기술 동향
CNC 자동 선반·복합 터닝센터의 최근 동향

CNC 복합 공작기계는 복잡한 형상의 부품을 원 척킹으로 절삭할 수 있고, 공정집약 및 장착 지그가 필요없는 많은 장점을 가지고 있다. 이에 시제작에서 자동차 부품까지 적용 범위가 확대되고 있으며, 부품 생산의 핵심적이 생산설비로서 수요가 증대하고 있다. CNC 자동 선반·복합 터닝센터 가공에 초점을 맞춰 최근의 동향을 살펴본다

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)


CNC 자동 선반과 복합 터닝센터가 등장한 후 부품 생산은 크게 변화해 왔으며, 자동화에 더하여 고효율 절삭에 의한 고생산성화를 강하게 지향하고 있다. 예전부터 부품 생산에서 날붙이라고 불리는 부품이 많았으며, 이들 대부분은 선삭으로 이루어지고 있었다.
이들의 양산에 이용하는 CNC 자동 선반은 소재 자동 공급장치, 워크 핸들링 등에 의한 자동화 및 복수 선삭공구와 소형 주축 유닛에 의한 엔드밀, 드릴 등의 절삭으로 다양하면서도 고능률의 절삭가공을 실현하고 있다.
CNC 복합 터닝센터는 회전공구에 의한 절삭의 비율이 높고, 선삭공구를 주축에 장착하는 방식으로 공구 수를 절감할 수 있어 중대형 부품 생산에서 고능률화, 공정간소화 등의 효과를 발휘하고 있다.
현재는 시제작에서 자동차 부품 생산라인 등 여러 분야에 도입되어 적용 범위가 확대되고 있으며, 부품 생산의 핵심적인 기종으로서 수요가 증대하고 있다. 또한 예전에는 머시닝센터로 이루어지고 있던 각형 부품도 둥근재에서 바피더 기능에 의한 소재 자동 공급으로 연속 자동운전이 이루어지는 등 적용 범위가 확대되고 있다.
한편 머시닝센터도 다축 제어와 다기능화가 추진되어, 예를 들면 테이블의 고속 회전 기능으로 선회도 가능해지고 있으며 부품 생산의 기종 선택의 폭이 확대되고 있다.
현재 제조업은 고객 요구의 다양화, 생산거점의 글로벌화, 다품종 소량·변종변량 생산이 추진되고 있으며, 고부가가치화를 지향하여 티탄합금, 고경도강 등의 난삭재가 증가하고 있다. 동시에 고정도·고품위 절삭, 단납기, 저코스트화로 쾌속 생산, 공정집약 등 세계 시장에서 통용할 수 있는 생산 기술이 요구되고 있다.
CNC 자동 선반, CNC 복합 터닝센터의 다기능화, 자동화의 현 상황과 생산 기술의 고도화에 대응하는 공구, 툴링, 주변기기 등에 대해서 다루어보기로 한다.

다기능·공정집약화

1. CNC 자동 선반
CNC 자동 선반은 다수의 선삭용 공구를 장착한 날붙이대와 복수의 회전공구용 소형 주축 유닛으로, 다양한 형상의 절삭이 가능한 기능을 가지고 있다. 소형 워크의 시제작에서부터 양산까지 광범위한 생산에 이용되고 있으며, 원 척킹으로 모든 절삭가공을 종료시킬 수 있어 다기능과 공정집약의 효과를 기대할 수 있다.
선삭공구와 엔드밀 등 회전공구의 구분 사용이 가공 능률을 좌우하기 때문에 선삭과 밀링커터 절삭 등의 조합, 이른바 툴링 기술의 고도화가 고효율화를 추진하기 위한 중요한 포인트가 된다.
소형 선삭용 공구는 예전부터 납땜공구가 많았지만 절삭날 형상과 공구 재종의 다양화로 적용 범위를 확대, 또한 절삭날 형상의 재현 정도를 고려한 날끝 교환 방식으로 전환해 가고 있다. 다양한 가공 형상에 대한 절삭날 형상과 바이트 홀더의 추구로, 고성능의 공구가 많이 개발되고 있다. 예를 들면 구면 안쪽 측 등을 절삭할 수 있는 슬림한 절삭날 형상과 클램프 방식의 선삭용 공구이다.
고속 회전 주축 유닛에 엔드밀, 드릴 등을 장착, 홈, 평면 및 구멍 등의 절삭도 일반화되고 있으며, 최적의 공구 선택과 고속 밀링으로 고효율화가 진전되고 있다.
엔드밀에 의한 단속 절삭은 선삭의 연속 절삭에 비해 절삭열의 영향이 적고, 절삭칩 분단으로 절삭칩 처리가 용이해지는 등의 효과를 기대할 수 있다. 이와 같은 이유로 엔드밀 절삭의 적용이 증가하고 있다.
이미 복합 터닝센터의 대형 축 형상가공 등에서 밀링커터 절삭의 적용이 이루어지고 있다. 소형 워크의 축 및 박육 링 형상 등에서도 엔드밀의 거친 절삭으로 절삭 시간 단축, 열영향 절감화 등을 기대할 수 있다. 또한 cBN 소결체 공구 재종의 선삭공구를 이용한 고경도강 선삭으로, 기존의 연삭 공정을 생략할 수도 있다.
이와 같이 CNC 자동 선반에 의한 절삭은 절삭공구와 적용 기술의 개발로 고능률화, 공정 간소화의 실현이 가능하며, 앞으로의 발전이 기대된다.

