날붙이를 교환할 때마나 밸런스를 잡는 것이 필요

밸런스 좋은 머시닝센터(MC)용 툴링은 많은 메리트를 낳는다. 특히 절삭공구 및 스핀들 수명 개선과 동시에 생산성 향상으로도 이어지는 것은 크게 주목해야 할 점이다. 원래 절삭 조건은 툴링(여기에서는 MC용으로 세트된 절삭공구와 툴홀더 조합의 호칭으로 한다)의 진동 정도와 밸런스가 정확하게 잡혀 있을 때에만 향상되는 것이다. 또한 밸런스에 관해서 말하면, 조정 부족보다는 과잉에 좋은 쪽이 아무런 불이익도 없는 것은 상상하기 어렵지 않다. 

언밸런스는 불균일한 무게의 분배에 의해 회전 중에 발생한다. 이 때 회전 속도의 2승에 비례해 원심력이 발생한다. 즉 언밸런스량이 동일하면, 주축 회전이 2,000min-1일 때와 10,000min-1일 때에 25배의 원심력 차이가 발생한다. 그렇기 때문에 툴링의 언밸런스는 고속 가공에서 공구 중량이 크고 날붙이가 복잡한 형상을 하고 있는 경우에는 특히 마이너스 영향이 두드러지게 된다.

언밸런스에 기인하는 악영향의 하나로서 기계 주축에 대한 부하가 있다. 언밸런스에 의해 생기는 원심력은 주축 베어링을 상처 입히고, 지금까지의 동사 경험으로부터 보면 주축 수명을 반감시킨다. 이 사실을 근거로 공작기계나 스핀들 메이커는 불균형의 영향을 무겁게 파악, 밸런스 잡힌 툴링의 사용을 요구하고 있다. 이 조건을 만족시키지 못하는 경우에는 제품의 보증 혹은 주축에 대한 한정적인 보상밖에 얻을 수 없는 경우도 있다.

주축이 회전하면 원심력의 영향 방향이 변화하고, 이것에 의해 진동이 발생한다. 이 진동은 기계 전체 및 특히 날끝에 영향을 미치고, 날붙이 수명을 현저하게 줄게 하는 결과를 가져온다. 지금까지의 경험으로부터 밸런스 잡혀 있지 않은 툴링(툴홀더에 부속된 너트, 콜릿, 나사, 장착된 절삭공구, 초경 팁 등의 언밸런스 집적)에서는 날붙이 수명은 평균 10% 줄어든다. 이것은 절삭공구비가 늘어나는 것을 의미한다. 시간당 1,360엔의 툴 코스트가 든다고 하면, 가동 시간을 8시간으로 계산하면 1일에 10,880엔이 되고, 1년으로 환산하면 1대당 약 22만엔이 된다(1시프트 회사의 경우).

공정 신뢰성과 생산성 향상

채터링이나 진동은 기계 주축이나 절삭공구에 대해 해가 있는 것만이 아니다. 이것은 전체 공정 신뢰성을 현저하게 떨어트리고, 바람직하지 않은 가공 결과가 따라 온다. 가공면에도 채터 마크가 나타나고, 다듬질가공의 추가나 수작업에 의한 일이 증가한다. 적정 수준의 공정 신뢰성이나 요구받은 최종 결과에 달하기 위해서는 진동은 줄이지 않으면 안 된다. 이를 위한 한 가지 방법은 주축 회전 속도, 이송 속도, 절입 깊이를 줄이는 것이다. 이것에 의해 원활한 절삭이 가능한데, 절삭칩 배출량이 적어져 생산성은 저하한다. 독일 이겐하우젠에 있는 하이머사는 고정도 툴홀더 및 밸런스 기술의 스페셜리스트로, 몇 가지 심플한 숫자를 제시하면서 이 문제를 명확하게 하고 있다.  

일반적인 MC는 1시간당 1.36만엔의 코스트가 든다(1시프트, 연간 1,600시간 가동). 절삭칩 배출 시간을 10% 늘리는 것만으로 시간당 1,360엔을 절약하게 된다. 이것만으로 연간 약 218만엔이 되어 큰 금액이다. 이 절삭칩 배출 시간을 10% 늘린다고 하는 숫자는 아무런 근거도 없이 나온 것은 아니다. 하이머사의 생산 경험이나 이미 툴 밸런스 기술을 채용하고 있는 많은 유저의 말은 실제로는 좀 더 높은 값을 말하고 있다. 그리고 환영해야 할 부수 효과로는 주축 수명이 늘어나는 것까지 포함된다. 여기에서 다시 코스트 절약보다 중요한 것은 기계의 신뢰성이다. 주축의 교환도 계획적으로 할 수 있고, 돌발적인 기계의 다운타임은 발생하지 않는다. 또한 정확하게 밸런스를 잡을 수 있는 시스템을 가지면, 기계당 연간 금액으로 279만엔 이상을 절약할 수 있게 된다. 이 숫자에는 다른 요인이 포함되어 있지 않다. 즉, 그것은 개선된 가공면의 품질이나 보다 높은 가공 치수 정도, 기계의 고장이나 정지 등 트러블 감소에 의해 얻어지는 것을 의미한다.

