[첨단 헬로티]

아마노 아키라(天野 啓) 東芝기계(주)

소경 엔드밀에 의한 고속 절삭가공 기술은 대상 제품의 고기능화와 성형 기술 진보에 의한 금형의 고정도화 요구를 배경으로, 가공기의 고속･고정도화와 절삭공구의 성능 향상이 도모되어 눈부신 발전을 이루었다. 

절삭가공은 가공기의 운동 특성이 그대로 가공면에 전사되는 가공 수단이다. 그렇기 때문에 가공면 정도나 미세 가공 정도를 높이기 위해서는 운동 정도가 우수하고, 또한 저진동의 특성을 가진 가공기가 필요하다. 

동사에서는 이러한 요구에 대응하기 위해 렌즈 금형용 초정밀 가공기로 축적한 공기 베어링 기술과 리니어모터 구동 제어 기술 등을 활용한 초정밀 가공기 UVM-450C를 2008년에 개발했다. 이후 고객 요구를 반영시키는 형태로 시리즈 전개를 도모해, 밀링에 의한 여러 가지 미세･정밀 금형 제작의 고정도화에 공헌하고 있다.

오늘날 대상 제품의 고기능화 흐름과 함께, 정밀 금형가공에서는 미세화와 고정도화 요구가 날마다 높아지고 있다. 가공 대상이 다품종 소량의 케이스도 많고, 보다 높은 레벨의 가공 정도 재현성 확보가 요망되며 자동화와 지능화 요구도 크다. 

그래서 이 글에서는 UVM 시리즈의 개요와 고정도 가공 사례, 그리고 자동화와 고정도화 양쪽을 보다 높은 레벨로 지향한 최신 오퍼레이터 지원 기능에 대해 소개한다.

UVM 시리즈의 개요와 미세 가공 사례

동사에서는 공기정압 베어링 주축을 1990년대 전반부터 고속 밀링기에 적용, 주축 회전 속도의 고속화에 의한 가공 능률 향상을 주안으로 한 고속 가공기 개발에 대응해 왔다. 

그리고 고정도의 리니어모터 구동 제어 기술의 적용으로, 밀링기의 이송 정도를 비약적으로 고정도화한 이 시리즈의 기점 기종 UVM-450C를 개발했다. 그림 1에 최신 초정밀 머시닝센터 UVM 시리즈 4기종의 외관을 나타냈다. 

커버 디자인을 통일하는 동시에, 세팅 등의 작업성과 조작성을 보다 향상시키고 있다. 워크 테이블 작업면 사이즈 450×450mm의 표준 모델 450C(H)에서부터 대형 워크 대응과 자유도 확대를 위한 다축화를 실현한 직선 3축+회전 2축의 5축 사양기 700E(5AD)까지 총 4기종을 라인업하고 있다. 모든 형식이 주축에는 최고 회전 속도 60,000min-1의 자사제 공기정압 베어링 주축을 표준 탑재하고 있다.

공기정압 베어링이란 공기압을 이용해 회전축을 비접촉으로 지지하는 방식의 베어링으로, 비접촉 구조이기 때문에 고속 회전 시에도 구름 베어링으로는 도달 불가능한 높은 회전 정도를 얻는 것이 가능한 요소 기술이다. 

회전마다의 절삭 현상의 안정화가 도모되기 때문에 특히 소경 엔드밀의 장수명화에 효과적이다. 또한 발열량도 근소하고, 기계 구조체에 대한 열영향이 매우 작다. 그렇기 때문에 일반적인 구름 베어링 방식의 고속 주축에서 필수인 강력한 냉각 시스템이나 열변위 보정 기술을 필요로 하지 않고, 난기에 필요로 하는 시간도 약간으로 미세 가공 분야에서 매우 유효하다.

한편, 직선축의 구동에는 코어붙이 리니어모터를 채용하고 있다. 최소 설정 단위는 0.01μm(피드백 단위는 0.5nm)이고, 0.01μm의 스텝도 정확하게 제어 가능한 레벨까지 이송계의 성능 향상이 도모되며, 높은 응답성으로 정확하고 원활한 동작 특성을 실현하고 있다. 

공기정압 베어링 주축의 극저 진동 특성과 공구 궤적 혼란의 최소한화를 실현한 리니어모터 구동 제어 기술의 상승 효과에 의해 소경 엔드밀에 의한 미세 가공 성능의 비약적인 향상을 실현하고 있다.

조명 분야에서는 광원의 가속적인 LED화에 동반해 제품 설계도 다양화하고, 사용되는 광학 부품의 미세화와 고정도화 요구가 증대하고 있다. 특히 자동차 조명용 광학 부품의 고기능화는 현저하고, 미세 형상 패턴을 배치한 제품 디자인이 증가하고 있다. 

