[첨단 헬로티]

미쓰비시머티어리얼은 ‘여러분의, 세계의, 종합공구공방’으로서 고객 한 사람 한 사람에게 맞춘 베스트 솔루션과 서비스 제공을 내걸고 있다. 그리고 미쓰비시머티어리얼의 가공기술센터에서는 절삭시험이나 전화상담, 강습회, 기술서포트 등 여러 가지 솔루션을 제공하고 있다. 그중에서 주력하고 있는 대응의 하나가 상품 개발 속에서 쌓아온 해석 기술을 활용한 해석 솔루션이다. 해석 정보는 절삭가공으로 만드는 제품의 품질 향상과 능률 개선, 문제점을 가시화해 신속하게 해결하기 위한 지표로서 크게 도움이 된다.

그러나 여러 가지 제한으로 고객(이하 유저) 측에서 절삭부하나 워크·공구 변형 등의 가공 상태를 정확하게 파악하는 것은 곤란하다. 그래서 주로 절삭부하 해석, 절삭칩 해석, 강성 해석의 3가지 방법을 이용해 공구 메이커로서 쌓아온 해석 기술과 각 공구 전문가로서의 경험을 조합, 보다 우수한 가공 프로세스를 실현하는 개선 제안을 하고 있다.

한편으로 유저 측에서도 미쓰비시머티어리얼의 공구를 이용한 검토에 도움이 될 수 있게, 미쓰비시머티어리얼 공구의 디지털 데이터를 ISO 133991에 준거한 사용하기 쉬운 방식으로 제공을 하고 있다.

이 글에서는 절삭공구·절삭가공에 대한 해석 솔루션 대응 내용과 제공하고 있는 공구 데이터에 대해 소개한다.

해석 솔루션

미쓰비시머티어리얼에서는 20년 정도 전부터 공구 개발 프론트로딩화, 공구의 고성능화를 위해 공구 개발에 해석을 도입하고 있다. 주된 방법으로는 유한요소법을 들 수 있으며, 구조 해석이나 절삭 해석을 공구 내구성과 가공 품질 향상, 생산성 향상 등을 목적으로 이용해 왔다. 현재는 이들 해석 솔루션에 더해, 유저의 요망에 대응할 수 있게 새로운 해석 소프트웨어도 도입해 유저의 가공 개선을 위한 솔루션으로서 진화시키고 있다(그림 1).

1. 절삭부하 해석

가공 능률을 높이고 싶은데, 가공 조건을 높이면 공구의 절손이나 결손 등에 의해 능률을 높일 수 없다. 이러한 문제가 자주 발생한다. 원래 고능률 가공이라고 하면, 기존에는 단위시간당 절삭칩 배출량을 높이는 것에 주안을 둔 가공 개선이었다. 즉, 이송 속도나 절입량, 날수, 회전수 등의 파라미터를 높여 고능률화를 지향한다는 개념이다. 그리고 미쓰비시머티어리얼도 공구 메이커로서 이들에 대응할 수 있게 고능률 가공용 공구를 개발·제안해 왔다.

그런데 실제 가공에서는 워크 형상에 따라 절입량 등이 시시각각으로 변화하고 있다. 가공 조건을 높임으로써 공구의 결손이나 가공면의 불량이 심해지는 것은 공구부하가 높은 곳, 낮은 곳이 있음에도 불구하고 일률적으로 가공 조건을 높였기 때문에 가공부하가 높은 곳이 더 높아짐에 따라 발생했다고 생각된다. 바꿔 말하면 가공 상황의 변화에 맞춰 가공 조건을 변화시키면, 가공 능률과 공구 수명 향상이 양립하는 공정으로 개선할 수 있다고 할 수 있다. 이를 위해서는 절삭부하 해석을 이용해 공정 내의 절삭부하 추이를 가시화하는 것이 유용하다.

순서로서 우선은 툴패스, 절삭 조건을 기초로 절삭저항을 산출한다. 그림 2의 케이스에서는 절삭저항에 대소가 있다는 것을 알 수 있다. 절삭저항값이 크면 공구 수명에 악영향이 있다고 생각되기 때문에 우선은 허용 가능한 절삭저항값 내에 들어가도록 그 곳의 이송 속도를 내린다. 그리고 이송 속도는 가공 시간에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 이렇게 해서는 가공 시간이 늘어나고 코스트가 상승하게 된다. 그래서 절삭저항값이 작은 곳은 이송 속도를 높이도록 컨트롤함으로써 전체적인 가공 시간의 단축도 동시에 도모할 수 있다.

또한, 이 예에서는 이송 속도만 변경하고 있지만, 툴패스나 주축 회전수 등 다른 파라미터를 변경하는 경우도 있다.

