히라마 켄스케, 마키노후라이스제작소 상품개발부(1) C137그룹
최근 공업 디자인은 자동차나 가전에서 볼 수 있듯이 고성능화․에너지 절감을 위한 경량화, 부품 형상의 대형화․복잡화 경향이 있어 금형 제작의 난이도도 높아지고 있다.
특히 자동차에서는 헤드라이트나 프론트 그릴, 실내의 센터 콘솔 등에서 볼 수 있듯이 형상이 크고 입체적인 디자인이 증가하고 있기 때문에 그들을 성형하는 금형 자체도 안길이가 있는 폭 넓은 형상이 필요하다. 그렇기 때문에 위에서 말한 특징을 가진 금형의 가공에 적합한 기계의 요구가 높아지고 있다.
한편 디자인 변경 사이클의 단기화에 의해 금형가공에 필요한 생산 속도도 가속화되고 있으며, 가공 시간과 가공 후의 후공정(가공면의 연마나 표면처리) 리드타임의 단축이 필요하다.
제품 형상을 성형하는 금형 디자인면은 일부 동시 5축 가공 등을 사용해 고속, 고품위의 가공이 가능해지고 있다. 그러나 금형 조립 후의 맞춤면 단차 등을 수정하는 경우, 분해․가공․재조립 등의 작업이 필요하기 때문에 복잡한 형상이 될수록 리드타임은 단축하기 어렵다.
마키노후라이스제작소에서는 이러한 과제에 대해, 금형 디자인면의 가공뿐만 아니라 경사 구멍이나 금형 측면 포켓 등의 기구부 가공을 실현하는 대형 5축 제어 수직형 머시닝센터 ‘D2’를 개발했다(그림 1, 표 1). 이 글에서는 그 특징과 최신 제어 기능에 대해서 소개한다.
기계의 특징
‘D2’는 회전 2축을 가진 주축 헤드에 테이블 인덱스 1축 및 XYZ의 직동 3축에 W축을 더한 7축 사양의 머시닝센터(MC)이다(그림 2).
(1) 고성능 주축
다듬질가공뿐만 아니라 기구부의 가공도 1대의 기계로 실시할 수 있게 회전 2축에 탑재할 수 있고, 또한 워크에 대한 접근성을 고려한 콤팩트한 금형 전용 주축을 신규 개발했다. 주축 테이퍼는 HSK-A100으로 길이가 긴 공구에도 대응한다. 주축 회전 속도는 20～15,000min-1로, 저속 고토크 가공에서 고속 다듬질가공까지 커버하는 사양이다. 주축의 외경은 ø200mm로 콤팩트하고 돌출이 길며, 노즐 쿨런트를 주축머리에 내장하고 있기 때문에 워크에 대한 접근성도 좋아 깊은 형상에도 대응하기 쉽게 되어 있다(그림 3).
(2) 슬랜트(Slant) 헤드
주축 헤드부의 회전 2축(A/B축)은 마키노후라이스제작소의 수직형 5축 MC ‘V80S/V90S’에서 실적이 있는 슬랜트 구조로 하고 있다. 슬랜트 구조에서는 주축 헤드의 회전축(B축) 지지면을 경사시켜 회전 2축(A/B축)으로 복합 동작시키고 동시 5축의 동작을 하는 것이 가능하다.
B축 지지면이 수평인 일반적인 A/B축은 가공 중에 B축이 급선회해 목표로 하는 가공패스에서 벗어나 식입이 발생하는 경우가 있는데, 이것을 특이점 문제라고 부른다. 슬랜트 헤드 구조에서는 B축을 급선회시킬 필요가 없기 때문에 특이점 문제가 발생하지 않고 제어성이 우수하다.
A/B축에는 다이렉트 드라이브(DD) 모터를 채용해 최신 모션 컨트롤과 더불어 동시 5축 가공 시의 매끄러운 동작을 실현하다. 또한 A축은 ＋30～－135°의 선회 각도를 갖기 때문에 주축을 테이블과 수평한 상태로 위치 결정한 상태에서 수평형 MC와 같은 운용도 가능하다. 주축 측으로 회전축을 가지고 오기 때문에 워크의 적재 중량이 크더라도 회전축의 운동 오차에 영향을 미치지 않는 축 구성으로 되어 있다(그림 4).
(3) 크로스 레일(W축)이 있는 기계 구성
가공에 사용하는 Z축과는 별도로, 위치결정을 동작하기 위한 크로스 레일(W축)이 있기 때문에 워크 윗면에서 가공하는 것뿐만 아니라 측면에서도 가공이 가능하다.
W축은 임의의 장소에 위치 결정할 수 있다. W축을 윗방향으로 위치 결정한 경우, 워크 최대 높이 1,050mm(표준 사양 시)까지 가공이 가능하다. 주축 게이지 라인에서 워크 윗면까지도 충분한 거리를 확보하고 있기 때문에 길이가 긴 공구의 사용이 가능하다. 또한 Y축은 2,300mm의 이동량을 가지고, 주축 중심에서 테이블 중심이 750mm 안에 들어가는 위치까지 워크를 이동할 수 있기 때문에 테이블을 선회시키지 않고 워크 윗면의 넓은 범위를 가공할 수 있다(그림 5a).
