[첨단 헬로티]

고시마 카즈히로 (五嶋 和宏) ㈜나고야정밀금형

5축가공기 도입의 계기

동사가 5축가공기를 도입한 것은 2006년이다. 당시 일본국내에서는 자동차용 헤드램프의 금형 제조의 대부분이 3축가공 후에 방전가공으로 형상을 다듬질, 최종적으로 연마해서 완성하는 공정이었다. 유럽에서는 이미 5축가공을 활용한 절삭에 의한 형상가공이 추진되고 있으며, 동사의 사장이었던 와타나베 유키오(渡邊 幸男)(현 명예회장)이 유럽의 실정을 보고 도입을 결정했다.

동사가 취급하는 헤드램프용 금형은 경면 다듬질 (면조도 : Ra 0.004μm․연마 입도 : ＃14000)까지 금형을 연마해 완성해야 한다. 방전가공 후의 형상 다듬질은 금형면에 스파크 흔적(방전 흔적)이 남기 때문에 그것을 제거해 경면까지 연마하는 작업은 많은 시간을 필요로 하고 있었다.

또한 헤드라이트에 유선형을 주류로 하는 디자인이 증가함에 따라, 금형의 제품 형상도 낙차가 커졌다. 3축가공으로는 가공할 수 없는 범위가 증가하고, 방전가공의 작업 공수 증가가 큰 과제였다. 이와 같은 배경에서 ‘방전리스화에 의한 품질과 생산성 향상’을 목표로 5축가공기의 도입을 결정했던 것이다.

자동차용 헤드램프 금형에서 5축가공의 이점

동사의 금형은 라이트 관련을 주 사업으로 하고 있으며, 렌즈, 이너, 리플렉터, 익스텐션 등 이른바 ‘광물의 수지 제품’이 대부분이다(그림 1). 특히 자동차용 헤드램프나 리어 콤비네이션 램프는 안전면에서도 빛을 확산하기 위한 배광이 중요하며, 금형의 면정도는 라이트 제품의 품질에 직결된다.

기존의 방전 흔적을 제거하고 연마하는 공정은 매우 기술력이 높은 작업자가 아니면, 면의 왜곡이 발생해 배광 불량이 나오게 된다. 절삭면에서 다이렉트로 연마할 수 있는 5축가공이라면, 배광면을 무너뜨리지 않고 높은 면정도를 금형에 반영할 수 있다. 헤드램프 금형에서 5축가공기 도입의 최대 이점은 3축가공기로는 불가능했던 가공부의 절삭면 정도를 유지, 가공면의 형상을 무너뜨리지 않고 경면 연마가 가능하다는 것이다.

5축가공의 구분 사용과 이점

절삭가공에서 엄수해야 하는 것은 가공 정도인데, 5축가공의 유효 활용에는 다양한 절삭 방법을 부위에 따라 구분 사용하는 것이 중요하다. 분할(위치결정)과 동시 5축가공에서는 다축을 동시에 움직이는 동시 5축보다 축을 고정하는 위치결정 5축 쪽이 정도는 향상된다. 그러나 최심부의 직조가공을 하는 경우, 곡면 형상에 따라서는 툴이나 홀더와 금형의 간섭을 회피해야 하기 때문에 축을 변화시키면서 절삭을 할 필요성이 있다.

또한 금형에서는 제품 부위뿐만 아니라 구조부에도 5축가공의 이점이 있다. 인서트나 슬라이드 등의 맞춤 부위가 있는 부품, 특히 동사의 헤드렌즈용 금형의 특색이기도 한 언더컷 처리를 하는 부동 슬라이드 부품(그림 2)은 6면 절삭을 필요로 하고 있으며, 3축가공으로는 6회의 세팅 교체가 발생한다. 한편 5축을 유효하게 활용함으로써 5면(1면은 클램프면)을 동시에 절삭할 수 있고, 세팅 횟수를 대폭으로 줄이는 것이 가능하다.