‘밸런스 장치는 너무 비싸다’라는 의론에 대해, 앞에서 말한 숫자나 설명에 의해 이것은 오해라는 견해가 생긴다. 실제 투자란 그 대상이 전혀 도움이 되지 않는 경우 혹은 단기간에 이익을 낳지 않는 경우에 ‘비싸다’고 할 수 있다. 그렇지만 밸런스 장치는 앞에서 말했듯이 계산하면 매우 단기간에 투자에 맞는 이익을 창출한다. 혹은 다른 방향에서 보면, 주축을 교환하는 것만으로 그 코스트는 밸런스 장치보다 비싸다. 그림 1을 보면 확실한데, 거기에는 기계 1대당 1시프트, 2시프트, 3시프트 경우의 연간 경비 절감 예상에 대해 표기되어 있다.

▲ 그림 1. 밸런스 기술에 의한 MC의 코스트 절감 예

툴링의 언밸런스를 줄여 공작기계나 주축 메이커의 요구를 만족시키기 위해 오늘날에는 많은 유저가 밸런스가 잡힌 툴홀더를 구입할 수 있게 노력하고 있다. 기본적으로 이것은 환영해야 할 것이다. 그러나 지금까지 공장에 납입되고 있는 밸런스가 잡히지 않는 툴홀더는 어떻게 할까 하는 의문이 남는다. 현실적으로는 밸런스가 잡힌 툴홀더와 그렇지 않은 것의 혼재는 피할 수 없다. 단 하나의 가공 공정에서도 고속 회전 영역에서 밸런스가 잡히지 않은 툴링을 사용하면, 필요한 가공 정도를 희생하게 되고 주축에도 해를 미친다. 그렇기 때문에 툴홀더는 밸런스를 잡을 필요가 있고, 이것은 공장이나 현장 단위에서 해야 할 것이다. 왜냐면 툴홀더를 납입하는 회사가 정확한 밸런스 조정을 실시하고 있는지 하는 의심의 여지가 남아있기 때문이다. 밸런스 증명서에 좋은 숫자를 늘어놓는 것은 쉽지만, 밸런스 장치가 없으면 확인할 수 없다. 그렇기 때문에 하이머사는 품질 관리의 일부로서 밸런싱 기술을 도입하는 것을 권하고 있다.

밸런스는 측정 테스트에 의해 명확해진다

일류기업에 의해 제공되는 정밀 밸런스 툴홀더는 정확한 방향의 한 가지 스텝인 것에 관해 의론의 여지는 없다. 단, 절삭공구를 세트했을 때 툴링 전체의 밸런스에 미치는 영향에 대해서는 고려할 필요가 있다. 

하이머사의 밸런스 전문가는 이 문제에 직면하고 나서 간단한 테스트를 해 해답을 찾았다. 툴홀더는 사이드 로크 홀더, 콜릿 척, 수축끼워맞춤(슈링크 피트) 척, 페이스밀 아버(그림 2), 이들 각각에 엔드밀, 페이스밀 커터를 세트해 하이머사 툴 밸런싱 장치(그림 3)를 이용해 측정했다[모두 하이머제 홀더로 정밀 밸런스 완료/밸런스 등급 G2.5, 사용 회전수 25,000min-1. 측정 방법 1면 측정(정적). 엔드밀용 홀더는 내경 20mm의 이젝트 길이가 짧은 타입을 사용]. 우선 절삭공구를 장착하지 않고 앞에서 말한 4개의 툴홀더 단체로 측정했다(표). 

▲ 그림 2. 비교 측정에 사용한 홀더

▲ 그림 3. 툴밸런싱 장치 ‘툴 다이내믹 TD 컨포트 플러스’의 외관

▲ 표. 여러 가지 툴의 밸런스 측정 결과

품질책임자인 프란츠 지글트램은 다음과 같이 보고한다. ‘홀더만으로는 당연하지만 측정값은 공차 내였다. 그렇지만 정밀하게 밸런스 잡힌 홀더에 절삭공구를 세트해 측정하면, 명확한 언밸런스가 백일하에 다 드러나게 된다. 특히 오늘날에도 널리 사용되고 있는 섕크부에 사이드 로크용 평면떼기가 있는 엔드밀에서는 현저하게 나타난다’. 