한편 W축을 아랫방향에 위치 결정한 경우, 주축 측 A축과 테이블 C축을 사용한 경사 측면가공이 가능하다. 이것에 의해 금형의 맞춤면이나 측면의 포켓 등의 기구부, 탭 구멍․드릴 구멍 등의 가공을 할 수 있다(그림 5b).
대형 금형가공에 사용되고 있는 문형기는 2개의 칼럼에 각각 가이드가 있고, 그 2개의 가이드로 크로스 레일의 양 끝을 드는 구조이기 때문에 주축의 이동에 의해 크로스 레일에 드루프나 비틀림이 발생하게 된다. 또한 주축이 좌우로 이동할 때의 가감속에 의해 구조물 전체가 평행사변형과 같이 변형되어 버린다.
‘D2’에서는 칼럼의 좌우를 벽으로 결합해 일체화함으로써 칼럼의 벽 전체에서 크로스 레일을 지지해 주축의 이동으로 인한 크로스 레일의 드루프나 비틀림을 저감시키고, 가감속에 의한 칼럼의 변형도 억제하고 있다.
(4) 워크 사이즈와 적재 중량
테이블은 최대 지름 ø2,100mm, 최대 10톤의 워크 적재가 가능하다(표준 사양의 경우). 기계 정면의 개구 폭을 2,300mm로 했으며, 정면 문은 천정 부분까지 일체로 되어 있기 때문에 크레인을 이용한 워크의 반입 반출도 쉽다.
(5) 직동 가이드, 이송 속도
직동축은 모두 직동 가이드를 채용하고 있으며, 급이송 속도 35m/min(Z축 45m/min)을 달성했다. 가공 시에 주로 동작하는 XYZ축의 볼나사에는 축심 냉각을 채용, 서포트 베어링도 냉각하는 구성으로 하고 있기 때문에 축 동작 시의 발열을 억제해 장기간의 정도 유지와 장수명화를 달성할 수 있다.
(6) 절삭칩 처리
거친가공이나 앞에서 말했듯이 수평형 MC와 같은 운용이 가능하기 때문에 다량의 절삭칩이 나오는 가공도 예상하고 있다. 그렇기 때문에 기계 내에는 3개의 컨베이어를 설치해 절삭칩의 퇴적을 최소한으로 억제하게 했다. 가공 실내의 절삭칩이 퇴적되기 쉬운 장소에는 세정 쿨런트를 흘려서 절삭칩을 적극적으로 컨베이어로 보내고, 기계 밖으로 반출할 수 있게 했다(그림 6).
(7) 옵션
‘D2’에서는 여러 가지 가공이 가능하기 때문에 운용에 맞춰 선택 가능한 옵션도 준비하고 있다. 워크 세팅 시간의 단축을 위해 최대 5톤 워크의 교환이 가능한 팰릿 체인저(APC) 사양과(그림 7) 수납 공구 개수 136개(표준 60개)의 공구 매거진 사양 등을 준비했다(그림 8).
동시 5축 가공의 장점
3축 가공에서는 공구축에 대해 수직인 면을 가공할 때에 볼 엔드밀 끝단의 주속 제로의 점을 사용하게 되어 가공면에는 뜯어낸 것 같은 흔적이 남고, 날 끝에 큰 부담이 가해져 공구 수명이 짧아진다.
한편 동시 5축 가공의 경우는 공구 자세를 바꾸어 공구 끝단의 가공을 피할 수 있기 때문에 면품위 향상과 공구 수명 개선을 기대할 수 있다. 또한 공구 끝단 근방을 사용하지 않고 외주날 부분을 사용해 날공구가 가진 능력을 충분히 발휘, 높은 이송 속도의 가공이 가능하다.
제어 기능
금형가공의 생산성 향상을 목적으로 공구 자세를 자유롭게 변경할 수 있는 5축 제어 MC에 의해 공구 길이를 짧게 해 가공 조건을 높이고, 방전가공이나 세팅 전환의 횟수를 줄여 생산성을 높이는 대응을 시작했다. 그러나 금형가공의 현장에서 5축 제어 MC에 의한 금형가공의 보급이 추진되고 있지 않다. 그 배경에는 몇 가지 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 ‘D2’에 탑재하고 있는 마키노후라이스제작소의 최신 제어장치 ‘Professional 6’에 의한 최신예 제어 기술을 소개한다.
(1) ‘슈퍼 GI.5 제어’
동시 5축 동작에 의해 가감속이 빈번하게 발생하는 가공을 하는 경우, 기계가 응답할 수 없어 추종 오차가 생기고 가공면에 식입이 발생하는 경우가 있다.
마키노후라이스제작소의 제어 기능을 더욱 향상시킨 ‘슈퍼 GI.5 제어’에서는 높은 응답성에 의해 고속 그리고 고정도의 이송을 실현해 형상 오차가 최소가 되도록 가감속을 작게 억제하는 제어를 하기 때문에 높은 가공 정도를 유지할 수 있고, 속도 변화를 억제할 수 있어 전체적인 가공 시간도 단축된다.
