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완벽한 금형 가공. 이제 ‘헛패스 찾기’로 헛발질은 그만 – VERICUT FORCE를 이용한 가공 최적화 적용 사례

금형 가공 시 안전한 가공을 위해 현장에서는 일반적으로 절입량을 낮춰 얇게 가공한다. 절입량을 더 주어 깊게 가공하면 시간은 절약되지만, 공구 파손 및 형상 문제 등이 발생할 수 있다. 본 LG금형기술센터 사례는 더이상 안전을 위해 얇게, 오래 가공하는 것이 아닌, 깊게 가공하면서도 안전하고 시간 절약까지 가능하다는 것을 보여주고 있다. 바로 VERICUT FORCE를 사용해 가공 최적화를 할 때 가능한 일이다. 

금형 분야 전문가들은 우리나라 금형 분야의 침체가 길어질 것으로 보고 있다. 이에 금형 가공을 진행하는  기업들은 최대한 생산성을 내면서 품질을 확보하기 위해 눈물겨운 노력을 기울이고 있다. 이 중의 한 분야가 바로 가공 최적화이다. 금형 제작에서 가장 많은 공수가 들어가는 가공 부문에서의 최적화는 비용과 직결되는 부분이기 때문이다. 

‘한 벌 만들기’인 금형 가공의 숙명
가공 최적화 솔루션 베리컷(VERICUT)을 공급하는 씨지텍의 임재영 대표는 “금형 가공 분야에서 가공 최적화를 할 경우 30~40%에 달하는 높은 가공 시간 단축 효과를 기대할 수 있는데, 그 가장 큰 이유는 금형 자체가 가지는 ‘한 벌 생산’이라는 고유의 특성 때문으로 볼 수 있다.”라고 밝혔다. 

항공이나 기계 부품 가공과 같이 양산을 통해 ‘여러 벌’을 깎는 경우는 한 번의 캠 프로그램으로 수백, 수천, 많게는 수만 개의 부품을 가공하므로 캠 작업자가 툴 패스를 생성하는 과정에서 최대한 툴 패스를 줄이는 데 공을 많이 들이게 된다. 또한, 항공 분야의 경우 보통 캠 작업자가 1주일에 1회 정도 캠 프로그래밍을 하므로 프로그램에 시간을 많이 들일 수 있다.  

 씨지텍 임재영 대표이사
씨지텍 임재영 대표이사

반면 ‘한 벌’만 깎는 금형 가공의 경우는 환경 자체가 단품에 대한 단 납기 체계이기 때문에 시간에 쫓길 수밖에 없고, 이 때문에 캠 작업자가 하루에 한 개 이상의 캠 프로그램을 제작해야 할 수도 있다. 

결국 금형 분야 캠 작업자는 파워밀(PowerMill)이나 캠툴(CAM-TOOL), 워크엔씨(WORKNC) 등 금형 분야에서 많이 사용하는 우수한 캠 소프트웨어의 자동화 기능에 의존하는 경우가 많다. 이 경우 패턴을 집어넣으면 자동으로 툴 패스를 생성하기 때문에 프로그램이 길어지고 편집에도 제한적이며, 소위 ‘헛패스’가 다량 발생하게 된다. 더 나아가, 자동으로 제품의 형상을 읽고 기존에 패턴을 만들어 놓은 뒤 캠 프로그램을 자동으로 생성해 주는 일명 ‘캠 자동화 소프트웨어’를 사용할 경우 헛패스는 더 많이 발생할 여지가 다분하다.

금형 가공에 ‘헛패스’가 많은 이유
이렇게 금형 가공 분야에서 캠 프로그램 작성 시 ‘헛패스’가 많이 발생하는데, 헛패스는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 허공을 가공하는 에어 컷(Air cut) 구간으로 이는 10~20% 정도를 차지한다. 둘째로는 무부하 가공 구간(Clean-up feed)으로 공구가 소재에 닿아 있기는 하나 가공 량이 거의 없는 툴 패스를 말한다. 절삭력이 0에 가까운 이 구간은 역시 전체 툴 패스의 10~20%를 차지한다.

결국 금형 가공 시 황삭 가공을 제외한 정삭이나 잔삭의 경우 이 두 가지 경우를 포함한 ‘헛패스’는 전체 툴 패스의 30~40%를 차지할 정도다. 

