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금형 가공에 대한 고속·고효율 절삭 가공의 사고방식과 실제
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.09.01 | 2002년 9월호
 
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금형산업은 일대 변혁기를 맞이하여 각각의 생존 경쟁을 걸고 위에서 말한 금형 가공 기술 요구를 어떻게 달성해 갈 것인가? 그리고 경제산업성이 정리한 자료에도 있었던 제품이나 가공의 고부가가치 향상을 어떻게 달성해 가느냐가 앞으로 해결해야 할 큰 개발 과제로 되어 있다. 이하에서는 금형 가공의 고부가 가치화를 달성하기 위한 고속·고효율 절삭 가공의 사고방식과 더 한층의 도전에 대해 사례를 곁들여 가며 소개한다.
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경제산업성이 정리한 내용은 다음과 같다.
 (1) 금형 사용자 기업의 해외 전개
 ① 사용자 기업의 해외 전개 진전 (제조업의 제 2 공동화)
 ② 거래 구조의 유동화 (국제적으로 적합한 조달 지향)③ 사용자 기업 요구의 변화 (비용 중시의 조달·가격 인하 요구)
 ④ 가공 설비의 고기능화 (3차원 CAD, 고속·다축 공작기계)
 (2) 금형 기업 등의 대처
 ① 수주 확대 움직임
 ② 고부가가치화, 단납기화, 비용 절감( 성형품의 부가가치 향상, 금형의 부가가치 향상, 디자인 유행 편승) 그리고 아사히 신문의 기사에서는 다음과 같은 내용이 보도되어 있다.
  「제조국 일본」을 표면에 드러나지 않게 지탱해 온금형업이 위기에 처해 있다. 대기업 메이커들이 아시 아로 진출하여 그렇지 않아도 일감이 줄고 있는데 메이커나 부품회사가 업자에게 발주 조건으로서 금형 기술 데이터의 제출을 요구하고 그 기술 데이터를 인건 비가 싼 해외에 통째로 내보내어 생산하는 사례가 속출하고 있다. 또한 최근 지방의 공장에서는 극단적인 경우 시간당 1000엔 이하의 저임금으로 가공 수주를 받지 않을 수 없는 상황도 있다. 이같이 제품 메이커 등이 IT의 발달로 정보 보급이 신속해지는 영향도 있고 국제적인 가격경쟁에 이겨내기 위해 사람의 도리가 아닌 처사로 제조업계를 교란하고 있다.
  한편 새로운 금형 가공 기술은 시대의 요구이다.
 ⅰ) 대폭적인 금형비 삭감 요구(50% 저감, 가격을 일본을 1로 하였을 경우 중국은 0.3, 한국은0.7 정도)
 ⅱ) 초단납기화 요구(휴대전화 케이스 등에 있어서는 성형품 납품까지 1주일, 일본을 1로 하였을 경우 한국은 0.8로 제작)를 만족시키는 기술개발이 필요하고 대기업 자동차 메이커 등에서는 수지 범퍼의 금형 가공에서 기계가공 공정이 금형가공 전체의 65%를 차지하는 점에 주목하여
 a) 가공 도중에 On Machine 측정을 도입하여 무인 작업화
 b) 고속 기계에 의한 황삭 가공의 고능률화(절삭 제거량 300cc/min 이상)로써 가공 시간 대폭 단축
 c) 수평형 5축 머시닝센터를 사용하여 가공 공정의 대폭 집약화(고속 스핀들 머신, 심공(深孔) 가공, 무방전 가공 등)
  등을 실시하여 수지 성형 금형의 고능률화·연속 무인 가공 기술을 확립하여 금형의 리드 타임을 종전의 50%로 단축하고 기계의 무인 운전율도 종전의 70%에서 80~95%로 향상되었다는 보고가 있다. 그리고 대기업 자동차 메이커 관련 프레스 금형 가공을 개발한 결과 내판 금형은 기계 가공화로써 가공 시간을 대폭 줄였으나 외판 금형의 의장면은 손 다듬질에 시간이 오래 걸린다는 보고가 있다.
