[첨단 헬로티]
타카하시 코지(高橋 孝治), 오오토 유타카(大戶 裕) ㈜소딕
최근 정보통신기기의 소형화가 추진됨에 따라, 그 내부에서 사용되고 있는 부품도 매우 미세하고 정밀하게 되고 있다.
이러한 부품을 생산하기 위한 금형도 미세 정밀이 요구되고, 요구를 만족시키기 위한 수단으로서 NC 프로그램을 생성하기 위한 3차원 CAM의 계산 정도(톨러런스)를 높이는 것과, CAM에서 출력하는 NC 프로그램의 1블록 선분길이, 즉 점군 데이터를 최대한 짧게 해 모델 형상에 근사시킨 패스 생성의 방법이 일반적으로 채용되고 있다.
그 결과 가공패스는 복잡해지고 지령 데이터도 미세화되어 절삭 이송 속도가 올라가지 않으며, 결과적으로 효율이 높아지지 않는 상태에 빠져 버리는 상황이 많이 있다.
그래서 동사에서는 단시간에 고정도의 금형을 제공하는 것을 목적으로, 고속 회전 주축 및 액티브 제진기구를 탑재한 AZ 시리즈의 최신 기종 ‘AZ275nano’(그림 1)을 개발했다.
그리고 미세 정밀 금형의 가공에는 없어서는 안 되는 고속․고정도 윤곽제어 기능을 최적으로 기능시키기 위한 소프트웨어로서 NC 프로그램을 실행했을 때의 최적 절삭 이송 속도를 AI 모델 탑재 엔진으로 계산해 제시하는 소프트웨어(이하 EF-Tune) 및 그 조건을 사용해 가공 동작했을 때의 시뮬레이션 소프트웨어(이하 MotionExpert)를 갖춘 MotionExpert-AI도 개발했다.
AZ275nano의 특징․가공 사례
1. 특징
AZ275nano는 고강성․저중심으로 오버행이 없는 BOX 구조(그림 2)로 되어 있으며, 전후 좌우 대칭 구조로 함으로써 축동작 시에 생기는 기계의 변형을 최소한으로 억제하고 있다. 그리고 가동부의 구조 부품에는 자사 개발의 세라믹스를 채용, 경량화와 안정된 온도 특성을 실현하고, 고정도 가공에 적합한 구조로 하고 있다.
또한 액티브 제진기구(에너지 상쇄형 트윈 리니어모터 구동)를 탑재, 가공 테이블과 역위상으로 구동하는 캔슬축을 XY축에 탑재함으로써 중심 위치의 변동과 반작용력을 제거하는 구조로 해 고속․고가속도 가공이 가능해지고 있다.
주축에는 20,000～120,000min-1의 초고속 스핀들을 탑재. 회전수 가변의 주축을 채용함으로써 기존의 AZ 시리즈로는 가공할 수 없었던 드릴 가공 등에 대응, 거친가공에서 다듬질가공까지 유연한 절삭 조건의 가공이 가능해졌다. 또한 각 회전 영역에서 진동 정도나 언밸런스 진동의 편차가 매우 적은 주축으로 되어 있으며, 어느 회전 영역에서나 높은 정도를 유지해 절삭가공을 할 수 있다.
NC 장치에는 고속 멀티 코어 CPU를 실장한 자사 개발의 최신 CNC 장치 ‘LN4AZ’를 탑재했다. 리소스를 최적화해 NC 데이터의 해독, 실행 처리 및 각종 표시 처리를 고속화함으로써 스트레스 없는 조작성을 실현하고 있다.
또한 리니어모터의 전류 제어를 고속화(기존대비 10배)할 수 있는 자사 개발의 앰프 ‘SA 시리즈’를 탑재함으로써 미세 정밀 영역의 고가속도화를 실현했다. 이것에 의해 고속･고가속도의 축동작 시의 운동 성능이 향상되고, 가공 시간의 단축을 실현하고 있다.
2. 가공 사례
(1) 소경 원기둥 가공
고가속도의 운동 성능을 평가하는데 있어, Ø3.0, 높이 4mm의 소경 원기둥 가공을 했다. 가공은 AZ250(동사 기존기) 및 AZ275nano로 각각 하고, 가공 프로그램은 동일하게 해 최대 가속도를 AZ250에서는 0.2G, AZ275nano에서는 0.5G로 했다. 각각의 기계에서 가공한 원기둥의 진원도 측정 결과를 그림 3에, 가공 시간의 비교를 표에 나타냈다.
AZ250에서는 3개 가공한 원기둥의 진원도가 1.26μm(평균)이 됐다. 한편 AZ275nano에서는 최대 가속도를 2.5배로 설정하고 있음에도 불구하고, 원기둥의 진원도가 0.90μm(평균)가 됐다.
또한 최대 가속도의 설정을 높게 하고 있기 때문에 AZ275nano에서는 각 공정 모두에서 가공 시간이 단축됐으며, 토털 가공 시간은 AZ250과 비교해 11% 단축됐다. 미세 정밀 가공 영역에서는 CAM에서 산출되는 가공 시간과 실제 가공 시간이 대폭으로 다른 경우가 있다. 그것은 축의 가감속 시간을 CAM에서는 고려하고 있지 않기 때문이다.