가공되는 구간과 동일한 경로로 가공하는 척하는 헛패스 구간인 허공 가공(Air cut). 가공 피드를 높여 최적화할 대상이다.
가공되는 구간과 동일한 경로로 가공하는 척하는 헛패스 구간인 허공 가공(Air cut). 가공 피드를 높여 최적화할 대상이다.
‘헛패스’의 한 종류인 무부하 가공 구간(Clean-up feed). 유의할 점은 가공 중 공구가 소재에 살짝 닿을 때 너무 높은 피드(허공 가공 피드)로 가공하게 되면 문제가 될 수 있다. 그러므로 적절한 가공 피드가 필요하다.
‘헛패스’의 한 종류인 무부하 가공 구간(Clean-up feed). 유의할 점은 가공 중 공구가 소재에 살짝 닿을 때 너무 높은 피드(허공 가공 피드)로 가공하게 되면 문제가 될 수 있다. 그러므로 적절한 가공 피드가 필요하다.

이렇게 소모적인 헛패스가 만들어지는 이유는 앞서 말한 금형의 태생적인 특성에 있다. 양산 부품과는 달리 한 제품 또는 소량만 제작하기 때문에 미삭과 같은 가공 중의 실수가 발생하면 매우 어려운 상황이 발생한다. 아예 품질 이슈로 납품을 못 하거나 어렵고 번거롭게 보수 또는 재가공을 해야 하는데, 이런 상황을 미연에 방지하기 위해 우리나라 금형 현장에서 사용하는 가공 접근은 ‘안전 위주의 보수적 가공’이다. 

안전 위주의 보수적 가공의 예로는 우선 가공 속도를 일정하게 하되 안전한 범위 내로 낮추는 경우다. 그다음으로 중첩되는 툴 패스를 두세 번 집어넣어 같은 자리를 또 가공하게 하는 조금은 소모적이지만, 미삭을 방지할 수 있는 접근이다. 이런 안전 위주의 보수적 가공이 헛패스를 양산하고, 결국 생산성은 떨어지게 마련이다.

금형 가공, 떨면 안 돼…
‘한 벌 깎기’ 컨셉의 금형 가공은 양산과는 달리 가공 문제 발생 시 만회할 기회가 원천적으로 주어지지 않는다. 씨지텍의 임재영 대표는 “금형 가공에서 시간을 세이브하는 것은 중요하다. 하지만, 더 중요한 것이 품질이다. 가공 시 공구의 파손 또는 떨림이 없어야만 안전한 가공이 가능하다. 이 때문에 국내 금형 분야에서는 무인 가공을 쉽게 하지 못한다. 가공 상황을 계속 지켜봐야 한다는 것인데, 부득이하게 자리를 비울 때는 기준 가공 속도의 70% 정도로 낮추기도 한다.”라고 말했다. 가공 시 절삭력 컨트롤이 잘 안 될 경우 공구가 떨거나 심할 경우 파손되는 경우가 생기는 것이다. 

만약 절삭력 컨트롤이 가능하다면?

베리컷 포스(VERICUT FORCE)
씨지텍의 베리컷 포스(VERICUT FORCE)는 절삭력을 컨트롤할 수 있는 가공 최적화 소프트웨어다. 베리컷 포스의 최적화 시뮬레이션을 통해 과부하(절삭력)가 걸릴 것으로 예상되는 곳의 피드에 대해서는 이를 낮추어 주는 방식의 최적화를 진행한다. 이를 통해 일반적으로 절삭력이 클 수 있는 코너나 측벽 부위에 대한 안전한 가공이 가능해진다.

반대로 절삭력이 크지 않으리라고 예측되는 대부분의 일반 구간에 대해서는, 피드 또는 칩 두께를 일정하게 유지시키는 최적화를 수행해 생산성을 극적으로 높일 수 있다는 뜻이 된다. 좋은 브레이크를 달고 코너는 천천히, 직선 구간은 더 빨리 달린다고 생각하면 된다. 이렇게 금형 가공에서 중요시하는 위험 회피와 생산성 향상의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 솔루션이 바로 베리컷 포스다.