그림 2는 자동차 헤드램프에서 띠 모양의 조명부를 배치하기 위한 도광체 부분의 금형가공 사례를 나타낸 것으로, 3차원 곡면에 미세한 톱날 형상의 홈줄이 배치되어 있다. 도광부 전체의 조도 균일화와 고휘도 특성의 확보가 필요하기 때문에 인코너부의 R치수 극소화와 면 전체에서 편차가 없는 높은 표면조도가 요구된다.

이 사례는 5축 사양의 UVM-700E(5AD)에서 52HRC로 담금질 처리된 금형용 스테인리스강에 대해, R 0.05mm의 cBN 볼 엔드밀을 이용해 가공한 것이다. 가공 결과는 전체 형상 정도 1.5μm, 표면조도 Ra 24nm이고, 극소경 공구를 이용한 5축가공에서도 높은 형상 정도와 표면조도를 실현하고 있다.

오퍼레이터 지원 기능

금형의 제작에서는 말할 것까지도 없이 제작의 재현성 확보가 중요시된다. 오늘날에는 시대의 흐름에 따라 기존 사람의 손이나 경험에 의존하고 있던 다듬질 정도 관리에서도 자동화 요구가 커지고 있다. 

특히 미세 가공의 범주에서는 보다 높은 레벨의 가공 정도 재현성의 확보가 필요하다. 이 요구에 대응하기 위해서는 가공기 본체가 고정도이고 항정도인 것에 더해, 워크의 장착 오차나 공구에 기인하는 가공 오차의 보상 기술 등도 자동화를 실현할 필요가 있다.

동사에서는 이러한 과제에 대해 자동화와 고정도화의 양쪽을 지향한 오퍼레이터 지원 기능으로서, 각종 기상 계측장치의 활용을 보다 고기능화하는 오퍼레이터 종합 지원 소프트웨어 ‘UVM-TSA’(TSA : Total Support Application)을 개발하고 있다. 

이 소프트웨어의 개략을 그림 3에 나타냈다. 가공기 본체에 부속된 워크 계측장치의 조작이나 광학 라인센서 방식의 공구 길이 측정기에 의해 취득되는 정보의 해석 등 여러 가지 기능을 실현하고 있다.

이 소프트웨어의 주된 기능에 대해 해설한다. 공구 관리 화면에서 입력되고 있는 공구 정보를 기초로, 주축에 파지된 공구의 종류나 직경값의 상이를 판정할 수 있다. 

또한 회전하는 절삭날의 윤곽 정보를 연속적으로 취득함으로써 공구 직경 치수뿐만 아니라, 공구 절삭날 윤곽의 상세한 형상 오차나 볼 엔드밀의 원호 절삭날의 근사 반경값의 취득도 가능하게 하고 있다. 이러한 정보를 기초로 3차원 형상가공의 치수나 윤곽의 고정도화를 도모할 수 있다.

또한 가공 시간이나 절삭 거리뿐만 아니라, 가공 전후의 공구 절삭날 윤곽 형상 계측 결과에 기초해 산출되는 마모량의 누적값을 한계로 한 공구 수명 관리도 가능하다. 이에 더해 공구 길이 계측의 주축 변위의 단시적인 계측 결과에 기초한 가공 스타트 타이밍의 자동 판단 등도 가능하다. 

변위량이 설정 시간으로 한계 내에 포화됐다고 판단된 타이밍에서 가공을 개시하는 시퀀스를 설정함으로써 최단의 난기운전 시간으로 가공을 개시할 수 있다.

한편, 이 소프트웨어에서는 워크 팰릿 정보 관리 기능도 통합하고 있다. 워크 팰릿 정보와 NC 데이터를 함께 관리함으로써 보다 고도의 자동화 시스템 구축이 가능하다.

기상 워크 계측 기능의 충실도 도모되어 있다. 터치프로브를 이용한 가공기 상의 워크 계측에서는 다양한 형상에 대응 가능한 자동 계측 기능을 가지며, Ø0.3mm 볼 스타일러스의 사용을 가능하게 해 미세 형상에 대한 대응 가능 범위를 확대하고 있다. 이에 더해 보다 미세한 형상에 대한 기상 계측 기능을 확대하기 위해 촬상식 기상 계측장치를 새롭게 개발했다. 

장치의 외관 및 계측 화면 사례를 그림 4에 나타냈다. 배율이 다른 2개의 기상 카메라를 이용해, 터치프로브로는 계측할 수 없는 미세한 형상과 프로브 접촉에 의한 데미지를 피하는 것이 필요한 워크 치수의 자동 계측을 가능하게 하고 있다.

