CAM 트렌드/고속 가공 기술과 그 필요성
고속 가공 기술의 지원이 CAM 소프트웨어 시장에서 이슈로 등장하고 있다. 무엇이 고속가공이고, 왜 고속가공이 필요한지 그리고 왜 많은 CAD/CAM 관련 소프트웨어들이 고속가공에 대해 다루고있는 지에 대해 살펴보기로 하자. 이 글은 고속가공(HSM)의 응용과 단계의 간소화에 대해 집중적으로 설명하고 있다. 만약 선반과 드릴링 처리과정 상의 고속가공 응용에 대한 정보가 필요하다면 다른 자료를 찾아보기 바란다. 이 정 열 / 유니그래픽스솔루션즈코리아 기술지원팀 과장으로 재직하고 있으며, CAM 분야의 기술에 대해 많은 노하우를 가지고 있다. E-mail은 leej@ugsolutions.com 고속가공의 이해 고속가공(High Speed Machining (HSM) 혹은 High Speed Cutting (HSC))은 제품 생산 부문에서 대두하고 있는 전문가의 용어이다. HSM을 이해하는데는 Process와 Enablers라는 두 가지 개념의 이해가 필요하다. Process Process(공정)는 공구가 소재를 깎아내는 방법이다. 이는 다음의 4가지 주요한 요건으로 나눌 수 있다. 공구가 소재(알루미늄)에서 분당 762 표면미터를 초과하는 경우 이 때의 절삭 환경은 절삭온도가 낮아지고, 절삭 속도를 증가하여 절삭력이 최소화되는 속도이다.주축의 회전 속도와 축의 이송 속도를 좀 더 빠르게 사용하는 것 Feed-Rate는 더 높은 소재 절삭 비율을 지정하기 위해 사람들이 사용하는 절삭 조건이다. 이를 정의하는 것은 매우 애매모호 하므로 결정이 어렵다.스핀들 속도가 10,000rpm 혹은 그 이상일 때 이 정의는 스핀들 속도가 프로세스의 주요 요건이라고 가정하고 10,000rpm 이상의 회전에 서 동적 유동에 안정적인 절삭 도구와 Holders를 갖는 것에 기초를 둔다. 절삭 공구의 진동 주파수가 Cutter, Hold1er, Spindle Combination 같은 시스템의 고유 진동수에 도달했을 때 이것은 Dynamics(동력학)에 기초를 두고, 얇은 단면 부분을 절삭하거나, 절삭시 공구의 덜덜거리는 동작소리를 제거하는 기초 과정이다.Enablers Enablers는 절삭 공구의 동력학과 절삭 시스템의 특징이다 . 지금까지의 NC기계와 그 제어장치(Controller)는 HSM에 의해 요구되는 속도(Spindle)와 급송장치(Feeds)를 지원할 수 없다. 보통 NC기계의 공구는 6,000rpm을 포함하고, 150ipm(약 3000mpm)의 절삭 이송을 한다. 그 러나 HSM은 40,000~100,000rpm으로 회전시키고 300~1,000ipm(약 7600~25400mpm)의 절삭 이송(Cuttig Feed)을 지원하고 있다. 이것은 최신의 절삭 이송과 스핀들 속도를 허락하는 NC 컨트롤러와 스핀들 기술, 그리고 기계 운용상에 많은 진보를 가져 왔다. Cutter, Holder, Spindle Com- bination과 같은 절삭 시스템의 특징은 절삭이송중 진동 소음을 없애는 것이 필수 요건이다.적절한 스핀들 속도는 직접적인 Microphone과 스핀들이 절삭 이송되어지는 동안 발생되는 소음 주파수에 의해 결정되어진다. 또한 절삭공구에 있어서도 HSS 소재의 공구보다는 초경 이나 세라믹 계열 혹은 Ti-합금 등을 이용, 칩의 이탈을 확실히 하여, 진동을 최소화한다. 