5축가공 정도를 유지하기 위한 포인트

① 제품의 품질 부위를 확인하고, 연마의 최종 번수나 고객의 사양을 충분히 이해한 후에 5축 동작을 제어해 패스를 공급한다.
② 고품질이 필요한 부품은 가공 전에 반드시 마스터구를 사용한 정도 체크와 오차 보정을 해서 가공을 실시한다.
③ 5축가공기는 온도 차이에 따른 열변이 오차가 현저하게 생기기 때문에 외기온(공장 내 온도) 관리가 필요하다. 외기를 차단해 공장 내를 일정한 온도로 유지하는 것이 필요하며, 특히 겨울철 야간의 급격한 기온 저하를 방지하기 위해 공장 내 단열 구조가 필요하다.

위와 같이 항상 CAM측(데이터 작성자)과 머시닝센터(MC)측(머신 오퍼레이터)가 서로 정도를 인식하는 것과, 절삭 환경의 정비가 최대 포인트라고 할 수 있다.

5축가공용 데이터의 공급

5축가공용 데이터 공급도 중요한 공정이다. 동사에서는 ㈜C&G시스템즈의 ‘CAM-TOOL’을 활용해 5축가공용 패스를 공급하고 있다. 원래 3축가공용 데이터 작성으로 힘을 발위하고 있던 동 시스템에 5축 모듈을 추가했다. 조작의 변화가 없고, CAM 오퍼레이터가 원활하게 5축가공용 데이터를 작성할 수 있는 점을 평가하고 있다.

3축에서 활용하고 있던 가공 모드를 그대로 5축화하는 기능이나 공구 부하 경감 기능, 스무딩 기능 등에 더해, 머신 시뮬레이션 기능도 탑재되어 있으며 절삭 품질의 향상이나 데이터 작성 시간의 단축에 위력을 발휘하고 있다.

5축가공의 효율화

1. 불가능을 가능하게 한 최소 지름 절삭

오늘날 자동차용 헤드램프는 2006년의 5축가공기 도입 당초에 비해 비약적인 기능 향상이 요구되고 있으며, 그 대표적인 예로서 헤드라이트의 LED화를 들 수 있다. LED에는 저소비전력, 고수명화, 저온도(열을 잘 내지 않는다) 등 라이트 특성으로서 여러 가지 이점이 있다.

반면, 일정한 방향을 향해서 발하는 LED를 헤드라이트로서 활용하기 위해서는 빛을 확산시켜야 한다. 그렇기 때문에 확산시키는 고정도의 반사각(스텝컷)이 필요하고, 금형에서 컷의 최소 R은 실제로 R0.1이라는 정도를 요구받고 있다. 기존의 3축가공에서는 최소 R이라도 R0.3이 기준이었는데, 자유로운 각도로 절삭할 수 있는 5축가공기의 특성을 활용해 동사에서는 R0.1의 형상가공도 가능하다.

2. 절삭 공정의 고속화와 무인화

공구 길이를 보다 짧게 함으로써 돌출 길이에 의한 속도 억제가 없어지고, 조건에 따른 공구 파손율도 대폭으로 줄일 수 있다. 또한 세팅 교체가 발생하는 3축가공에 비해 1세팅화가 가능하기 때문에 최대 5면을 연속 가공함으로써 무인가공화가 가능하다.

3. 절삭면이 품위 통일

형상이 복잡한 금형에는 곡면 다듬질을 하기 때문에 끝단이 R 형상인 볼 엔드밀을 사용한다. 볼 엔드밀의 정점은 주속 0이 되고, 어떻게 해도 볼의 어깨와 끝단에서는 면품위에 흐트러짐이 발생한다. 경사가공을 함으로써 날붙이의 절삭면을 조정할 수 있게 되어, 금형 형상에 의한 면품위 오차를 없애는 것이 가능하다.

5축가공기를 활용한 대응 : 가공 사례

1. 방전리스화에 의한 R0.3 전체 가공

그림 3은 형상 높이 25mm에 대해 전체 코너 R0.3, 가로 구멍 포켓을 포함하는 구조로, 최종 연마 번수는 5μm의 경면 부품이다. 3축가공이라면 방전가공으로 형상을 만들어 연마를 하는 공정이며, 더구나 가로 구멍이 있기 때문에 상면․측면의 2세팅 절삭과 방전가공(전극 교환)을 포함하는 4세팅에 더해 전극 제작의 공정도 합하면 최대 5세팅이 필요했다.