해석 솔루션이란 단지 해석한 결과를 보여주는 것이 아니라, 유저에게 질 높은 제안을 하는 것이다. 예를 들면 CAM 소프트웨어에도 절삭부하를 일정화한 커터패스를 작성하는 기능이 탑재된 것도 있는데, 여러 가지 공구·재료의 특성을 파악하는 것은 어렵고 미쓰비시머티어리얼은 공구 메이커로서 쌓아온 각 공구 전문가의 경험을 조합해 보다 우수한 가공 프로세스를 실현하는 개선 제안을 하고 있다.

2. 절삭칩 해석

절삭칩 처리성을 향상시키고 싶다, 혹은 절삭부하를 절감시키기 위해 등 여러 가지 이유로 인서트의 브레이커 형상 등 공구 형상을 변경하거나, 가공 조건 변경을 검토하는 경우가 있다. 그 대책의 효과를 확인하기 위해서는 실제로 가공해 보는 겻이 제일 확실하지만, 그러기 위해서는 비용도 시간도 필요하다.

우선 공구의 형상을 신규로 만드는 경우에는 사양을 정해 시작품을 제작하게 되기 때문에 많은 코스트가 필요하게 된다. 가급적 시제작을 하기 전에 대책 효과를 검증해 제작하는 시제작품 후보를 줄이고 싶다는 요구가 강하다. 여기에 효과적인 것이 절삭칩 해석이다. 절삭칩 해석에서는 공구의 형상이나 가공 조건을 변경한 경우의 절삭칩 거동이나 온도 분포, 절삭저항 등을 간단히 비교할 수 있다.

그림 3은 파이프 형상의 워크 내경가공에서 인서트의 브레이커를 변경한 경우의 절삭칩 거동 변화를 나타내고 있다.

이 케이스에서는 절삭칩의 흐름이 크게 변하는 것을 알 수 있다. 브레이커 A의 절삭칩은 공구의 이송 방향, 즉 워크의 내측을 향해 흘러가기 때문에 워크와 간섭하는 것이 예측된다. 한편 브레이커 B의 절삭칩은 워크의 외측을 향해 흐르고 있으며, 절삭칩의 워크에 대한 간섭을 볼 수 있다. 절삭칩의 처리성은 브레이커 B쪽이 좋다고 생각된다. 이 케이스에서는 실제 가공을 실시하고 있으며, 절삭칩의 거동은 해석 결과와 동일한 경향이 있다는 것을 확인했음을 함께 보고해 둔다.

3. 강성 해석

강성 해석에서는 공구의 변형, 진동, 응력 등을 구할 수 있다. 미쓰비시머티어리얼에서는 예전부터 공구 개발에 강성 해석도 활용해 절삭저항이 걸렸을 때의 응력이나 휨 등을 해석에 의해 평가, 잘 파손되지 않고 정도가 좋은 공구의 고품질화를 위해 이용해 왔다. 또한, 공구의 체결, 인서트의 체결 등 접촉을 동반하는 조건의 유지력이나 체결력을 구할 수 있고, 인서트 유지의 안정성이나 홀더의 유지력 확보 등 어셈블리 상태의 공구 성능 평가에도 이용하고 있다.

유저용 솔루션으로서 앞에서 말한 공구 그 자체의 평가에 더해, 워크나 지그도 포함한 전체계의 해석도 하고 있다. 이 글에서는 지그에 의한 워크의 클램프 상태 우열을 해석하는 예를 나타낸다.

워크를 가공할 때에는 공작기계 중에 지그로 워크를 클램프(유지)한다. 이 워크의 클램프는 매우 중요하며, 그 우열이 절삭가공으로 제작된 제품의 품질 수준에 직결된다.

워크의 클램프 상태가 나쁘면 절삭가공 중에 채터 진동이 발생하기 쉬워 다듬질면 성상의 악화나 공구 결손 등이 생긴다. 또한, 절삭저항에 의해 워크가 변형, 목표한 치수나 기하공차를 만족시킬 수 없을 우려가 있다. 클램프 강성 검토는 반드시 필요한 것인데, 최근의 워크 형상은 복잡화돼 충분한 클램프 강성을 즉시에 만족시키는 것이 매우 어렵다.

미쓰비시머티어리얼은 공구 메이커의 이점을 살려, 앞에서 말한 절삭저항 해석이나 절삭칩 해석과 워크와 지그를 포함하는 전체계의 강성 해석을 융합, 워크의 클램프 부분이나 클램프력, 혹은 툴패스에 이르기까지 한 단계 높은 수준의 품질을 실현하기 위한 절삭가공 솔루션을 제공하고 있다.

그림 4는 클램프력과 절삭저항을 부여했을 때의 워크 변위량을 해석한 것이다. 클램프력이 강한 경우와 약한 경우를 비교하고 있다. 변위량을 색깔로 나타내고 있으며, 청색에서 녹색, 황색, 적색으로 변화해 갈수록 변위량이 큰 것을 나타내고 있다. 그러면, 클램프력이 약한 경우 쪽이 강한 경우보다 워크의 변위량이 커져 있다는 것을 알 수 있다. 이 케이스에서는 클램프력이 강한 조건 쪽이 가공 정도가 좋을 것으로 기대할 수 있다.

