장인에 대한 동경과 존경의 마음을 가지고 있다. 기계가공에 종사하는 관계자 중에도 훌륭한 장인들이 많이 존재한다. 오랜 경험과 지식에 의해 기계의 소리, 진동, 습관을 파악하여 미세하게 조정해 가는 인간과 도구(기계)가 일체화되어 있는 모습은 정말로 멋있다. CNC화가 진행된 절삭가공 분야에서 장인이라고 하면, CAM 오퍼레이터가 아닐까 한다. 동사가 취급하는 절삭공구나 공작기계 등의 각 부품은 엄격한 공차로 관리·제작되고 있기 때문에 유저 앞에서는 거의 동일한 사양이 보상되고 있다. 

동업 라이벌에 차이를 만든다면 이들 도구를 ‘어떻게 사용할까’에 달려있다. 잡다한 표현이지만 CNC를 이용한 제조 현장에서 타사와 차별화한다면 CAM 데이터의 도입이 가장 효과적인 대응이라고 할 수 있다. 

예를 들면, 동일한 CAM 시스템을 사용한 경우에도 CAM 오퍼레이터에 의한 형상 파악법이나 고안으로 거기서부터 출력되는 NC 데이터의 질은 크게 달라진다. 동일한 도구(CAM)라도 사용자에 따라 성능 차이가 생기는 현상은 정말로 장인의 그것과 동일하다고 할 수 있다. 이상을 말하면 CNC 가공이라도 데이터 작성에서 기계가공, 공구 선정까지를 동일한 담당자가 하면 보다 좋은 제작을 실현할 수 있다고 생각되지만, 조직화, 분업화가 진행된 현장에서는 매우 어렵다. 

현재 중국에서 제조업의 대부분은 역시 분업화된 시스템이다. 각 현장에서는 자신이 만들고 있는 것이 최종적으로 어떻게 될지를 알고 있는 사람은 거의 없다. 셀 수 없이 많은 수의 양산을 목적으로 하고 있으므로 어쩔 수 없는 이야기이다. 일본의 제조현장이 생존을 고려한 경우, 보다 고부가가치이고 치밀한 품질을 추구할 수밖에 없으며 제품의 전체 모양을 깊게 이해한 CAD/CAM 장인의 활약이 점점 더 필요하게 된다. 

다음으로 CAD/CAM의 현 상황에 접하게 된다. 과거의 이야기이지만 20여년 전 CAD/CAM은 전용 워크스테이션 컴퓨터에 UNIX OS(오퍼레이팅 시스템)가 고가이기 때문에 당시로서는 공작기계를 구입하는 것과 다름이 없는 설비 투자가 필요했다. 그러나 당시는 그래픽 화면에서 나오는 3차원 모델에 흥분하고, 그 제품을 기계가공해 가기 위한 공구궤적(이하 패스)이 표시됐을 때에 더욱 감동했던 것이 생각난다. 단, 그 당시에는 패스를 계산시키기 위해서는 시간이 걸려서 하룻밤에 걸쳐 CAM 계산을 하는 것도 당연했다. 고생하여 작성했지만 가공 데이터의 완성도가 낮고, 지금과는 비교도 안 되는 불안정한 데이터도 많았다. 또한 당시는 아직 자동 프로그램이라고 불리는 NC 데이터를 작성하는 대규모 장치도 현역이고, 공작기계와의 데이터 통신도 종이테이프나 플로피디스크에 의한 것이거나 하는 등 20년 전과 비교하면 현재의 일반적인 CAM 시스템은 소프트웨어, 하드웨어 모두 비약적으로 성능을 향상시키고 있다. 

또한 최근에는 동시 5축 제어 등의 CNC 장치의 발전에 따라 새로운 가공 방법 등의 기능이 추가되어 편리한 반면 더욱 복잡해지고 있다. 특히 국내외 유명 CAD/CAM 개발원에서는 빠짐없이 복합가공적 요소를 포함시켜 설계부터 해석, 다종 가공기 대응까지 모든 것을 패키지화한 효율 중시의 소프트웨어가 증가해 온 것도 사실이다. 기업의 이상으로 하면 설계에서 가공 프로세스까지를 일원 관리할 수 있는 것은 큰 장점이지만, 더욱 고도의 가공이 요구되는 가운데 모든 것이  패키지화된 소프트웨어에서는 반드시 유저 요구를 파악하고 있다고는 할 수 없다. 바꾸어 말하면 뭔가로 특화된 도구가 더욱 필요하게 된다. 