한편 5축가공은 1세팅으로 가공이 가능하고, 방전가공도 불필요하다. 실제로 4공정을 생략하는 동시에 가공 공수(전극 제작도 포함)도 기존의 1/4이 되며, 더구나 데이터 상의 면형상을 무너뜨리지 않고 경면 연마가 가능했다. 가공 공수는 3축가공(방전 포함)의 공수 48시간에 대해, 5축가공(방전리스)의 공수는 12시간 46분으로 대폭적인 공수 단축으로 이어졌다.

2. R0.3 볼 엔드밀(날길이 1mm) 1개에 의한 컷 다듬질

5축 경사에 의한 ‘주속 0면(끝단) 가공을 시키지 않는다’를 실시, 일정한 품질을 실현했다. 가공 범위 200×100mm의 각뿔 컷면(그림 4)에 대해, 23시간 6분의 연속 가공에서도 면품위를 떨어뜨리지 않고 공구 마모도 거의 없는 상황을 가능하게 했다.

3. LED 렌즈의 배광 컷 R0.1의 5축 활용

LED 배광 스텝의 근원 R0.1을 5축 경사를 활용해 가공했다(그림 5). 기본적으로는 위치결정 5축을 베이스로 하면서도 세로벽 코너의 간섭 회피가 필요한 부위는 동시 5축 모드로 XYZ의 3축 가변 동작을 실시했다. 이것에 의해 전 코너를 R0.1로 다듬질할 수 있었다. 지금까지는 세로형 MC에 의한 컷 가공 최소 R0.3까지였는데, 5축가공기의 활용에 의해 실현 가능해졌다.

동사가 추구하는 5축가공기

기존 5축가공기는 대형이 되면 그만큼 정도가 떨어진다는 이미지가 강했는데, 오늘날은 정도를 유지하면서 대형화도 추진하고 있다. 동사의 일본 국내 3거점 아이치(愛知)․쿠마모토(熊本)․미야자키(宮崎) 공장은 모두 10t 이상의 크레인을 가지고 있으며, 대형 금형 제작을 주로 하고 있다.

2017년 미야자키 공장에 도입한 ㈜마키노후라이스제작소제 MC ‘D800Z’(그림 6)은 동사의 헤드램프 금형의 제작에 크게 힘을 발휘하고 있다. 최근의 헤드라이트 제품은 대형화가 추진, 이에 동반해 금형 부품도 대형이 되었기 때문에 가공할 수 있는 설비가 한정되어 있다.

최대 워크 ø1,000mm, 최대 중량 1,200kg까지 탑재 가능한 D800Z는 대형 부품의 방전리스를 실현하는 동시에 코너의 구석부까지 소경 R에 의한 가공이 가능해졌다. 동사가 앞으로 5축가공기에 추구하는 것은 대형 5축가공기의 개발이 더욱 추진되어 발전하는 것이다.

5축가공기에 대한 기대

LED 보급으로 자동차용 라이트에 요구되는 미세 가공 분야도 대형화가 추진되어, 헤드라이트뿐만 아니라 깜빡이 렌즈(방향지시등)도 LED화하고 있다. 깜빡이는 릴레이 방식의 점등이 되고, 그 점등 영역도 기존과는 비교할 수 없는 길이로 구성됐다. 앞으로 금형의 대형화에 더해, 더욱 고성능․고품질의 금형 제작이 요구된다(그림 7).

동사는 ‘원 척킹․원 베이스(1부품에 대해 1개의 공구로 다듬질한다)’를 지향, 항상 가공면에 대한 공구 단차를 발생시키지 않는 것을 생각해 5축가공기를 활용하고 싶다. 설비의 발전은 과거 10년 사이에 금형 품질을 현저하게 향상시켰다.

오늘날은 미세 가공기의 출현에 의해 나노 정도가 요구되고 있으며, 동사로서는 대형 금형의 미세 가공에서 어떻게 정도를 추구할지가 과제이다. 언뜻 보면 설비의 구조나 규모도 양극으로 위치하는 ‘대형’과 ‘미세’이지만, 앞으로 미세 가공을 할 수 있는 대형 MC가 나오기를 기대한다. 이것은 5축가공기도 마찬가지이다.

고시마 카즈히로 : 제조부 제조본부장