새로운 오차 보정 기능

엔드밀의 절삭날 윤곽 형상은 공구 메이커의 부단한 개발에 의해 μm 오더로 정도 관리되고 있다. 

그러나 실제로 가공에 작용하는 절삭날 윤곽 형상은 가공기 주축에 장착되어 고속 회전한 동적 상황의 윤곽이기 때문에 주축의 회전 정도 특성이나 공구 홀더의 개체차에 의해 동일 형식의 공구라도 공구 직경값이나 윤곽 형상에는 수 μm의 편차가 발생하는 경우가 많다. 특히 미세 형상의 가공 분야에서는 완성도의 재현성을 손상하는 최대 요인이라고 할 수 있다.

그렇기 때문에 보다 고정도의 다듬질가공을 하는 경우에는 사용하는 공구의 동적 상황의 절삭날 윤곽을 계측, 그 결과에 기초해 NC 데이터를 작성해 이용할 필요가 있다. 

또한 가공의 진척 상 절삭날의 초기 마모에 의해 절삭날의 윤곽 형상도 변화하기 때문에 절삭날의 마모 상황을 중간 계측하고, 그 결과에 기초해 NC 데이터를 재작성해 이후의 가공에 이용하는 경우나 가공 후에 기상에서 치수 계측을 해 그 결과를 기초로 공구 직경을 변경한 NC 데이터를 작성해 최종 가공이 이루어지는 경우도 많다.

어떤 경우나 CAM 소프트웨어에 의한 NC 데이터 작성 작업으로 되돌아갈 필요가 있어, 작업자에게 있어서는 제작 시간의 로스가 된다. 

특히 3차원 형상의 가공인 경우에는 절삭날의 이론 형상에서 윤곽 오차분을 보정하는 것도 필요하지만, CAM 소프트웨어 측에서 NC 데이터에 반영할 수 있는 공구 윤곽 형상의 정보는 직경값 등의 단일한 값으로 한정되기 때문에 CAM 소프트웨어 측에서는 대응이 곤란하다. 

그렇기 때문에 3차원 모델을 보정하는 것이 필요하지만, 모델 설계로 되돌아가는 작업으로 쾌속한 대응은 사실상 곤란하다.

이와 같은 기술 과제를 해결하는 방법의 하나로서 절삭날의 윤곽 형상을 고정도로 계측하고, 얻어진 계측 데이터를 기초로 NC 데이터의 좌표 수치를 자동 보정하는 ‘공구 절삭날 윤곽 형상 오차 보정 시스템’을 개발했다. 

그림 5에 이 시스템의 개략을 나타냈다. 기상의 동적인 공구 형상 계측 결과로부터 가공면 각도에 대응한 보정값을 산출, 가공기 컨트롤러 측에서 NC 데이터의 좌표 수치를 보정해 가공에 반영시키는 개념이다. 

기상의 공구 형상 계측 결과에 기초해 기계 측에서 보정하기 때문에 가공 오차 보정을 위한 3차원 모델의 보정이나 CAM 소프트웨어에 의한 NC 데이터의 재작성이 불필요하다. 즉 ‘CAM으로 되돌아가지 않는 오차 보정 방법’으로, 오퍼레이터의 작업 부하를 배제하는 동시에 보정 작업에 의한 제작 시간 로스의 대폭 저감도 가능하게 하는 시스템이다.

이 시스템을 이용한 오차 보정의 가공 검증 예를 그림 6에 나타냈다. UVM-450D(H)에서 R 0.5mm의 cBN 볼 엔드밀을 이용, 담금질 처리된 금형용 스테인리스강에 만곡한 홈줄을 가공하고, 홈줄의 단면 형상 정도를 측정했다. 

결과는 ±1μm 이내의 형상 오차로, 특히 미세 영역에서 가공의 고정도화와 재현성 향상을 실현하는 수단으로서 유효한 것을 확인했다.

초정밀 머시닝센터 UVM 시리즈의 개요와 오퍼레이터 지원 기능에 대해 간단히 소개했다. 가공기의 기본 성능 향상은 말할 것도 없고, 특히 미세 가공에서는 공정 중의 각종 기상 계측 기능이나 데이터 수집 기능의 충실이 높은 레벨의 가공 정도 재현성의 확보와 자동화의 양립 실현을 위한 첫걸음이라고 생각한다. 

생산성 향상, 자동화, 지능화 등 미래를 향한 길을 개척하는 가공 시스템 개발에 계속 도전해 갈 것이다.