한편, 하이머사의 수축끼워맞춤 척이나 콜릿 척의 경우는 스트레이트 섕크, 좌우대칭형 절삭공구라면 특히 큰 불균형은 볼 수 없었다. 이 때의 측정값은 0.8gmm와 1.3gmm였다. 프란츠 지글트램은 또한 언급하고 있다. ‘스트레이트 섕크나 좌우 대칭 절삭공구의 경우, 언밸런스는 작은 것이다. 수축끼워맞춤 척의 본체에는 가동 부분이 없고, 수축끼워맞춤 시에는 절삭공구는 중심으로 체결된다. 이 점에서도 불균형은 우선 더 생기지 않는다. 일반적인 콜릿 척이 되면 좌우 비대칭인 체결 너트의 형상이 문제가 된다. 그렇기 때문에 하이머사에서는 표준 사양으로 너트의 밸런스를 취하고 있다’.

날붙이 교환 때마다 밸런스를 잡는 중요성

이것과는 대조적으로 섕크부에 사이드 로크용 평면떼기가 있는 절삭공구를 사용하는 경우에는 요구 밸런스에 맞추는 것은 불가능하다고도 할 수 있다. 언밸런스를 미리 고려한 설계의 사이드 로크 타입의 홀더에 장착해 측정하면, 불균형량 5.5gmm이 측정됐다. 그러나 이것은 밸런스 등급 G8에 상당, 순수하게 수학적으로 계산하면 허용 최고 회전수는 7,600min-1이 된다. 이것을 콜릿 척에서 보면, G29, 수축끼워맞춤 척에서는 G38을 확인했다. 동일하게 계산으로부터는 각각 허용 최고 회전수가 2,100min-1과 1,600min-1이 된다. 이것은 프란츠 지글트램에 있어서는 중대한 결과였다. ‘예를 들면 정밀 밸런스를 잡은 수축끼워맞춤 척이나 콜릿 척을 사용했다고 해도 좌우대칭형 절삭공구나 사이드 로크용 평면떼기가 있는 절삭공구를 세트하면 매우 큰 언밸런스가 생긴다. 기계가공을 효율적으로 해서 가공 정도를 향상시키기 위해서는 절삭공구를 교환할 때마다 툴링의 밸런스를 잡아야 한다’.

페이스밀 커터를 측정하면 동일한 결과가 나온다. 슬로어웨이 팁식의 툴인 경우, 불균형량 20.3gmm, 즉 밸런스 등급으로 말하면 G23에 해당한다. 이유로서는 슬로어웨이 팁 교환식 페이스밀 커터에는 팁 체결용 파츠가 있으며, 반드시 동일한 곳에 있는 것은 아니다. 또한 이 커터는 페이스밀 아버에 장착해 사용하는데, 커터와 홀더의 이음부 틈새, 드라이브키 홈과 회전 방지 키에 틈새가 있는 구조에 의해 100% 그 위치는 결정되어 있지 않다. 여기에서도 동일하게 날붙이와 홀더의 상호 밸런스가 중요해진다.

프란츠 지글트램이 여기까지를 총괄한다. ‘이 테스트가 나타내는 것은 매우 인상적이다. 즉, 품질면에서 요구를 만족시킨다고 생각되는 절삭공구라도 홀더와 세트된 상태에서 정밀 밸런스를 잡는 것이 중요해진다. 좌우 대칭이고 클램프용 절손이 없는 절삭공구에 정확하게 체결을 했다고 해도 불균형의 문제는 남는다. 즉 동사의 프리 밸런스를 잡는 수축끼워맞춤 척이나 콜릿 척도 날붙이를 교환한 후에는 밸런스 조정이 필요 없는 것은 아니라 필요성이 최소한으로 될 뿐이다’.

밸런스 조정은 매우 간단하다

밸런스라고 하는 테마에는 측정과 측정 후의 밸런스 조정 작업이 문제로서 따라다닌다. 이것은 정확한 언밸런스량의 측정과 사용하기 쉬운 소프트웨어를 갖춘 밸런스 장치가 있으면 쾌속·간단하게 할 수 있다. 하이머사의 경우 오퍼레이터는 장치에 홀더를 클램프하고, 나중에는 메뉴로부터 적합한 조건을 선택할 뿐이다. 그 후에는 장치 자체가 다음에 무엇을 해야 할지 지시해 준다. 적어도 하이머사의 툴밸런싱 장치는 간단한 조작으로 이 문제를 해결한다. ‘우리들의 사명은 툴홀더를 이용해 제조에 종사하는 모든 사람들이 특별한 트레이닝을 받지 않고 장치를 조작할 수 있는 설계를 하는 것이다’라고 프란츠 지글트램는 강조한다.

