5축 CNC 가공의 역할: 복잡한 기하학적 하우징의 프로토타입 및 소량 생산

5축 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공은 제조 기술의 중요한 발전으로, 기존 방식으로는 어렵거나 비경제적인 복잡한 하우징 부품 생산을 가능하게 합니다. 이 기술은 3개의 선형 축(X, Y, Z)과 2개의 회전 축(A, B 또는 C)을 통합하여 거의 모든 방향에서 공작물에 접근할 수 있는 전례 없는 유연성을 제공합니다. 복잡한 기하학적 하우징의 프로토타입 및 소량 생산의 경우, 5축 CNC 가공은 기하학적 능력, 치수 정확도 및 표면 품질 측면에서 뚜렷한 이점을 제공하며, 사출 성형에 필요한 고가의 툴링을 제거합니다. 이 기사에서는 항공우주, 생물의학, 소비자 전자 제품을 포함한 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 잠재력을 보여주는 특정 사례 연구와 함께 복잡한 하우징 제조를 위한 5축 가공의 기본 원리, 응용 분야 및 이점을 살펴봅니다.

1 서론

5축 CNC 가공은 특히 유기적인 형상, 좁은 공차, 우수한 표면 마감을 요구하는 응용 분야에서 복잡한 하우징 부품 제조에 혁명을 일으켰습니다. 기존 제조 방식에서 복잡한 하우징은 일반적으로 사출 성형 또는 3축 가공을 사용한 여러 설정을 필요로 했으며, 이는 모두 프로토타입 및 소량 생산에 상당한 제약을 제시했습니다. 접근 가능한 5축 기술의 출현으로 제조업체는 복잡한 부품을 단일 설정으로 완벽하게 가공할 수 있게 되어 이러한 제약을 극복할 수 있게 되었습니다.

5축 가공의 근본적인 장점은 5개의 독립적으로 제어되는 축을 통해 절삭 공구 및/또는 공작물을 조작할 수 있다는 것입니다. 선형 이동에 제한된 3축 기계와 달리 5축 시스템은 회전 이동을 통합하여 복잡한 부품 형상에 대한 정밀한 공구 위치 지정 및 최적화된 절삭 각도를 가능하게 합니다. 이 기능은 복잡한 내부 기능, 얇은 벽 및 기존 방법으로는 완전히 생산할 수 없는 복잡한 외부 윤곽을 종종 통합하는 하우징 부품에 특히 유용합니다.

2 5축 가공의 기본 원리

2.1 운동학적 구성

5축 CNC 기계는 필요한 이동의 자유를 달성하기 위해 다양한 운동학적 구성을 사용합니다. 가장 일반적인 구성에는 이중 회전 테이블, 틸팅 회전 테이블 및 회전 테이블이 있는 틸팅 스핀들이 포함됩니다. 각 구성은 특정 하우징 응용 분야에 뚜렷한 이점을 제공합니다. 예를 들어, DMU 100 P duoBLOCK은 복잡한 하우징 가공 중 정밀도를 유지하는 데 필수적인 뛰어난 강성과 열적 안정성을 제공하는 매우 안정적인 duoBLOCK 구조를 사용합니다.

회전축은 일반적으로 두 가지 주요 명명 규칙을 따릅니다. 한 시스템에서 회전축은 A(X축 주위 회전), B(Y축 주위 회전) 및 C(Z축 주위 회전)로 지정됩니다. 대부분의 5축 시스템은 3개의 가능한 회전축 중 2개를 3개의 선형 축과 함께 사용합니다. 특정 구성은 기계의 작업 영역 및 방향 기능을 결정하며, 특정 하우징 응용 분야에 대한 장비를 선택할 때 중요한 고려 사항입니다.

2.2 RTCP 기능

진정한 5축 가공을 3+2축 위치 지정과 구별하는 중요한 기능은 "공구 중심점 제어"라고도 하는 RTCP(공구 중심점 주위 회전) 기능입니다. 이 고급 CNC 기능은 회전축이 이동함에 따라 공구 중심점 위치를 자동으로 계산하고 보상하여 절삭 공구가 방향에 관계없이 공작물 표면과 적절한 접촉을 유지하도록 합니다.