공구의 특성 결정은 절삭 공정 설계의 필수 불가결한 요소이다. 이는 NC 컨트롤러의 속도뿐만 아니라 공구 동력학적 요소를 찾는데 필요하다. 이것은 테스트용 샘플의 Ball Bar Tests를 통해 얻을 수 있다.고속 가공의 필요성 산업분야에서 고속가공을 사용하는 이유는 매우 다양하다. 많은 업체들은 절삭률 증가와 생산성을 향상시키기 위해 고속가공을 사용한다. 빠른 속도로 같은 유형의 절삭을 해낼 수 있다는 것이 단순한 사실이다. 사출금형 업체들은 더 빠른 절삭이송에서 보다 정확하고 효율적인 가공처리를 하기 위해 고속가공을 사용하고 있다. 사출금형의 마무리는 보통 Ball Nose Cutter를 사용하는 많은 평 행한 공구 괘적으로 이루어진다. 고속가공을 통한 이러한 처리는 절삭시간과의 절충을 없애면서 수작업을 최소화시킨다. Weight(중량)는 항공우주 산업의 중요한 요소이다. HSM 공정은 더 얇고 가벼운 부품을 만들기 위한 절삭 공정 절차를 결합시킬 수 있다. 알루미늄 시트 메탈을 생산하는 부분은 비용절감과 효율성을 증가시킨다. 실제 가공 공정에 서의 고속가공의 역할을 알아보기 위해 선진국의 환경을 살펴보자. <표 1>은 미국, 독일, 그리고 일본 등의 선진국에서 금형제작 기간을 나타낸 것으로 소요되는 기간(Weeks)과 차지 비율(%)을 나타낸 것이다.미국이나 독일에 비해 일본의 금형은 제작기간이 짧은 쪽, 즉 2개월 미만에 치우쳐 있어, 비교적 간단한 방법으로 금형을 제작하거나 간단한 구조의 금형만을 만든다는 것을 알 수 있으며, 반면 미국의 경우 제작기간이 3개월 이상인 것으로 미루어 복잡한 금형을 많이 만든 다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 볼 때 이들 상호간에는 금형제작 공정 상에 상당한 차이가 있음을 짐작할 수 있다.따라서 금형공정별로 소요되는 시간을 분석해 보면, <그림 1>과 같이 나타나는데 공정설계, 금형설계, NC프로그래밍 하는 시간은 서로 비슷하다. 그러나 미국이나 독일에 비해 일본은 상대적으로 많은 시간을 폴리싱, 즉 사상에 소비하고 있으며, 미국이나 독일은 많은 시간을 절삭, 즉 기계가공에 소비하고 있음을 알 수 있다. 서로 다른 프로세스로 금형을 만들고 있 고, 각기 다른 제작기간을 한 금형 제작에 소비하고 있다고는 하지만, 세 선진국 모두 전체 공정의 65%가 가공과 사상에서 소요되고 있어, 금형제작시 이들 공정의 리드타임을 줄이는 것이 얼마나 중요한가를 알 수 있다.<그림 2>는 일반적인 금형제작 공정을 나타낸 것으로, 우리나라의 금형 제작 과정과 흡사한 것을 볼 수 있다. 여기서 금형제작시 방전가공(EDM) 공정은 이미 미국에서는 90년대 초 부터 자취를 감추었으며, 다른 나라도 차츰 이 공정을 없애고자 노력을 하고 있다. 이는 전극을 가공하는 공정을 없앰으로써, 전극과 캐비티를 가공하는 두 번에 걸친 기계가 공 시간을 한 번으로 줄이고, 대신 고속가공기를 이용함(그림 3)으로써 절삭면에 방전가공의 효과를 내어, 그 만큼의 리드타임을 줄이는 것이다.이때 30~ 40% 정도의 리드타임을 줄일 수는 있지만 캐비티에서 바닥면에 날카로운 모서리가 요구되면? ==> 금형설계에서 절삭이 용이하다.