(2) ‘VP 제어’
일반적으로 5축 제어 MC는 3축 제어 MC에 비해 기구가 복잡하고, 특히 대형기는 스케일에서 공구까지의 거리가 멀기 때문에 위치결정 오차가 커진다. 또한 이러한 오차는 각 축의 피치 오차와 같이 1차원이 아니라 3차원 방향으로 발생하는 오차이고, 각도 오차도 포함된다. 이들은 가공 범위의 공간 상 위치결정 오차로, 공간 오차라고 불린다. 이 문제에 대해서 3차원 측정기에서 이용되는 공간 보정의 개념을 이용한 동사 독자의 위치결정 보정 기술과 측정 기법을 이용한 보정 기능을 준비했다.
이 공간 오차 보정 기능을 ‘VP 제어’라고 부르고 있으며, 워크와 공구 자세의 상대 관계가 지령대로 되도록 제어해 대형 5축 제어 가공기에서도 높은 정도를 실현하고 있다.
(3) ‘회전축 중심 측정 기능’
동시 5축 가공이나 분할 가공에서는 기계 회전축의 중심 위치를 기준으로 제어를 하고 있다. 실제 회전축의 중심 위치에는 오차가 있기 때문에 공구 자세가 변화함으로써 가공 정도에 영향을 미치는 문제가 있다. 이 오차는 기계의 설치 환경이나 경년 변화에 의해서도 생긴다.
그래서 마키노후라이스제작소의 5축 MC에는 이 오차를 자동 계측해 보정하는 구조 ‘회전축 중심 측정 기능’을 준비했다. 주축에 장착한 터치식 프로브와 테이블에 장착한 측정구를 사용해 공구 자세를 분할하면서 구의 위치를 측정한다. 각 분할 위치의 측정 결과로부터 회전축의 오차를 계산, 이들 값으로부터 5축 가공용 제어 기능에 의해 회전축의 오차를 보정한다. 이와 같이 기하학적 치수 오차를 고정도로 측정․보정해 높은 위치결정 정도를 실현하는 기능이다.
(4) ‘콜리전(Collision) 세이프 가드’
주축 측과 테이블 측의 간섭 위험은 3축 제어 MC보다 운동이 복잡한 5축 제어 MC에서 훨씬 높다. 간섭을 방지하기 위해서는 3축 가공과는 다른 복잡한 동작의 프로그램 작성, 시뮬레이션, 세팅의 확인 등 가공을 시작하기 위해 오퍼레이터가 많은 시간을 소비해야 하는 문제가 있다. 1품 가공이 되는 금형가공에서는 그 경향이 더 뚜렷해진다.
이러한 간섭에 관련된 문제를 방지하기 위한 리얼타임 간섭 체크 기능으로 ‘콜리전 세이프 가드(CSG)’ 기능을 표준 탑재했다.
CSG 기능은 출하 시에 기계에 내장되어 있는 구조물 데이터에 더해, CAM 오퍼레이터가 설정한 공구․가공 워크․지그 모델군을 이용해 기계의 동작보다 빨리 시뮬레이션을 함으로써 간섭의 발생을 예측해 기계를 안전하게 정지시킬 수 있다. 가공 시뮬레이션 등의 사전 체크와 콜리전 세이프 가드를 병용해 가공 중의 동작 미스나 수동 운전에서 간섭을 방지할 수 있기 때문에 안심하고 가공작업을 진행할 수 있다.
이 기능이 효과적으로 사용하기 위해서는 가공 전에 MC 제어장치에 공구, 지그, 그리고 워크 등의 모델을 설정해 둬야 한다. 마키노후라이스제작소는 콜리전 세이프 가드용 인터페이스를 CAD/CAM 메이커와 공동 개발, CAD/CAM에서 모델 데이터를 원터치로 출력해 제어장치에 간단히 업로드할 수 있다(그림 9).
(5) ‘이너셔 적응 제어’
가공 워크에 따라 변동하는 중량을 기상 측정해 이송축의 속도와 가속도 등의 제어 파라미터를 자동으로 최적의 값으로 조정하는 기능이다.
지금까지는 기계 사양의 최대 워크 중량으로 제어 파라미터를 조정하고 있었기 때문에 워크가 가벼운 경우에는 이송축 모터에 여유가 있어 모터의 능력을 충분히 발휘할 수 없었다. 이너셔 적응 제어에 의해 모터 능력을 충분히 살린 최적 제어가 가능하고, 가공 정도를 유지한 상태로 가공 시간의 단축을 실현했다.
맺음말
금형 제작 리드타임 단축의 요구에 대응할 수 있는 대형 5축 제어 수직형 MC ‘D2’를 개발했다. 금형이 복잡화, 단납기화되어 가는 가운데, 이 기계의 개발이 금형 제작 공정의 단축에 공헌할 수 있을 것으로 확신하고 있다. 앞으로도 금형가공 현장의 생산성 향상에 대응하기 위해 기술 개발을 추진해 갈 것이다.
