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금형가공 고도화를 위한 와이어 방전가공 신기술

와이어 회전기구 ‘i-Groove’ 탑재 ‘AL-iGE’의 특징

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사토 히로키, 소딕 공작기계사업부 연구개발부3과

 

최근 세계적으로 카본 뉴트럴(carbon neutral)을 위한 대응이 제창됨에 따라 자동차의 EV화 수요가 급속히 증가할 것으로 생각된다. 이와 함께 모터 코어나 커넥터용 금형가공 등에서 와이어 방전가공기에 의한 고속, 고정도 가공과 공정 단축 등에 기여하는 성능 향상 및 고부가가치화가 기대되고 있다.

 

이와 같은 상황 속에서 소딕은 업계에서 선구적으로 리니어모터 구동 방식을 채용한 지 20년 이상을 맞이하고 있으며, ‘진정한 리니어’, ‘신뢰의 리니어’의 실적을 쌓아 왔다. 소딕의 방전가공기는 자사 개발·제조의 리니어모터/방전 전원/NC 장치/모션컨트롤러/세라믹스로 대표되는 최신의 코어 기술을 탑재, 금형이나 부품가공의 미세·정밀을 중심으로 하는 고도의 가공 영역에 깊이 관여해 왔다.

 

이번에 소딕은 생산성 향상을 목적으로 가공 치수의 안정화·가공 속도 향상·균일한 다듬질 면질 등의 성능 향상과 러닝 코스트 절감, 그리고 코로나바이러스 감염증의 영향을 받아 자동화 대응의 요구에 의한 신형 사양의 와이어 방전가공기 ‘AL i Groove Edition(아이 그루브 에디션)(AL-iGE)’ 시리즈를 개발했다(그림 1).

 

 

AL-iGE의 주요 특징

 

새롭게 개발한 AL-iGE에는 주로 아래와 같은 특징이 있다.

 

(1) 신기술 와이어 회전기구 ‘i Groove’에 의한 종합적인 가공 성능 향상과 에콜로지(ecology) 효과 (특허 취득 완료)

(2) 단차가공 성능의 비약적인 향상 ‘Stepcut(스텝 컷)’에 의한 폭넓은 분야 적응

(3) 가공액 관리·기계 온도 관리의 강화

(4) 자동화를 위한 옵션 라인업 확충

 

위에서 말한 특징 이외에도 XYUV의 4축에 자사제 리니어모터를 탑재하고, 또한 높은 신뢰성을 자랑하는 고속 자동 결선장치 ‘FJ-AWT’를 채용하고 있다(표 1).

 

 

신기술 와이어 회전기구 ‘i Groove’

 

가공 중인 와이어의 거동은 무회전으로, 주로 두꺼운 판두께의 가공에서 가공물 하부에서는 소모가 완료된 와이어로 가공하고 있는 상태였다. 그렇기 때문에 와이어의 소모분을 예측해 테이퍼 각도를 붙임으로써 상하 치수를 조정하고 있다. 또한, 가공물 하부의 면거칠음이나 줄무늬, 불균일 등의 면질이 좋지 않은 경향이 있어, 면질을 안정시키기 위해 와이어 속도를 빠르게 하거나 컷 회수의 증가 등에 의한 생산성 저하 등의 과제가 있었다.

 

와이어 회전기구 i Groove에 의해 가공 중인 와이어에 회전을 부여해 가공물의 상부에서 하부까지 전체를 항상 새로운 와이어면으로 다듬질 가공하는 것이 가능해진다.

 

 

거친 가공 시에는 기본적으로 양측 가공이 되고, 와이어 회전의 장점을 살리기 어렵기 때문에 무회전 가공, 편측 가공이 되는 다듬질가공 시에는 회전을 부여해 가공 방향에 따라 회전 방향을 변경한다(그림 2).

 

 

와이어 회전 기능은 조건 검색으로 회전 부여 전용 조건을 선택해 간단히 사용할 수 있다. 그림 3으로부터 무회전 상태에서는 직선 모양으로 소모되고 있는 것에 반해, 회전이 있는 상태에서는 소모가 와이어 표면 전체로 분산되어 있는 것을 알 수 있다.

 

i Groove의 와이어 회전에 의한 효과를 아래에 나타냈다.

 

1. 다듬질가공의 와이어 사용량 절감

기존에 가공물 하부의 와이어 소모에 의한 가공 영향을 줄이기 위해 와이어 속도를 빠르게 하고 있었다. 그러나 와이어 회전에 의해 소모가 분산되어, 하부에서도 미소모 부분으로 가공할 수 있기 때문에 와이어 이송 속도를 늦추는 것이 가능하다. 판두께가 두꺼울수록 와이어 회전의 장점이 크게 나타나며, 동사 지정 조건으로 판두께 80mm의 다듬질가공에서 와이어 소비량을 30% 절감한 데이터가 얻어졌다. 판두께 10mm 이하에서는 회전량이 적어 효과가 거의 없지만, 20mm 이상에서부터 효과가 나타나기 시작해 두꺼울수록 효과가 커진다.