  최근 주목받고 있는 일본 금형산업의 경쟁력에 대해 서도 경제산업성이 정리한 자료에 따르면, 고정밀도를 요하는 것(자동차 차체 프레스용 금형, IT 부품용 금형, 정밀기기용 금형, 의료기기용 금형)은 일본과 독일이 강하고 정밀도가 낮은 것(가전 케이스용 금형, 일용 품용 금형, 일반 기구 부품용 금형 등)은 아시아와 중국이 강하다. 금형이 복잡한 것(자동차 인터 패널용 금형 등 )에서는 일본이 강하고 금형이 단순한 것(가전 케이스용 금형, 일용품용 금형, 일반 기구 부품용 금형등)은 아시아와 중국이 강하다. 또한 단납기화가 요구 되는 모델 변화가 심한 것(휴대전화 외장 등), 디자인 유행 편승(design in)을 요하는 것(자동차 등) 등은 일본과 한국이 강한 것으로 보고되어 있다.
  이같이 금형산업은 일대 변혁기를 맞이하여 각각의 생존 경쟁을 걸고 위에서 말한 금형 가공 기술 요구를 어떻게 달성해 갈 것인가? 그리고 경제산업성이 정리한 자료에도 있었던 제품이나 가공의 고부가가치 향상을 어떻게 달성해 가느냐가 앞으로 해결해야 할 큰 개발 과제로 되어 있다. 이하에서는 금형 가공의 고부가 가치화를 달성하기 위한 고속·고효율 절삭 가공의 사고방식과 더 한층의 도전에 대해 사례를 곁들여 가며 소개한다.
1. 고속·고효율 절삭 가공의 사고방식
고속·고효율 절삭 가공의 사고방식에는 ①단위 시간당 어느 정도의 체적을 제거할 수 있는가? ②가공 준비 시간의 단축, 생략을 어떻게 할 것인가? 등 가공 시간을 대폭 줄이기 위해 현재 다음과 같은 방법이 실용화되고 또 시행되고 있다.
 1) 고(高)회전 스핀들 주축을 사용하여 미소(微小) 절입과 고이송으로 고효율 가공을 달성하는 방법
 2) 고(高)강성 스핀들 주축을 사용하여 큰 절입과 저속 이송으로 고효율 가공을 달성하는 방법
 3) 5축 등 다축 기능을 갖춘 가공기에서 사전 준비 교체 등의 공정 집약으로 고효율화를 달성하는 방법
  위의 1)에서는 고회전 스핀들 주축(30,000~ 50,000min -1)을 사용하고 테이블의 구동 속도가 30m/min이라든가 150m/min인 고속 구동을 리니어 모터 등을 사용하여 실시하는 머시닝센터가 발매되고 있다. 일반적으로 3축 동시 구동 방식인 머시닝센터에 서의 절삭 조건은 1절삭날당 이송량을 하나의 기준으로 한다. 그러므로 10m/min 이상의 고속 이송 조건으로 가공할 경우 이송 속도와 스핀들 회전수 등으로 결정하는 1절삭날당 이송량을 0.2mm/절삭날로 하면 스핀들 주축 회전수 20,000min -1이 최대의 기계를 사용하였을 경우에는 이송 속도가 10m/min 이하인 조건으로 가공하게 된다. 한편 스핀들 주축의 회전수를 30,000min -1 이라든가 40,000min -1에 설정할 수있는 기계에서는 스핀들 주축의 회전수에 비례하여 이송 속도를 크게 설정할 수 있다. 그런데 스핀들 주축 회전수를 20,000min -1 이상으로 설정할 수 있는 기계에서는 주축을 회전시키는 모터를 스핀들 주축에 직결하는 빌트인 방식이 채택되어 있기도 하고 스핀들 주축을 고회전하기 쉽도록 하기 위해 가능한한 주축에 마찰 부하를 걸지 않는 방식이 채택되고 있다. 이러한 점에서 볼 때소경(小徑) 공구를 사용한 미소 절입에서의 고이송 가공으로써 고효율화를 달성하지 않을 수없다.