MRR, 칩 두께? 절삭력을 알아야 진정한 최적화
금형 가공 시 칩 두께는 중요하다. 보통 칩 두께는 공구 회사에서 이야기하는 날당 절입량(fz)에 의해서 정해진다. 장비의 RPM과 피드(Feed) 그리고 공구 날수에 따라 칩 두께가 계산되기 때문에 이 칩 두께를 유지하는 것은 매우 중요하다. 하지만, 가공을 하다 보면 축이 변하게 마련이고 절입량과 칩 두께가 바뀌게 된다. 이런 상황에서 칩 두께를 유지하기 위해서는 피드(Feed)를 바꾸는 방법밖에 없다.

가공을 최적화할 때 소재 제거율(MRR, Material removal rate)도 기준이 된다. 공구의 어느 부분이 소재에 닿느냐에 따라 MRR은 같아도 절삭력이 다르다. 3축 관점에서 축 방향 힘이 가해지는 바닥을 가공하는 경우와 측면 방향 힘이 가해지는 측벽 가공 시 MRR은 같아도 절삭력이 3배 이상 차이 난다. 5축 가공 시 볼 공구의 경우 공구를 기울여 가공한다. 이때 세워서 가공하는 경우와 기울여서 가공하는 경우 역시 MRR은 같더라도 절삭력이 판이하기 때문에 절삭력 분석이 필요하다. 이 경우 가공 속도인 피드를 최적화하기 위해서는 MRR만 분석해서는 피드를 최적화할 수 없다.

베리컷 포스는 칩 두께와 절삭력을 별도로 계산하면서 안전을 고려한 가공 속도를 이용해 최적화를 수행한다. 칩 두께를 벗어나지 않는 상태에서 절삭력은 의미가 없고, 칩 두께를 벗어날 때야 비로소 절삭력이 의미를 가지기 때문에, 안전을 고려할 때 칩 두께는 의미가 없어지는 것이다.

강력한 분석보기(Sort) 기능
베리컷 포스가 헛패스를 찾아내고 툴 패스를 건드리지 않는 범위 내에서 피드를 높여주는 등의 최적화를 진행할 때 사용자가 아주 편리하게 분석할 수 있게 해 주는 것이 베리컷 9.1 버전에서 사용 가능한 분석보기(Sort) 기능이다. 가공 분석 결과가 보기 좋은 그래프로 제공되는데, 이 그래프를 통해 공구가 받는 힘인 절삭력을 쉽게 분석할 수 있다. 이를 통해 튀는 부분이 전체의 몇 %인지, 헛 패스가 몇 %인지를 분석하면서 최적의 가공 깊이와 절삭력을 가늠할 수 있고, 이는 가공 최적화의 기본 베이스가 된다. 종전에 소트 기능이 없을 때는 기준 설정을 여러 차례 반복하면서 최적값을 찾아야만 했었기에 번거로웠다.

VERICUT FORCE의 분석보기 기능을 사용하면 일목요연하게 금형 가공 데이터의 절삭력(위)과 피드(아래)를 분석할 수 있다(파란색 선은 최적화 전, 빨간색은 최적화 후 데이터를 의미한다). 이 그래프에서 급격히 튀는 절삭력은 전체 가공에서 1%도 안 된다. 반면 0~50%에는 절삭력이 거의 없어, 전체 가공에서 50%가 가공을 하지 않는다는 것을 의미한다. 소위 ‘헛패스’ 구간인 셈이다. 피드 그래프(하)의 빨간색 선이 최적화 후 피드를 나타낸 것인데 헛패스 구간의 피드를 높여 40%에 육박하는 시간 단축이 가능하고, 동시에 절삭력이 과다한 1% 구간의 피드는 낮춰 안전을 보장한다.
VERICUT FORCE의 분석보기 기능을 사용하면 일목요연하게 금형 가공 데이터의 절삭력(위)과 피드(아래)를 분석할 수 있다(파란색 선은 최적화 전, 빨간색은 최적화 후 데이터를 의미한다). 이 그래프에서 급격히 튀는 절삭력은 전체 가공에서 1%도 안 된다. 반면 0~50%에는 절삭력이 거의 없어, 전체 가공에서 50%가 가공을 하지 않는다는 것을 의미한다. 소위 ‘헛패스’ 구간인 셈이다. 피드 그래프(하)의 빨간색 선이 최적화 후 피드를 나타낸 것인데 헛패스 구간의 피드를 높여 40%에 육박하는 시간 단축이 가능하고, 동시에 절삭력이 과다한 1% 구간의 피드는 낮춰 안전을 보장한다.

