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고속가공기, CNC고속가공기의 고속 가공의 필요성
QAS 중고기계 한공산업기계 -
2008-03-18 오후 8:44:21 8822
개 요

변화하는 시장상황 및 국제적 경쟁력에 따른 제품수명의 단축으로 말미암아 산업계 생산공정 에서의 지속적인 생산성 향상은 필연적이다. 소재 가공공정에서의 생산성 향상은 실 절삭시간 및 작업준비시간의 단축으로 가능하며, 실 절삭시간은 단위시간당 절삭량(chip removal rate) 즉 절삭속도(cutting speed) 및 절삭이송속도(cutting feed rate)를 증대시켜 감소시킬 수 있다.
새로운 절삭 공구의 개발 및 고속 가공 메카니즘의 지속적 연구 및 실험적 검증은 고속 가공 (High Speed Machining, HSM)을 가능케 하는 토대가 되고 있다. 또한 공작기계 요소기술로서 고속 빌트인 스핀들(High Frequency Motor Spindle, Built-in Motor Spindle)을 응용한 고속 주 축계, 볼 스크류 또는 리니어 모터를 이용한 고속 이송계 및 고속,고정도 디지털 제어기기 기술분야의 획기적 발전은, 이를 응용한 고속 가공기의 개발 및 상용화를 급격히 확산시키고 있다. 이는 요즈음 선진 산업국(미국,유럽,일본)에 있어 주축속도 15,000rpm, 이송속도 30m/min은 거의 일반적이라는 사실로 나타나고 있다.

<그림 1>. 재질별 고속가공 영역

고속 가공의 필요성
고속가공을 위해 공구, 기계, CAM에 의한 가공법이 삼위일체가 되어야함.
- 가공 시간 및 Lead time 단축
- 고정도로서 후공정(LP) 단축
- 공정수 삭감으로 단가가 내려감
- 생산성을 높일수 있다.
- 고정도로 품질이 향상됨
- 절삭 프로세스를 고도화한다.
- 가공 효율의 최적화

고속 절삭 가공의 종류
경 절삭 고속 가공법 : 절입량을 적게하여 고속회전, 고속가공
중절삭, 고능률절삭가공 : Z 축 절입이 크게 고속, 고능률 절삭 주로 황삭, 중삭에 이용 하며, 황삭 가공은 절입량을 크게 하고, Reverse 가공으로 중삭 가공을 한다
고능률 사상 절삭가공법 : 큰 Pitch로 고능률 절삭가공
고속가공의 특징
고속가공일수록 날끝 접촉시간이 짧아 열전도 시간이 짧아져 공구의 온도 상승이 적다
<살로먼 사상에 의한 절삭속도비 온도변화>


고속 가공기
고속 가공 영역 및 적용 분야
일반적으로 고속가공을 단순히 스핀들 속도만을 높이는 것으로 잘못 이해되고 있다. 그러나 최적의 가공 제품을 얻기 위해서는 스핀들 속도와 출력이 적절히 조화되어야 하며 단순히 스핀들의 속도를 높이는 것만으로는 고속가공의 조건을 만족시키지 못한다. 따라서 고속가공을 위해서는 스핀들 속도의 향상과 더불어 그에 따른 적절한 스핀들 출력의 향상도 고려해야 한다. 고속가공을 위한 또 하나의 필요조건으로는 가공 시 절삭이송 속도의 향상이다. 이들 조건의 조합에 의해 절삭량(material removal rate)의 증대, 표면조도의 향상 등 고속가공시의 잇점을 얻을 수 있는 것이다. 종래의 가공영역과 고속가공 영역을 구분하는 기준으로는 절삭속도(cutting speed)와 절삭이송속도(cutting feed rate)가 사용되고 있으며, 일반적으로는 절삭속도 450m/min 이하, 절삭 이송속도 2.5m/min 이하를 종래가공 영역으로, 절삭속도 3650m/min 이하, 절삭 이송속도 10.2m/min 이하를 고속가공 영역으로 구분하고 있다.
<그림 2>. 가공공정별 고속가공 영역