  이에 대해 위의 2)에서는 20,000min -1 이하의 스핀들 주축에 강성을 갖게 하여(예압력을 걸어) 절입을 크게하더라도 스핀들 주축이 릴리프(relief)하지 않는 머시닝센터가 발매되었다. 이 방식에서는 단위시간당 제거량을 절입량을 크게 설정하여 고속 이송을 하지 않고 고효율적으로 가공한다. 이 방식을 적용한 것이 ⅰ) 1발 대(大)황삭 가공·점핑(jumping)공법(필자가 제안하고 있는 가공 공법), ⅱ) 찌르기 가공법 등이 있다. 앞의 ⅰ)공법은 고경도재에 대한 황삭 가공을 고효 율화할 수 있음이 필자의 연구개발에서 실증되었다.
  그리고 고속이라든가 고효율 절삭 가공과 개념이 전혀 다른 고효율화의 사고방식으로서 가공 준비, 깊은 수직 벽이 있는 금형(범퍼 등) 가공, 다축 기능을 이용한 공구 무회전 가공 등에서 가공 준비단계 생략, 가공 공정의 집약, 가공 범위 확대를 겨냥하여 고효율 가공을 달성하는 방법이 최근에 와서 점점 보급되어 가고 있다. 때문에 다축 머시닝센터(5축, 6축 등 ) 가시판되기 시작하였다.
  다축 머시닝센터란 3축 이상의 축 수를 제어하는 절삭 가공을 말하는데 가공에서는 공구축을 가공면에 대해 임의의 방향으로 향하게 할 수있기 때문에 가공 준비 교환 이외에 가공 부품의 기하학적 정밀도를 보다 좋게 가공할 수 있는 특징을 갖고 있다. 최근의 다축 머시닝센터 예를들면 5축 머시닝센터는 종전의 門자형 대형기와는 그 양상을 달리 하여 소형화와 동시에 동시 5축 가공을 할 수있는 것이 증가하였다. 그리고 5축 머시닝센터에는 a) 주축측에 선회 2축을 가진 것, b) 테이블측에 선회 2축을 가진 것, c) 주축측과 테이블측에 각각 선회축을 가진 것 등이 있다. 6축 머시닝센터에서는 공구를 회전시키지 않고 절삭 가공할 수있기 때문에 공구로 정이나 치즐, 바이트 등을 사용할 수 있다. 5축 가공 이하 통상적인 절삭에서는 공구나 공작물의 회전에 수반하는 회전 형상이 공작 물에 생겨버리나 6축이 되면 공구를 회전시키지 않고 절삭하는 것이 기본이기 때문에 금형의 귀퉁이 등을 간단하게 가공할 수 있다. 현재 다축 가공에서는 NC 데이터를 작성하는 다축 가공용 소프트웨어로 어느 메이커의 소프트웨어가 좋은가? 등 수많은 문제를 안고 있다.
  이것 외에 다축 머시닝센터라고 불러도 되는지 판단 하기 어려우나 병렬 메커니즘 방식을 채택한 다축 머시닝센터 등도 있는데 위치결정 정밀도나 윤곽 정밀도 외에 가공할 수 있는 재료에 제한이 있기 때문에 금형 가공기로서는 현재 채택되고 있지 않다. 아무튼 최근 금형 현장에서는 가공 시간을 대폭 줄이기 위한 고속 ·고능률 가공에 더하여 무연마라든가 고품위 가공을 추가하는 것이 필요 불가결한 요구 조건으로 되었다.
 즉 기계가공 후의 무인 작업화가 요망되고 있기 때문이다.
2. 고속·고효율 절삭 가공을 활용한 고부가가치 금형가공 사례
금형 가공의 부가가치를 높이기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있으며 다음과 같은 가공이 대표적이다.
 
 ●금형의 무연마 가공
 ●고경도재의 직접 조각 가공
  이하에서는 가공 사례를 소개한다.