LG금형기술센터, 금형 가공 최적화에 나서다
씨지텍는 2020년 봄부터 LG금형기술센터와 10차례 이상 다양한 장비와 다양한 제품에 대한 다양한 방법의 가공 최적화 테스트를 시행했다. 이번 테스트의 핵심은 단순한 가공 최적화를 넘어 안전 위주로 세팅되어 있던 가공 깊이인 Z 절입량을 올리면서 동시에 가공 최적화까지 적용하는 과감한 시도였다. 만약 성공하게 되면 가공 시간 단축은 물론 공구 파손 감소와 공구 수량 감소에 따른 비용 절감까지 기대할 수 있었다. 

테스트에 사용된 장비는 화낙 컨트롤러가 장착된 마키노의 V56i였다. 최적화 비교를 위해 LG에서 제공한 기존 1차 가공 조건(D10A)의 캠 프로그램과 이 데이터를 기준으로 베리컷 포스를 통해 최적화한 결과 값,  마지막으로 가공 깊이(Z 절입량)를 상향시킨 2차 가공 조건(D10B)에 대한 베리컷 포스의 최적화 결과를 모두 비교했다. 

 LG금형기술센터와 씨지텍가 테스트에 사용한 샘플
LG금형기술센터와 씨지텍가 테스트에 사용한 샘플

기존의 1차 가공의 Z 방향 절입량은 0.15mm로 다소 ‘얇은’ 가공이었다. 이 얇은 가공을 위해 공구는 17개가 사용되어야 했고, 얇게 가공하다 보니 툴 패스가 많아져 NC DATA의 파일 수와 파일 용량도 커졌다. 반면, 2차 가공의 경우 절입량을 0.195~0.225mm까지 1차 대비 1.5~2배 대폭 상향 시켜 한 번에 절입하는 양이 늘어나 1차보다 적은 13개의 공구 사용했고, 깊게 가공하다 보니 툴 패스가 적어져 NC DATA도 줄어들었다. 

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최적화 전 1차 가공(위)과 2차 가공(아래)의 절삭력 그래프를 비교해 보았다. 2차 가공 시 Z 절입량을 1.5~2배까지 증가시켰으나 전 구간에서 절삭력이 증가하는 것이 아닌 일부 구간에서만 절삭력 증가가 나타났다. 이는 기존 가공이 안전에 치중한 가공이었음을 알 수 있는 부분이다. 하지만, 절입량 증가에 따라 일부 구간에서는 절삭력이 크게(최대 210N) 증가했기 때문에 공구 마모 및 공구 손상 발생을 피하기 위해 최적화가 필요했다. 이 구간만 피드를 변경하더라도 절입량 자체가 2배가 되었기 때문에 시간 절약이 가능하다.

베리컷 포스로 최적화하기 전 1차 가공과 2차 가공의 절삭력을 비교해 보았다. 2차 가공 시 Z 절입량을 1.5~2배까지 대폭 증가시켰으나, 모든 구간에서 절삭력이 증가하는 것이 아닌 일부 구간에서만 절삭력 증가가 나타났다. 이는 기존 가공이  안전에 치중한 가공이었음을 알 수 있는 부분이다. 

하지만, 절입량 증가에 따라 일부 구간에서는 절삭력이 많이 증가(최대 210N)했기 때문에 공구 마모 및 공구 손상 발생을 피하기 위해 최적화가 필요했다. 이러한 과부하 구간을 정확히 찾아 적절한 피드 값으로 툴 패스를 최적화한다면 2차 가공도 안전하게 할 수 있고 절입량 자체가 2배가 되었기 때문에 시간 절약도 가능하다. 하지만, 대부분의 금형업체는 절삭력이 높아지는 극히 일부 구간을 이겨내지 못하고 ‘얇은 가공’에 머물러 있다.

믿을 수 없는 놀라운 최적화 결과, -40%
절입량을 증가시키는 2차 가공을 하고자 한 판단은 기존의 금형 가공 패러다임을 바꿔보겠다는 LG전자의 의지와 더불어 절삭력이 튀는 부분에 대해 자동으로 피드를 다운시켜 안전한 가공이 가능하도록 해 주는 베리컷 포스가 있었기 때문에 가능한 결정이었고 결과는 대성공이었다. 

기존 가공을 베리컷 포스로 최적화한 경우 17%의 가공 시간 단축 효과를 보였고, 2차 가공 최적화의 경우 1차 가공 최적화 대비 27%의 가공 시간이 단축되어, 기존 가공 대비 총 40% 수준의 엄청난 가공 시간 단축 효과를 실 가공 테스트를 통해 입증하게 된 것이다. 

