[첨단 헬로티]

스가이 아키라 (菅井 晃) 오픈마인드 테크놀로지즈 재팬(주)

독일의 OPEN MIND Technologies AG사의 일본 법인인 당사가 2002년에 일본 활동을 개시했을 때부터 메인 타깃으로 정한 것은 5축가공에 대응하는 유저였다. 현재 5축가공은 부품가공에서 금형가공까지 폭넓은 가공 분야에서 이용되게 됐지만, 당시 일본에서는 5축가공은 특수한 부품을 절삭하는 제조업의 극히 일부에서 이용되고 있던 가공 기술이었다.

한편, 유럽에서는 모든 범용적인 가공에 대한 효율화를 위한 가공 기술로서 이미 크게 주목을 받고 있었다. 그러한 가운데 OPEN MIND는 당시의 다임러-크라이슬러사에서 금형의 5축가공 기술 개발의 전략적인 파트너로 지명되어, 기존의 5축가공 연산 로직과는 완전히 다른 새로운 5축가공 알고리즘을 개발해 금형가공용 5축가공 기능을 1999년에 ‘hyperMILL’에 탑재해 릴리스했다.

앞에서 말한 당사의 방침은 이러한 유럽의 움직임을 반영한 것으로, 일본에서도 5축가공을 범용 가공에 보급시키기 위해 정한 것이었다. 이러한 당사의 움직임에 처음으로 대응한 것이 호쿠리쿠(北陸) 지방의 금형가공 유저였다. 이후 hyperMILL의 5축가공은 수많은 일본 국내 금형가공 유저에 채용되어 운용되어 왔다.

5출가공을 사용한 금형가공의 기본

이미 5축가공기가 설비된 금형 제조현장도 많이 늘었다. 한편, 공작기계 메이커의 5축 리퍼런스 공장이 된 회사에서도 실제로 물어보면 위치결정 가공까지만 하고 있다는 현장이 놀랄 만큼 많다. 설비의 능력을 100% 살릴 수 없었던 예이다. 이들은 툴패스 작성의 문턱이 높거나, 3축가공과 동등한 면품위나 정도를 실현할 수 없는 것이 주된 이유로 되어 있다.

이것은 3축에서 5축으로 축 수를 늘린 것에 기인, 기존과 동일한 대응만으로는 물리적으로 회피할 수 없고, 이러한 문제를 클리어하는 가공 데이터가 지급되지 않는 것이 주 요인이다.

3축가공에서는 공구 끝단의 XYZ 각 좌표값이 원활하게 변위해 가는 것이 이론으로서 중요한데, 5축가공의 경우는 앞에서 말한 공구 끝단의 움직임에 더해 회전축과 경사축의 움직임에 대해서도 원활하고 낭비 없는 움직임이 필요하다.

축 제어용 커브나 면을 작성해 5축가공 데이터를 작성하는 CAM의 경우, 형상 전체에 걸쳐 원활한 축의 움직임을 만들어내는 도형을 작도하는 것은 매우 어려운 일이다.

hyperMILL은 5축가공 데이터를 작성할 때에 축 제어의 자동 모드를 이용할 수 있다. 자동 모드에서는 축 제어용 도형을 일체 작성하지 않고 형상 전체에 대해 공구 끝단․회전축․경사축이 모두 원활하게 움직이는 툴패스를 작성해 준다.

또한 경사축이나 회전축을 움직일 필요가 없다고 시스템이 판단한 경우에는 동시 5축가공의 메뉴에서 툴패스 작성을 해도 동시에 사용하는 축 수를 자동적으로 줄여 물리적으로 정도가 높아지도록 배려해 준다. 그렇기 때문에 3축가공과 다르지 않은 오퍼레이션 부하로, 매우 고품질의 동시 5축가공 툴패스를 작성할 수 있다.

또한 복잡한 형상을 갖는 금형의 경우, 5축가공의 공구 간섭 관리는 시스템에 맡기는 이외에 방법은 없다. 이 경우도 단지 단순하게 간섭을 검지했을 때에 공구를 리트랙트시켜 간섭을 회피하는 것만으로는, 경사와 회전의 부가 2축을 갖는 5축가공기의 능력을 활용하고 있다고는 할 수 없다.

hyperMILL의 자동 간섭 회피 기능은 시스템이 간섭을 검지하면, 절삭을 위한 공구 끝단의 좌표값은 유지하면서 회전축 혹은 경사축을 움직여 공구 자세만을 변위시키고 간섭을 회피하면서 목적의 가공을 완료시킨다. 공구 자세의 변위는 간섭이 발생하는 수 블록 바로 앞에서 원활하게 서변시킴으로써 가공면에 대한 영향을 최소한으로 억제해 주고, 회피에 사용하는 회전축과 경사축의 우선도를 유저가 지정할 수 있다.

또한 섕크, 서브 홀더, 홀더, 스핀들 각각에 다른 간섭 클리어런스값을 정의할 수 있으므로 한도를 겨냥한 가공에도 쉽게 대응 가능하다. 3축가공에서 5축가공으로 이행하는 유저의 가장 큰 걱정은 간섭 사고인 것은 알고 있지만, hyperMILL이라면 유저는 안심하고 시스템에 맡길 수 있다.

