코타케 쿄타, 시티즌머시너리 개발본부 개발부 제품개발1과
시티즌머시너리의 주력 제품군 중 하나인 주축대 이동형 CNC 자동 선반(이하, 주축대 이동형 자동반) Cincom 시리즈는 자동 봉재 공급장치와 조합해 장시간 무인으로 연속가공할 수 있기 때문에 부품의 대량 생산에 많이 이용되는 공작기계이다. 이 주축대 이동형 자동반은 미세한 시계 부품의 가공기를 뿌리로 하고 있어, 그 역사적 배경으로부터 스위스형 자동 선반이라고도 부른다.
X축 방향으로 절입을 하는 날붙이의 가장 가까운 곳에 재료를 지지하는 가이드부시를 갖추고 있으며, 재료를 파지하는 주축이 Z축 방향으로 움직이기 때문에 가늘고 긴 부품을 정도 좋게 가공할 수 있는 것이 특징이다.
현재는 ø38까지의 가공 영역에서 선삭가공은 물론이고, 시대와 함께 진화해 온 밀링 가공 능력을 활용해 폭넓은 분야의 부품가공에 이용되고 있다.
여러 가지 부품가공 분야 중에서 내시경이나 수술기구 등의 의료 부품과 덴탈 임플란트 등의 치과 부품, 반도체 관련 장치 등의 정밀기기 부품 분야에서는 B축을 갖춘 공구 주축을 가지고 있는 주축대 이동형 자동반을 오히려 밀링 가공 용도로 이용해 복잡 형상 부품을 가공하는 경우도 많고, 그중에는 선삭 공정이 전혀 없는 복잡 형상 부품을 가공하는 경우도 있다.
최근 이러한 분야를 중심으로 주축대 이동형 자동반의 복잡 형상 부품의 연속가공의 실현이나 다품종 소량 생산에 대응이 기대되고 있으며, B축 제어가 가능한 밀링 공구 개수의 증가가 요구되고 있다.
이러한 시장의 요구에 대응하기 위해 시티즌머시너리의 베스트셀러 기계인 주축대 이동형 자동반 Cincom L32 Ⅻ(최대 가공 지름 ø32, 옵션 사양 ø38, B축 탑재기)를 베이스로 시티즌머시너리의 볏날 ATC(Automatic Tool Changer : 자동 공구교환장치)를 탑재한 Cincom L32 ATC(그림 1)을 개발했다. 이 글에서는 그 기계 구성과 특징에 대해 소개한다.
ATC 탑재기 개발의 과제와 컨셉트
주축대 이동형 자동반은 부품의 대량 생산에 이용되는 경우가 많기 때문에 ‘단위 면적당 고생산성’이 특히 요구되는 공작기계이다.
구체적으로는 ‘최대한 콤팩트하게 설계된 기계 치수 중에 가급적 많은 수의 공구를 탑재하고, 사이클타임을 단축해 생산성을 향상시킨다’는 것이 가장 중요한 과제가 된다, 그렇기 때문에 베이스 머신인 Cincom L32 Ⅻ를 포함한 표준적인 주축대 이동형 자동반에서는 모든 선삭 공구와 밀링 공구를 미리 날붙이대 위에 나란히 배치하고, 이들 공구를 차례로 선택하면서 선삭, 밀링 가공을 하는 ‘볏날 날붙이대’ 구조를 갖추고 있다(그림 2).
‘볏날 날붙이대’ 구조는 다음에 사용하는 공구를 최단 시간에 불러낼 수 있는 것이 최대의 장점으로, 높은 생산성을 갖춘 주축대 이동형 자동반의 큰 특징이다.
한편, 나란히 배치되는 공구 개수를 단순히 늘리는 것은 기계 치수의 큰 비대화를 초래하는 원인이 된다. ATC 탑재에 의해 많은 공구를 갖출 수 있으면 복잡 형상 부품의 가공 능력을 향상시킬 수 있지만, 공구 선택 때마다 교환 시간이 발생하거나 추가되는 구조체에 의한 기계 치수에 유의할 필요가 있다. 따라서 이하에 든 개발 콘셉트를 균형 있게 실현하는 것이 중요하다.
