정밀 가공은 정밀 공차 마감을 유지하면서 공작물에서 재료를 제거하는 공정입니다. 정밀 기계에는 밀링, 터닝, 방전 가공 등 다양한 종류가 있습니다. 오늘날 정밀 기계는 일반적으로 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 사용하여 제어됩니다.
거의 모든 금속 제품은 플라스틱이나 목재와 같은 다른 많은 재료와 마찬가지로 정밀 가공을 사용합니다. 이러한 기계는 전문적이고 숙련된 기술자에 의해 작동합니다. 절삭 공구가 제 역할을 하려면 정확한 절삭을 위해 지정된 방향으로 움직여야 합니다. 이 주요 동작을 "절삭 속도"라고 합니다. 공작물은 "이송"이라는 보조 동작으로 이동할 수도 있습니다. 이러한 동작과 절삭 공구의 예리함이 정밀 기계의 작동을 가능하게 합니다.
고품질 정밀 가공을 위해서는 AutoCAD나 TurboCAD와 같은 CAD(컴퓨터 지원 설계) 또는 CAM(컴퓨터 지원 제조) 프로그램으로 제작된 매우 구체적인 청사진을 따라 할 수 있어야 합니다. 이 소프트웨어는 공구, 기계 또는 물체를 제작하는 데 필요한 복잡한 3차원 다이어그램이나 윤곽선을 생성하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 제품의 무결성을 유지하려면 이러한 청사진을 매우 세밀하게 준수해야 합니다. 대부분의 정밀 가공 회사는 어떤 형태로든 CAD/CAM 프로그램을 사용하지만, 설계 초기 단계에서는 여전히 손으로 그린 스케치를 사용하는 경우가 많습니다.
정밀 가공은 강철, 청동, 흑연, 유리, 플라스틱 등 다양한 소재에 사용됩니다. 프로젝트 규모와 사용 소재에 따라 다양한 정밀 가공 도구가 사용됩니다. 선반, 밀링 머신, 드릴 프레스, 톱, 연삭기, 심지어 고속 로봇까지 다양한 조합이 사용될 수 있습니다. 항공우주 산업에서는 고속 가공을, 목공 공구 제작 산업에서는 광화학 에칭 및 밀링 공정을 사용할 수 있습니다. 특정 품목을 특정 수량 또는 대량으로 생산하는 작업은 수천 건에 달할 수도 있고, 단 몇 건에 불과할 수도 있습니다. 정밀 가공에는 종종 CNC 장치의 프로그래밍이 필요한데, 이는 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 통해 제어된다는 것을 의미합니다. CNC 장치를 사용하면 제품 생산 과정 전체에서 정확한 치수를 확인할 수 있습니다.
밀링은 회전 커터를 사용하여 특정 방향으로 공작물에 커터를 전진(또는 이송)시켜 공작물에서 재료를 제거하는 가공 공정입니다. 커터는 공구 축에 대해 일정 각도로 고정될 수도 있습니다. 밀링은 작은 개별 부품부터 대규모의 고강도 갱 밀링 작업에 이르기까지 다양한 작업과 기계를 포괄합니다. 정밀한 공차로 맞춤 부품을 가공하는 데 가장 일반적으로 사용되는 공정 중 하나입니다.
밀링은 다양한 공작기계를 사용하여 수행할 수 있습니다. 밀링용 공작기계의 원래 종류는 밀링머신(종종 밀이라고 함)이었습니다. 컴퓨터 수치 제어(CNC)가 등장한 후, 밀링머신은 머시닝 센터로 발전했습니다. 머시닝 센터는 자동 공구 교환 장치, 공구 매거진 또는 캐러셀, CNC 기능, 냉각 시스템, 그리고 인클로저를 갖춘 밀링머신으로 발전했습니다. 밀링 센터는 일반적으로 수직 머시닝 센터(VMC) 또는 수평 머시닝 센터(HMC)로 분류됩니다.
