정밀 가공은 정밀한 공차를 유지하면서 공작물에서 재료를 제거하는 공정입니다. 정밀 가공 기계에는 밀링, 터닝, 방전 가공 등 여러 종류가 있습니다. 오늘날의 정밀 가공 기계는 일반적으로 컴퓨터 수치 제어(CNC) 시스템을 사용하여 제어됩니다.
거의 모든 금속 제품은 물론 플라스틱이나 목재와 같은 많은 재료에도 정밀 가공이 사용됩니다. 이러한 기계는 전문 교육을 받은 기계공이 조작합니다. 절삭 공구가 제 역할을 하려면 정확한 절삭을 위해 지정된 방향으로 움직여야 합니다. 이 주요 운동을 "절삭 속도"라고 합니다. 또한 공작물을 이동시키는 보조 운동을 "이송 속도"라고 합니다. 이러한 주요 운동과 절삭 공구의 예리함이 결합되어 정밀 기계가 작동합니다.
고품질 정밀 가공을 위해서는 AutoCAD나 TurboCAD 같은 CAD(컴퓨터 지원 설계) 또는 CAM(컴퓨터 지원 제조) 프로그램으로 제작된 매우 정밀한 도면을 정확하게 따라야 합니다. 이러한 소프트웨어는 공구, 기계 또는 물체를 제조하는 데 필요한 복잡한 3차원 도면이나 윤곽선을 생성하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 제품의 완성도를 유지하려면 이러한 도면을 매우 세밀하게 준수해야 합니다. 대부분의 정밀 가공 업체는 CAD/CAM 프로그램을 사용하지만, 설계 초기 단계에서는 여전히 손으로 그린 스케치를 활용하는 경우가 많습니다.
정밀 가공은 강철, 청동, 흑연, 유리, 플라스틱 등 다양한 재료에 적용됩니다. 프로젝트 규모와 사용되는 재료에 따라 다양한 정밀 가공 도구가 사용됩니다. 선반, 밀링 머신, 드릴 프레스, 톱, 연삭기, 심지어 고속 로봇까지 다양한 조합으로 활용될 수 있습니다. 항공우주 산업에서는 고속 가공을, 목공 도구 제작 산업에서는 광화학 에칭 및 밀링 공정을 사용할 수 있습니다. 특정 품목의 생산량은 수천 개에 달할 수도 있고, 소량일 수도 있습니다. 정밀 가공에는 종종 CNC(컴퓨터 수치 제어) 장비의 프로그래밍이 필요합니다. CNC 장비를 사용하면 제품 생산 전 과정에 걸쳐 정확한 치수를 유지할 수 있습니다.
밀링은 회전하는 절삭 공구를 사용하여 공작물에서 재료를 제거하는 가공 공정입니다. 이 과정에서 절삭 공구는 특정 방향으로 공작물 쪽으로 전진(또는 이송)됩니다. 절삭 공구는 공구 축에 대해 특정 각도로 유지될 수도 있습니다. 밀링은 소형 개별 부품부터 대형 중장비 갱 밀링 작업에 이르기까지 다양한 규모와 작업 유형을 포괄합니다. 정밀한 공차로 맞춤형 부품을 가공하는 데 가장 일반적으로 사용되는 공정 중 하나입니다.
밀링 작업은 다양한 공작기계를 사용하여 수행할 수 있습니다. 밀링 작업에 사용되는 최초의 공작기계는 밀링 머신(흔히 밀이라고도 함)이었습니다. 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술의 등장 이후, 밀링 머신은 머시닝 센터로 발전했습니다. 머시닝 센터는 자동 공구 교환 장치, 공구 매거진 또는 캐러셀, CNC 기능, 냉각 시스템 및 보호 덮개 등이 추가된 밀링 머신입니다. 밀링 센터는 일반적으로 수직형 머시닝 센터(VMC)와 수평형 머시닝 센터(HMC)로 분류됩니다.
