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알고 넘어가자! 5축 가공 지식 ③ – about 5축 가공기

5축 가공은 기존의 3축 가공에서 거쳐야 했던 여러 번의 세팅이 필요 없어 공정을 축약해 준다는 것이 가장 큰 장점이다. 주로 정형화된 형상을 가진 부품이나 자유 곡면이나 언더컷이 많은 제품의 가공에 많이 사용된다. 특히 임펠러, 치아, 항공기 부품 등에서 가공 수요가 많이 발생하고 있다.  

5축 가공의 두 가지 방법
5축 가공은 크게 3+2축으로 대표하는 분할 5축 가공과 동시 5축 가공으로 나눌 수 있다. 분할 가공의 예로 3+2축을 들어보면, 3개 직교축과 2개 회전축이 동시에 움직이지 않는다. 종전의 3축 장비로 사선이나 빗면을 가공할 경우 작업자가 가공물을 다시 세팅하는 과정이 필요하다. 하지만, 3+2축과 같은 분할 5축 가공에서는 이러한 과정이 생략된다. 물론, 회전 각도에 대한 좌표계 세팅을 바꿔줘야 한다. 단면 하나를 가공한 뒤 원하는 각도만큼 회전축을 돌려 또 다른 단면을 가공하는 식이다. 국내 5축 가공 분야의 경우 90% 이상이 3+2 축 방식의 분할 5축 가공을 사용하고 있는 것으로 추산하기도 한다. 5축 가공이 가진 공정 축약의 장점은 얻으면서, 동시 5축 가공 대비 사용이 쉽고 프로그래밍 작업이 용이하기 때문이다.

DMG MORI DMU 50 3세대 장비의 분할 가공 장면
DMG MORI DMU 50 3세대 장비의 분할 가공 장면

반면, 동시 5축 가공은 다섯 개 축이 동시에 움직일 수 있어 복잡한 형상이나 곡면을 손쉽게 가공할 수 있다. 임펠러 가공이 대표적이다. 5축 가공에서 회전축이 움직일 경우 좌표계 변환이 일어난다. 이때 동시 5축 장비는 좌표계 변환에 따른 공구 선단의 위치를 빠르게 계산해 직교축과 회전축을 동기시킨다.

동시 5축 가공을 위해서는 장비의 강성과 내구성이 뛰어나야 한다. 회전축과 직교축이 끊임없이 움직이기 때문이다. 또 동시에 다섯 개 축을 제어하기 위해서는 컨트롤러의 성능이 받쳐줘야 한다.

이런 자유 곡면을 가진 부품은 동시 5축 가공으로만 가공이 가능하다.
이런 자유 곡면을 가진 부품은 동시 5축 가공으로만 가공이 가능하다.

다양한 타입의 5축 가공 장비
현장에서 흔히 볼수 있는 5축 장비로는 테이블이 A축과 C축 방향으로 회전하는 장비, 테이블이 B축과 C축 방향으로 회전하는 장비, 헤드가 B축으로 이동하는 동시에 테이블은 C축 방향으로 회전하는 장비가 대표적이다. 이 세 가지 유형의 장비가 전체 5축 가공 장비의 95%를 차지한다.

세 가지 유형 가운데에서도 테이블이 A축과 C축 방향으로 회전하는 장비를 가장 흔하게 찾아볼 수 있다. 테이블이 A-C축으로 회전할 경우 작업자가 장비를 바라보고 섰을 때 지지대가 장비 양옆에 위치해 가공물을 넣고 빼기가 쉽다. 반면, 테이블이 B축과 C축으로 회전하는 장비는 모터가 뒤에 달려 있어 자동화 로봇이 작업자를 방해하지 않고 가공물을 양 옆으로 넣고 뺄 수 있어 자동화 공정에 매우 유리하다.

테이블 틸팅 및 로테이션(TT) 타입의 야마자키마작의 5축 가공기 VARIAXIS i-600 내부를 살펴보면 헤드는 직교축 방향으로만 움직이고 A축이 틸팅, C축이 회전한다.
테이블 틸팅 및 로테이션(TT) 타입의 야마자키마작의 5축 가공기 VARIAXIS i-600 내부를 살펴보면 헤드는 직교축 방향으로만 움직이고 A축이 틸팅, C축이 회전한다.
테이블 틸팅 및 로테이션(TT) 타입의 YASDA의 YCM430 5축 가공기. B축이 틸팅하고 C축이 회전한다.
테이블 틸팅 및 로테이션(TT) 타입의 YASDA의 YCM430 5축 가공기. B축이 틸팅하고 C축이 회전한다.

테이블 틸팅 및 로테이션(TT) 타입으로 부르는 이 두 가지 타입의 5축기는 가공 정밀도가 높은 대신 가공 가능한 가공물의 크기와 중량이 한정적이어서 주로 소형 공작물 가공에 사용한다. 따라서 대형 금형을 가공하기 위해 헤드 틸팅 장비를 활용하는 경우가 늘고 있다. 헤드 틸팅 장비로는 헤드가 B축으로 회전하는 동시에 테이블이 C축으로 회전하는 유형 (테이블 로테이션 헤드 틸팅(TH))이 대표적이다. 이 타입의 경우 C축 및 B축의 회전 각도가 스핀들의 간섭 때문에 다소 제한적이다.

테이블 로테이션 헤드 틸팅(TH) 타입의 두산공작기계 대형 수평형 5축 가공기 DHF 8000. A축 방향으로 틸팅하는 노딩 헤드를 장착하고 있다.
테이블 로테이션 헤드 틸팅(TH) 타입의 두산공작기계 대형 수평형 5축 가공기 DHF 8000. A축 방향으로 틸팅하는 노딩 헤드를 장착하고 있다.

대형 공작물에 대한 5축 장비 활용이 증가하면서 B축과 C축 모두 헤드에 달린 장비(헤드 틸팅 및 로테이션(HH) 타입) 역시 늘고 있다. 야마자키마작의 VORTEX 1400/160-Ⅱ와 같이 테이블은 X축 방향으로만 이동하고 헤드가 Y, Z, A, B축 방향으로 이동 및 틸팅하는 장비도 있다.

헤드 틸팅 및 로테이션(HH) 타입 대형 5축 가공기 FPT사의 갠트리 타입 DINOSPIN 시리즈.
헤드 틸팅 및 로테이션(HH) 타입 대형 5축 가공기 FPT사의 갠트리 타입 DINOSPIN 시리즈.
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About 이상준 기자

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