가감속 시간을 가급적 짧게 하면, 즉 가속도를 높게 설정함으로써 CAM에서 산출된 가공 시간과 실제 가공 시간을 근접시킬 수 있다. 그러나 가속도를 높게 설정한 경우, 축동작에 의해 발생하는 진동에 기계에 전해져 미세 정밀 가공을 하는 것이 곤란해진다. AZ 시리즈에서는 액티브 제진기구를 탑재함으로써 고가속도에서도 기계에 진동을 전하지 않고 축동작을 가능하게 해 왔다.
이번 AZ275nano에서는 위에서 말한 기계 구조와 함께 자사제 고주파 앰프를 채용, 제어 주파수를 기존보다 높게 설정함으로써 이전보다 더 가속도를 높게 설정해도 지금까지의 운동 성능을 무너뜨리지 않고 가공하는 것이 가능해졌다. 이것에 의해 가공 시간이 단축되어 생산성 향상에 기여할 수 있다.
(2) 구멍뚫기, 나사절삭가공
AZ250에서는 120,000min-1 고정의 주축을 탑재하고 있었기 때문에 드릴 가공을 하는 것이 곤란했다. 이번 AZ275nano에서는 회전수 가변의 주축을 탑재하고 있으며, 유연한 공구 선정이 가능해졌다.
그 한 예로서 ‘구멍뚫기＋나사절삭’ 가공을 한 샘플을 그림 4에 나타냈다. 구멍뚫기에서는 Ø0.2의 드릴을 사용해 깊이 2mm의 정지구멍을 가공했다. 또한 워크의 네 구석에는 M3의 탭 구멍을 나사절삭가공으로 제작하고 있다.
지금까지 태경 공구, 드릴 등을 사용하는 경우, 다른 기계에서 가공을 한 후에 다시 AZ기에 세팅해서 다듬질가공을 할 필요가 있었다. 이것에 의해 불필요한 세팅 시간이 늘고, 정도 저하도 걱정되고 있었다. 그러나 AZ275nano에서는 유연한 공구 선정이 가능함으로써 1회의 세팅으로 가공을 끝낼 수 있다. 또한 각 가공 공정에서 최적의 공구를 선정함으로써 가공 시간을 더 단축할 수도 있다.
MotionExpert-AI의 개요･특징･운용의 흐름
1. 개요
미세 정밀의 시제작 가공은 가공 시간이 장시간이며, 미세 공구를 많이 이용하기 때문에 효율, 코스트 면에서 매우 불이익이 되는 경우가 많다. 실제로 절삭 이송 속도(F)에 항상 도달해 가공하고 있는 경우는 드물며, 지령 절삭 이송 속도를 하회하고 있는 경우가 많다.
이것에 의해 1날당 절삭량으로 판단한 가공 조건이 무너져 버리고, 결과적으로 공구 마모를 촉진시키는 원인이 될 뿐만 아니라 절삭 이송 속도의 큰 편차로부터 가공면질이 손상되는 경우가 있다. 그래서 이러한 문제를 해결하기 위해 미세 정밀의 고효율･고정도 가공을 어시스트하는 EF-Tune 및 MotionExpert를 개발했다.
2. 특징
① NC 프로그램과 잔삭값, 공구 손잡이 길이, 가공 사이즈의 정보를 입력하는 것만으로, AI 모델 탑재 엔진을 경유해 최적 절삭 이송 속도(F)를 산출하고, 그 F값으로 동작시켰을 때의 속도 도달률을 제시한다.
② 위의 산출 결과를 기초로 MotionExpert로 동작 시뮬레이션 및 상세 정보(가공 시간, 가공 전체 길이, 속도 분포 등)의 취득이 가능하다.
3. 운용의 흐름
MotionExpert-AI 운용의 흐름을 그림 5에 나타냈다. CAM으로 작성한 NC 프로그램을 EF-Tune에 입력하고, EF-Tune에 의해 제시된 절삭 이송 속도(F)를 반영한 NC 프로그램을 MotionExpert에 입력함으로써 가공 시뮬레이션을 한다. 이 시뮬레이션의 결과가 양호하면 실제 기기에 NC 프로그램을 전송해 실제 가공을 한다.
앞에서 말한 표의 AZ250과 AZ275nano의 성능 평가를 하는 가공 전에, MotionExpert로 산출한 결과를 그림 6과 그림 7에 나타냈다. 가공 시간을 비교하면, 실제로 가공했을 때의 시간(앞에서 말한 표를 참조)과 거의 오차 없이 결과가 표시되고 있다. 이것으로부터 실제로 가공을 하기 전에 다른 기계와의 예정 조정이나 공정의 전환 등을 할 수 있기 때문에 고효율화가 예상된다.
미세 정밀 금형의 고품질․단납기화에 대해, 기존기보다 고가속도 동작을 가능하게 하고 또한 고정도를 유지할 수 있는 최신 기종 AZ275nano와 그 머신을 최적으로 동작시키기 위한 파라미터를 산출․제시 및 동작 시뮬레이션까지 할 수 있는 MotionExpert-AI를 개발했다. 이들을 채용함으로써 가공 현장의 기술 향상에 공헌할 수 있기를 바란다.