밀링 작업을 선삭 작업에 통합하고, 반대로 선삭 작업을 밀링 작업에 통합하는 것은 선반용 라이브 툴링과 선삭 작업에 가끔씩 밀링 머신을 사용하는 것에서 시작되었습니다. 이는 동일한 작업 영역 내에서 밀링과 선삭 작업을 모두 수행할 수 있도록 특별히 설계된 다기능 공작기계(MTM)라는 새로운 종류의 공작기계의 등장으로 이어졌습니다.
부품 조달에 의존하는 설계 엔지니어, 연구 개발팀 및 제조업체에게 정밀 CNC 가공은 추가 가공 없이 복잡한 부품을 제작할 수 있도록 해줍니다. 실제로 정밀 CNC 가공을 통해 단일 기계에서 완제품을 생산하는 것이 가능한 경우가 많습니다.
가공 공정은 재료를 제거하고 다양한 절삭 공구를 사용하여 최종적으로 매우 복잡한 부품의 형상을 만들어냅니다. 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 통해 가공 공구의 제어를 자동화함으로써 정밀도를 향상시킵니다.
정밀 가공에서 "CNC"의 역할
정밀 CNC 가공은 코딩된 프로그래밍 명령어를 사용하여 기계 조작자의 수동 개입 없이 공작물을 사양에 맞게 절단하고 성형할 수 있도록 합니다.
숙련된 기계공은 고객이 제공한 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델을 사용하여 컴퓨터 지원 제조(CAM) 소프트웨어로 부품 가공 지침을 생성합니다. 소프트웨어는 CAD 모델을 기반으로 필요한 공구 경로를 결정하고 기계에 다음과 같은 명령을 내리는 프로그래밍 코드를 생성합니다.
■ 적절한 RPM과 이송 속도는 무엇입니까?
■ 공구 및/또는 공작물을 언제, 어디로 이동시켜야 하는가
■ 얼마나 깊게 잘라야 할까요?
■ 냉각수 사용 시기
■ 속도, 이송 속도 및 조정과 관련된 기타 모든 요소
CNC 컨트롤러는 프로그래밍 코드를 사용하여 기계의 움직임을 제어, 자동화 및 모니터링합니다.
오늘날 CNC(무선 가공)는 선반, 밀링 머신, 라우터부터 와이어 방전 가공(EDM), 레이저 및 플라즈마 절단기에 이르기까지 다양한 장비에 내장되어 있습니다. CNC는 가공 공정을 자동화하고 정밀도를 향상시키는 것 외에도 수작업을 없애고 작업자가 여러 대의 기계를 동시에 관리할 수 있도록 해줍니다.
또한, 일단 공구 경로가 설계되고 기계가 프로그래밍되면, 동일한 부품을 원하는 만큼 반복해서 가공할 수 있습니다. 이는 높은 수준의 정밀도와 반복성을 제공하여 결과적으로 비용 효율성과 확장성을 크게 향상시킵니다.
가공되는 재료
일반적으로 기계 가공에 사용되는 금속으로는 알루미늄, 황동, 청동, 구리, 강철, 티타늄, 아연 등이 있습니다. 또한 목재, 폼, 유리 섬유, 폴리프로필렌과 같은 플라스틱도 기계 가공이 가능합니다.
사실, 용도와 요구 사항에 따라 다르겠지만, 거의 모든 재료를 정밀 CNC 가공에 사용할 수 있습니다.
정밀 CNC 가공의 몇 가지 장점
다양한 제조 제품에 사용되는 많은 소형 부품 및 구성 요소의 경우 정밀 CNC 가공이 종종 선호되는 제작 방법입니다.
거의 모든 절삭 및 가공 방법과 마찬가지로, 재료마다 거동이 다르고 부품의 크기와 모양 또한 가공 과정에 큰 영향을 미칩니다. 하지만 일반적으로 정밀 CNC 가공 공정은 다른 가공 방법에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.