2. CNC 복합 터닝센터
CNC 복합 터닝센터는 CNC 선반 또는 머시닝센터에서 진화한 것으로, 현재는 다축 제어 기능을 갖추고 있는 것이 많다. 즉 X, Z축의 선삭 및 공구회전 주축과 C축, 제2 주축, C축, B축, Y축 등이 부가된 CNC 복합 절삭이 가능한 공작기계이다.
원래 CNC 복합 공작기계는 항공기 엔진, 발전기, 석유 굴삭설비 등의 대형 부품가공용으로 개발, 도입되는 경우가 많았는데, 이후 중소형 부품용 가공기가 등장하여 적용 분야가 계속 확대되고 있다.
소형 부품을 장시간 자동 절삭가공할 수 있는 바재용 피더 기능을 가지고 있는 CNC 복합 터닝센터의 예를 들어 본다. 복잡한 다면의 가공 형상 부품의 변종변량 생산이 가능하고, 소형 부품에서 번거로운 세팅기구가 필요없는 등의 효과를 기대할 수 있다. 또한 워크 핸들링 기능을 유효하게 활용하여 다면 형상을 1공정의 절삭가공으로 끝낸 사례도 있다.
터빈 블레이드를 둥근재로부터 원 척킹으로 고능률 절삭한 예도 있다. 즉 래이디어스 엔드밀을 절삭면에 경사시켜 절삭력의 주분력이 워크를 변형시키지 않는 방향의 공구궤적으로 둥근재에서 거친 절삭을 하고, 이후 볼 엔드밀에 의한 다듬질 절삭의 프로세스로 가공을 한다. CNC 복합 터닝센터는 선삭공구의 절삭날을 최적의 각도로 선삭할 수 있기 때문에 선삭공구의 종류를 줄일 수 있다. 즉 절삭날의 인서트 형상은 좌우의 이송 방향, 끝단면 등 가공 형상의 변화에 광범위하게 대응이 가능하고, 또한 접근성이 우수한 마름모형의 날끝 각도가 유효하다. 더구나 선삭용 바이트의 인서트 고정부의 강성은 공구 수명의 안정과 연장 및 가공 정도에 큰 영향을 미친다.
인서트와 바이트 본체의 고정부를 V 형상의 요철면으로 접촉시키는 메커니즘으로 다방면 절삭에서 안정된 성능을 발휘할 수 있는 새로운 방식의 바이트 홀더도 등장하고 있다. 절삭날 레이크면에 고압 쿨런트 공급이 가능한 특수 노즐 구조의 바이트도 개발되어, 예를 들면 초내열합금 등의 난삭재에서 안정된 절삭을 기대할 수 있다.

밀링의 도입과 자동화로 새로운 전개

CNC 자동 선반·복합 터닝센터의 도입으로 부품 생산의 고효율화가 개선되고 있는데, 기존의 선삭을 밀링커터 절삭으로 전환하면 워크에 대한 열영향을 낮게 억제하고 또한 고능률 절삭의 실현이 가능해진다.
턴밀이라고 불리는 원통 형상의 거친 절삭에서 다듬질 절삭한 사례를 보면, 소재를 회전시키고 동시에 엔드밀을 회전시켜 절삭 이송하면서 소정의 형상으로 절삭가공하는 것이다. 이 사례에서는 엔드밀에 의한 축 외주의 다듬질 절삭에 있어 선삭용 공구에 비해 우수한 가공 정도를 얻을 수 있었다.
턴밀은 단속 절삭이기 때문에 워크에 미치는 열영향이 적고 또한 절삭칩이 분단되는 등 바이트 절삭에 비해 유리한 점이 많으며, 무엇보다 고능률화 효과가 크고 가공 정도면에서이 우위성을 기대할 수 있다.
앞으로는 턴밀에 최적인 엔드밀 및 이들의 절삭 성능을 발휘할 수 있는 유지구와 절삭 조건 등의 개발로 고능률 절삭 기술의 확립을 기대할 수 있다.
무엇보다 CNC 복합 터닝센터는 자유도가 높은 축 구성이기 때문에 기계 내부의 간섭·충돌에 세심한 주위가 필요하며, 3차원 모델 데이터를 이용한 시뮬레이션 시스템의 개발 등이 요구되고 있다.
현재 CNC 공작기계는 다기능화가 추진되고 있으며, 각종 부품 생산에 이용하는 생산설비의 선택의 폭이 확대되고 있다. 기존의 선택 기준을 포함한 유연하면서도 최신 기술 정보에 기초한 선택이 생산 기술에 큰 영향을 미칠 것이다.