한국과학기술정보연구원 전문연구위원 >> 박장선 

국제 경쟁이 더욱 치열해짐에 따라 제품의 시장 투입 기간 역시 계속 짧아지고 있다. 원래 부품의 다량생산은 금형을 이용한 제조 방식에 의존한다. 하지만 절삭 가공에 의한 양산은 주로 모바일 기기와 같은 소형 부품에 적용된다. 이에 머시닝센터 등 생산 설비에 대한수요가 증가하고 있는 상황이다.
게다가 이러한 추세에 더해 설계 단계에서 부품이 집약되고, 공정은 간소화되는 등 여러 변화가 이루어지게 되었다. 이러한 복합적인 요인이 작용하면서 생산 설비 합리화가 중요한 과제가 되었다. 이 수요를 만족하기 위한 대안으로 대두되는 것이 바로 5축 제어 머시닝센터다. 이로써 여러 요구를 만족할 수 있기 때문이다.

5축 제어 머시닝센터는 같은 절차로 복잡한 형상의 제품 가공, 다면 절삭 가공이 가능하다. 이에 3축 제어 머시닝센터와 비교했을 때 공정 간소화에 의한 생산 설비의 간소화를 실현할 수 있다.
또한 엔드밀 등의 공구를 경사시켜 절삭하는 방법을 적용하여 엔드밀 절삭날의 절삭 포인트를 특정한 공구 궤적에 의해 절삭 속도를 높일 수 있다. 이로써 고정도 가공과 공구 수명 연장 측면에서의 효과도 기대된다.
그러나 제조 선진국, 제조 강국이라 불리는 일본에서도 5축 제어 머시닝센터의 도입은 아직 시작 단계에 불과하다. 3축 제어에서 5축 제어로 이행하는데 시간이 걸리는 상황이기 때문이다. 실제로 5축 제어 머시닝센터의 최신 동향은 어떠한지, 또 5축 제어 머시닝센터의 도입 현황과 유효 활용 방안은 무엇인지 이 글을 통해 제시하도록 한다. 

5축 제어 머시닝센터의 최신 동향
최근 5축 제어 머시닝센터의 수요 증가는 기본적으로 부품 생산에서 절삭 가공에 대한 수요 증가 추세에 기인한다. 절삭 공구의 고속, 고정도 절삭에 대응하고 고성능화, 절삭 정밀도 및 공구 수명의 연장을 추구하게 됨으로써 고속 밀링에 대응한 머시닝센터 수요가 증가하고 있는 것이다. 또 CNC 제어의 고기능화, 자동 운전 도입 등도 5축 제어 머시닝센터의 수요를 촉진시키는 요인이라고 할 수 있다.
이에 5축 제어 머시닝센터는 대형 부품부터 소형 부품의 정밀 절삭용으로 쓰여 이러한 적용 분야에서 기종이 증가하고 있다. 또한 최고 주축 회전 수와 이송 속도, 민첩한 대응 특성, CNC 장치 등을 추구하면서 장비의 고성능화가 진행되고 있다. 다음은 주요 공작기계 메이커의 최근 5축 제어 머시닝센터 개발 사례이다.

SNKC

SNKC에서 개발한 문형(double housing type) 머시닝센터는 주축 헤드가 틸팅(tilting: 각도 변화 기능) 방식으로 되어 있다. 이에 금형의 대형 성형 부품에서 곡면 형상 절삭과 항공기 부품 가공에 적용이 유효하다.
또한 대형의 복잡한 형상을 절삭만으로 가공하여 가공 시간을 단축하고 공정을 간소화할 수 있는 기종도 출현하고 있다.

Kitamura Machinery
Kitamura Machinery는 선회 테이블 위에 경사진 인덱스 장치를 탑재함으로써 7축 제어를 실현하는 기종을 출현시켰다. 바로 횡형 5축 제어 머시닝센터다. 최고 분당 12,000회전, 30kW의 고 출력, 고 토크의 절삭이 가능한 주축을 가지고 있다는 것이 특징이다. 또 분당 36m(X, Y축)의 고속이송 기능으로 티타늄, 인코넬, 고장력 알루미늄 등 다양한 재료에 고속 밀링을 적용할 수 있다.

MAZAK
MAZAK의 장비는 최신 스마트폰을 연계한 CNC 제어장치와 S/W를 탑재한 5축 제어 머시닝센터다. 이 머시닝센터는 터치패널에 의한 아이콘 조작으로 3D 데이터에서 NC 프로그래밍, 시뮬레이션 작업이 가능하다는 특징이 있다. 이 새로운 CNC 제어는 네트워크 기능이 충실하고 로봇에 의한 자동 운전 지원이 가능하다.

Sugino Machine
Sugino Machine에서 시판하고 있는 장비는 틸팅과 선회기능을 가지고 있는 소형 부품용 5축 제어 머시닝센터다. 이 장비는 재빠른 소형 부품 이송을 고려하여 리니어모터 구동 시스템을 갖추고 있다. 주요 특징으로 부품 가공 공정 수의 감소 효과가 있어 새로운 생산설비로 주목되는 장비다.

5축 제어 머시닝센터의 절삭기술
5축 제어 머시닝센터는 3축 제어 머시닝센터와 다른 차이점이 있다. 즉 5축 제어 머시닝센터는 공구를 경사시켜 가공물을 선회하면서 절삭 포인트를 일정한 공구 궤적으로 절삭할 수 있다. 이에 실제 절삭속도를 일정하게 유지하고, 외주 날 부근에서 절삭하면 절삭면 거칠기와 공구 수명 특성을 높인 절삭이 가능하게 된다. 다음은 주요 절삭 실험 결과이다.