밀링과 선삭 작업의 통합, 그리고 그 반대의 통합은 선반용 라이브 툴링과 선삭 작업에 간헐적으로 밀을 사용하면서 시작되었습니다. 이는 동일한 작업 영역 내에서 밀링과 선삭 작업을 용이하게 하도록 특별히 제작된 새로운 종류의 공작 기계인 멀티태스킹 머신(MTM)으로 이어졌습니다.
부품 조달에 의존하는 설계 엔지니어, R&D 팀, 그리고 제조업체의 경우, 정밀 CNC 가공을 통해 추가 가공 없이 복잡한 부품을 제작할 수 있습니다. 실제로 정밀 CNC 가공을 통해 단일 기계에서 완제품을 제작하는 것이 가능해지는 경우가 많습니다.
가공 공정은 재료를 제거하고 다양한 절삭 공구를 사용하여 최종적이고 종종 매우 복잡한 부품 디자인을 제작합니다. 가공 공구 제어를 자동화하는 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 통해 정밀도가 더욱 향상됩니다.
정밀 가공에서 "CNC"의 역할
코딩된 프로그래밍 지침을 사용하여 정밀 CNC 가공을 하면 기계 작업자가 수동으로 개입하지 않고도 작업물을 사양에 맞게 절단하고 모양을 잡을 수 있습니다.
고객이 제공한 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델을 바탕으로 전문 기계공은 컴퓨터 지원 제조(CAM) 소프트웨어를 사용하여 부품 가공 지침을 작성합니다. CAD 모델을 기반으로 소프트웨어는 필요한 공구 경로를 결정하고 기계에 다음 사항을 알려주는 프로그래밍 코드를 생성합니다.
■ 적정 RPM과 이송 속도는?
■ 공구 및/또는 작업물을 언제, 어디로 이동시킬 것인가
■ 얼마나 깊이 절단할 것인가
■ 냉각수 주입 시기
■ 속도, 이송 속도, 조정 등과 관련된 기타 요소
CNC 컨트롤러는 프로그래밍 코드를 사용하여 기계의 움직임을 제어, 자동화하고 모니터링합니다.
오늘날 CNC는 선반, 밀링, 라우터부터 와이어 방전 가공(EDM), 레이저, 플라즈마 절단기까지 다양한 장비에 내장되어 있습니다. CNC는 가공 공정을 자동화하고 정밀도를 향상시킬 뿐만 아니라, 수동 작업을 없애고 기계공이 여러 대의 기계를 동시에 관리할 수 있도록 해줍니다.
또한, 툴 패스가 설계되고 기계가 프로그래밍되면 부품을 원하는 횟수만큼 가공할 수 있습니다. 이는 높은 수준의 정밀성과 반복성을 제공하여 공정의 비용 효율성과 확장성을 크게 향상시킵니다.
가공된 재료
일반적으로 가공되는 금속으로는 알루미늄, 황동, 청동, 구리, 강철, 티타늄, 아연 등이 있습니다. 또한 목재, 폼, 유리 섬유, 폴리프로필렌과 같은 플라스틱도 가공할 수 있습니다.
사실, 거의 모든 소재를 정밀 CNC 가공에 사용할 수 있습니다. 물론, 적용 분야와 요구 사항에 따라 다릅니다.
정밀 CNC 가공의 몇 가지 장점
다양한 제조 제품에 사용되는 소형 부품과 구성품의 경우, 정밀 CNC 가공이 종종 선택되는 제조 방법입니다.
거의 모든 절삭 및 가공 방식과 마찬가지로, 다양한 소재는 서로 다른 거동을 보이며, 부품의 크기와 형태 또한 공정에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 일반적으로 정밀 CNC 가공 공정은 다른 가공 방식에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.
CNC 가공은 다음과 같은 기능을 제공할 수 있기 때문입니다.