CNC 가공은 다음과 같은 이점을 제공할 수 있기 때문입니다.
■ 부품의 높은 복잡성
■ 엄격한 공차, 일반적으로 ±0.0002인치(±0.00508mm) ~ ±0.0005인치(±0.0127mm) 범위
■ 맞춤형 마감을 포함한 매우 매끄러운 표면 마감
■ 대량 생산에서도 반복성 유지
숙련된 기계공은 수동 선반을 사용하여 10개 또는 100개 정도의 고품질 부품을 만들 수 있지만, 1,000개, 10,000개, 100,000개 또는 백만 개의 부품이 필요할 때는 어떻게 해야 할까요?
정밀 CNC 가공을 통해 이러한 대량 생산에 필요한 확장성과 속도를 확보할 수 있습니다. 또한, 정밀 CNC 가공의 높은 반복성은 생산량에 관계없이 처음부터 끝까지 모든 부품이 동일하도록 보장합니다.
CNC 가공에는 와이어 방전 가공(EDM), 적층 가공, 3D 레이저 프린팅과 같은 매우 특수한 방법들이 있습니다. 예를 들어, 와이어 방전 가공은 전도성 재료(주로 금속)와 전기 방전을 이용하여 공작물을 복잡한 형상으로 깎아내는 방식입니다.
하지만 여기서는 정밀 CNC 가공에 널리 사용되고 자주 활용되는 두 가지 절삭 가공 방식인 밀링과 터닝 공정에 초점을 맞추겠습니다.
밀링 vs. 선삭
밀링은 회전하는 원통형 절삭 공구를 사용하여 재료를 제거하고 형상을 만드는 가공 공정입니다. 밀링 장비는 밀링 머신 또는 머시닝 센터라고도 하며, 가장 큰 금속 가공품에 이르기까지 매우 복잡한 부품 형상을 구현합니다.
밀링 가공의 중요한 특징은 공작물이 고정된 상태로 유지되는 동안 절삭 공구가 회전한다는 점입니다. 다시 말해, 밀링 머신에서는 회전하는 절삭 공구가 베드에 고정된 공작물 주위를 움직입니다.
선삭은 선반이라는 장비를 사용하여 공작물을 절삭하거나 형상을 만드는 공정입니다. 일반적으로 선반은 공작물을 수직 또는 수평 축을 중심으로 회전시키고, 고정된 절삭 공구(회전할 수도 있고 회전하지 않을 수도 있음)가 프로그래밍된 축을 따라 이동합니다.
공구는 물리적으로 부품 주위를 돌아갈 수 없습니다. 재료가 회전하면서 공구가 프로그래밍된 작업을 수행할 수 있게 됩니다. (단, 공구가 스풀에서 공급되는 와이어를 중심으로 회전하는 선반도 있지만, 여기서는 다루지 않습니다.)
선삭 가공은 밀링 가공과 달리 공작물이 회전합니다. 가공 대상물이 선반의 스핀들을 중심으로 회전하고, 절삭 공구가 공작물과 접촉하게 됩니다.
수동 가공 vs. CNC 가공
밀링 머신과 선반 모두 수동 모델이 있지만, CNC 기계는 소형 부품 제조에 더 적합합니다. CNC 기계는 정밀한 공차를 요구하는 부품을 대량 생산해야 하는 용도에 확장성과 반복성을 제공하기 때문입니다.
정밀 CNC 장비는 공구가 X축과 Z축으로 이동하는 단순한 2축 기계 외에도 공작물도 이동할 수 있는 다축 모델을 제공합니다. 이는 공작물이 회전만 가능하고 공구가 움직여 원하는 형상을 만드는 선반과는 대조적입니다.
이러한 다축 구성은 기계 조작자의 추가 작업 없이 단일 공정으로 더욱 복잡한 형상을 제작할 수 있도록 합니다. 이는 복잡한 부품 생산을 용이하게 할 뿐만 아니라 조작자의 오류 발생 가능성을 줄이거나 없애줍니다.
