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5축 황삭을 위한 고이송 가공 – 발터의 고이송 커터를 이용한 전략

5축 가공과 황삭
5축 가공은 한 번의 세팅으로 모든 가공을 한 번에 완료한다는 매력적인 장점을 가지고 있다. 하지만, 막상 5축 가공을 도입하는 현장에서는 기존의 3축 가공으로 하던 방식으로 가공을 하려고 할 때 여러 가지 어려움에 봉착하게 된다. 이는 5축 가공 장비의 구조적인 한계에 기인한다.

Screenshot 2020-02-26 at 13.30.33기존의 3축 장비는 5축 가공기 대비 상대적으로 견고한 구조라고 볼 수 있다. 개별 장비가 가지고 있는 강성의 수준에 따라 다르긴 하지만, 5축 장비는 2개의 회전축을 부가하는 구조이다 보니 모터나 기어 등이 추가가 되고 스핀들이 차지하는 공간의 제약 때문에 큰 힘을 받는 가공에서 지지력과 토크가 3축 가공기 대비 약하다는 단점을 가지게 된다.
이러한 구조적인 약점이 문제로 대두되는 대표적인 상황이 바로 황삭 가공이다. 빠른 시간 안에 많은 소재를 제거해야 하는 황삭 가공을 3축 장비에서 수행할 경우, 구속되어 있는 축이 장비 프레임에 직접 연결되어 지지해 주기 때문에 많은 부하가 걸리더라도 진동이나 변형 등에 대한 억제가 용이하다. 3축 가공기에서는 강력한 토크와 주축력, 이송력을 최대한 활용해 황삭 가공을 한다.
반면, 5축 장비의 경우 회전축 방향에 대해서는 3축 대비 지지력이 약할 수밖에 없는 것이 사실이다. 이 때문에 5축 가공기를 가지고 황삭 가공을 하는 데 익숙하지 않은 현장에서는 회전축 방향으로 힘이 전달되지 않도록 바닥의 축 방향으로 가공 방향을 프로그래밍 하거나, 코너 이송을 극단적으로 낮추는 방식으로 안전한 가공을 하기도 한다. 그러나, 이 경우 생산성 저하는 물론 칩 두께가 얇아지게 되어 티타늄과 같은 소재의 경우 소재의 탄성력 때문에 진동이 발생하면서 가공이 어려워지게 될 수도 있다.
과연 어떻게 하면 다이나믹한 5축 장비의 장점을 최대한 활용해 황삭에서의 불리함을 극복하고, 한 번의 셋업으로 가공을 완수할 수 있는 장점을 활용할 수 있을까? 

5축 황삭을 위한 솔루션 – 고이송 전략
3축 장비에서의 일반적인 황삭의 경우 축 방향 절입 깊이(ap), 가공 폭(ae), 이송(vf)의 인자들을 강력한 토크와 주축력, 이송력을 최대한 활용하도록 설정했다면, 5축 가공기에서 생산성을 높이는 황삭 가공 전략으로 제시할 ‘고이송 전략’은 축 방향 절입 깊이(ap)는 낮추고, 가공 폭(ae)을 공구가 허용하는 최대로 높이며 이송(vf)을 극대화시켜 고속 가공을 실현하는 전략이다. 또한, 절삭 부하를 반경 방향이 아닌 축 방향으로 더 많이 가함으로써 진동을 줄여주는데, 이때문에 진입 각을 최대한 낮게 가져가고 주로 공구의 바닥 면으로 가공하는 것이 유리하다.
고이송 가공 시 칩 두께가 얇아지지만, 이송을 늘려주어 소재 재거율(MRR, Material Removal Rate)를 높여 생산성이 증가하는 것이다. 이 과정에서 공구 수명이 늘어나고 가공 품질이 향상되는 효과도 덤으로 얻을 수 있다. 이러한 장점으로 인해 가공이 어려운 난삭재 가공의 경우에도 고이송 커터를 사용해 큰 효과를 볼 수 있다.

고이송 가공의 경우 절삭 부하를 반경 방향(FR)이 아닌 축 방향(FA)으로 더 많이 가해 진동을 줄인다. 진입 각을 최대한 낮게 가져가고 주로 공구의 바닥 면으로 가공하는 경우가 많다.
고이송 가공의 경우 절삭 부하를 반경 방향(FR)이 아닌 축 방향(FA)으로 더 많이 가해 진동을 줄인다. 진입 각을 최대한 낮게 가져가고 주로 공구의 바닥 면으로 가공하는 경우가 많다.

CAM 소프트웨어와 콜라보가 중요
최근 CAM 소프트웨어가 발달하면서 전 가공 프로세스를 거치는 동안 일정한 절삭 부하를 유지하도록 만들어주는 프로그래밍 기능을 사용할 수 있다. CAM 소프트웨어는 절삭 부하를 유지해주는 방식으로 잘 알려진 나선형 트로코이달 밀링과 같은 공정을 모듈화하여 제공하므로, 코너 부분과 같이 절삭 부하의 변동이 심해지는 상황에서 절삭 데이터를 조절해 절삭 부하의 변화를 최소화해 준다. 절삭 부하의 급작스러운 변화는 공수 수명을 낮추는 가장 큰 원인이기 때문이다. 이를 위해서는 공구에 대해 가장 잘 아는 공구 메이커가 해당 공구에 대한 절삭 조건을 제공하는 것이 꼭 필요하다. 발터의 경우 Walter GPS 솔루션으로 상세한 절삭 조건과 데이터를 제공한다.