RTCP가 없으면 프로그래머는 모든 회전 이동을 고려하여 복잡한 공구 경로를 수동으로 계산해야 하며, 이는 매우 지루하고 오류가 발생하기 쉬운 프로세스입니다. RTCP가 활성화되면 CNC 시스템은 공작물에 대한 올바른 공구 위치를 유지하기 위해 5개의 축을 모두 동시에 자동으로 조정합니다. 이 기능은 복잡한 곡선, 언더컷 및 가공 과정 전체에서 지속적인 공구 재지정이 필요한 비직교 기능을 가진 복잡한 하우징 형상에 특히 유용합니다.

3 복잡한 형상 기능

3.1 유기적 및 에르고딕 형상

5축 가공은 생물학적 형태를 모방하거나 공기역학적 및 유체역학적 성능을 최적화하는 유기적 형상 생산에 탁월합니다. 복잡한 곡률과 지속적으로 변화하는 표면 위상으로 특징지어지는 이러한 형상은 기존 3축 가공에 상당한 어려움을 제시합니다. 이 기술을 통해 일반적으로 대량 생산에서 사출 성형을 위해 사용되지만 툴링 비용으로 인해 프로토타입 또는 소량 응용 분야에는 실용적이지 않은 조각된 흐르는 형태의 하우징을 만들 수 있습니다.

생물의학 산업은 맞춤형 의료 기기 인클로저 및 특수 장비 하우징을 생산할 때 특히 이 기능을 활용합니다. 이러한 부품은 종종 인체 해부학에 맞게 조정된 인체 공학적 설계 또는 복잡한 내부 메커니즘을 수용하는 복잡한 형상을 필요로 합니다. 5축 가공을 통해 제조업체는 값비싼 금형 없이 CAD 데이터에서 직접 이러한 정교한 형태를 생산할 수 있어 프로토타입 개발의 리드 타임을 획기적으로 단축할 수 있습니다.

3.2 깊은 캐비티 및 언더컷

하우징 부품은 종종 수직 접근에 제한된 공구에 접근할 수 없는 내부 캐비티, 언더컷 기능 및 움푹 들어간 영역을 통합합니다. 5축 기계의 회전 기능을 통해 공구는 이러한 기능에 최적의 각도에서 접근할 수 있어 3축 가공에서 여러 설정 또는 특수 툴링이 필요한 간섭 문제를 효과적으로 제거할 수 있습니다.

이 기능은 깊은 드로우 또는 음각 각도가 있는 금형과 같은 하우징 구조를 생산하는 데 특히 유용합니다. 공작물 방향을 조작함으로써 절삭 공구는 재료와 최적의 접촉을 유지하면서 그렇지 않으면 접근할 수 없는 영역에 접근할 수 있습니다. 이를 통해 여러 부품과 조립 작업을 필요로 하는 복잡한 내부 파티션이 있는 일체형 하우징 설계를 생산할 수 있습니다.

3.3 단일 설정 복잡한 구조

단일 설정으로 복잡한 하우징 구조를 완성하는 기능은 5축 가공의 가장 중요한 장점 중 하나입니다. 기존 제조 방식은 종종 각 작업 사이에 재배치를 통해 여러 가공 작업을 필요로 하여 오류 발생 가능성을 높이고 총 처리 시간을 늘립니다. 5축 기술을 사용하면 기계에서 공작물을 제거하지 않고 모든 외부 및 내부 기능을 완벽하게 가공할 수 있습니다.

이 단일 설정 기능은 정밀한 보어 정렬, 인터페이스 관계 및 정밀한 위치 관계를 유지해야 하는 통합 장착 기능이 있는 하우징 부품에 특히 유용합니다. 여러 설정을 제거함으로써 제조업체는 공작물을 재배치할 때 발생할 수 있는 누적 오류를 방지하여 설계된 대로 기능이 완벽하게 정렬되도록 합니다. 이 접근 방식은 또한 설정 변경 및 2차 작업을 제거하여 총 처리 시간을 크게 줄입니다.

