한 위치결정이 가능하다. 워크의 로딩 시에는 팰릿에 세트된 워크와 동일한 세로 자세가 되기 때문에 워크를 수평으로 하는 선회 동작이 불필요하고, 로딩 스피드의 향상 및 티칭(세팅 작업) 시간의 단축에 기여하고 있다(그림 8).

 

▲그림8. 자동 워크 로딩

 

(2) 고출력 주축
TAD는 3개의 고출력 주축과 고강성 기체를 합침으로써 ø20mm 워크까지 고능률 연삭을 가능하게 하고 있다. 원래라면 거친 연삭용 숫돌축에만 출력이 필요하게 되는데, 다듬질 연삭용 숫돌축의 출력에 여유를 갖게 함으로써 필요에 따라 절입량을 늘리는 것이 가능하다. 면품위는 희생이 되지만 2가지 고절입 연삭이 가능한 숫돌축와 중절삭을 견딜 수 있는 공작 주축에 의해, 더구나 고능률을 목표로 하는 등 단붙이 연삭의 내용에 폭넓은 선택을 갖게 하고 있다.

 

(3) 워크 서포트의 V 축 기능
워크 서포트에는 Z축(공작 주축)과 평행하게 작업성 향상과 기능의 확장성을 목적으로 한 독립 가동축의 V축이 부가되어 있다. 기존의 목적으로 하는 원패스 가공에서는 사용하지 않는 축인데, 숫돌 폭 이상의 절입량이 필요한 경우에는 Z축과 완전 동기시킴으로써 복수 회의 절입이 가능해지고 고출력 거친 숫돌축을 보다 활용하는 것이 가능하다(그림 9). 이 기능을 절삭여유가 많은 곳에만 사용할 수도 있다.

 

(4) 다듬질 연삭용 숫돌축의 ZF축 기능
다듬질 연삭용 숫돌축에는 절입축의 XF축 외에 거친 연삭용 숫돌축과의 위치 조정 기능으로서 ZF축이 부가되어 있으며, 거친 숫돌의 치수나 마모 상태에 맞춰 다듬질 숫돌축과의 위치 조정을 할 수 있다. 원패스 가공이라는 특성 상, 거친 연삭용 숫돌축과 다듬질 연삭용 숫돌축의 위치 조정이 항상 필요하며, 그 수고를 간략화하는 역할을 하고 있다. 또한 숫돌의 드레싱이나 앞에서 말한 자동화를 위한 센싱 기능 등의 확장성을 넓히는 역할도 하고 있다.

 

▲그림9. V축 기능에 의한 복수 회의 절입 연삭

 

(5) 간이 조정식 워크 서포트
고속 회전하는 워크의 진동을 1μm 이하로 억제하기 위해서는 워크 서포트의 조정이 반드시 필요하다. 정확한 조정이 가능할 때까지 숙련을 필요로 하며, 진동을 억제할 수 있을 때까지 몇 번이나 트라이해 몇 시간에 걸쳐 하는 경우도 있다.
이 기계에는 작업 시간과 작업 부담의 경감을 목적으로 플로팅 조정식 V 블록 워크 서포트를 채용하고 있다(그림 10).

 

공작 주축에 워크를 물고 회전 중심 기준으로 해, 워크의 진동이 적은 공작 주축 입구 부근에 플로팅 상태의 V 블록을 댐으로써 이 워크에 대한 V 블록의 위치결정을 하고 잠금한다. 이 상태에서 V 블록에 워크를 누름으로써 워크 서포트의 입구에서는 필연적으로 진동이 억제된다. 간단하지만 워크 서포트의 입구를 연삭점으로 하는 원패스 가공에서는 충분한 기능을 가지고 있으며, 어려운 조정도 없이 세팅 시간을 10분 내로 할 수 있다.

 

▲그림10. 간이 조정 워크 서포트

 

(6) 이중 커버 구조
이 기계에는 외측의 커버에 더해, 가공실을 최소로 구분하는 가동식 커버를 채용하고 있다(그림 11). 이것에 의해 안전성의 향상 및 연삭액의 비산을 한 곳에 모음으로써 연삭 시에서도 기계 내 전체의 시인성을 방해하지 않도록 하고 있다. 또한 연삭 중의 워크를 직접 눈으로 관찰할 수 있는 것은 이 기계의 특징 중 하나이다.

 

▲그림11. 이중 커버 구조에 의한 연삭액 대책

 

▲그림12. 전용 가공 소프트웨어 'Blank Creator'

 

(7) Blank Creator
전용의 가공 소프트웨어는 작업자가 직감적으로 작업할 수 있도록 개발되어 있다(그림 12). 터치패널 조작에 대응하고 있으며, 작업자는 필요한 항목을 선정, 워크 지름이나 전체길이, 가공 조건 등의 기본 조건을 입력한 후 좌표 입력에 의해 2차원 원통 형상을 그려서 목적으로 하는 단붙이 형상을 만들 수 있다.