위치결정 가공과 동시 5축가공의 하이브리드

5축가공기와 5축 대응 CAM을 설비했더라도 마구 동시 5축가공을 하는 것은 무의미하다. 동시에 움직이는 축 수가 증가하는 것은 정도면에서는 결점이기도 하기 때문이다. 따라서 3축가공이나 위치결정 가공에서 가공 가능한 제품에 대해서는 동시 5축가공을 적용할 필요는 없다.

그러면 위치결정 가공과 동시 5축가공 적용의 장벽은 어디에 있는가? 위치결정 가공의 메리트는 ①툴패스 작성의 문턱이 동시 5축가공에 비해 낮다, ②절삭 자체는 2축～3축의 움직임이므로 면품위․정도를 내기 쉽다. 반대로 결점은 ①각 분할 방향에서 복수의 공정이 필요해진다, ②위치결정의 각 영역 경계에 발생하는 가공 단차이다.

금형가공에서 가공 단차의 발생은 큰 문제이다. 위치결정 가공에서는 영역 분할이 필요한 형상도 동시 5축가공이라면 형상 전체에 대해 툴패스 작성을 할 수 있기 때문에 가공 단차의 문제에서 해방된다. hyperMILL은 위치결정 가공의 이점과 동시 5축가공의 이점 양쪽을 겸비하는 독특한 알고리즘을 제공하고 있다.

5축 등고선 최적화 거친가공에서는 형상 전체에 대한 다방향 위치결정 거친가공 및 거친가공의 잔삭부 가공 툴패스를 하나의 공정만으로 자동적으로 작성한다(그림 1). 이 가공 기능에 의해 스톡 상태나 그것에 동반하는 위치결정 방향을 검토하면서 몇 가지 공정을 작성해 형상 전체의 거친가공을 하는 복잡한 작업에서 해방된다.

다듬질가공에서도 오토매틱 인덱스라고 하는 기능에 의해 형상 전체에 대한 복수의 위치결정 가공을 하나의 작업으로 완성시킬 수 있다. 5축 등고선 최적화 거친가공과 오토매틱 인덱스의 양 기능은 모두 공구가 워크에 콘택트하고 있는 동안에는 항상 위치결정으로 절삭을 하고, 다음 영역으로 이동하는 급이송 동작일 때만 동시 5축에 의한 다음 위치결정을 한다.

이러한 기능에 의해 유저는 동시 5축가공의 이점과 위치결정 가공의 이점 양쪽을 쉽게 얻을 수 있다. 또한 이들 양 기능은 경사축이나 회전축의 다이내믹스가 떨어지는 5축가공기를 이용하는 경우에도 매우 유효한 기능이다.

MAXX Machining

- 배렐 공구에 의한 고효율 가공 -

오늘날 가공 업게에서 화제가 되고 있는 배럴 공구에 대해서도 hyperMILL의 동시 5축가공을 이용함으로써 그 능력과 이점을 최대한으로 활용할 수 있다. 현재 배럴 공구의 다듬질은 5축가공과 동일하게 유럽에서 시작되고 있는데, 그 계기는 동사가 제창한 테이퍼 배럴 공구라는 새로운 타입의 배럴 공구를 독일의 공구 메이커인 에무게-프랑켄(EMUGE-FRANKEN)사가 제품화한 것이 시작이다.

배럴 공구 자체는 옛날부터 존재하고 있는 공구 형상인데, 이 테이퍼 배럴 공구는 기존의 배럴 공구와는 달리, 섕크부와 테이퍼부 사이에 R(기준 코너 반경)이 있고, 그 테이퍼부에 큰 배럴 반경, 또한 공구 끝단부의 코너 반경이라는 내용으로 구성되어 있다(그림 2).

이 공구에서는 테이퍼부의 거대한 배럴 반경을 이용한 가공으로 가공 피치를 크게 취할 수 있고, 동시에 섕크부와 테이퍼부에 R을 붙임으로써 세로벽에 대한 비간섭 영역을 크게 취할 수 있는 이점이 있다.

또한 공구 끝단의 소경 코너 R을 보통은 소경 공구를 사용하는 잔삭부 가공 등에 이용할 수 있고, 보통의 소경 공구보다 강도를 유지하면서 공구 교환을 하지 않고 가공을 계속할 수 있다. 이것에 의해 기존에 잔삭부 가공 후에 잘 발생했던 원래 면과 잔삭부 가공면의 경계 단차 발생을 억제할 수 있다.

이와 같은 수많은 이점을 가지고 있는 배럴 공구이지만, 그 능력을 최대한으로 활용하기 위해서는 동시 5축에 의한 가공 환경과 배럴 공구 형상을 완전히 인식한 CAM에 의한 툴패스 작성이 필수이다. hyperMILL은 배럴 공구에 완전 대응한 복수의 5축가공 방법을 서포트하고, 곡면가공에서 평면가공, 잔삭부의 가공에 대응하고 있다.