 
 가. 알루미늄 휠 주조용 금형의 무연마 가공
  담금질 처리한 SKD-11(경도 50HRC)재를 사용하여 자동차용 알루미늄 휠 주조 금형의 무연마 가공을 실시한 가공 사례에 대해 소개한다.
  <그림 1>에 나타낸 알루미늄 휠 금형의 가공 형상은 3차원 형상을 하고 있으며 수직 벽부의 원활한 곡면 변화나 코너부에서 이루어지는 원활한 곡면 변화가 공존한다.
 이 금형 가공에서 풀어야 할 과제는ⅰ) 무인 가공 달성, ⅱ) 가공면 품질이 양호하고 무연마 가공 달성,ⅲ) NC 데이터 작성을 포함한 총 가공 시간의 대폭적인 단축 달성 등이다. 또한 이 금형 가공에서는 가공면 품질을 최우선으로 하나 가공 시간 등의 가공 효율도 포함하여 달성되도록 CAM 시스템에 의한 NC 데이터 작성(절점 간격 등), 가공 방법 등에 특히 신경을 써서 작업하였다. 그리고 NC 데이터를 작성함에 있어서는 CAM 시스템 선정 외에 공구 선정 등이 있는데 그 건정 결과를 <표 1>에 나타낸다. 또 CAM 데이터 작성및 가공 작업은 필자 일행이 실시한 것 외에 자동차 관련 금형 부문에도 부탁하였다.
  알루미늄 휠 금형 가공 결과, <표 2>를 보면 대황 삭, 황삭 가공 공정에서 이루어지는 가공 방법, 공구로 평엔드밀을 사용하느냐 스로 어웨이 공구를 사용하느냐에 따라 5시간 정도의 가공 시간차가 생김을 알 수있다. 그리고 총 가공 시간에서도 대황삭, 황삭 가공의 가공 시간차 이외에도 중간 다듬질, 다듬질 가공에서 가공 시간차가 생겼다. 또한 <그림 3>에 나타낸 가공의 종합 평가 결과에서는 총 가공 시간 이외에손 다듬질 공수와 가공면 거칠기에서 상당한 차이가 인정된다. A그룹~D그룹에서는 총 가공 시간, 추정 손다듬질 시간, 가공면 거칠기 모든 면에서 필자 일행이 실시한 가공 결과보다 떨어져 있음을 알았다. 그 원인은 다음과 같다.
 ① 대황삭, 황삭 가공 방법의 차이
 ② 각 연구 그룹이 작성한 NC 데이터의 차이(CAM 시스템의 차이)
 ③ 사용한 가공기의 차이
  위의 ①에서는 가공기의 크기(40번 타입, 50번 타입)에 관계없이 가공 공법에 의존하고 있다. 대황삭, 황삭 가공 시간이 짧은 가공 공법에서는 평 엔드밀을 사용한 1발 대황삭 가공·점핑 공법을 적용한 것이 유효하게 작용하였다고 할 수있다. 그리고 중간 다듬질, 다듬질 가공에서는 기계 강성의 크기(대소)가 절입량의 결정을 좌우하므로 이것이 큰 영향을 주었다. 또한 가공면 거칠기는 NC 데이터의 좋고 나쁨이 가공 결과에 그대로 나타났다고 본다.
  <그림 1>에서는 필자가 실시한 가공 샘플 사진을, <그림 2>에서는 가공면의 품질이 나쁠 경우의 NC 데이터 예를 각각 나타낸다.
 
 나. 범퍼 수지용 금형의 무연마 가공
  범퍼 수지용 금형에 직접 조각 무연마 가공을 시도한 사례에 대해 소개한다.
  <그림 3>에 나타낸 본 모델의 가공에서는 NC 데이 터의 절점간 거리(구성점간의 거리)를 0.1mm로 지정 하여 구성하고 가공 조건은 <표 4>와 같이 하였다.