① 복잡 형상 부품의 가공 능력 : ATC를 탑재함으로써 시티즌머시너리의 기존 기계보다 복잡 형상 부품의 가공 능력이 우수할 것.
② 높은 생산성 : ATC를 탑재하면서 주축대 이동형 자동반이 아니고는 할 수 없는 높은 생산성을 유지할 것.
③ 우수한 조작성 : 기존 기계와 동등한 조작성을 가지며, 의식하지 않고 ATC 탑재기를 조작할 수 있을 것.
④ 콤팩트한 기계 치수 : 주축대 이동형 자동반으로서 요구되는 콤팩트한 기계 치수를 지킬 것.
기계 구성과 사양
Cincom L32 ATC는 볏날 날붙이대 위의 B축 선회 유닛에 자동 공구 교환이 가능한 소형 공구 주축(이하 공구 주축)을 갖추고 있으며, 해당 공구 주축에 공구를 공급하는 공구 매거진(이하 매거진)을 가공실 내에 배치함으로써 심플한 ‘볏날 ATC’ 시스템을 구성하고 있다. 이것은 생산성, 기계 치수 및 도입 코스트의 균형을 맞추면서 복잡 형상 부품가공을 실현하는 시티즌머시너리의 기계 구성이다(그림 3). 표 1에 이 기계의 사양을 나타냈다.
다음으로 개발 컨셉트를 실현하는 기술적 요점에 대해 설명한다.
1. 복잡 형상 부품의 가공 능력
(1) 밀링 공구 개수
복잡 형상 부품의 가공에서는 밀링 공구 개수뿐만 아니라, 가공 프로그램에 의해 임의로 다양한 각도에서 비스듬히 가공을 할 수 있는 B축 밀링 공구의 개수가 특히 중요하다. 기존의 B축을 갖춘 주축대 이동형 자동반에서는 정면가공에 이용하는 B축 밀링 공구 개수는 4개 정도인 것이 일반적이었다. 동 기계에서는 ATC 탑재에 의해 정면가공에 사용 가능한 B축 밀링 공구를 13개 탑재할 수 있어, 기존 기계보다 더욱 복잡한 형상을 가진 부품가공에 대응할 수 있게 됐다.
그 외에 크로스 밀링 공구 2개, 선삭 공구 6개의 합계 21개의 공구를 볏날 날붙이대에 탑재할 수 있다. 또한, 깊은 구멍가공 등에 이용되는 대향 날붙이대에 4개, 배면가공에 이용되는 배면 날붙이대에 9개의 공구를 탑재, 기계 전체에서 합계 34개의 공구를 갖추고 있다. 이러한 다채로운 공구에 의해 여러 가지 부품가공에 대응할 수 있다.
(2) 공구 주축의 구조
자동 공구 교환이 가능한 B축 공구 주축에는 소형 공구 홀더 규격인 JBS4002-15T를 채용, 구동 방법은 볏날 날붙이대 위의 크로스 밀링 공구와 모터 동력을 공유하는 기어 전달 방식으로 하고 있다. 이것에 의해 JBS4002-15T 규격을 채용하는 공구 주축으로서는 매우 콤팩트한 전체 폭 65mm, 전체 길이 165mm라는 치수로 설계하는 것이 가능하므로 치수의 제약이 엄격한 주축대 이동형 자동반의 볏날 날붙이대에 탑재할 수 있게 됐다.
또한, 이 공구 주축은 상하 2줄 구조로 되어 있으며, 공구를 미리 설치해 사용하는 상단 공구(내장 주축)과 공구 교환이 가능한 하단 공구(15T 주축)을 갖추고 있다. 이 상단 공구(내장 주축)에는 고빈도로 사용되는 경우가 많은 센터 드릴 등을 설치해 사용하는 것을 가정하고 있다.