또한 현재의 일본 내 제조업으로 눈을 돌리면, 고부가가치 가공이나 초미세, 초고정도 금형가공 및 부품가공이 주류가 되는 가운데 절삭공구 메이커인 동사에서는 발빠르게 일본 제조업의 고정도화, 미세화의 경향을 파악하여 동사의 주력 상품인 절삭공구(이하, 엔드밀)의 라인업을 직경 6.0mm 이하의 소경 미세 분야로 특화시켜 시장에 공급해 왔다. 이들 소경 엔드밀 개발에서는 공구 제작 상의 문제를 해결하는 동시에 소경 엔드밀의 사용법이나 가공 조건의 설정을 하는데 수많은 절삭시험을 실시해 온 결과, 미세 가공에 필요한 많은 경험을 얻을 수 있었다. 또한 미세 가공 분야에서 불안정 요소는 엔드밀 본체 이외에도 많이 존재하고 있는 것은 말할 필요도 없고, 공작기계, 가공 데이터 등 모든 요소를 높은 차원에서 조합시키는 것이 가장 중요하다. 

이와 같은 배경에서 절삭공구 메이커로서 아직 고가인 미세 공구를 올바르게, 비용 대 효과가 있는 가공 수준으로 사용하기 위해 착안한 것이 CAM 기술과의 연계이다. 여기서 소개하는 공구 메이커 최초의 3차원 CAD/CAM 시스템 ‘NS-MicroCAM’(그림 1)(이하 본 소프트웨어)은 있을 것 같지 않았던 미세 가공 전용 CAM 소프트웨어이다. 이하에는 각 기능과 운용 사례를 섞어 미세 가공에서 엔드밀과 CAM의 응용을 소개한다.

▲ 그림 1. ‘NS-MicroCAM’ 본체 화면

NS-MicroCAM의 개요

일반적으로 대상 형상 및 사용하는 공구 지름이 작은 것이 미세 가공이 되지만, 동사에서 미세 가공의 정의는 사용하는 공구 지름을 불문하고 공작기계에 어떤 미세 동작을 시키는지가 가장 중요하다고 생각한다. 최근의 공작기계는 미세 동작에 대응한 고가속 응답 성능과 고분해능 스케일, 고정도 수치 제어를 가지고 있으며, CAM 출력된 미소 직선 데이터의 질이나 무리한 이송 속도 지령에 의해 기계 진동이 발생하고 결과적으로 면질의 악화나 공구 파손이 되는 경우가 많았다. 이들의 경험을 기반으로 안전한 미세 가공을 하는데 있어 CAM에 필요한 요소를 선정하여 아래와 같은 기본 사양으로 했다. 

① 사용 가능한 공구 지름의 최대값은 φ6.0mm 이하.

② ‌한 번에 정의할 수 있는 가공 범위를 50×50mm로 한정함으로써 소경 공구 성능을 최대로 발휘시키는 최적화된 공구 데이터베이스를 장비(그림 2).

▲ 그림 2. 공구 데이터베이스

③ ‌자유 곡면을 표현하는 미소 직선 데이터 작성용 파라미터를 많이 가지고 있으며, 패스 작성 정도의 안정과 자유도를 높인 정도 설정(그림 3). 

▲ 그림 3. 톨러런스 설정 개요

④ ‌패스 작성을 서포트하는 서피스 CAD를 탑재한 CAD/CAM 일체형 시스템.

미세, 난삭재 거친가공의 문제

좁은 피치 커넥터 형상의 전극이나 핀 게이트용 전극(그림 4)을 제작하는 경우 등은 버나 형상의 치우침, 면질에 신경을 쓴다. 가공에서 최종 목표는 다듬질 형상이지만, 가공 불량이나 공구 트러블을 일으키기 쉬운 공정은 오히려 가공 부하가 높은 거친 공정에 존재하는 경우가 많고, 전 공정의 누적 불량을 다듬질 공정만으로 제거하는 것은 매우 어렵다. 특히 내부 응력이 잔류하기 쉬운 동재 전극가공을, 거친·다듬질의 복수 공정으로 한 경우, 주축 열변이에 의한 가공 단차나 툴 체인지에 의한 회전 진동량의 차이에서 생기는 잔삭값 관리 등 CAM 설정값과는 다른 가공 부조화가 일어나기 쉬워 연속 자동 운전 시의 NC측 보정도 쉽지는 않다. 