고속가공의 궁극적인 목표는 생산성의 향상에 있다. 절삭속도의 향상은 동일한 사이즈의 공구를 사용시 상대적으로 적은 절삭력이 작용하며, 따라서 고속 가공은 단위시간당 절삭량의 증가에 따른 가공시간의 단축은 물론 향상된 표면조도(품질), 공구수명의 증가등을 통한 단위제품당 생산비의 절감을 성취할수 있으며, 기계부하 하중의 감소로 장비 내구성이 개선될 수 있는 부수적 효과도 있다. 고속가공에 의한 장점 및 그 적용 분야 표 1.과 같다.
<표 1> 고속가공의 장점 및 적용분야

최신 고속가공기
최근 제조업 분야에서 고속가공의 필요성이 대두되고 있는 것은 생산성과 정밀도 향상 : 절삭효율의 개선, 알루미늄 합금등의 경금속 가공, 정밀부품의 소경가공, 금형의 고속가공, 신소재 가공 : 세라믹스의 연삭 및 방전가공용 전극재료인 흑연가공 등을 실현시킬 수 있기 때문이다.
이러한 기능을 실현시키기 위하여 선진 공작기계 제조업체는 앞을 다투어 주축의 고속화 및 이송계의 고속화, 공구 인터페이스 기술, CNC 제어기술의 개발 및 새로운 메카니즘(Parallel Mechanism)을 도입한 고속 가공용 공작기계를 연구, 제작, 상품화하고 있으며, 이러한 경향은 최근 개최된 각종 공작기계 전시회에 출품된 제품들에서 쉽게 확인 할 수 있다. '98 IMTS 및 JIMTOF에 선진 공작기계 생산업체들에 의해 출품된 고속가공기를 정리해보면. 일본의 3대 공작기계 생산업체인 Mazak, Okuma, Mori Seiki는 고속 빌트인 스핀들을 채용한 주요 CNC머시닝센터를 출품하였다. MAZAK社의 수평형 머시닝센터 FF-660는 주축속도 15,000rpm, 가속시간1.3sec, 이송최대속도 90m/min, 가속도 1.5G, ATC시간 0.45sec를 실현하였으며, 고속 가공시 실 이송속도 60m/min를 구현하였다. Okuma社도 5축 수평형 머시닝센터를 새로 선보이는 등 다수의 고속가공기를 출품하였다. Mori Seiki사의 빌트인 스핀들을 이용한 수평형 머시닝 센터 CH-400은 RAM형의 주축 구조를 채택하였으며, 주축 최고속도 20,000rpm인 수직형 머시닝센터 SV-400을 출품하였다. 그 외에 Mikron社의 수직형 머시닝 센터인 HSM-400은 주축속도 42,000rpm, 이송속도 40m/min, 가속도 1G의 고속 가공기로 고속/고정도 Scroll가공을 시연하였다. 고속가공기 분야의 또 하나의 경향은 최근에 병렬기구(Parallel mechanism) 공작기계가 고속가공기 분야에서 새롭게 주목 받고 있다는 점이다. 병렬기구란 직선 및 회전운동을 하는 2개이상의 독립된 링크 구조에 연결된 작업 플랫폼을 가진 폐루프 기구을 가리킨다. 병렬기구 이용한 공작기계는 고속, 고정밀도 가공을 실현하기 위하여 기존의 직각축 기계구조(직렬구조, Serial mechanism이라고도 함) 대신에 링키지 구조를 채택한 것으로 링키지가 모터축 과 연결되어 가공공간을 자유로이 운동할 수 구조로 되어 있으며 그 이송가능 범위는 자유도(Degree of Freedom)로 표현 되어 공간상에서 여러 축 방향으로 자유로운 위치결정 및 운동이 가능하므로 가공의 범위가 상당히 크다고 하겠다. 병렬기구 공작기계의 가장 큰 장점은 작업 플랫폼을에 걸리는 하중이 작업 플랫폼을 지지하는 각 링크에 균일하게 배분될 뿐만 아니라 각 링크가 받는 응력은 수축-압축력이 대부분으로 링크를 작동시키는 리니어 액츄에이터의 강성에 적합하여, 작은 중량의 링크 구조로서 큰 하중을 지지할 수 있다는 점이다. 병렬기구 공작기계의 또 하나의 장점은 리니어 액츄에이터의 높은 강성으로 인하여 링크의 변형이 최소화 되어서 높은 위치 결정 정도를 유지할 수 있다는 점이다. 따라서, 높은 동적 특성과 정밀한 위치결정 정도가 요구되는 고속,고정밀 공작기계에 병렬기구 적용하기 위한 연구과 활발히 진행되었으며, 1994년 시카고 IMTS에 Pierrot에 의해 제안된 Hexa 구조의 병렬기구 공작기계(Hexapod)가 처음으로 출품된 이래, 선진국에서는 현재 병렬 구조를 이용한 고속 공작 기계가 개발 본격적인 보급에 들어가기 시작하는 단계에 있다