■ 부품의 복잡성이 높음
■ 일반적으로 ±0.0002인치(±0.00508mm)에서 ±0.0005인치(±0.0127mm)까지의 엄격한 허용 오차
■ 맞춤형 마감을 포함한 매우 매끄러운 표면 마감
■ 높은 볼륨에서도 반복성
숙련된 기계공은 수동 선반을 사용하여 10개 또는 100개의 고품질 부품을 생산할 수 있지만, 부품이 1,000개, 10,000개, 100,000개 또는 100만 개 필요할 때는 어떻게 해야 할까요?
정밀 CNC 가공을 통해 이러한 대량 생산에 필요한 확장성과 속도를 확보할 수 있습니다. 또한, 정밀 CNC 가공의 높은 반복성 덕분에 아무리 많은 부품을 생산하더라도 처음부터 끝까지 동일한 부품을 얻을 수 있습니다.
CNC 가공에는 와이어 방전 가공(EDM), 적층 가공, 3D 레이저 프린팅 등 매우 특수한 방법들이 있습니다. 예를 들어, 와이어 방전 가공은 전도성 소재(주로 금속)와 방전을 이용하여 공작물을 복잡한 형상으로 가공합니다.
하지만 여기서는 밀링과 터닝 공정에 초점을 맞추겠습니다. 이 두 가지 삭감 방법은 널리 사용 가능하고 정밀 CNC 가공에 자주 사용됩니다.
밀링 대 터닝
밀링은 회전하는 원통형 절삭 공구를 사용하여 재료를 제거하고 형상을 만드는 가공 공정입니다. 밀링 장비는 밀 또는 머시닝 센터로 알려져 있으며, 가공된 금속 중 가장 큰 물체에서 다양한 복잡한 형상의 부품을 가공합니다.
밀링의 중요한 특징은 절삭 공구가 회전하는 동안 공작물은 고정된 상태를 유지한다는 것입니다. 다시 말해, 밀링 머신에서는 회전하는 절삭 공구가 공작물 주위를 돌면서 공작물은 베드 위에 고정된 상태를 유지합니다.
터닝(Turning)은 선반이라는 장비에서 공작물을 절삭하거나 형상화하는 공정입니다. 일반적으로 선반은 공작물을 수직 또는 수평 축을 따라 회전시키고, 고정된 절삭 공구(회전 여부는 불분명)는 프로그래밍된 축을 따라 이동합니다.
공구는 물리적으로 부품 주위를 돌 수 없습니다. 소재가 회전하면서 공구가 프로그래밍된 작업을 수행할 수 있습니다. (공구가 스풀이 공급되는 와이어 주위를 회전하는 선반도 있지만, 여기서는 다루지 않습니다.)
터닝은 밀링과 달리 공작물이 회전합니다. 즉, 소재가 선반의 스핀들에서 회전하고 절삭 공구가 공작물에 접촉합니다.
수동 가공 대 CNC 가공
밀링머신과 선반은 모두 수동 모델로 제공되지만, CNC 기계는 소형 부품 제조에 더 적합합니다. 정밀한 허용 오차의 부품을 대량으로 생산해야 하는 응용 분야에서 확장성과 반복성을 제공합니다.
정밀 CNC 장비에는 공구가 X축과 Z축으로 이동하는 간단한 2축 기계 외에도, 공작물도 이동할 수 있는 다축 모델이 있습니다. 이는 공작물이 회전하는 데만 제한되고 공구가 원하는 형상을 생성하기 위해 이동하는 선반과는 대조적입니다.
이러한 다축 구성은 기계 작업자의 추가 작업 없이 단일 작업으로 더 복잡한 형상을 생산할 수 있도록 합니다. 이를 통해 복잡한 부품 생산이 더 쉬워질 뿐만 아니라 작업자 오류 발생 가능성도 줄거나 없앨 수 있습니다.
