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난삭재 가공의 요술 지팡이 – DMG MORI Ultrasonic

DMG MORI ULTRASONIC 20 linear
DMG MORI ULTRASONIC 20 linear

복잡한 형상의 하이테크 난삭 소재 가공에 대한 솔루션인 디엠지모리의 울트라소닉(Ultrasonic)은 초음파와 밀링을 결합한 ‘초음파 부가 가공’ 기술이 적용된 장비이다. 초음파를 활용해 툴의 회전력은 그대로 유지하면서 위아래로 움직이는 상하 진동을 추가해 가공 효율성을 높인다. 공구의 회전과 초음파 진동의 중첩(overlapping) 원리로 프로세스 에너지가 감소하여 가공 시간을 50%가량 단축할 수 있다. 니켈이나 티타늄과 같은 난삭재와 마그네슘, 텅스텐 같은 재료뿐만 아니라 복합 재료의 밀링과 드릴링에 초음파를 부가하여 가공한다. 티타늄 밀링 가공 시 기존 가공 대비 가공 부하를 최대 40%까지 줄일 수 있다. 가공 부하가 감소하면 가공물의 스트레스가 훨씬 줄어들고 가공 속도를 높일 수 있는 여유가 생긴다. 강의 경우 공급 속도를 2배, 마그네슘의 경우는 최대 5배까지 늘릴 수 있다.

공작물과 접촉하는 툴에 가해지는 초음파 진동은 절삭 엣지의 윤활 및 냉각을 개선한다. 배출하는 칩을 짧게 만드는 동시에 잘 제거되게 하여 가공 면에 상처를 적게 준다. 이로 인해 단단하고 잘 부러지는 고성능 재료의 경우에는 최대 Ra<0.1μm 수준의 표면 조도를 나타내며, 툴 수명도 늘어나는 효과가 있다. 공작물의 정밀도와 공정의 신뢰도가 동시에 증가하는 효과를 보이는 것이다. 또한, 탄소섬유계 소재 가공 시 어려운 점 중 하나인 구상인선 발생을 방지하고, 섬유가 조각나거나 찢기는 문제를 막아 매끄러운 품질의 모서리와 표면을 얻을 수 있는 것이 이 초음파 부가 가공 방식의 장점이다. ULTRASONIC은 단일 머신에서 난삭재에 대한 고속 절삭과 그라인딩을 모두 할 수 있어 다양한 재료에 대한 가공을 수용할 수 있다.

ULTRASONIC의 가공 장면. 티타늄의 경우 기존 가공 대비 가공 부하를 최대 40%까지 줄일 수 있다.
ULTRASONIC의 가공 장면. 티타늄의 경우 기존 가공 대비 가공 부하를 최대 40%까지 줄일 수 있다.

피에조 소자가 적용된 홀더
ULTRASONIC의 핵심 기술은 디지털 제어식 초음파 발생기와 최대 50,000rpm의 회전 속도를 나타내는 액츄에이터이다. 이 액츄에이터에는 피에조 소자가 장착되어 있는데 고주파(20~50kHz)를 발생하는 프로그램 제어식 유도 시스템이 이 소자를 활성화한다. 세로 방향의 진폭이 정의된 상태에서 원래의 툴 회전이 추가적인 툴 움직임과 중첩된다. 이로 인해 초래된 절삭 엣지 또는 그라인딩 영역의 처짐은 NC 프로그램을 통해 제어되며, 최대 10µm의 범위 또는 그 이상이 될 수 있다. 가공 중에 이처럼 중첩된 진동들은 가공 부하와 소재 제거 용량 및 툴 사용 수명에 긍정적인 영향을 미치게 된다.

EUltrasonic의 핵심부품인 초음파 진동 툴 홀더. 장비에서 전자동으로 교체할 수 있다.
EUltrasonic의 핵심부품인 초음파 진동 툴 홀더. 장비에서 전자동으로 교체할 수 있다.
인덕션을 통해 스핀들에서 HSK 홀더로 초음파 진동을 전달해 피에조 세라믹 소자가 진동을 발생한다.
인덕션을 통해 스핀들에서 HSK 홀더로 초음파 진동을 전달해 피에조 세라믹 소자가 진동을 발생한다.

초음파 부가 가공 – 파라미터
UPD (ULTRASONIC Parameter Detection)은 액츄에이터와 툴에 가장 적합한 초음파 주파수를 자동으로 검출해 공정을 지원하는 기능이다. 가공 프로세스 중 사용되는 주파수와 진폭을 모니터링 및 추적한다. 또한 UAT(ULTRASONIC Auto Tuning)는 주파수 응답을 자동으로 추적하고 일차 공정력에 의한 초음파 진동 감쇠와 같은 모든 외부 영향을 보상한다. 이를 통해 NC 프로그램에 설정된 값에 대한 일관성 있는 재조정이 가능해진다. 이러한 보조 기능들을 이용해 사용자는 공정을 명확하게 규명하고 툴 이용률을 높이는 동시에 사이클타임을 단축할 수 있다.
초음파 부가를 위한 툴 홀더는 밀링 스핀들로도 자동 교체할 수 있고, 매거진 하나에 ULTRASONIC 작동 공구 홀더와 일반 HSK 공구 홀더를 유연하게 변경해 사용할 수 있다. 따라서 가공 조건에 맞춰 DMG MORI가 보유하고 있는 다양한 기종의 장비에 ULTRASONIC 액츄에이터를 장착해 사용할 수도 있다.

1. UPD (ULTRASONIC Parameter Detection) 모든 툴은 속성에 따라 고유의 진동수가 있다. UPD는 최적의 작동 주파수와 진동 폭 평가를 위해 툴이 장비 안으로 들어오면 액추에이터의 공진 주파수를 자동으로 감지하는 시스템이다. 수동 작동이 불필요하고 간소화된 마스크로 모든 기능을 표시하고 파라미터를 인식한다. 2. UAT (ULTRASONIC Auto Tuning) UAT는 시시각각 변하는 공구 진동수를 추적해서 진폭을 일정하게 보존해 주는 자동화 시스템이다. 안정적이고 신뢰할 수 있는 가공 품질을 보장해준다.
1. UPD (ULTRASONIC Parameter Detection) 모든 툴은 속성에 따라 고유의 진동수가 있다. UPD는 최적의 작동 주파수와 진동 폭 평가를 위해 툴이 장비 안으로 들어오면 액추에이터의 공진 주파수를 자동으로 감지하는 시스템이다. 수동 작동이 불필요하고 간소화된 마스크로 모든 기능을 표시하고 파라미터를 인식한다. 2. UAT (ULTRASONIC Auto Tuning) UAT는 시시각각 변하는 공구 진동수를 추적해서 진폭을 일정하게 보존해 주는 자동화 시스템이다. 안정적이고 신뢰할 수 있는 가공 품질을 보장해준다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.