또한, LG금형기술센터에서 진행한 10차례의 가공 테스트 과정 내내, 기존 가공 대비 공구의 떨림이 줄어 가공이 조용하다는 피드백이 LG 측으로부터 있었다. 이는 가공 품질 향상으로 이어졌는데, 테스트에 참여한 LG전자 성필용 연구원은 “최적화를 통해 가공 시간을 대폭 단축한 것은 물론, 금형의 조도가 기존 가공에 비해 떨어지지 않아 가공 품질 향상 효과까지 얻을 수 있어 크게 만족한다”라고 말했다. LG금형기술센터는 베리컷 포스를 도입했다.

LG금형기술센터와 씨지텍는 VERICUT FORCE를 이용한 최적화 테스트를 통해, 기존 가공을 최적화한 경우 17%의 가공 시간 단축 효과를 보였고, 2차 가공 최적화의 경우 1차 가공 최적화 대비 27%의 가공 시간이 단축되어 기존 가공 대비 총 40% 수준의 엄청난 가공 시간 단축 효과를 실 가공 테스트를 통해 입증했다.
LG금형기술센터와 씨지텍는 VERICUT FORCE를 이용한 최적화 테스트를 통해, 기존 가공을 최적화한 경우 17%의 가공 시간 단축 효과를 보였고, 2차 가공 최적화의 경우 1차 가공 최적화 대비 27%의 가공 시간이 단축되어 기존 가공 대비 총 40% 수준의 엄청난 가공 시간 단축 효과를 실 가공 테스트를 통해 입증했다.

LG금형기술센터 가공 최적화 사례 분석 결과

최적화 후 절삭력 분석
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▶︎ 절삭력: 우선 1차와 2차 가공 모두 절삭력의 경우 최적화 후(빨간색 그래프) 튀는 부분이 없어지고 최적화 전(파란색 그래프) 절삭력의 95% 수준으로 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 여기서 95% 수준이라는 절삭력의 기준은 사용자가 판단할 부분이다. VERICUT FORCE의 소트 기능이 제공하는 그래프로 분석할 경우 사용자가 쉽게 기준을 정할 수 있다.

▶︎ 피드: 피드 역시 기존 피드(파란색 그래프)는 3,000mm/min으로 고정되었으나, 최적화 후 피드(빨간색 그래프)는 최대 8,000mm/min으로 증가 시켜 가공 시간을 현저하게 단축할 수 있었다.

특정 구간 확대 그래프

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▶︎가공 피드 그래프의 특정 구간을 확대해 보았다(절삭력 분석 그래프의 동그라미 부분). 최적화를 수행하면서 가공 시간 절감을 위해 가공 속도(Feed Rate)는 올리는 것은 매우 중요하다. 하지만, 튀는 부분을 줄여주는 것이 더 중요하다. 금형 가공은 안전한 가공이 우선시 되어야 하기 때문이다. 2차 가공(아래 그래프)의 경우 절삭력이 튀는 부분이 급격한 구간에 대해서는 가공 피드를 3,000mm/min에서 1,150mm/min으로 극단적으로 낮추어 안전한 가공을 보장한다.

최적화 자동화 시스템 SOS
베리컷 포스를 이용한 최적화 시간은 금형 가공 데이터의 경우 1MB당 1분 정도 소요된다고 보면 된다. 금형이 큰 경우는 NC 데이터가 수 기가바이트에 달하는 경우도 있어, 최적화 시간도 오래 걸릴 수 있다. 씨지텍는 최적화 자동화 시스템인 SOS(Smart Optimization System)를 출시했다. SOS를 구축하면 사용자는 NC 프로그램과 작업 지시서(툴 시트)를 SOS 시스템에 전달하기만 하면 SOS 시스템이 자동으로 그것을 읽고 순서에 따라 최적화가 자동으로 진행된다. 캠 작업자는 최적화를 위해 별도의 시간을 들일 필요 없이 기다리기만 하면 된다. LG금형기술센터의 경우도 베리컷 포스 도입과 더불어, 현재 사용 중인 CAM 프로그램인 캠툴(CAM-TOOL)과 베리컷을 연동하는 방식으로 SOS를 구축해 일부 구간에서 적용 중이다.

About 이상준 기자

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