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5축 가공, 가능하면 최대한 빠르게 – VERICUT FORCE 모듈을 이용한 가공 최적화

5축 가공의 최대 장점은 짧은 공구를 사용하고 공수 선단을 회피한 가공을 할 수 있다는 점이다. 공구를 기울여서 가공할 수 있다는 것인데, 공구 축이 90°일 때와 45°일 때는 절삭력이 다르다. 45° 일때 더 많은 부하를 받게 된다. 또한, 동시 5축의 경우 축의 변화가 많기 때문에 부하는 더욱 다양하게 가공에 영향을 미치게 된다. 5축 가공의 이런 특성 때문에 CAM 작업자들은 3축 가공 시 보다 5축 가공을 할 때 더 낮은 Feed 값을 설정해 위험을 회피하려는 경향이 있다.

기존의 비효율적인 가공 방식 – 저속 크루즈 컨트롤
CAM 엔지니어들이 프로그래밍 할 때 보통 가장 부하가 많이 걸리는 구간에서도 공구가 파손되지 않도록 보수적으로 낮은 feed를 설정한다. 하지만, 실제 가공에서는 부하가 이정도로 많이 걸리는 구간은 기껏해야 30% 정도에 불과할 것으로 본다. 결국 나머지 70%의 구간에서는 지나치게 낮은 Feed로 가공하고 있는 샘이다. 고속도로를 달리는 자동차가 급 커브 구간에서 안전한 속도인 60km/h로 크루즈컨트롤을 설정한 뒤 서울에서 부산까지 달린다고 생각하면 된다. 안전하기는 하지만 늦게 도착하는 것은 감수해야 할 것이다.

VERICUT FORCE – 가능한 곳에서는 빠르게
VERICUT FORCE는 씨지텍(CGTech)의 가공속도 최적화 모듈이다. 절삭력을 기반으로 한 최적화 모듈로 사전에 입력한  절삭 공구의 헬릭스 앵글(Helix Angle)과 레이크 각도(Radial Rake)와 소재의 정보를 이용해 공구가 소재에 닿는 순간을 툴패스 전 구간에 걸쳐 분석해 절삭력과 칩 두께를 계산해 낸다. NC 프로그램을 작은 구간으로 나누어 각 구간에 최적인 가공 속도를 부여하고 일정한 칩 두께를 유지한 채 가공하도록 해 가공 시간을 단축하는 방식이다. 기존 CAM 프로그램의 툴패스를 변경하지는 않는다. 사용자는 시뮬레이션 결과가 제공하는 차트를 확인하고 절삭 부하의 허용치 리미트(제한)를 걸어줄 수 있는데, 이 리미트를 초과하지 않는 범위 내에서 가공 속도를 최적화하게 된다.

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VERICUT FORCE에서 최적화를 위해서 절삭 공구의 헬릭스 앵글(Helix Angle)과 레이크 각도(Radial Rake)를 입력한다. 일반적인 밀링가공에서는 30°의 헬릭스 앵글이 많이 사용되는데, SUS나 난삭재 가공에서는 45° 이상의 High Helix를 적용하기도 한다. Rake Angle은 8.5°에서 10.5° 사이에서 적용된다.
VERICUT FORCE에서 최적화를 위해서 절삭 공구의 헬릭스 앵글(Helix Angle)과 레이크 각도(Radial Rake)를 입력한다. 일반적인 밀링가공에서는 30°의 헬릭스 앵글이 많이 사용되는데, SUS나 난삭재 가공에서는 45° 이상의 High Helix를 적용하기도 한다. Rake Angle은 8.5°에서 10.5° 사이에서 적용된다.

칩 두께에 집중하다
VERICUT FORCE의 최적화는 가공에 있어서 핵심이라고 할 수 있는 칩두께에 집중했다. 최대 칩두께는 안정적인 밀링 가공의 가장 중요한 파라미터로, 효율적 가공은 공구에 가장 적합한 최대 칩두께가 일정하게 유지될 때 가능하는 데서 출발했다. 칩 두께(hex) 값이 너무 낮은 얇은 칩은 낮은 생산성의 흔한 원인이며 공구 수명과 칩 생성에도 안 좋은 영향을 준다. 반면 너무 두꺼운 칩은 공구 과부하의 원인으로 공구가 파손될 수 있다. 