또한, 정밀 CNC 가공 시 고압 냉각수를 사용하면 수직형 스핀들을 사용하는 기계에서도 칩이 가공물에 유입되지 않도록 방지할 수 있습니다.
CNC 밀링 머신
밀링 머신은 크기, 축 구성, 이송 속도, 절삭 속도, 밀링 이송 방향 및 기타 특성에서 차이가 있습니다.
하지만 일반적으로 CNC 밀링 머신은 회전하는 스핀들을 이용하여 불필요한 재료를 절삭합니다. 강철이나 티타늄과 같은 경금속을 절삭하는 데 사용되지만 플라스틱이나 알루미늄과 같은 재료에도 사용할 수 있습니다.
CNC 밀링 머신은 반복 정밀도를 위해 설계되었으며 시제품 제작부터 대량 생산까지 모든 용도로 사용될 수 있습니다. 고급 정밀 CNC 밀링 머신은 정밀 금형 및 다이 가공과 같이 매우 높은 공차를 요구하는 작업에 자주 사용됩니다.
CNC 밀링은 빠른 생산 속도를 제공하지만, 가공 후 마무리 작업으로 인해 부품에 공구 자국이 눈에 띄게 남을 수 있습니다. 또한 날카로운 모서리나 버(burr)가 발생할 수 있으므로, 이러한 부분이 허용되지 않는 경우에는 추가 공정이 필요할 수 있습니다.
물론, 작업 순서에 프로그래밍된 디버링 도구는 디버링 작업을 수행하지만, 일반적으로 최대 90% 정도의 완성도만 달성하고 나머지 부분은 최종 수작업으로 마무리해야 합니다.
표면 마감에 관해서는, 만족스러운 표면 마감뿐만 아니라 작업물의 일부에 거울처럼 매끄러운 마감을 구현할 수 있는 도구들이 있습니다.
CNC 밀링 머신의 종류
밀링 머신은 크게 수직형 머시닝 센터와 수평형 머시닝 센터로 나뉘는데, 주요 차이점은 기계 스핀들의 방향에 있습니다.
수직형 머시닝 센터는 스핀들 축이 Z축 방향으로 정렬된 밀링 머신입니다. 이러한 수직형 머신은 다시 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
■베드 밀은 스핀들이 자체 축과 평행하게 움직이고 테이블은 스핀들 축에 수직으로 움직이는 방식입니다.
■터릿 밀은 스핀들은 고정되어 있고 테이블이 절삭 작업 중 항상 스핀들 축에 수직 및 평행하게 이동하도록 설계된 기계입니다.
수평형 머시닝 센터에서 밀링 머신의 스핀들 축은 Y축 방향으로 정렬됩니다. 수평 구조로 인해 이러한 밀링 머신은 일반적으로 수직형 머신보다 더 많은 공간을 차지하며, 무게도 더 무겁고 출력도 더 높습니다.
수평 밀링기는 표면 조도가 더욱 중요할 때 자주 사용됩니다. 스핀들의 방향 덕분에 절삭 칩이 자연스럽게 떨어져 나가 쉽게 제거되기 때문입니다. (효율적인 칩 제거는 공구 수명 연장에도 도움이 됩니다.)
일반적으로 수직형 머시닝 센터는 수평형 머시닝 센터만큼 강력하면서도 매우 작은 부품까지 가공할 수 있기 때문에 더 널리 사용됩니다. 또한, 수직형 센터는 수평형 머시닝 센터보다 설치 공간이 작습니다.
다축 CNC 밀링 머신
정밀 CNC 밀링 센터는 다축 모델이 있습니다. 3축 밀링 머신은 X, Y, Z축을 활용하여 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 4축 밀링 머신은 수직 및 수평축을 중심으로 회전하고 공작물을 이동시켜 더욱 연속적인 가공이 가능합니다.