기존 기계는 한정된 이송축 스트로크 범위 중에 많은 공구를 미리 배치할 필요가 있기 때문에 B축 공구 주축은 4줄 구조(그림 4)로 되어 있었는데, 이 기계는 상하 2줄 구조로 함으로써 최대 ø38의 재료에 대해 여유 있는 공구 피치와 가공 스트로크를 확보하고 있다. 이것에 의해 기존 기계보다 훨씬 자유도가 높은 밀링 가공 능력을 실현한다. 또한, 공구 피치를 넓게 잡음으로써 기존 기계보다 큰 지름의 고강성 베어링을 채용할 수 있고, 밀링 가공면의 품질 향상으로도 이어진다.
공구 주축을 구동하는 모터에는 출력 2.2kW를 채용, 기존 기계보다 대폭적인 출력 향상을 도모하고 있다. 이것에 의해 회전 토크에 여유가 있는 밀링 가공이 가능해졌다. 또한, 신규 개발한 구동장치와 조합함으로써 밀링 공구의 최고 회전수를 12,000min-1까지 향상시켜, 소경 공구를 이용한 밀링 가공에서도 충분한 주속을 얻을 수 있게 됐다.
2. 높은 생산성
높은 생산성을 실현하기 위해서는 부품가공의 사이클타임에 직접 영향을 미치는 공구 교환 시간(Chip to Chip)을 가급적 단축할 필요가 있다. 그러기 위해서는 공구 교환(Tool to Tool) 그 자체의 고속화뿐만 아니라, 공구 주축이 가공 위치에서 공구 교환 위치까지 이동하는 거리를 가급적 짧게 하는 것이 중요하다.
이 기계는 가공실 내에서 전진, 후진하기 위한 직동축을 갖춘 매거진과 공구 주축이 서로 마주 보고 근접하는 방향으로 이동함으로써 공구 주축의 이동 거리를 최단으로 하는 설계로 되어 있다. 그렇기 때문에 공구 교환 방식은 공구 주축이 ATC 암을 거치지 않고 매거진에서 직접 공구를 주고받는 다이렉트 교환 방식을 채용하고 있다(그림 5).
이 방식에서는 공구 주축에 장비되어 있는 공구 홀더를 한번 매거진으로 되돌린 후에 다음 공구 홀더를 받을 필요가 있기 때문에 매거진 상의 각 공구 홀더의 보관 위치가 매번 반드시 동일한 고정 번지 방식으로 되어 있다.
이와 같이 공구 주축과 매거진이 서로 이동해 직접 공구 교환을 하는 유니크한 동작을 채용함으로써 매거진식 ATC로서는 4초라는 고속의 공구 교환 시간(Chip to Chip)을 달성했다. 볏날 날붙이대에 미리 나란히 설치되어 있는 선삭 공구, 크로스 밀링 공구에 의한 주축대 이동형 자동반 특유의 고속 가공 스피드와 고속으로 공구 교환이 가능한 ATC를 조합함으로써 복잡 형상 부품가공을 하면서 주축대 이동형 자동반이 아니면 할 수 없는 높은 생산성을 실현한다.
3. 우수한 조작성
주축대 이동형 자동반 Cincom 시리즈는 시티즌머시너리 독자로 커스터마이즈된 조작 화면에 의한 여러 가지 조작과 프로그램 작성의 지원 기능을 갖추고 있으며, 운전 준비∼부품가공까지 유저 친화적인 조작성을 제공하고 있다.
이 기계는 ATC 조작 화면을 새롭게 추가함으로써 운전 준비에서도 간단히 공구 격납이나 취출, 공구 교환 등을 할 수 있다(그림 6). 또한, 가공 프로그램에서도 전용 M 코드를 필요한 장소에 추가하는 것만으로 공구 교환 일련의 동작을 실행할 수 있다.