  <표 5>는 각CAM 시스템의 NC 데이터이다. <표 5>를 보면 알 수있듯이 동일한 가공임에도 불구하고 NC 데이터는 각각 다르게 나왔다. 이것은 각 CAM 시스템에서 구성점을 발생시키는 방법에 차이가 있기 때문일 것이다. 그것에 대해 조사한 결과 구성점을 발생 시키는 방법에는 2차원적인 거리에 의하는 방법과 3차 원적인 거리에 의하는 방법이 있음을 알았다.
  <그림 4>를 보면 알 수있듯이 같은 2점을 취하고그 거리를 측정하면 3D 거리 쪽이 길다. 따라서 절점간 거리를 지정하였을 경우 3D 거리를 토대로 구성점을 발생시키는 쪽이 구성점의 수 자체는 많아진다. 즉구성점의 수가 많은 A사, B사는 3차원적인 거리를 토대로 구성점을 발생시키고 있음을 알 수있다. 3D 거리를 토대로 구성점을 발생시키는 방법과 2 D거리를 토대로 구성점을 발생시 키는 방법을 그림으로 표시하였다. 즉3D 거리에서는 경로를 따라 구성점을 발생시키고 2D 거리에서는 가공면을 2차원적으로 보고 구성점을 발생시키고 있다. 이것은 인접한 경로끼리 구성점의 위치 배열법에 영향을 끼친다.
  3D 거리에서 경로를 따라 구성점을 발생시켰을 경우와 3차원 자유 곡면의 경우에는 인접한 경로끼리 길이가 다르므로 구성점의 위치는 다소 어긋나게 된다. 그러나 2D 거리를 토대로 구성점을 발생시켰을 경우에는 경로의 길이와는 상관없이 2차원적으로 구분되므로 구성점 위치상의 어긋남이 생기지 않는다. 이 구성점 배열 방식은 가공면 품질, 가공 시간의 차이로 되어 나타 난다.
  좋은 가공면의 품질을 얻으려면 다음과 같이 하는 것이 좋다.
 ① 2D 거리를 토대로 구성점을 발생시키는 방법에 서는 절점간 거리를 가능한한 짧게 배열한다.
 ② 구성점의 위치를 인접한 경로끼리 배열한다.
  <그림 5>에서는 NC 데이터가 그대로 가공 결과에 나타난 가공 샘플 사진을 나타낸다.
 
 다. 고경도재(60HRC)를 사용한 냉간 단조형 무연마 가공 예
  3축 머시닝센터와 피복 초경합금 공구를 사용하여 60HRC 이상으로 형상 가공한 가공 사례를 소개한다.
  가공 형상은 자동차용 부품인 스파이더(spider) 형상과 트러니언(trunion) 형상이고 모두 냉간 폐색 단조용 금형으로 사용된다.
  <그림 6>과 <그림 7>에서는 직접 조각 가공한 가공 샘플 사진을 나타 낸다.
  <그림 6>에 나타낸 트러니언 형상의 직접 조각 가공은 <표 6>에 나타낸 가공 공정과 가공 시간의 조건으로 작업하여 보는 것처럼 매우 아름 답게 가공되었다. <그림 7>에 나타낸 스파이더 형상의 직접 조각 가공은 < 표7>에 나타낸 가공 공정과 가공 시간의 조건으로 작업하여 보는 것처럼 매우 아름답게 가공되고 무연마 가공이 달성되었다.
  트러니언 형상은 가공 최대 깊이가 45mm, 형상 최대 폭100.5mm로 수직 벽부가 완만한 자유곡면 형상으로 되어 있고 돌기가 6개 나와 있다. 이가공에서는 가공 최대 깊이가 45mm로 크기 때문에 가공 공법으로 1발 대황삭 점핑 가공 법을 적용하여 황삭 가공을 효율적으로 하였다. 그리고 중간 다듬질 가공에서는 가능한한 다듬질 가공에 부담주지 않는 것을 염두에 두고 잔삭이 작아지도록 가공하였다. 또다듬질 가공은 NC 데이터 작성에서 절점간 거리를 작게 한것으로 작성하였다.