▲ 그림 4. 왼쪽 : 좁은 피치 전극, 오른쪽 : 게이트 구멍 전극

절삭 체적이 적은 미세 전극에서는 거친가공·다듬질가공으로 공정을 나누지 않고, 형상 인코너부가 다듬질되는 최대 공구로 등고 모양으로 거친·다듬질을 동시 진행으로 가공하는 쪽이 보다 안전하게 된다. 본 소프트웨어의 거친가공용 모드인 ‘등고선 고효율 황삭’에서는 형상 윤곽 오프셋 스타일의 가공 패스를 작성하는 외에, 목표로 하는 형상 윤곽 부근에서 평면 방향 가공 피치나 축이송 속도를 자유롭게 가변시키는 것이 가능하기 때문에(그림 5) 황삭 영역과 동일한 높이에서 윤곽 다듬질을 하는 것이 가능하게 된다. 또한 이 기능은 고경도재의 거친가공에 대해서도 윤곽 형상 부근에서 발생하는 가공부하를 경감시키는 목적으로도 사용할 수 있고, 바디 유효길이가 긴 공구로 깊이가 있는 거친가공을 하는 경우의 치우침 대책(그림 6)에도 효과를 발휘하여 누적 불량을 경감할 수 있을 뿐 아니라 사용하는 엔드밀의 장수명화 대책이 되어 코스트 절감도 기대할 수 있다. 

▲ 그림 5. 황삭 모드 윤곽 다듬질 패스

▲ 그림 6. 공구 휨 이미지도

실패할 수 없는 미세 다듬질가공

동사에서는 앞으로 점점 더 기대가 높아질 것으로 예상되는 초경금형의 직조가공 및 경취재의 절삭가공에 대응하는 PCD 소재를 이용한 엔드밀과 CVD 다이아몬드 코팅을 실시한 제품(그림 7)을 판매하고 있다. 연마가 불가능한 미세 형상이나 방전 다듬질에서는 경면성, 마이크로 크랙에 의해 금형 수명에 문제가 발생하는 것에 대해서는 밀링 가공기를 이용한 직조가공이나 절삭에 의한 다듬질가공이 효과를 발휘한다. 그러나 초경재에 대해서 재거량이 많은 공정의 밀링 가공은 공구 코스트가 증대한다. 토털 코스트를 고려한 경우에는 그 외의 가공법과 조합시키는 방법을 검토할 수 있고, 예를 들면 방전가공에서 제거량이 많은 전 가공을 한 후 밀링 가공기로 세팅을 교환하고 절삭 다듬질을 하는(그림 8, 그림 9) 경우에는 위치 오차나 잔삭값 오차에 의한 공구 파손이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 이와 같은 대책으로서 본 소프트웨어의 각 다듬질 모드에는 패스의 추입 기능이 준비되어 있으며, 경취재 가공에서 공구 트러블을 회피한다.

▲ 그림 7. 경취재 가공용 엔드밀 SEM 사진

▲ 그림 8. 세팅 교환 다듬질

▲ 그림 9. 등고선 다듬질 추입 기능

또한 cBN 공구를 이용한 담금질재의 금형 다듬질가공에서 완만한 경사면 및 곡면부에서는 주사선 방향의 공구 궤적을 이용한 다듬질 방법이 일반적이다. 보통 주사선 다듬질가공에서는 곡면 상에 장해물이 되는 섬이 남은 영역이 존재하는 경우, 그 부분을 회피하고 최단 시간의 가공경로로 가공면 전체를 연결한다. 이 경우 일정한 가공 피치라도 한 번 리트랙트하여 재접속한 곳에는 공구 끝단가공 열의 변화로 똑같은 가공면에 줄기 모양이 남고, 외관상 NG가 되는 경우가 있다. 본 소프트웨어의 주사선 다듬질 모드에서는 주사선 진행 방향을 우선시함으로써 접속 부분을 알기 힘든 똑같은 가공면(그림 10)을 얻는 것이 가능하다. 또한 다듬질 모드의 각 추입 기능은 공구 초기 마모 대책에 응용할 수 있다.

▲ 그림 10. 주사선 패스의 비교

지금까지 CAM 오퍼레이터가 다듬질값을 구사하여 복잡하게 만들 필요가 있었던 공정을 파라미터로 관리할 수 있고, 공구 접촉점이 안정된 상태로 최종 다듬질면을 가공할 수 있다. 공구 작성 공수나 설정 미스의 경감에 효과적이 된다. 이들 추입 기능은 가공 시간이 증대하지만, 미스가 생기지 않는 고부가가치 가공에서 그 의미는 크다. 그 외에 한번 작성한 공구 경로를 편집하는 CL 편집 기능을 가지고 있으며, 다듬질 패스의 배리에이션을 지원한다.  

본 소프트웨어에서 제안하는 미세 가공용 각 파라미터는 엔드밀 메이커인 동사가 고객이 소경 엔드밀을 안전하고 효과적으로 사용할 수 있도록 개발에 도전한 것이다.

도이 타카히로, 쿠로사와 준이치, 타카노 마사유키 : 개발부 연구개발팀

〒981-3408 宮城県黒川郡大和町松坂平 2-7-2

TEL (022)347-0567

도이 타카히로 (土井 貴浩), 쿠로사와 준이치 (黒沢 淳一), 타카노 마사유키 (高野 昌之)   日進공구(주)

본 記事는 日本 日刊工業新聞社가 發行하는 ＜型技術＞誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.