요소 기술
최근 20여년간 공작기계 및 공구기술은 생산성 향상이라는 명제를 위해 가공시간의 단축을 목표로 급속한 발전을 이룩하였다. 그러나, 대분분의 기술이 자동공구교환(ATC), 자동 부품 공급 등을 통한 비절삭시간(Idle Time)의 단축에 집중되었으며, 절삭시간의 단축에 대한 노력은 상대적으로 미약했던 것이 사실이다. 그러나 가공시간 중에서 절삭시간이 차지하고 있는 비중은 대단히 크며, 또한 공구 재종의 급속한 개발(CBN 공구등)의 도움으로 최근에는 보다 빠르게 절삭을 행하기 위한 연구가 급속히 이루어 지고 있다. 가공 시간중의 절삭시간을 줄이기 위해서는 단위시간당 절삭량(chip removal rate, Q)을 증가시키는 것이 유일한 방법이다. 절삭폭(ae), 절입깊이(ap), 날당 이송량(fz)은 가공공정 조건에 의해 결정되는 인자들이며, 일반적으로 가공물의 재질, 커터의 재종 등에 의해 그 한계가 결정되어진다. 또한 일반적으로 커터의 날 수(z)는 커터직경(d)에 의해 결정되어지는데, 커터의 직경은 가공 장비의 용량에 따라 제한을 받는다. 따라서, 동일한 크기의 커터를 사용하면서 단위시간당 절삭량(Q)을 증가시키기 위한 유일한 방법은 절삭속도(vc)의 증가, 즉 주축의 회전속도(n)를 증가시켜야 한다.
한편 고속가공을 위해 주축의 회전속도(n)의 증가하게 되면 식(2)로부터 동일한 날당 이송량(fz)으로 절삭을 행하기 위해서는 절삭 이송속도의 증가도 병행되어야 한다. 이러한 이유로 인해 고속가공을 위해서는 고속 주축 시스템 및 그에 따른 고속 이송시스템, 그리고 공구 인터페이스 기술 및 고속제어기술의 개발이 선행되어야 하며, 따라서 최신 고속가공기에 적용되고 있는 이러한 요소 기술들에 대하여 간략히 소개하고자 한다.

고속 주축 시스템
고속가공의 장점을 살리기 위한 고속 가공기에 있어 고속 빌트인 스핀들은 고속 주축 실현을 위한 유일한 요소로 간주되고 있다. 스핀들 카트리지와 모터가 분리되어 동력전달기구(기어, 밸트 등)에 의해 구동되는 종래 주축 시스템은 고속회전 시 기어나 밸트 구동에 의한 진동, 소음 문제 및 동력 전달 효율 저하 등의 문제를 야기하여 일반적으로 적용범위가 10,000rpm 이하로 제한되고 있다. 이에 반해 빌트인 스핀들은 모터와 스핀들이 일체형 구조로 되어 있기 때문에 주축의 고속회전에 대응이 유리할 뿐만 아니라 컴팩트한 구조로 머시닝 센터용 주축 및 복합선반용 주축 등으로 그 적용범위가 급격히 증가하는 추세이다.위와 같은 이유로 고속 가공기로서의 머시닝 센터의 주축으로 거의 대부분이 빌트인 스핀들을 채용하고 있으며, 따라서 빌트인 스핀들에 대한 대략적인 공통기술에 대하여 소개하고자 한다.
<그림 3>. 빌트인 스핀들의 구조(자기 베어링, Seiko Seiki社)