미쓰비시머티어리얼에서는 유저에 대한 솔루션으로서 해석을 도입함으로써 대책의 효과를 미리 예측해 시제작에 소요되는 비용과 시간의 절감 또한 실제 절삭가공 중에 측정이 곤란한 항목, 예를 들면 절삭저항의 추이나 응력 분포, 변위 등을 가시화해 비교하는 것을 쉽게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 상세하게 현상을 이해해 대책에 도움이 될 수 있고, 해석의 활용으로 증명이 된 솔루션의 제안을 하고 있다. 

공구의 디지털 데이터 제공

1. ISO 13399와 미쓰비시머티어리얼의 대응

ISO 13399란 「컴퓨터로 해석할 수 있는 ‘절삭공구의 표현과 교환’에 관한 국제 규격」이다. 절삭공구의 제품 정보, 데이터베이스 구축 방법 및 CAD 데이터에 관한 규정 등 전 세계의 절삭공구를 동일한 파라미터로 정의하고, 시스템 간의 정보통신을 원활하게 하는 것을 목적으로 제정됐다. 그림 5에 ISO 13399에 준거한 치수 기호의 예를 나타냈다.

미쓰비시머티어리얼은 2015년부터 유저의 가공 개선이나 신규 부품 제작에서 품질 및 능률 향상, 코스트 다운을 효과적으로 서포트하기 위해 ISO 13399에 준거한 절삭공구 데이터 제공에 적극적으로 대응하고 있다. 현재 제공 중인 데이터를 이하에 나타냈다.

· 각 공구의 치수․속성 데이터

·3D 모델 (.stp)

·2D 모델 (.dxf)

이들은 미쓰비시머티어리얼 WEB 사이트 내 Web 카탈로그에 순차 공개되고 있으며, 프리 소프트웨어인 MachiningCloudTM, SIEMENS사의 소프트웨어인 Teamcenter에 데이터 제공을 하고 있다. 

2. ISO 13399에 준거한 공구 데이터의 이점

ISO 13399에 준거한 공구 데이터를 제공하는 것은 유저빌리티 향상으로 연결된다고 생각하고 있다. 예를 들면 공작기계나 CAM에 의한 가공 시뮬레이션과 가공 프로그램을 작성할 때, 기존에는 공구 메이커마다 공구 치수 제원 표기가 달랐기 때문에 치수 제원의 데이터 작성 시에는 카탈로그마다 값을 수동으로 입력할 수밖에 없었다.

ISO 13399로 규격 통일이 된 경우, 여러 공구 메이커에서 동일한 치수 제원을 소유하게 되기 때문에 공작기계나 CAM에 필요한 데이터를 자동으로 일괄 전송하는 것이 가능하다. 또한, 여러 공구 메이커에서 치수 제원이 공통됨으로써 공구 메이커 간의 제품 비교나 가공 형상으로 공구 선정을 하는 것이 쉽게 가능한 것도 장점이라고 할 수 있다.

또한, ISO 13399에 준거한 CAD 데이터에는 공구의 종류마다 좌표계가 설정되어 있다. 이것에 의해 지금까지는 복잡한 작업이었던 3DCAD끼리의 어셈블리가 간편하게 됐다. 

그리고 CAD 데이터를 공작기계의 제어장치 혹은 CAM에 데이터 전송함으로써 간섭 체크나 가공 프로그램 작성을 손쉽게 할 수 있게 된 것도 강조해야 할 점이다.

맺음말

앞으로는 해외의 서포트 거점에서 해석 솔루션을 실시하는 것도 시야에 넣고 있다. 기술 서포트, 절삭 시험, 그리고 해석을 종합적으로 조합함으로써 가공 조건의 최적화를 위한 질 높은 토털 솔루션으로서 유저에 있어 정말로 도움이 되는 제안이 가능하다고 생각한다. 전 세계의 유저에 대해, 앞으로도 베스트 솔루션과 서비스 제공력을 강화해 갈 것이다.

디지털 공구 데이터에 대해서도 ISO 13399에 준거한 절삭공구의 데이터를 활용함으로써 지금까지는 고도의 지식이 필요했던 공구 선정 등의 작업을 누구라도 간단히 할 수 있게 된다. 또한, 지금까지 실제로 절삭에 의해 확인해온 작업을 정확하고 충분한 시뮬레이션으로 절삭하지 않고도 절삭가공 개선이 가능한 범위가 확대되어 갈 것이다. ISO 13399에 준거한 동사 절삭공구 데이터 활용에 의해 한층 더 효율적인 제조에 공헌할 수 있기를 바란다.

코사카 하루미, 후쿠모토 마사오, 미쓰비시머티어리얼 가공사업컴퍼니 개발본부