또한 정밀 CNC 가공과 고압 냉각수를 사용하면 수직 방향의 스핀들이 있는 기계를 사용하는 경우에도 칩이 작업에 들어가지 않습니다.
CNC 밀링 머신
다양한 밀링 머신은 크기, 축 구성, 이송 속도, 절삭 속도, 밀링 이송 방향 및 기타 특성이 다릅니다.
하지만 일반적으로 CNC 밀링 머신은 회전 스핀들을 사용하여 불필요한 소재를 절단합니다. 강철이나 티타늄과 같은 단단한 금속을 절단하는 데 사용되지만 플라스틱이나 알루미늄과 같은 소재에도 사용할 수 있습니다.
CNC 밀링 머신은 반복성을 고려하여 제작되었으며, 프로토타입 제작부터 대량 생산까지 모든 용도에 사용할 수 있습니다. 고급 정밀 CNC 밀링 머신은 미세 다이 및 몰드 밀링과 같이 공차가 매우 작은 작업에 자주 사용됩니다.
CNC 밀링은 빠른 처리 시간을 제공하지만, 밀링 후 마무리는 눈에 띄는 공구 자국이 있는 부품을 생성합니다. 또한 날카로운 모서리와 버(burr)가 있는 부품이 생성될 수 있으므로, 해당 형상에 모서리와 버가 적합하지 않은 경우 추가 공정이 필요할 수 있습니다.
물론, 시퀀스에 프로그래밍된 디버링 도구는 디버링을 수행하지만, 보통 완성된 요구 사항의 최대 90%만 달성하고, 일부 기능은 최종 수동 마무리 작업을 해야 합니다.
표면 마감에 있어서, 허용 가능한 표면 마감뿐만 아니라 작업 제품의 일부에 거울과 같은 마감을 만들어내는 도구들이 있습니다.
CNC 밀링 머신의 종류
밀링 머신에는 수직 머시닝 센터와 수평 머시닝 센터라는 두 가지 기본 유형이 있는데, 주요 차이점은 기계 스핀들의 방향입니다.
수직 머시닝 센터는 스핀들 축이 Z축 방향으로 정렬된 밀링 머신입니다. 이러한 수직 머시닝 센터는 두 가지 유형으로 나뉩니다.
■ 스핀들이 자체 축과 평행하게 움직이는 반면 테이블은 스핀들의 축에 수직으로 움직이는 베드밀
■터렛밀은 스핀들이 고정되어 있고 테이블이 절삭작업 중 스핀들 축과 항상 수직 및 평행이 되도록 움직이는 방식입니다.
수평 머시닝 센터에서는 밀링 머신의 스핀들 축이 Y축 방향으로 정렬됩니다. 수평 구조로 인해 이러한 밀링 머신은 작업 현장에서 더 많은 공간을 차지하는 경향이 있으며, 일반적으로 수직 머시닝 머신보다 무게가 더 무겁고 더 강력합니다.
수평 밀링 머신은 더 나은 표면 조도가 필요할 때 자주 사용됩니다. 스핀들의 방향 덕분에 절삭 칩이 자연스럽게 떨어져 쉽게 제거되기 때문입니다. (또한 효율적인 칩 제거는 공구 수명 연장에도 도움이 됩니다.)
일반적으로 수직형 머시닝 센터는 수평형 머시닝 센터만큼 강력하고 매우 작은 부품도 처리할 수 있기 때문에 더 널리 사용됩니다. 또한, 수직형 머시닝 센터는 수평형 머시닝 센터보다 설치 면적이 작습니다.
다축 CNC 밀링 머신
정밀 CNC 밀링 센터는 여러 축으로 제공됩니다. 3축 밀링은 X, Y, Z축을 사용하여 다양한 작업을 수행합니다. 4축 밀링은 수직 및 수평축을 중심으로 회전하고 공작물을 이동시켜 더욱 연속적인 가공을 가능하게 합니다.