발터의 GPS는 고이송 가공을 위한 공구 선정과 절삭 조건을 제시해 준다. 바디 직경 125mm의 8개 인서트를 사용하는 일반 공구(좌)와 6개의 인서트를 사용하는 바디직경 66mm의 고이송 커터(우)의 절삭 조건을 비교해 보았다. 작은 직경과 낮은 절입을 이용한 고이송 시 ae 방향으로 3에서 8회로 증가, ap 방향으로 1에서 3회로 패스가 증가했다. 칩이 얇게 형성되고 공구 경이 작아 Vc 값도 증가하였으며, 날당 이송은 약 3배 증가하여 날수가 적음에도 Vf 값은 10배 가량 증가시킬 수 있었다.
발터의 GPS는 고이송 가공을 위한 공구 선정과 절삭 조건을 제시해 준다. 바디 직경 125mm의 8개 인서트를 사용하는 일반 공구(좌)와 6개의 인서트를 사용하는 바디직경 66mm의 고이송 커터(우)의 절삭 조건을 비교해 보았다. 작은 직경과 낮은 절입을 이용한 고이송 시 ae 방향으로 3에서 8회로 증가, ap 방향으로 1에서 3회로 패스가 증가했다. 칩이 얇게 형성되고 공구 경이 작아 Vc 값도 증가하였으며, 날당 이송은 약 3배 증가하여 날수가 적음에도 Vf 값은 10배 가량 증가시킬 수 있었다.

인서트 타입 고이송 밀링 커터 Xtra·tec® XT M5008
발터의 인서트 타입 고이송 밀링 커터 Xtra·tec® XT M5008은 6개의 날을 사용하여 이송 당 가공 효율을 극대화했다. 반경 방향 힘(FR)을 줄여주는 동시에 축 방향(FA)에 더 많은 절삭 부하를 실어주어 진동을  감소시키는 효과가 있다. 이로 인해 긴 오버행의 공구를 사용할 수 있다. XT M5008은 17° 이하의 낮은 진입 각도를 사용하여 바닥 날을 이용해 절삭하므로 칩을 얇게 만들고 높은 날당 이송이 가능하다. 얕은 절삭 깊이 및 높은 날 이송의 조합으로 가공 면적을 최대화하는 고이송 가공 전략을 위한 공구다. 날 바닥과 측면 형상을 통해 코너부에서의 계단 현상을 최소화한 것이 특징이다.
Xtra·tec® XT M5008은 Tiger·tec® Gold 코팅을 사용한 4코너 절삭 날 타입의 양면 인서트를 사용해 비용을 절감한다. 안정적인 인서트 디자인으로 공정 안정성을 극대화하고 다양한 소재와 용도에 적용이 가능하다.

5008_01

발터의 Xtra·tec® XT M5008은 반경 방향 절삭 부하를 줄이고 축 방향에 더 많은 절삭 부하를 실어주어 진동을 감소시키기 때문에 긴 오버행의 공구를 사용할 수 있다. 또한 17° 이하의 낮은 진입 각도를 사용하여 바닥 날을 이용해 절삭하므로 칩을 얇게 만들고 높은 날당 이송이 가능하다.
발터의 Xtra·tec® XT M5008은 반경 방향 절삭 부하를 줄이고 축 방향에 더 많은 절삭 부하를 실어주어 진동을 감소시키기 때문에 긴 오버행의 공구를 사용할 수 있다. 또한 17° 이하의 낮은 진입 각도를 사용하여 바닥 날을 이용해 절삭하므로 칩을 얇게 만들고 높은 날당 이송이 가능하다.

솔리드 타입 고이송 초경 엔드밀 MC025
발터의 솔리드 타입 고이송 초경 엔드밀 MC025는 바닥날을 주로 사용하는 앤드밀로 그 원리는 M5008의 경우와 같다. 공구 경이 작은 솔리드 타입으로 중삭에 적합하다. MC025 Advance 제품은 평형 섕크 또는 ConeFit 교체식 헤드를 장착할 수 있고, Ø 1mm부터 제공된다. 반경 방향으로 가해지는 공구 부하가 낮아 공정 안정성이 높으며 여러 번 재연마 할 수도 있어 합리적이다. MC025 Supreme은 역시 평형 섕크 또는 ConeFit 교체식 헤드 장착이 가능하며, 날 수가 더 많아진 고이송 공구로 생산성 극대화해주고 컴팩트한 디자인 구조로 복잡한 부품에 다양하게 활용 가능하며, 넥 부분 도피 형상 활용 시 깊은 포켓 또는 홀 가공에 적합한 공구다.

MC025-ADV

 MC025 Advance
MC025 Advance

MC025_SU

MC025 Supreme
MC025 Supreme
도움주신 분: 한국발터 마케팅 강희성 부장
도움주신 분: 한국발터 마케팅 강희성 부장

About 이상준 기자

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