5축 밀링 머신은 기존의 3축에 2축의 회전축이 추가되어, 스핀들 헤드가 공작물을 중심으로 회전하는 동안 공작물도 함께 회전할 수 있습니다. 따라서 공작물을 분리하거나 기계를 재설정하지 않고도 공작물의 5면을 가공할 수 있습니다.
CNC 선반
선반(터닝 센터라고도 함)은 하나 이상의 스핀들과 X축 및 Z축을 가지고 있습니다. 이 기계는 공작물을 축을 중심으로 회전시켜 다양한 절삭 및 성형 작업을 수행하고, 다양한 공구를 공작물에 적용하는 데 사용됩니다.
CNC 선반은 회전식 공구 선반이라고도 하며, 대칭형 원통형 또는 구형 부품을 제작하는 데 이상적입니다. CNC 밀링 머신과 마찬가지로 CNC 선반은 시제품 제작과 같은 소규모 작업에 적합할 뿐만 아니라 높은 반복성을 갖도록 설정하여 대량 생산에도 활용할 수 있습니다.
CNC 선반은 비교적 자동화된 생산 방식으로 설정할 수 있어 자동차, 전자, 항공우주, 로봇 및 의료기기 산업에서 널리 사용됩니다.
CNC 선반의 작동 원리
CNC 선반에서는 가공할 소재를 선반 스핀들의 척에 장착합니다. 이 척은 스핀들이 회전하는 동안 가공물을 제자리에 고정시켜 줍니다. 스핀들이 필요한 속도에 도달하면 고정된 절삭 공구가 가공물에 닿아 재료를 제거하고 정확한 형상을 만들어냅니다.
CNC 선반은 드릴링, 나사 가공, 보링, 리밍, 페이싱, 테이퍼 터닝 등 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 각기 다른 작업에는 공구 교체가 필요하며, 이는 비용과 준비 시간을 증가시킬 수 있습니다.
필요한 모든 가공 작업이 완료되면, 필요에 따라 추가 가공을 위해 부품을 소재에서 절단합니다. 그런 다음 CNC 선반은 추가 설정 시간 없이 또는 최소한의 설정 시간만으로 동일한 작업을 반복할 준비가 됩니다.
CNC 선반은 다양한 자동 바 피더를 장착할 수 있어 수동 원자재 처리량을 줄이고 다음과 같은 이점을 제공합니다.
■ 기계 조작에 필요한 시간과 노력을 줄입니다
■ 정밀도에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 진동을 줄이기 위해 봉재를 지지하십시오.
■ 공작기계가 최적의 스핀들 속도로 작동하도록 하십시오.
■ 전환 시간 최소화
■ 자재 낭비 줄이기
CNC 선반의 종류
선반에는 여러 종류가 있지만, 가장 흔한 것은 2축 CNC 선반과 중국식 자동 선반입니다.
대부분의 중국산 CNC 선반은 하나 또는 두 개의 주축과 하나 또는 두 개의 보조축을 사용하며, 주축은 회전 동력 전달 장치에 의해 구동됩니다. 주축은 가이드 부싱의 도움을 받아 주요 가공 작업을 수행합니다.
또한, 일부 중국식 선반에는 CNC 밀링기로 작동하는 두 번째 공구 헤드가 장착되어 있습니다.
중국식 CNC 자동 선반은 슬라이딩 헤드 스핀들을 통해 소재를 가이드 부싱으로 이송합니다. 이를 통해 공구가 소재 지지점에 더 가깝게 절삭할 수 있으므로, 길고 가는 선삭 부품이나 미세 가공에 특히 적합합니다.
다축 CNC 선반 및 중국식 선반은 단일 장비로 여러 가공 작업을 수행할 수 있습니다. 따라서 기존 CNC 밀링 머신과 같은 장비를 사용할 경우 여러 대의 장비나 공구 교체가 필요한 복잡한 형상 가공에 비용 효율적인 대안이 됩니다.