4 정확도 및 정밀도 장점

4.1 누적 오류 제거

여러 설정을 필요로 하는 기존 제조 공정에서 각 재배치는 생산 공정 전체에서 누적되는 정렬 오류 발생 가능성을 도입합니다. 5축 가공의 단일 설정 기능을 통해 제조업체는 이러한 오류 소스를 효과적으로 제거하여 모든 기능이 복잡성에 관계없이 설계된 관계를 유지하도록 합니다. 이는 다른 어셈블리와 정확하게 인터페이스하거나 정확하게 정렬된 베어링 마운트 및 샤프트 개구부를 포함해야 하는 하우징 부품에 특히 중요합니다.

정밀도 이점은 단순한 위치 정확도를 넘어 확장됩니다. 5축 가공은 모든 작업에서 일관된 공작물 데이텀을 유지함으로써 모든 기능이 공통 참조 프레임과 관련되도록 하여 기능이 별도의 작업에서 다른 정렬 방식으로 생성될 때 발생하는 공차 스택업을 방지합니다. 그 결과 치수 무결성이 우수하고 결합 부품과의 전체적인 적합성이 향상된 하우징이 생성됩니다.

4.2 향상된 기능 관계

복잡한 하우징은 종종 적절한 기능을 보장하기 위해 정밀한 관계를 유지해야 하는 복잡한 내부 통로, 장착 보스 및 정렬 기능을 통합합니다. 5축 가공은 프로그래머가 단일 공작물 참조를 유지하면서 모든 기능에 최적의 방향에서 접근할 수 있도록 하여 이러한 중요한 관계를 유지합니다. 이 기능을 통해 보어 수직도, 표면 평행도 및 기능 동심도가 좁은 사양 내에서 유지됩니다.

이 기술은 특히 다른 평면 또는 각진 표면의 기능 간의 관계를 유지하는 데 탁월합니다. 예를 들어, 복합 각도에서 교차하는 냉각수 통로 또는 비직교 표면의 장착 기능은 여러 설정으로 달성하기 극히 어려운 정밀한 관계를 통해 가공할 수 있습니다. 이 기능을 통해 조립 중 조정 필요성을 줄여 보다 통합되고 신뢰할 수 있는 하우징 설계를 구현할 수 있습니다.

5 표면 마감 품질

5.1 최적의 공구 결합

5축 가공을 통해 얻은 표면 마감 품질은 특히 윤곽 표면의 경우 3축 방식에서 가능한 것을 훨씬 능가합니다. 이러한 개선은 복잡한 공구 경로 전체에서 최적의 공구 결합을 유지할 수 있다는 데서 비롯됩니다. 5축 시스템은 공작물 또는 공구 방향을 지속적으로 조정하여 절삭 공구와 공작물 표면 사이의 이상적인 각도를 유지하여 일관된 칩 형성을 보장하고 공구 처짐을 최소화할 수 있습니다.

이 제어된 결합은 미적 표면 또는 특정 마감 특성이 필요한 기능적 인터페이스가 있는 하우징 부품에 특히 유용합니다. 이 기술을 통해 프로그래머는 절삭 공구를 복잡한 표면 윤곽에 수직으로 유지하여 3축 기계가 계단식 공구 경로로 곡면을 근사할 때 발생하는 커스핑 및 고르지 않은 표면 패턴을 방지할 수 있습니다. 그 결과 질감이 더 일관되고 시각적인 매력이 뛰어난 표면이 생성됩니다.

5.2 연속 공구 경로

5축 가공은 여러 표면 패싯 간의 재배치 없이 복잡한 복합 곡선 전체에서 연속 공구 경로를 가능하게 합니다. 이 연속 이동은 여러 접근 방식이 필요한 3축 방식으로 생산된 표면을 종종 손상시키는 눈에 보이는 흔적선, 정지 마크 및 방향 변경을 제거합니다. 유동적이고 중단 없는 공구 이동은 외관과 기능적 특성이 더 균일한 표면을 생성합니다.