빌트인 스핀들의 가장 대표적인 특징은 주파수 제어되는 모터 및 스핀들의 일체형 구성이다. 스핀들 전면의 베어링 그룹은 일반적으로 고정베어링으로 구성되어 있으며, 이는 모터 및 베어링의 열원에 의한 스핀들 헤드의 열변위를 최소화하기 위함이다. 또한 모터 및 베어링 시스템은 폐루프 냉각시스템(강제냉각)에 의해 가능한한 적정 온도를 유지할 수 있도록 제어된다. 스핀들 회전수는 컨버터의 주파수 변화에 의해 제어되어진다. 아울러 스핀들 동작의 감시를 목적으로 다양한 형태의 측정시스템이 적용되고 있는데, 예로서 진동감시, 회전수 측정, 윤활유 냉각수 및 윤활유 및 스테이터의 온도감시, 반경 및 축방향의 베어링하중을 감시하게된다.
베어링 구조/윤활 : 저속운전에 적용되는 스핀들에는 일반적으로 구리스 윤활의 앵귤러 콘텍트 베어링이 사용되며, 베어링의 선정 및 배치는 실 가공상의 절삭하중이 중요하게 고려되어진다. 이에 비하여 고속 회전의 빌트인 스핀들에 있어서 베어링 배치시 가장 중요하게 고려되는 항목은 회전 주파수이며, 이는 고속 회전중 베어링 각 볼에 작용하는 원심력이 회전주파수의 제곱에 비례하여 증가하게 되어 외부하중에 비하여 월등히 크게 작용하기 때문이다. 일반적으로 베어링의 윤활방법을 선정할 때 주로 회전주파수 지수(DmN값)를 고려하게 되는데, 여기서 Dm은 전동체(볼 또는 롤러)의 피치원 지름을 N은 스핀들의 최대 회전수를 의미한다. 주축의 고속화에 따른 베어링의 선정 및 윤활방법의 발전 추세로서,스핀들에 적용되는 윤활방법으로는 그리스, 오일 미스트, 오일 에어 및 오일 분사방법이 있다. 이러한 방법은 특별한 적용특성 및 소요되는 비용에 의해 채용되어 진다. 구리스 윤활의 장점은 윤활에 필요한 추가 장치가 필요없다는 것이다. 물론 도달할 수 있는 회전 주파수 지수가 한계적이다(DmN <1.3×106). 간편한 구조로 인하여 공작기계에 적용되는 약 90%의 스핀들은 구리스 윤활방식이 채택되고 있다. 고속 빌트인 스핀들의 경우에는 종종 오일 에어 방식이 적용된다 (DmN <1.8∼2.1×106). 이는 외부 윤활 장치가 필요하며, 소요 오일량이 압축공기로 베어링에 공급되어지게 된다. 동일한 축 직경에서 오일분사방법은 오일 에어 방식보다 더 높은 회전수를 얻을 수 있으며(DmN <2.3∼2.5×106), 외부 오일공급장치에 의해 연속적인 오일공급 회로가 구성되어 있다. 큰 소요경비에도 불구하고 고출력의 고주파 주축모터의 윤활방법으로 적용되고 있다. 그러나 이 방법은 오일 에어 윤활방법의 지속적 최적화 및 세라믹 볼을 이용한 하이브리드 베어링의 적용으로 그 중요성이 감소되고 있다.중고기계


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