- 조기경화강(preharden steel)을 코팅한 초경합금 엔드밀로 절삭량과 1 절삭날당 이송량을 갖게 하고 절삭 속도만을 변화시킨 절삭 실험을 수행했다. 그 결과 고속 절삭에서는 저속 절삭에 비해 이론 절삭 면 거칠기에 가까운 절삭 면 가공을 실현할 수 있음을 확인했다.

- 고경도강(SKD61: HRC)을 코팅한 초경합금 엔드밀(직경: 6mm)로 돌출량을 변화시켜 보았다. 이러한 조건에서 절삭 실험한 결과 엔드밀 돌출량은 공구수명과 절삭면 성상에 큰 영향을 미치는 것이확인되었다.

5축 제어 머시닝센터의 절삭은 고정도화에 유리하다. 다음은 5축 제어 머시닝센터의 고효율 절삭 사례이다.

- 5축 제어 머시닝센터에 의한 금형 부품의 원 척킹(One-chucking) 절삭 사례이다. 즉 포켓 형상을 각도가 다른 면에 가공하고 경사진 구멍을 가공한 금형 부품의 경우, 가공물을 정해진 각도로 경사시킨다. 그 후 각각의 포켓 형상, 동시 4축 제어 절삭에 의한 구멍 가공을 수행한다. 설치 도구를 생략하고 공정 간소화를 실현하고 있다.

- 코너 R 치수가 0.22mm인 포켓가공 사례이다. 서로 다른 엔드밀 직경을 이용한 외주 날(peripheral cutting edge)절삭으로 공구 마모와 절삭 면 정도를 높인다. 또 CNC 제어 시스템의 이송 제어 고도화로 포켓의 피치 정밀도 ±2㎛, 형상정밀도 3㎛의 고정밀 절삭을 실현할 수 있었다.

- 방전가공용 그래파이트 전극의 고 능률 절삭 사례이다. 이 경우 돌출량이 많은 가공 형상에서 5축제어 머시닝센터가 3축 제어 머시닝센터에 비해 대폭적인 공수 저감을 실현한 것으로 나타났다. 이에 3축 제어 머시닝센터보다 유리한 가공 특성을 갖고 있다는 것이 확인되었다.

5축 제어 머시닝센터용 공구와 체결기구
5축 제어 머시닝센터는 예컨대 앞날(end cutting edge) 또는 외주 날에 의한 공구 궤적이 많이 적용된다. 이러한 이유 때문에 복수의 날(multi-edge), 짧은 엔드밀과 체결 강성, 진동 정도가 높은 체결기구(holding tool)와 조합하는 것이 기본이다. 다음은 5축 제어 머시닝센터에 요구되는 조건들이다.

- 외주 날 중심의 절삭용 엔드밀은 중심 날이 없는 복수의 날이 기본이다. 또 외주 날의 길이는 절삭력을 고려하여 결정해야 하고 마무리 절삭용 엔드밀은 높은 정밀도가 요구된다.

- 앞날 중심의 절삭용 엔드밀을 중심 날이 없는 복수의 날이 기본이다. 유효 절삭날의 깊이는 짧고 길이도 짧은 공구 형상이 표준이다.

- 회전할 때 체결 강성과 진동 정도를 중시한 엔드밀이 요구된다. 또한 복수의 날, 생크(shank)와 날 끝 부분은 높은 진동 정밀도(run-out accuracy)가 요구된다. 고속 회전할 때 체결 특성과 진동 정밀도가 높은 끼움(shrinking fit) 홀더가 주로 적용되며, 섕크 부분의 공차는 h4 또는 h5를 만족해야 한다.

이상의 조건에 대응한 엔드밀 사례가 많이 발표되고 있다. 예컨대 동시 5축 제어 머시닝센터의 절삭에서 이용되는 테이퍼 볼 엔드밀, 복수의 날과 최단 절삭 날 길이의 특징을 가지는 래디어스 엔드밀 등이 있다. 또 생크에서 날 끝 부위까지 테이퍼 형상을 도입함으로써 높은 강성을 실현하는 작은 직경의 볼 엔드밀, 비교적 큰 직경의 엔드밀로 경제성을 추구하는 래디어스 엔드밀 등 다양하다. 이러한 공구의 체결 용구는 가공물의 접근성, 체결 강성, 진동 정밀도를 고려하는 현상으로서 가열 방식의 끼움(shrinking fit) 홀더가 최적인 것으로 판단된다.

출처: 松岡 甫篁, “５軸制御マシニングセンタの最新動向”,「機械技術(日本)」,63(5), 2015, pp.18~23

결언

새로운 제조업 환경은 부품 품질 이외에도 코스트와 납기 경쟁이 더욱 심해지고 기존의 생산 기술 수준을 초월하는 방향으로 변하고 있다. 이러한 추세에 5축 제어 머시닝센터의 도입과 활용은 생산성을 높이는 유효한 수단이 된다. 5축 제어 머시닝센터의 공구, 최적의 체결 기구, 절삭기술의 고도화가 그 중요한 포인트다. 물론 5축 제어 머시닝센터용 공구와 같은 하드웨어와 CAM, 데이터베이스 등의 소프트웨어는 여전히 발전 중이다. CAM의 경우 황삭가공, 또는 정밀 마무리 가공을 중시하고 있으나 현재의 가공 내용에 최적 시스템을 선택하여 유용하게 활용하는 것이 바람직하다. 

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<출처 월간MTM 2015년 8월>?