공기역학적 또는 유체역학적 표면이 있는 하우징 부품의 경우 이 연속 공구 경로 기능을 통해 갑작스러운 전환 없이 표면 연속성을 유지하여 최적의 성능을 보장합니다. 이 기술은 풍동 테스트 또는 표면 미학이 인식된 품질에 직접적인 영향을 미치는 소비자 제품에 사용되는 프로토타입에 특히 유용합니다. 또한 우수한 표면 마감은 종종 2차 마감 작업을 줄이거나 제거하여 생산 시간과 비용을 더욱 단축합니다.

5.3 짧은 공구 적용

공작물을 최적으로 방향을 지정할 수 있는 기능을 통해 5축 기계는 동일한 기능에 대한 3축 접근 방식으로 가능했던 것보다 짧은 절삭 공구를 사용할 수 있습니다. 3축 기계로 깊은 캐비티 기능 또는 높은 수직 벽을 가공할 때 전체 깊이에 도달하기 위해 긴 공구가 필요한 경우가 많지만 이러한 공구는 처짐, 진동 및 채터링에 취약하며, 이는 모두 표면 마감에 해롭습니다.

공작물을 기울임으로써 5축 기계는 효과적으로 "공구에 기능을 가져올" 수 있으므로 표면 마감이 우수한 더 짧고 견고한 커터를 사용할 수 있습니다. 이 접근 방식은 긴 슬림 공구를 사용할 때 흔히 발생하는 진동으로 인한 공구 자국 및 치수 부정확성을 크게 줄이거나 제거합니다. 향상된 표면 무결성은 하우징 밀봉 표면, 베어링 피팅 및 기타 정밀 인터페이스에 특히 유용합니다.

6 소량 생산을 위한 경제적 고려 사항

6.1  비용 구조 분석

하우징 생산에 대한 5축 가공의 경제적 타당성은 특히 기존의 대량 생산 공정이 비경제적인 소량의 경우 대체 제조 방식과 비교하여 평가해야 합니다. 상당한 초기 툴링 투자가 필요하지만 부품당 비용이 낮은 사출 성형과 달리 5축 가공은 설정 비용이 최소화되지만 가공 시간이 연장되어 부품당 비용이 더 높습니다. 이러한 접근 방식 간의 손익분기점은 부품 복잡성, 재료 및 품질 요구 사항에 따라 다릅니다.

프로토타입 및 소량 생산(일반적으로 1-500개)의 경우 5축 가공은 특히 사출 성형에 값비싼 다중 캐비티 금형 또는 패밀리 금형이 필요한 복잡한 형상의 경우 가장 경제적인 솔루션을 제공하는 경우가 많습니다. 이 기술은 소량 생산 경제를 지배할 수 있는 툴링 상각 비용을 제거하여 기존 방식으로는 재정적으로 비현실적인 수량으로 복잡한 하우징을 생산할 수 있도록 합니다.

6.2 직접 비용 이상의 가치

직접 비용 비교는 하나의 평가 지표를 제공하지만 5축 가공의 가치 제안은 단순한 부품당 계산을 넘어 확장됩니다. 이 기술은 타의 추종을 불허하는 설계 유연성을 제공하여 사출 성형과 관련된 비용이 많이 드는 툴링 변경 없이 막바지 수정을 허용합니다. 이러한 유연성은 설계 반복이 일반적이고 테스트 피드백에 대한 응답성이 중요한 제품 개발 주기 동안 특히 유용합니다.

또한 5축 가공은 여러 부품을 단일 하우징 구조로 통합하여 조립 노동력을 줄이고 공급망을 단순화하며 전체 제품 신뢰성을 향상시킵니다. 이러한 통합 설계는 종종 다중 부품 어셈블리에 비해 우수한 구조적 성능을 보여 재료 사용량 절감, 무게 감소 및 내구성 향상에 대한 잠재적 절감을 제공합니다. 또한 이 기술은 최소 주문 수량이나 툴 제작에 대한 연장된 리드 타임 없이 시장 수요에 신속하게 대응할 수 있도록 합니다.