【기술 동향】
다축 제어 가공기계·기술의 최근 동향

최근 세계적인 공작기계 관련 전시회의 출품 경향을 살펴보면, 복합가공기와 5축 제어 머시닝센터가 주를 이루고 있다. 이들 다축 제어 가공기는 생산설비의 중심적인 역할을 하고 있으며, 선박, 항공기, 에너지 등 다양한 분야에서 공정집약, 단납기화, 고정도화 등의 성과를 올리고 있다.

기자 (prmoed@hellot.net)


세계 시장의 경쟁 심화는 리드타임 단축, 공정집약 등 생산 합리화를 가속시키고 있으며, 현재 세계적인 경향이 되고 있다. 이러한 배경 속에 5축 제어 머시닝센터, 복합가공기 등 다축 제어 가공기가 많이 등장하고 있으며, 세계적인 생산설비로서의 인식이 높아지고 있다. 다축 제어 가공기의 도입은 우선 선박·항공기·에너지 분야에서 대형화의 경향이 확대되고 있어 대형 5축 복합가공기 등이 도입되었다. 그러나 최근에는 소형 부품용이 많이 개발되어 중심적인 부품 생산 설비로서 도입이 확대되고 있다.




복합가공기와 그 활용

현재 공작기계는 다기능화가 추진되고 있으며, 각종 부품 생산에 이용하는 생산설비의 선택 범위가 확대되고 있다. 기존의 선택 기준을 포함한 유연하고 또한 최신 기술 정보에 기초한 선택이 생산 기술에 큰 영향을 미치고 있다.
복합 공작기계의 종류에는 터닝센터 또는 머시닝센터로부터 진화하여 밀링, 드릴링, 그라인딩, 선삭가공이 가능하고 동시 다축 제어 기능을 가지고 있는 것이 있다. 이들은 처음에는 대형 부품용이 많이 등장했는데, 그 후 소형 부품용도 개발되었으며 현재는 중심적인 부품 생산설비로서 도입이 확대되고 있다.
복합가공기로 대형 부품을 가공하는 경우, 축 및 원통 형상을 베이스로 한 복잡한 형상의 것이 많다. 기존에는 대형 선반 및 머시닝센터 등으로 생산하고 있었지만, 긴 길이, 큰 지름, 중량 워크도 소재에서부터 전가공을 할 수 있는 대형 CNC 복합가공기의 등장으로 생산 공정의 간소화를 실현할 수 있게 됐다. 예를 들면 엔진 부품, 건설기계의 선회부, 축류 등을 들 수 있다.
최근에는 복합가공기가 복잡한 형상의 중소형 부품에도 적용이 확대되고 있으며, 생산 공정 간소화, 설계 단계에서 부품을 집약하는 것도 가능하고, 제품의 코스트, 납기면에서 큰 효과를 기대할 수 있다.

복합 터닝센터

복합 터닝센터는 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.
복합 터닝센터는 복잡한 형상의 부품을 원 척킹으로 절삭할 수 있고, 공정집약 및 장착 지그가 불필요해지는 등 많은 특징을 가지고 있다. 즉 복잡한 다면 형상가공을 비교적 쉽게 실현할 수 있다면, 설계 단계에서 부품을 집약하여 제품의 코스트, 납기면에서 유리해진다.
원래 복합 공작기계는 항공기 엔진, 발전기, 석유 굴삭설비 등의 대형 부품가공용으로 개발, 도입되는 경우가 많았는데, 그 후 중소형 부품용 가공기가 등장하여 적용 분야가 계속 확대되고 있다.
소형 부품을 장시간 자동 절삭가공이 가능한 바재용 피더 기능을 가지고 있는 복합 터닝센터의 예를 들어 본다. 복잡한 다면의 가공 형상 부품의 변종변량 생산이 가능하고, 소형 부품에서 번거로운 세팅기구가 불필요해지는 등의 효과를 기대할 수 있다. 또한 워크 핸들링 기능을 유효하게 활용하여 다면 형상을 단일 공정의 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, 그 후 볼 엔드밀에 의한 다듬질 절삭의 프로세스로 가공을 한다. 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 미친다는 것은 알려져 있는 바이다.

5축 제어 머시닝센터

최근 제조업은 세계적인 불황의 여파로 어려운 상황이 계속되고 있는 가운데 비용 절감, 납기 단축에 더하여 품질 향상이 요구되는 등 넘어야 할 산이 계속 이어지고 있다. 이러한 흐름은 금형업계도 예외가 아니어서 품질의 향상이 요구되는 가운데 리드타임 단축이 매우 중요한 과제로 떠오르고 있다.
이와 같은 과제에 대해서 5축 가공은 효과적인 대책 중 하나가 될 수 있다. 공구의 돌출 길이를 짧게 함으로써 생산 효율의 향상이 가능하고, 최적의 공구, 각도로 가공함으로써 면품위 향상, 공구의 장수명화가 가능하다. 또한 다면가공의 세팅 횟수를 줄임으로써 정도 유지나 공수 절감이 가능하다.
위와 같이 5축가공은 장점이 많은 가공법이지만, 정도, 프로그램 작성, 간섭 확인 등이 불안한 점이 남아 있으며 앞으로 더욱 적용 확대해 가는 데 있어 해결해야 할 과제도 많다.
기존부터 문형 머시닝센터로 가공하는 대형 부품은 자주 워크를 반전하는 것이 어렵기 때문에 대형 앵글 헤드를 이용한 5면 절삭이 이루어진 경위에서부터 5축 제어 머시닝센터의 대형 부품가공의 도입이 추진되었다. 예를 들면 5축 제어 머시닝센터에 의한 항공기 대형 부품을 코티드 초경합금 엔드밀의 고속 밀링으로 고능률, 고정도로 절삭한 사례로, 세팅 전환 없이 가공을 끝낼 수 있다. 금형 부품의 5축 제어 머시닝센터 적용은 엔드밀의 워크 절삭면에 대한 접근성, 볼 엔드밀의 외주날 절삭 등 절삭 속도를 높여 고품위 절삭면 및 공구 수명특성 등에 효과를 기대할 수 있다.
기존의 3축 제어 머시닝센터는 엔드밀의 중심날을 이용한 절삭이 많이 보였는데, 공구 수명의 안정과 연장 및 가공 정도의 저하가 염려되고 있었다. 5축 제어 머시닝센터는 엔드밀을 기울여서 외주 절삭날 절삭이 가능하고, 3날 이상의 다날 엔드밀로 가공 능률과 공구 수명 양면의 효과를 기대할 수 있다.

다축·복합가공기의 과제와 전망

다축·복합 공작기계는 처음 등장한 이래, 고기능화를 지향한 진화가 계속되어 현재의 급속한 보급에 이르게 되었다. 동시에 절삭공구, 유지구 및 사용 기술 등의 최적화, 적용 환경 정비 등의 진전도 눈에 띈다.
복합가공기의 다축 제어 기능을 유효 활용하여 고능률, 공구 수명특성을 높일 수 있는 새로운 컨셉트의 절삭공구 개발도 기대되는 바이다. 오늘날 장시간 자동운전화는 세계적인 공통의 테마가 되어 핸들링 로봇에 의한 워크와 공구의 자동 공급 시스템, 공구와 유지구의 자동 탈착 및 기내 계측 기술 등 더욱 개발이 요구되고 있다. 앞으로는 다축· 복합가공기의 특징을 활용한 가공 기술의 개발 경쟁이 점점 더 가속화될 것으로 예측되며, 생산 기술의 중요성도 높아질 것으로 보인다.