 

 

그림 4는 와이어 회전 유무에 따른 Steel 판두께 40mm의 와이어 이송 속도(WS)와 제거량의 관계를 비교하고 있으며, WS100일 때를 기준으로 해서 상부 가공 제거량에 대한 중부, 하부 제거량 차이를 나타내고 있다. 와이어 회전이 없는 경우에는 WS가 작을수록 가공물 상부와 하부의 제거량 차이가 크고 테이퍼로 되어 있는 것에 반해, 와이어 회전이 있는 경우에는 WS가 작아도 상하부에서 제거량 차이가 적다는 것을 알 수 있다.

 

2. 가공물 하부의 가공 정도 향상

기존에 와이어 소모의 가공 제거량 변화를 테이퍼 보정으로 수정하고 있었는데, 액 처리나 방전 상태에 의해 2nd 가공의 가공 절삭값이 변화하면 가공물 하부의 가공 제거량이 변화해 하부 측의 치수가 나오지 않는 경우가 있다.

 

와이어 회전을 하면 가공물 하부 측에서도 미소모 상태의 와이어로 가공을 하므로 상하부에서 동일한 방전 상태가 되어 가공 절삭값이 변화하지 않고 균일하게 가공할 수 있다. 그렇기 때문에 테이퍼 보정을 하지 않고 가공해도 상하의 치수 차이가 줄어든다.

 

3. 가공물 하부의 면질 향상

기존에 가공물 하부에서는 소모가 완료된 와이어로 가공하고 있었기 때문에 특히 판두께가 두꺼운 가공에서는 상부의 면질은 좋아도 하부에 줄무늬나 불균일이 발생하는 경우가 있었다. 와이어 회전을 하면 상부와 동일하게 와이어의 미소모면으로 가공이 가능하므로 하부의 줄무늬나 불균일을 줄일 수 있고 면질 향상에 효과가 있다.

 

 

그림 5는 ø0.1mm 와이어로 판두께 30mm의 7th 컷 고정도 조건 가공으로 가공한 면의 표면 조도를 나타내고 있다. 회전이 없는 경우에는 테이퍼 보정이 있고, 회전이 있는 경우에는 테이퍼 보정 없이 다듬질가공하고 있다. 상부의 줄무늬나 불균일에 관해서는 회전 유무에 관계없이 깨끗한 상태이지만, 하부에 관해서는 크게 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 와이어 회전이 없는 경우에는 세로로 작은 줄무늬가 발생하고 있는 것에 반해, 회전이 있는 경우에는 줄무늬가 감소해 있으며 상부와 다름없는 면질로 되어 있다는 것을 확인할 수 있다.

 

4. 적은 컷 횟수의 다듬질면 조도 향상

와이어를 회전시킴으로써 다듬질가공의 테이퍼 보정이 기본적으로 불필요하고, 가공 면질 향상의 효과가 있기 때문에 조건의 추입이 가능하며, 앞으로 적은 컷 횟수로 기존과 동일 혹은 그 이상의 면조도 실현도 기대할 수 있다. 이것에 의해 와이어 소모량의 절감, 에너지 절감, 생산성 향상으로 이어진다.

 

새로운 단차가공 기능 ‘Stepcut’에 대해서

 

가공 중에 판두께가 변하는 가공을 단차가공(그림 6)이라고 부르고 있으며, 판두께가 변화하는 경계 부근에서 가공 상태가 급격하게 변화하기 때문에 줄무늬 모양의 평면 정도 열화가 발생한다.

 

 

소딕에는 기존부터 단차가공 기능이 있었는데, 이번에 단차가공의 정도 향상과 적응 범위를 확대해 사용성을 향상시킨 새로운 단차가공 기능 ‘Stepcut’을 개발했다.

 

1. 대응 판두께·대응 재질의 확충

기존 기능으로는 Steel 판두께 10~80mm까지 대응할 수 있었는데, Stepcut에서는 Steel 10~200mm, 초경합금 10~100mm까지의 판두께에 대응하고 있다. 게다가 방전 에너지와 빈도 수로부터 서보 동작을 판단하는 방전 빈도 서보를 이용해, 표준 조건과 동등한 가공 속도를 달성하고 있다.

 

2. 다수개 떼기에 대응

이번에 X, Y 기계 좌표를 1mm마다 메시 모양으로 구분해, 1st 가공 시의 가공 상태나 추정 판두께값을 각 메시에 기록하는 메시 FTC 기능을 개발했다. 이 기능을 이용하면 각 점의 판두께 정보를 탐색해 최적 조건 제어를 할 수 있으며, 다수개 떼기나 1st와 다른 경로로 다듬질가공을 한 경우에도 다듬질 단차가공이 가능해진다.