칩 두께(hex) 값이 너무 낮은 얇은 칩(좌)은 낮은 생산성의 흔한 원인이며 공구 수명과 칩 생성에도 안 좋은 영향을 준다. 반면 너무 두꺼운 칩은 공구 과부하의 원인으로 공구가 파손될 수 있다. VERICUT FORCE는 최대 칩두께를 계산하여 제한 값을 넘지 않는 범위 내에서 가공속도를 조정한다(우)
칩 두께(hex) 값이 너무 낮은 얇은 칩(좌)은 낮은 생산성의 흔한 원인이며 공구 수명과 칩 생성에도 안 좋은 영향을 준다. 반면 너무 두꺼운 칩은 공구 과부하의 원인으로 공구가 파손될 수 있다. VERICUT FORCE는 최대 칩두께를 계산하여 제한 값을 넘지 않는 범위 내에서 가공속도를 조정한다(우)

그러나, 가공에 있어서 이렇게 핵심적인 원리를 CAM에서는 구현할 수가 없다. 대부분의 CAM 소프트웨어는 공구가 일정한 반경 방향으로 소재를 제거하도록 툴패스를 생성할 수 있다. 하지만, 실제 가공에서 공구는 가공 형상 부위에 따라 접촉 면적이 달라지기 때문에 절삭 조건도 지속적으로 변하게 되는데, CAM 소프트웨어에서는 하나의 이송 속도로 가공하기 때문에 일정한 칩두께를 유지할 수 없는 것이다. 결국 일정한 칩두께를 유지하며 가공하기 위해서는 가변 피드를 사용해야만 한다.

VERICUT FORCE는 반경 방향 절삭 깊이(ae)가 공구 지름의 50%보다 낮을 때 발생하는, 칩이 얇아지는 현상인 칩 씨닝(Chip thinning)의 상황에서는 가공 속도를 상향 조정하고, 최대 칩두께를 계산하여 제한값 값을 넘지 않도록 가공 속도를 조정하는 ‘리미트 기능’을 조합한 가변 피드 방식으로 최적화를 구현한다. 

아직도 안전만을 고려한 프로그램 방식으로 인해 부적절한 가공 속도로 가공하던 비효율적인 현장이 있다면, 소재 제거율 향상으로 가공시간을 단축해 줄 수 있고, 마찰과 열 발생도 줄여 공구 수명 연장의 효과까지 두 마리 토끼를 모두 얻을 수 있게 해주는 솔루션인 VERICUT FORCE를 검토해 볼만 하다.

VERICUT FORCE 적용 사례 – 항공 브라켓

사진과 같은 항공용 브라켓 가공시 VERICUT FORCE를 적용해 보았다. 최적화 전 CAM 프로그램으로 시뮬레이션 해 본 결과 확인 된 칩두께와 VERICUT FORCE로 최적화한 후의 칩두께가 확연히 다르다. 칩두께를 일정하게 함으로써 비효율적이던 가공 구간을 없애 가공 시간을 46% 단축시켰다.

항공 브라켓 샘플 가공에 VERICUT FORCE를 적용해 46%의 가공 시간을 단축했다. 가공 시간 단축 뿐만 아니라 가공 표면도 좋아졌다. (우측 사진은 VERICUT FORCE 적용 전 코너 부분의 낮은 가공 품질)
항공 브라켓 샘플 가공에 VERICUT FORCE를 적용해 46%의 가공 시간을 단축했다. 가공 시간 단축 뿐만 아니라 가공 표면도 좋아졌다. (우측 사진은 VERICUT FORCE 적용 전 코너 부분의 낮은 가공 품질)
(좌)최적화 전 프로그램의 칩두께(파란선)과 (우)VERICUT FORCE 최적화 후 칩두께(붉은선)의 차이. 녹색의 면적 만큼 더 가공해 생산성을 향상했다.
(좌)최적화 전 프로그램의 칩두께(파란선)과 (우)VERICUT FORCE 최적화 후 칩두께(붉은선)의 차이. 녹색의 면적 만큼 더 가공해 생산성을 향상했다.

 

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About 이상준 기자

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