스페셜리스트로서의 지식은 장치 중에 담겨져 있으며, 필요한 데이터를 입력하면 장치가 모든 계산을 해 준다. 이 데이터는 툴링마다 보존할 수 있으므로 시간 절약과 실수를 없애고 지정 유저 관리 소프트웨어에 의해 안전하게 안심할 수 있는 운영이 가능하다. 예를 들면 측정 공구의 데이터를 편집, 보존, 또한 변경할 수 있는 관리자를 제한하는 것도 가능하다. 이 경우, 관리자 이외의 오퍼레이터는 축적된 데이터를 불러올 뿐이며, 거기에 지시된 조건에 기초해 밸런스 조정을 진행할 뿐이다. 

밸런스 공정은 대부분 자동화되어 있다. 밸런스를 측정하는 사이, 홀더는 밸런스 장치의 스핀들에 클램프되어 회전할 뿐이다. 언밸런스는 원심력을 발생시키고, 이 원심력은 밸런스 장치의 스핀들에 부대하는 2개의 센서에 의해 측정된다. 나중에는 소프트웨어에 의해 측정 평가가 이루어진다. 이 평가는 스크린 상에 표시되고, 불균형을 수정하기 위해 어느 장소에서 어느 정도의 질량을 제거할지 더할지 혹은 어디에 중심을 이동할지를 오퍼레이터에게 지시한다.

또한 불균형을 없애기 위한 각종 옵션도 준비되어 있다. 예를 들면 구멍뚫기에 의해 중량을 제거하는 대신에 밸런싱 링(그림 4)을 사용하는 방법이 있다. 2개 1세트의 밸런싱 링은 각각 정해진 언밸런스량을 가지고 있으며, 이것을 툴홀더의 스트레이트 부분에 장착함으로써 툴링의 언밸런스를 수정할 수 있다. 링을 회전시켜 고정하는 장소는 소프트웨어의 연산 기능에 의해 각도 분할이 자동으로 정확하게 이루어진다. 부속 라인 레이저 기능에 의해 분할된 각도는 육안으로 정확하게 인식할 수 있으며, 매우 실용적인 설계로 되어 있다.

▲ 그림 4. 밸런싱 링

밸런스 작업은 겨우 몇 분으로 완료

일련의 밸런스 조정 공정은 신속하게 완료된다. 측정은 길어도 대략 1분이고, 수정은 밸런싱 링 혹은 밸런싱 스크류를 사용하는 경우에서 전체의 공정은 2분으로 완료된다. 예를 들면 기계가공에 의한 밸런스 수정을 하는 경우에도 그다지 시간은 걸리지 않는다. 

그러나 측정 후의 MC용 공구를 다른 장소에 있는 탁상 볼반 혹은 밀링으로 이동하는 작업을 없애고 싶다는 요망도 있다. 그 해결 방법은 언밸런스를 자동적으로 수정하는 ‘툴 다이내믹 TD2010 오토매틱’(그림 5)이다. 이 기계에 의해 측정 후의 언밸런스 수정은 사람 손을 거치지 않고 할 수 있다. 밸런스 측정 후의 MC용 공구에 자동으로 기계가공(구멍뚫기, 밀링, 연마)을 하는 것이 가능해진다. 가공 주축은 1체형 CNC 장치에 의해 밸런스 장치로부터 자동적으로 계산된 수정 위치로 이동한다. 가로방향뿐만 아니라 세로방향에서의 기계가공도 대응한다. 또한 1면 밸런스 수정에 한하지 않고, 2면 밸런스 수정도 동일하게 자동으로 할 수 있다.

▲ 그림 5. 툴밸런싱 장치 '툴 다이내믹 TD2010 오토매틱'의 외관

고정도의 어댑터 시스템

특허기술인 어댑터 시스템은 하이머사 툴밸런스 장치의 모든 모델에 있어 매우 중요한 요소이다. 즉 홀더 메이커로서의 노하우를 살려, 타사의 밸런스 장치가 가지는 가장 큰 결점을 극복하고 있다. 반복 측정 결과를 정확하게 낼 수 있도록 하기 위해서는 홀더를 공작기계의 스핀들과 마찬가지로 정확하게 고정해야 한다. 이 경우의 결정적인 요소로서 BT이든 HSK이든, 예를 들면 많이 사용해 낡은 툴홀더라도 확실하게 반복 정도가 나와야 한다. 이를 위해 하이머사는 간단히 교환할 수 있는 정밀 어댑터 시스템을 개발했다(그림 6). 이 어댑터는 공작기계의 스핀들과 동일한 구조로 제작된다. 툴홀더의 클램프는 스프링 유닛으로 이루어지고 압축공기로 릴리스한다. 이것에 의해 버튼 1개로 조작할 수 있고, 정확하게 클램프할 수 있다. 광범위한 종류의 어댑터를 표준 라인업하고 있다. 필요하면 전용 어댑터도 별도로 제작해 대응한다. 

▲ 그림 6. 하이머사 밸런스 어댑터(특허기술) 및 레이저 마킹

타카다 쇼지 (高田 昭二)   하이머재팬(주)

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.