5축 밀링 머신은 기존 축 3개와 추가 회전축 2개를 갖추고 있어 스핀들 헤드가 공작물을 중심으로 회전할 수 있습니다. 이를 통해 공작물을 제거하거나 기계를 재설정하지 않고도 공작물의 5면을 가공할 수 있습니다.
CNC 선반
선반(터닝 센터라고도 함)은 하나 이상의 스핀들과 X축, Z축을 갖습니다. 이 기계는 공작물을 축을 중심으로 회전시켜 다양한 절삭 및 형상 가공 작업을 수행하고, 공작물에 다양한 공구를 적용하는 데 사용됩니다.
라이브 액션 툴링 선반이라고도 불리는 CNC 선반은 대칭형 원통형 또는 구형 부품을 제작하는 데 이상적입니다. CNC 밀링 머신과 마찬가지로 CNC 선반은 프로토타입 제작과 같은 소규모 작업을 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 반복성을 고려하여 대량 생산을 지원할 수 있습니다.
CNC 선반은 비교적 손을 사용하지 않고 생산할 수 있도록 설정할 수 있어 자동차, 전자, 항공우주, 로봇, 의료기기 산업에서 널리 사용됩니다.
CNC 선반의 작동 원리
CNC 선반에서는 빈 소재 막대를 선반 스핀들의 척에 넣습니다. 이 척은 스핀들이 회전하는 동안 공작물을 고정합니다. 스핀들이 필요한 속도에 도달하면 고정된 절삭 공구가 공작물에 접촉하여 소재를 제거하고 정확한 형상을 얻습니다.
CNC 선반은 드릴링, 나사 가공, 보링, 리밍, 페이싱, 테이퍼 터닝 등 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 작업 종류에 따라 공구 교체가 필요하며, 비용과 설치 시간이 증가할 수 있습니다.
필요한 모든 가공 작업이 완료되면, 필요한 경우 추가 가공을 위해 해당 부품을 재고에서 절단합니다. 그러면 CNC 선반이 작업을 반복할 준비가 되며, 일반적으로 작업 중간에 추가 설정 시간이 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다.
CNC 선반은 다양한 자동 바 공급 장치를 수용할 수 있어 수동으로 원자재를 취급하는 양을 줄이고 다음과 같은 장점을 제공합니다.
■ 기계 조작자의 소요 시간과 노력을 절감
■ 정밀도에 부정적인 영향을 줄 수 있는 진동을 줄이기 위해 막대형 지지대를 지지합니다.
■ 공작기계가 최적의 스핀들 속도로 작동할 수 있도록 합니다.
■ 교체 시간 최소화
■ 재료 낭비 감소
CNC 선반의 종류
선반에는 여러 종류가 있지만 가장 흔한 것은 2축 CNC 선반과 중국식 자동 선반입니다.
대부분의 중국산 CNC 선반은 주축 1~2개와 보조축 1~2개를 사용하며, 회전 이송 장치가 주축의 역할을 합니다. 주축은 가이드 부싱의 도움을 받아 주요 가공 작업을 수행합니다.
또한 일부 중국식 선반에는 CNC 밀링 머신으로 작동하는 두 번째 도구 헤드가 장착되어 있습니다.
CNC 중국식 자동 선반은 소재를 슬라이딩 헤드 스핀들을 통해 가이드 부싱으로 이송합니다. 이를 통해 공구가 소재가 지지되는 지점에 더 가깝게 소재를 절삭할 수 있어, 길고 가는 선삭 부품과 미세 가공에 특히 유용합니다.
다축 CNC 터닝 센터와 중국식 선반은 하나의 기계로 여러 가공 작업을 수행할 수 있습니다. 따라서 기존 CNC 밀링 머신과 같은 장비를 사용하여 여러 대의 기계 또는 공구 교체가 필요했던 복잡한 형상을 가공하는 데 비용 효율적인 옵션입니다.