  스파이더 형상의 가공에서는 4개 블레이드의 바닥면 형상이 원호로 되어 있기 때문에 NC 데이터를 작성함에 있어 머리를 짜서 등고선 경로의 뒤로 주사선 경로를 통과시키고 다듬질용 공구로서 Pencil Neck 타입으로 된 것을 사용하여 가공하는 중에 공구의 채터 진동(chatter vibration)이 가능한한 발생하지 않게 하였다.
 
 라. 고경도 (60HRC 이상)재를 사용한 블랭킹 프레스 금형의 직접 조각 무연마 예
  60HRC 이상의 고경도재를 직접 조각 무연마 가공한 가공 한계 검색과 블랭킹 프레스에 적용하기 위해 공구, 가공 방법, 가공 조건, NC 데이터 등을 검토하고 직접 조각 무연마 가공을 실시한 블랭킹 펀치에서 실제로 프레스 실험한 결과에 대해 소개한다.
  블랭킹 프레스 금형의 펀치 형상은 <그림 8>에 나타낸 형상으로 두께 1.2mm인 직선 중앙 부분에 파형(波型)으로 된 산(山)과 곡(谷)이 2 개있는 형태로 산곡부와 직선부의 연결은 R 0.6mm의 원호로 되어 있다<그림 9>. 그리고 가공 공작물재는 직접 조각 가공하기가 매우 어려운 고속도 공구강 YXR-3(62HRC)을 사용하고 가공기로는 스핀들 주축 강성이 높은 3축 머시닝센터를 사용하였다. <표 8>에서는 가공 공정, 가공 조건, 사용 공구, 가공 시간을 나타낸다.
  블랭킹 펀치 가공은 머시닝센터를 사용하여 실시하였는데 걸린 총 가공 시간은 1시간 50분 53초 이었다. 그리고 다이는 와이어 방전가공으로 실시하고 27분 걸렸다. 직접 조각한 펀치 가공면은 펀치 절삭날면의 표면 거칠기 Ra=0.71㎛(가공 이송 방향에 직각), Ra=0.32㎛(가공 이송 방향에 평행)이었다. <그림 10>에 서는 그 측정 결과를 나타 낸다. 직접 조각 가공한 펀치를 사용하여 블랭킹 프레스 실험을 한 제품, 펀치 등을 <그림 11~15>에 나타낸다.
  <그림 12, 그림 13>은 펀치의 마모 상황을 보기 위해 현미경으로 확대한 사진이고 <그림 14, 그림 15>는 블랭킹 프레스를 10,000숏(shot) 실시한 후 나타난 블랭킹 제품의 볼록부, 오목부의 모습을 현미경으로 확대한 사진이다. <표 9>는 블랭킹 제품의 각 부위에 나온 버(burr) 높이를 측정한 결과이다. 또한 블랭킹 숏 수는 펀치 재연마의 기준으로 되어 있는 70,000숏을 펀치의 수명 목표로 하고 블랭킹 프레스 실험을 하였다. 그 결과 직접 조각 가공한 펀치는 일반 상식선으로 되어 있는 펀치 수명까지는 충분히 사용할 수 있음을 알았다.
 그 결과 머시닝센터를 사용한 고경도재의 직접 조각 무연마 가공은 블랭킹 프레스 금형의 펀치로서 충분히 실용에 기여할 수 있음을 알았다.
  제조업계의 국제 경쟁력에 싸워 이기기 위해 일본의 제조업은 필사적으로 새로운 도구, CAD/CAM, 고속 머시닝센터를 사용하여 저가화를 위한 노력과 고부가가치를 낳기 위한 노력을 계속하고 있다. 필자 일행도 일본의 제조업, 제조업계가 왕년의 활기를 되찾는데 협력하기 위해 미력하나마 본고에 소개한 금형을 연구 개발하고 있다. 이같이 소개한 결과 제조에 종사하고 계시는 여러분들에게 조금이라도 도움이 되었으면 한다.
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