 

(8) 작업성 및 메인티넌스성의 향상
3가지 주축은 모두 다이렉트 드라이브 구동을 채용, 주축 냉각장치에 의한 온도 관리 기능, 그리스 봉입형 베어링을 채용함으로써 논메인티넌스로 하고 있다. 중량이 있는 거친 숫돌의 세팅성 향상을 위해 HSK 자동 클램프로 하고 있다.
또한 숫돌축을 고강성의 기체에 마운트함으로써 진동을 억제, 숫돌의 장수명화에 공헌하고 있다.

 

V블록은 워크의 고속 회전을 직접 받기 때문에 마모가 빠른 소모품이다. TAD에서는 이 점에 주목, 워크 받침부만을 볼트 고정으로 교환하는 팁 교환식으로 하고 있다. 또한 팁 단체이기 때문에 특수 코팅이 가능해지고 DLC 이상의 경도를 가지는 코팅을 초경에 실시하고 있다.

 

이 기계는 이설의 용이성도 고려하고 있으며, 연삭액 공급장치 이외의 필요 기기 모두를 기계 본체에 장착, 기계의 레벨을 3점 지지함으로써 이동 전의 준비에서 기계 가동까지의 수고를 가급적 줄이고 있다.

 

4. 가공 사례

 

앞에서 말한 단붙이 연삭의 특징은 워크 길이에 좌우되지 않고 안정되게 고품위로 연삭할 수 있는 것이다. 단붙이에서 가공 평가의 기준으로서 외경값 외에 진원도, 면조도를 주된 평가로 하고 있다. 다음으로 일반적인 ø6mm에서 ø1mm에 대한 가공 사례를 기재한다(그림 13). 원패스 가공 방법에 의한 고능률 연삭이면서 외경 안정성 3μm, 진원도 1μm, 면조도 Ra 0.1μm 이하를 안정되게 연삭할 수 있다.

▲그림13. ø6→ø의 무보정 50개 연속가공 예

 

세로형 기계의 이점으로서 워크의 자중이나 휨의 영향을 잘 받지 않기 때문에 워크 강성이 낮은 소재나 중량이 있는 워크라도 안정되게 연삭할 수 있다. 절손하기 쉬운 ø0.05mm의 워크를 원패스로 안정되게 연속가공할 수 있는 것이 이 기계의 특징이다(그림 14). 또한 회전 시의 좋은 워크 밸런스에 의해 진동을 억제함으로써 면품위의 향상을 기대할 수 있다.

▲그림14. ø4mm→ø0.05mm 가공 사례

 

고출력의 숫돌축에 의해 ø20mm의 단붙이 연삭(그림 15)을 어려움 없이 할 수 있지만, 가공 스피드의 향상에는 숫돌의 절삭감 및 형상의 유지가 과제가 되고, 보다 좋은 숫돌의 선정과 매니지먼트 조건을 찾는 것이 현재의 과제이다.

 

▲그림15. ø20mm, 7mm의 이송에 의한 가공 사례

 

▲그림16. 접촉식 센서에 의한 기상 워크 자동 측정

 

5. 자동화에 대응

 

자동화 대응으로서 TAD에는 워크의 기상 자동 측정을 설정하고 있다(그림 16). 대상 워크의 형상이 비교적 단순하고 또한 측정에서 필요한 항목이 외경 측정에 한정되기 때문에 쿨런트 등의 외부 요인의 영향을 잘 받지 않는 터치 프로브 센서를 채용하고 있다. 이것에 의해 워크의 끝단 위치, 외경, 테이퍼 각도를 가공 전후에 기상에서 측정할 수 있다. 날붙이 전 소재의 성질을 관리하는 동시에, 연속 운전 시에는 임계값을 설정해 다음 워크에 대해 자동 보정을 넣음으로써 연속 운전에서 열변위 영향이나 숫돌 마모량의 관리 부담을 경감시킬 수 있다.

 

▲그림17. 공구 제조 라인의 일관 제공

 

6. 맺음말

 

최근에는 공구 제조에서도 전자동화가 추진되어 복수 공정을 서로 연결한 토털 솔루션적 제안이 요구되고, 공구의 날붙이 연삭 이외의 공정, 즉 단붙이 연삭이나 검사를 종합적으로 제공할 수 있는 것이 중요시되고 있다. 동사는 1982년에 일본 최초의 전자동 CNC 공구연삭반을 독자 연구한 이래 일관되게 공구 연삭에 대응하고 있다. 2014년 발표한 공구측정기 ‘procam’에 더해, 단붙이 연삭반을 라인업함으로써 단붙이 연삭반, 공구연삭반, 공구측정기의 모두를 갖추고 블랭크 제조에서 검사까지 공구 제조 라인의 일관된 제공을 가능하게 했다(그림 17).

 

고정도 세로형 원통연삭반 TAD는 가공과 구조를 포함해 동사로서 최초의 시도이며, 이 기계의 가공 실적이나 설계 사상이 앞으로의 개발에 폭을 넓혀줄 것으로 생각하고 있다. 앞으로도 기계의 성능과 품질의 향상에 노력하는 동시에, 공정 간을 포함한 자동화를 위한 새로운 부가가치를 제안해 제조업 발전에 조금이라도 공헌하고 싶다.

 

나카자토 토시히코 (中里 俊彦)   牧野후라이스정기(주) 기술부 설계과 제1그룹 리더