이러한 배려에 의해 기존 기계와의 차이를 의식하지 않고 ATC 탑재기를 사용할 수 있고, 복잡 형상 부품의 가공을 보다 친숙하게 할 수 있다.
4. 콤팩트한 기계 치수
주축대 이동형 자동반으로서 요구되는 콤팩트한 기계 치수를 지키고, 단위 면적당 생산성을 유지하기 위해 ATC 탑재에 있어서는 소형화에 배려한 설계를 할 필요가 있다.
앞에서 말한 암을 거치지 않고 매거진에서 직접 공구를 주고받는 매거진식 ATC를 채용함으로써 베이스 머신인 Cincom L32 Ⅻ의 기계 안길이 치수에 대해 373mm의 확대로 억제, 폭 치수 및 높이 치수에 대해서도 기존 기계와 동일한 치수를 유지할 수 있었다. 그림 7은 기계 평면도를 나타내고 있으며, 사선부가 ATC 탑재에 의해 확대된 범위이다.
특징
주축대 이동형 자동반에 ‘볏날 ATC’를 탑재한 특징을 이하에 정리했다.
1. 고효율의 복잡 형상 부품의 연속가공
기존에는 ATC 탑재 B축 터닝센터나 머시닝센터가 필요했던 복잡 형상 부품도 풍부한 B축 밀링 공구 개수와 자동 봉재 공급장치 및 워크 켄베이어 장치의 조합에 의해 무인 연속가공으로 대응할 수 있게 됐다. 또한, 공구 탑재 개수에 여유가 있기 때문에 터치프로브 탑재에 의한 기계 내 계측에 대응할 수 있는 등 높은 확장성을 갖췄다.
2. 다채로운 밀링 공구가 요구되는 부품가공
복잡 형상 부품가공뿐만 아니라, B축을 필요로 하지 않는 심플한 크로스 구멍가공이나 끝면 구멍가공이 많이 있는 부품, 복수 종류의 나사절삭 커터나 호브 커터가 요구되는 제품 등 다채로운 밀링 공구를 활용한 여러 가지 종류의 부품가공에 대응할 수 있게 됐다.
3. 세팅 횟수의 절감
기존에는 기계에 탑재 가능한 공구 개수에 제한이 있었기 때문에 가공하는 부품마다 세팅 전환을 하고 있었다. 그렇기 때문에 다품종 소량 생산에서는 고빈도로 세팅 전환이 필요했으며, 다운타임이 과제로 되어 있었다. 그러나 이 기계는 1회의 세팅 전환으로 정면가공용으로 최대 15개의 밀링 공구를 세트할 수 있기 때문에 복수 종류의 제품을 가공하는 공구와 프로그램을 미리 준비해 두면, 세팅 전환을 하지 않고 쉽게 가공하는 제품을 교체할 수 있다.
4. 세팅 시간의 절감
주축대 이동형 자동반의 툴 세트(공구의 설치와 센터, 지름 방향의 치수내기)는 기계 내에서 하는 것이 일반적인데, 이 기계의 매거진 내에 탑재하는 공구에 대해서는 프리세터를 이용한 기계 외부 세트를 할 수 있다(그림 8). 그렇기 때문에 세팅 시간 절감은 물론이고, 날붙이 마모나 절손으로 교환이 필요한 경우에도 대폭으로 다운타임을 줄일 수 있다.
맺음말
이 글에서는 복잡 형상 부품의 연속가공에 대응하는 볏날 ATC 탑재 주축대 이동형 자동반 Cincom L32에 대해 설명했다. 이 기계는 복잡 형상 부품의 연속가공뿐만 아니라, 다품종 소량 생산에 대응하고, 세팅 횟수와 시간의 절감에도 큰 효과를 발휘한다. 폭넓은 분야의 여러 가지 부품가공의 현장에서 많이 활용되기를 기대한다.
