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절삭 가공. 그냥 하신다고요? – CNC 가공 검증 및 최적화 소프트웨어 VERICUT

미국 캘리포니아 어바인에 본사를 둔 씨지텍(CGTech)에서 개발한 CNC 시뮬레이션 소프트웨어인 VERICUT(이하 베리컷)은 컴퓨터상에서 기계 가공을 검증하고 최적화해주는 소프트웨어다. 베리컷은 기계 가공 전에 NC 프로그램을 시뮬레이션한다. 이상적인 상태를 가상으로 시뮬레이션하기 때문에 베리컷은 기계적인 문제를 찾아내지 못하지만, 베리컷에서 일어나지 않은 에러나 오류는 모두 기계적인 문제라고도 할 수 있다.

CNC 가공 검증 및 최적화 소프트웨어 VERICUT
CNC 가공 검증 및 최적화 소프트웨어 VERICUT

베리컷은 CAD/CAM 시스템의 CL 데이터 시뮬레이션과는 달리 공작기계에서 실행되는 G코드를 이용하여 시뮬레이션한다. CNC 공작기계, 복합 가공기 및 복합 선반, 5면 가공기, 5축 가공기 등의 모든 타입의 시뮬레이션이 가능하다. 기계의 매크로 프로그램, 시스템 변수, ATC 동작, 팔레트 변경 등을 재현할 수 있는 가공 검증을 통해 소재파손, 치공구 손상, 공구 파손, 장비충돌 등과 같은 에러들을 사전에 제거할 수 있다. 또한 베리컷은 가공된 절삭 모델과 설계 모델의 비교를 통해 과/미삭을 찾을 수 있으며, 빠르고 효과적인 CAM 프로그램을 만들 수 있는 가공속도 최적화 기능을 가지고 있다.

가공 검증

실제로 가공 현장에서 가공 불량을 피할 수는 없다. 다양한 원인으로 발생하는 가공 불량은 지속해서 줄여나가야 하는 골치 아픈 문제이다. 가공불량뿐만 아니라 여러 가지 충돌도 빈번하게 발생한다. 주로 NC 프로그램 에러로 발생하는 갖가지 충돌은 공구나 홀더, 치공구 심지어 고가의 스핀들을 파손시키기도 한다. 기업 입장에서는 막대한 손실이 발생하는 대목이다. 이렇게 가공 불량과 공구 충돌은 부품, 소재와 공구 교체, 영업 손실, 작업 지연과 같은 직접적인 비용뿐만 아니라, 납기 지연, 회사의 신뢰도 하락, 기술 경력에 손상 등 간접적인 비용 증가로도 나타나게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 가공 현장에서는 시뮬레이션을 이용한 가공 검증을 도입하고 있다.

베리컷의 검증 기술
일부 현장에서는 CAM 프로그램에 내장된 검증 시스템으로 툴패스를 점검하기도 한다. 그러나, 이 경우는 장비의 움직임까지 시뮬레이션해주지 않기 때문에 전문적인 검증 소프트웨어에 비해 검증의 정확도가 떨어질 수 있다. 전문적인 검증 소프트웨어의 경우를 보더라도 검증 방식으로 보통 ‘폴리곤’ 조합 방식을 사용한다. 이는 부정확하고 낮은 품질의 검증 결과를 보인다. 또한, 시뮬레이션 속도가 느리고 부정확한 원형 형상과 부정확한 5축 모션으로 검증 결과를 신뢰하기 어렵다. 반면 베리컷의 가공 검증은 매우 정확한 고품질 모델 형상을 나타내 준다. 또한, 모든 공정에 한가지 모델을 사용해 빠르고 일정한 시뮬레이션 시간을 보장한다.

폴리곤 조합을 사용한 검증 소프트웨어는 이미지가 거칠다(좌). 베리컷은 실 가공에 가까운 이미지로 시뮬레이션한다(우).
폴리곤 조합을 사용한 검증 소프트웨어는 이미지가 거칠다(좌). 베리컷은 실 가공에 가까운 이미지로 시뮬레이션한다(우).

베리컷의 장비 시뮬레이션은 충돌과 충돌 근접 거리를 검증해 준다. 디지털트윈 기술로 장비의 움직임을 그대로 재현해 주기 때문에 무인가공이 필요한 기업에서는 반드시 사용하는 옵션이기도 하다. 이 기능은 충돌로 인해 발생하는 값비싼 수리 비용과 작업 지연을 방지해 줄 수 있다. 무엇보다 안전이 확보되고, 가공 효율이 향상되며, 신규 장비 가동 준비 시간을 단축할 수 있다.