배럴 공구의 콘택트 포인트를 파라미터로 쉽게 제어할 수 있기 때문에 배럴 공구의 거대한 배럴 반경을 유효하게 활용할 수 있다. 동사의 금형가공 유저의 경우, 5축가공기와 배럴 공구의 조합에 의한 실제 예에서 가공 시간을 약 85%나 절감했다.

최신 버전은 3축가공 방법의 일부라도 배럴 공구를 서포트하고 있다. 3축가공의 경우에는 일정 테이퍼각의 세로벽 가공 등에서 큰 효과를 기대할 수 있는데, 배럴 공구와 3축가공 조합의 경우 적용 부위가 한정적이 되기 때문에 배럴 공구는 역시 5축가공기에서 사용하는 것이 이상적이다.

또한 배럴 공구의 부산물로서 배럴 공구는 독특한 흔적(그림 3)을 다듬질면에 남기는데, 이 흔적은 볼 엔드밀을 사용한 미세한 흔적에 배해 극적으로 연마 시간을 절약할 수 있다는 것이 연마 공정측에서 증명되어 있다.

VIRTUAL Machining Center

5추각공에 필수 기능의 하나가 시뮬레이션이다. 이 기능이 서포트되고 있지 않거나 신뢰성이 낮거나 하는 경우, 서드 파티제의 베리파이 소프트웨어를 구입할 필요가 있어 큰 추가 코스트가 발생한다. hyperMILL는 고기능 시뮬레이션 기능을 기존에 제공해 왔는데, 최신판에서는 새롭게 개선된 시뮬레이션 기능을 릴리스했다.

VIRTUAL Machining Center(버추얼 머시닝센터, 이하 VMC)라고 하는 이 시뮬레이션은 Digital Twin(디지털 트윈)의 콘셉트에 의해 공작기계와 완전하게 일치․동기한 시뮬레이션 기능을 실현했다. 기존 시뮬레이션은 포스트 프로세서 처리 전의 CL(커터 로케이션) 데이터로 처리를 하고 있었기 때문에 CL 데이터에 포함되지 않는 포스트 처리 후에 입력되는 공작기계의 움직임은 시뮬레이션 상에서는 재현되지 않았다.

VMCSMS 포스트 처리 후의 NC 코드를 사용해 시뮬레이션을 하기 때문에 공정 간이나 ATC를 포함하는 모든 공작기계의 움직임이 완전히 시뮬레이션된다. 또한 VMC에는 기존의 베리파이 소프트웨어나 시뮬레이션에는 없는 혁신적인 2가지의 새로운 확장 기능이 서포트되고 있다. Connected Machining(커넥티드 머시닝, CM)과 Optimizer(옵티마이저)이다.

CM은 hyperMILL의 인더스트리 4.0 및 IoT 대응으로, NC 장치의 API를 통해 공작기계와 VMC를 네트워크로 다이렉트로 접속, 공작기계와 액티브하게 링크함으로써 실제 워크 설치에 대한 보정 등의 모든 공작기계 측의 정보가 VMC에 피드백되어 동기하는 환경을 구축한다(그림 4). 또한 VMC 측에서 가공 개시나 정지 등의 공작기계 리모트 제어도 실행할 수 있다. 정말로 데스크탑 상에 공작기계 그 자체가 버추얼하게 존재하는지와 같은 운용이 가능해진다.

Optimizer는 Digital Twin 덕분에 사용하는 공작기계의 구조를 포함한 정보로부터 툴패스를 최적화하는 기능이다. 공작기계에서 CAM으로 복귀하는 상황은 공작기계 구조에 의한 구조체 간섭이나 워크 설치 위치에 의한 스트로크 리밋 등에 기인해 가공현장에서는 자주 발생한다. Optimizer는 이러한 사태가 발생하지 않도록 공작기계와 그 상황에 대응한 NC 데이터의 최적화를 자동적으로 실행, CAM으로 복귀하는 일이 발생하지 않게 할 수 있다.

금형 보수

금형가공 분야에서 니치한 마켓이지만, 현재 용접 기술자 부족에 의한 금형 보수 대응이 문제로 되어 있다. 공작기계 메이커에서 릴리스되고 있는 DMD 방식이나 아크 용접에 의한 금속 적층 기능을 탑재한 동시 5축 하이브리드 가공기가 그 문제 해결의 키로서 주목받고 있다.

보수가 필요한 금형을 원 척킹으로 보수부의 홈, 홈부에 대한 금속 적층, 다듬질가공 등의 금형 보수 프로세스를 동시 5축 하이브리드 가공기로 완료할 수 있다. 홈이나 적층, 그리고 다듬질가공에서도 형상에 대응해 동시 5축의 애디티브나 절삭이 필요하다. hyperMILL은 애디티브 머시닝 기능도 서포트하고 있기 때문에 애디티브 시뮬레이션까지 포함해 금형 보수의 프로세스를 풀 서포트하고 있다.

hyperMILL은 금형가공을 위한 수많은 새로운 기능을 탑재해 가고 있다. 꼭 그 동향에 주목하길 바란다.

스가이 아키라 : 대표이사