 

 

3. 가공 정도의 향상

방전 빈도 서보에 의한 판두께마다의 최적 가공 속도와 메시 FTC에 의한 판두께 정보 활용에 의해 단차가공으로도 고정도의 가공이 가능해진다.

 

ø0.25mm 와이어, Steel 판두께 10~80mm로 밀착, 한쪽 뜨기, 양쪽 뜨기, 중공이 있는 이형상 가공(그림 8)에서는 평면도±2.0μm 이내(실측 -1.0~+1.5μm)로 면조도도 Rz2.76μm로 되어 있다.

 

 

또한, 앞으로의 사양 확장을 겨냥해 평가를 실시한 ø0.3mm 와이어, Steel 판두께 최대 300mm, 위쪽 뜨기 가공(그림 9)에서는 평면도±7μm 이내(실측 -5.0~+5.0μm)로 면조도도 Rz4.5μm의 결과가 나왔다.

 

 

4. 사용성의 향상

기존의 다듬질 단차가공에서는 컷마다 전용 코드를 사용할 필요가 있어, 프로그램 작성의 난이도가 높아 사용하기 번거로웠다. Stepcut에서는 조건 검색 화면에서 단차가공의 데이터베이스를 선택하면 간단히 단차가공을 할 수 있다.

 

가공액 관리․기계 온도 관리의 강화

 

AL-iGE에서는 서비스 탱크의 성능 향상을 도모했다(그림 10). 필터 수를 3개에서 4개로 늘려 여과 능력을 향상시키고, 가공액 전체를 클린화했다. 또한, 서비스 탱크를 오수조, 중간층, 청수조로 구분, 청수·중간층에는 오염수가 혼입되지 않도록 해 가공 중의 슬러지 혼입을 방지하고, 보다 이상적인 가공 환경을 얻을 수 있다.

 

 

필터의 압력계를 디지털 압력 센서로 변경해 필터 압력 추이를 그래프화함으로써 필터 교환 시기의 추측과 압력 경고 표시에 의해 가공 개시 전에 필터 교환을 사용자에게 알리는 것이 가능해져 안심하고 가공할 수 있게 된다.

 

이번에 서비스 탱크의 구분을 새롭게 해서 오수조를 앞쪽에 배치하고, 큰 메인티넌스 창(그림 11)을 설치했다. 이것에 의해 칩이 가장 쌓이기 쉬운 오수조에 액세스하기 용이해져 오수조의 청소를 간단히 할 수 있게 된다. 정기적인 청소로 가공조에 칩이 유입하는 것이 감소되고, 안정된 가공이 가능해진다.

 

 

기계의 온도 관리로서 고정도 환경에서 러프한 온도 환경까지 대응할 수 있는 만능의 열변위 보정 기능 ‘TH COM’을 표준 탑재하고 있으며, 주변 환경에 맞춰 V축과 Y축의 보정을 하는 동시에 그래프에 의한 온도 관리와 1년간의 온도 이력에 의한 기계 환경의 확인이 가능하다.

 

자동화를 위한 옵션 라인업의 충실

 

인력절감화, 장시간 가공 요구에 대응하기 위해 자동화 옵션도 확충했다. 이미 호평을 받고 있는 자동 코어 처리장치 ‘S3CORE(스코어)’(그림 12)로 코어 처리를 자동화하고, 거친 가공에서 다듬질 가공까지 장시간 무인가공이 가능하다.

 

 

가공물 교환의 자동화로서 로봇 시스템과의 연계도 가능하다. 자유도가 높아 플렉시블한 대응이 가능한 다관절 로봇을 이용해 형상 측정과 가공 후의 에어블로 공정도 자동화할 수 있다.

 

또한, ERC80(그림 13)을 설치함으로써 공간 절감으로 가공물 교환을 자동화하고, 가공물의 외부 세팅화가 가능하다.

 

 

가공 후에 가공물을 내리지 않고 기기 상에서 가공 형상을 측정할 수 있는 카메라식 기상 측정 시스템(그림 14)을 옵션화했다. 위쪽 가이드에 카메라를 설치, 기기 상에서 윤곽을 트레이스한 에지 화상으로부터 정도를 측정하는 시스템으로, 원 등의 단순 형상의 측정이나 측정한 데이터와 DXF 파일을 비교할 수 있어 측정 전에 가공물을 내리는 사전 판단으로서 활용해 작업 효율을 높일 수 있다.

 

 

맺음말

 

앞으로 제조업의 요구는 고정도·고품질뿐만 아니라, 에너지절감·인력절감화 등의 다양성이 요구된다. 앞으로도 세계적으로 요구되고 있는 제조업에 대응할 수 있도록 더욱 더 기술 향상에 노력해 갈 것이다.


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