베리컷의 장비 시뮬레이션은 충돌과 충돌 근접 거리를 검증해 준다.
베리컷의 장비 시뮬레이션은 충돌과 충돌 근접 거리를 검증해 준다.

베리컷 가공 검증 사용하기

[Step 1] CAM 가공 정보 가져오기

CAM 인터페이스를 이용, 쉽고 빠르게 가공 정보를 VERICUT으로 불러올 수 있다.
CAM 인터페이스를 이용, 쉽고 빠르게 가공 정보를 VERICUT으로 불러올 수 있다.

[Step 2] VERICUT 실행

사용자는 시뮬레이션을 지켜보지 않아도 되기 때문에 실행 후 다른 일을 하거나 밤새 실행시키면 된다.
사용자는 시뮬레이션을 지켜보지 않아도 되기 때문에 실행 후 다른 일을 하거나 밤새 실행시키면 된다.

[Step 3] 결과 확인

에러가 있다면 수정한다. 에러를 클릭하면 해당 NC 코드를 바로 찾을 수 있다.
에러가 있다면 수정한다. 에러를 클릭하면 해당 NC 코드를 바로 찾을 수 있다.

[Step 4] 작업 지시서와 검사 지시서 자동 생성

작업장에 문서들을 보내기만 하면 된다.
작업장에 문서들을 보내기만 하면 된다.

가공속도 최적화

가공시간의 단축은 생산성 향상을 위한 아주 기본적이고도 필수적인 과제다. 최근에는 가공성을 떨어뜨리는 여러 특성으로 인해 가공 시간이 길어질 수밖에 없는 난삭재 가공이 점차 증가하고 있어 가공 시간 단축은 최대의 관심사일 수밖에 없다.
좋은 장비에 좋은 공구를 쓰면서 RPM이나 피드를 최대한으로 준다면 당연히 가공시간을 줄일 수 있다. 하지만 그렇다 하더라도 최적화된 조건 설정 없이는 원하는 목표를 달성할 수 없을뿐더러, 대부분의 작업장은 최신 장비와 공구를 구비할 여건조차 갖추기 어려운 것이 사실이다. 따라서 주어진 환경에서 최대의 가공 효율을 올릴 수 있는 ‘최적화’ 솔루션이 가공시간 단축의 노하우가 될 수 있다. 또한, 가공 속도 최적화는 가공 시간 단축뿐만 아니라 공구 파손을 방지하고 공구 수명을 연장해주기 때문에 제품 품질 향상까지 기대할 수 있다.

솔리드 모델을 사용한 가공속도 최적화
베리컷은 정확한 솔리드 모델을 사용하여 NC 가공을 정확하게 시뮬레이션한다. 때문에 가공되는 양이나 칩 두께 등 가공 데이터를 활용하여 정확하게 계산할 수 있어서 보다 효과적인 가공속도 최적화가 가능하다. 원리는 간단하다. 가공되는 양이 많거나 칩 두께가 두꺼우면 가공 속도를 줄이고, 가공량이 적거나 칩 두께가 얇으면 가공속도를 올려주는 것이다.

구간별 속도 최적화
베리컷은 가공 전에 가공 부하를 예측하여 툴 패스에 가공속도를 부여한다. 일반적인 기계 가공 시에는 공구 별로 하나 또는 두, 세 개의 안전한 가공속도로만 가공을 하기 때문에 고가의 고속가공기나 5축 가공기, 새로운 공구를 쓰더라도 가공시간 단축에는 큰 효과를 보지 못했던 것이 사실이다. 하지만 가공 중에 일어나는 다양한 가공부하를 고려하여 각각에 알맞은 가공속도를 부여하면 가공시간을 단축할 수 있다. 일반적인 NC 프로그램의 경우는 가공 속도가 세분화 되지 않지만 베리컷에서 최적화를 거치게 된 NC 프로그램은 CAM에서 생성된 툴 패스를 작은 단위로 세분화하고 구간별 가공 양과 칩 두께를 계산하여 알맞은 가공속도를 부여한다. 이미 최적화되어 있는 툴 패스의 궤적은 건드리지 않고 이상적인 가공속도를 추가적으로 부여해 가공 시간을 단축할 수 있도록 하는 것이다. 금형에서의 황삭 작업이나 기계 부품 가공에서의 2D 가공은 작은 단위로 나누어서 최적화하지 않으면 가공시간 단축이 어렵기 때문이다. 각각의 세분화된 구간의 가공량과 칩 두께를 계산하여 각 구간마다 다른 가공속도를 부여한다. 매우 작은 단위로 세분화하기 때문에 툴 패스는 길어지지만, 더욱 부드러운 가공이 가능함은 물론, 가공시간까지 현저하게 단축할 수 있다. 이처럼 세분화된 구간마다 가공속도를 최적화시키는 방법은 공구나 가공방법에 따라서 다양해진다

가공 속도 최적화를 할 때는 구간 분할을 통해 세분화하는 것이 필수적이다.
가공 속도 최적화를 할 때는 구간 분할을 통해 세분화하는 것이 필수적이다.