고속 가공의 조건고속가공은 프로세스를 바꿀 수 있고, 가공시간을 단축시키고, 고품질의 제품을 만들며, 사상양을 최소화하고, 얇은 벽을 갖는 제품을 손쉽게 만들 수 있으나, 몇 가지 선행조건을 가지고 있다.- 고속가공에서는 과거의 막강한 절삭력 보다는 보다 정교한 절삭이 요구되며, 원활한 Chip 의 배출을 유도하여 절삭면과 공구를 보호한다. - 과거 HSS(하이스)로 가공하던 것은 초경으로 절삭하는 등의 새로운 재질의 공구가 요구 되며, 보다 작은 칩을 생성하고, 절삭면의 열변이를 막기 위해 칩으로 절삭열을 분산 혹은 전환시키는 절삭기술(그림 3)이 요구된다.- 절삭속도를 최대 그리고 일정하게 유지해 최소 공구 마모와 최대 생산성에 최적의 절삭 속도를 갖게 한다. - 임의의 축에서 공구의 최고 가속과 불연속면에서 공구운동의 불연속을 피해야한다. 즉 모든 축에서 가장 자연스럽고 안정적인 공구 움직임이 요구된다. - 그리고 절삭력은 절삭되는 X축 방향의 칩 두께에 비례하고, 가상 공구 형상은 주축 회전 수에 연계된다. 따라서 일정한 주축회전 비율과 칩의 체적을 유지하고 현의 공차를 유지하 면서 단위 거리당 블록 명령을 줄인다. 이를 위해 고속가공용 컨트롤러는 CL 데이터를 필 터링하여 Spline 보간(곡선보간)을 해줘야 한다. - 자연스러운 절삭경로는 절삭력, 공차, 컨트롤러의 블록 공정시간을 절감시켜 주므로 높은 차수의 연속성을 갖는 자연스러운 CL(Cutter Location) 데이터로 준비한다앞에서 살펴본 바와 같이 일반가공과 고속가공 간에는 서로 많은 차이가 있다. 이를 극복하기 위해 먼저 컨트롤러 제작자 즉 FANUC, Siemens, Heidenhein 등은 자유곡선 보간의 컨 트롤러 제작에 노력하고 있으며, MAKINO는 공구제작, 또 Modern Machine Shop, Competitive Moldmaker 등 무역 업체들이 여러 가지 고객의 요구사항을 수렴해 나가고 있다.특히 JAD(Joint Application Deve-lopment : Seiko, FANUC, Seimens, P&W, Boeing, GE, Cadform, Sunstrand, GM, Makino 등으로 1995년 결성하여 공동 연구)는 고속가공을 위한 CAD/CAM 소프트웨어에서의 고속 가공을 위한 기능 향상에 주력하고 있다.고속 가공을 위한 CAD/CAM 소프트웨어의 조건 이는 JAD Meeting에서 규정지은 것으로 일반 가공뿐만 아니라 고속가공을 위해 CAM 시 스템이 반드시 갖추어야 하는 내용이다.- 비슷한 형상 혹은 재질에서 일정한 절삭조건- 임의의 축에서 공구의 최고 가속과 불연속면에서 공구운동의 불연속을 피할 것- 절삭운동 중 일정한 칩 체적- 최상의 하향 절삭 조건을 만족시켜야 할 것- 다양한 Non-Cutting Movement 제공(Engage, Retract)- 수직방향으로 찍어 내리는 움직임이 발생하지 않아야 할 것- 절삭방향 변환할 때 자연스러워야 할 것- 절삭길이/호 보간 지름 < 10- 현의 공차를 유지하면서 단위 거리 당 블록 수를 줄일 것(Nurbs interpolation의 지원) - 높은 차수의 연속성을 갖는 자연스러운 CL 데이터를 제공할 것 열거된 그림(그림 5~9)들은 고속가공을 염두에 두고 황삭 가공에서의 공구경로를 생성시킨 것이다.
작성일 : 2005-09-29