MRR과 칩 두께 유지가 관건
세분화된 구간마다 부여하는 가공속도를 최적화하는 방법도 여러 가지다. 그중에서도 일정한 MRR(Material Removal Rate), 즉 가공량의 유지는 절삭가공의 기본이자 가공시간 단축의 핵심이라 할 수 있다. MRR이 클수록 효율적인 가공이 가능하며, 이를 일정하게 유지하게 되면 일정한 부하를 유지하면서 가공시간을 단축시킬 수 있다.
높은 MRR을 일정하게 유지하기 위해서는 가공 조건에 맞는 절입 깊이와 절입 폭을 설정, 그것을 일정하게 유지하도록 툴 패스를 찾아주면 된다. 하지만 절입 깊이나 폭을 비교적 일정하게 유지할 수 있는 2D 가공과 달리 3D 형상 가공 시에는 가공구간마다 절입 깊이가 달라진다. 여기에 구간마다 적절한 피드를 부여하면 다른 절입 깊이 또는 폭으로 가공하더라도 같은 MRR을 유지할 수 있다. 이 같은 가공량의 일정한 유지는 가능한 빨리 많은 양을 제거해야 하는 황삭가공이나 평면엔드밀 가공에 특히 효과적이다.

또 다른 최적화 방법은 칩 두께를 일정하게 유지할 수 있도록 가공속도를 부여하는 것이다. 정삭 가공의 경우에는 가공 양이 적어 가공부하의 변화는 작지만 가공되는 칩 두께가 가공 부위에 따라 달라진다. 때문에 일정한 칩 두께가 유지될 수 있도록 가공속도를 최적화하면 공구 마모 감소는 물론 가공 조도까지 향상하면서 가공시간을 단축할 수 있다.

VERICUT FORCE는 최적화 결과를 시각화하여 칩두께, 파워 등 공구가 소재에 닿는 순간 발생하는 상황들을 차트로 표출해주어 사용자가 NC 프로그램을 정확하고 빠르게 분석할 수 있게 돕는다.
VERICUT FORCE는 최적화 결과를 시각화하여 칩두께, 파워 등 공구가 소재에 닿는 순간 발생하는 상황들을 차트로 표출해주어 사용자가 NC 프로그램을 정확하고 빠르게 분석할 수 있게 돕는다.

VERICUT FORCE는 물리적 기반의 가공속도 최적화 모듈로 특히 정밀가공, 다축가공, 난삭재 가공에 유용하다. 소재와 공구, 가공 조건 등을 분석하여 가장 이상적인 이송 속도를 산출해 주기 때문에 공구와 장비에는 무리가 없으면서도 칩두께를 일정하게 유지할 수 있다. FORCE로 생성, 축적된 최적화 데이터베이스를 기반으로 반복 사용할수록 더 정확하고 빠른 최적화가 가능하다. FORCE를 이용하면 가공 시간을 20% 이상 단축할 수 있고 품질이 향상되며 장비와 공구의 수명도 연장할 수 있어 무인가공, 공장 자동화를 생각하고 있다면 꼭 필요한 솔루션이다.

이렇게 가공속도 최적화를 하면, 고속가공에서도 일반적인 경우보다 더욱 깊은 절입 깊이로 가공할 수 있다. 일반적인 고속가공에서는 미세한 가공 양의 변화가 공구파손을 일으키기 때문에 한 번에 깊은 가공을 하지 못하고 얕게 여러 번 가공한다. 하지만 앞서도 말했듯이 구간별로 최적화된 가공속도를 부여하면 코너에서도 과도한 부하로 인한 공구 파손을 방지할 수 있기 때문에 일반적인 가공 시 보다 더욱 깊은 절입 깊이로 가공할 수 있다. 난삭재 가공도 마찬가지다. 보통 난삭재 가공은 소재의 강성이나 열적인 문제 때문에 가공속도를 높여 가공하기가 어렵다. 때문에 공구에 걸리는 부하가 많아 공구 마모나 파손에 대한 위험도 상당히 높아 한 번에 깊은 가공을 하지 못하고 얕게 여러 번 가공을 하지만, 한 번에 깊은 가공이 가능하다면 역시 가공시간 단축이 가능하다.

 

About 이상준 기자

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