[첨단 헬로티]

코바야시 사토시 (小林 敏), 타치바나 토루 (立花 亨)   미크론정밀㈜

1. 서론

줄질, 탭가공, 스크레이퍼 다듬질, 가공에는 많은 도구를 이용한다. 처음으로 이들 도구를 사용한 사람이 당황스러워하는 것은 힘 가감이다. 몇 번이나 실패를 거듭하면서 만듦새를 확인, 조금씩 능숙해져 간다.

선반, 볼반, 밀링반 등의 고정형에서도 수동 핸들을 돌려 가공을 하는 공작기계는 핸들을 돌리는 힘, 손에 전해지는 진동, 그리고 가공음 등 작업자는 많은 정보를 얻어 공작물을 높은 품질로 만들어 간다.

작업자는 그 능력을 습득해 가는 과정에서 많은 시간의 낭비, 불량품의 낭비를 느끼고, 그것이 다음 세대에 대한 기능 전승의 동기가 되어 보다 고도의 가공으로 발전시켜 왔다.

수치제어장치를 탑재한 공작기계를 다루게 되고, 힘 가감은 공구 이송 속도 이른바 F 코드 입력을 대신했다고 할 수 있다. 가공 스테이지는 보호 커버로 덮어져 작업자가 얻을 수 있는 정보는 매우 적어졌다. 보호 커버로 덮어진 자동 가공의 낭비를 어떻게 느끼고, 앞으로 어떻게 진화시켜 가면 좋을까.

동사는 내면 연삭반 및 센터리스 연삭반에 각각 특화한 동력계와 제어 프로그램을 독자적으로 개발, 힘을 가시화하고 제어하는 연삭가공을 시험했다.

2. 동력계를 이용한 내면 연삭가공

소경 내주면을 연삭가공하는 경우, 가공 능률과 가공 정도를 지배하는 최대 요인은 그림 1에 나타낸 연삭저항에 의한 퀼(숫돌축)의 휨 변형이다. 그것은 퀼 지름의 4승, 그리고 길이의 3승으로 영향을 미치며, 예를 들면 퀼 지름이 10% 좁아지고 길이가 10% 길어지면 동일한 힘으로 퀼의 힘량은 2배를 넘는다.

더구나 내주면 연삭의 경우, 그림 2에 나타냈듯이 숫돌의 공작물에 대한 절입각이 외주면 연삭과 비교해 작기 때문에 숫돌입자가 공작물 표면을 미끄러지는 영역은 길어진다. 숫돌입자는 마모되기 쉬워지며, 또한 재료 제거에 필요한 힘은 동일한 지름 외주면의 가공보다 큰 힘이 필요해진다.

그림 3에 동력계(μ-Force-One)의 외관, 표 1에 μ-Force-One의 사양을 나타냈다. 이 동력계는 기계적인 변형량을 검출하고 있기 때문에 정하중을 안정되게 측정할 수 있는 것이 특징의 하나이다.

이 동력계를 동사 내면연삭반(MIG-101WG형기)와 동사 고주파 스핀들(MIS-150P/0.5) 사이에 장착, 가공 시의 숫돌에 작용하는 힘을 측정했다. 또한 이 측정값을 내면연삭반의 제어장치로 보내, 숫돌의 절입 속도를 피드백 제어하고 일정한 가공 압력으로 연삭하는 정압 내면 연삭을 시도했다.

(1) 정압 내면 연삭 실현의 과제

정확하고 효율적으로 정압 내면 연삭을 하기 위해 다음의 큰 3가지 과제를 클리어했다.

① 온도 드리프트 대책
고주파 스핀들의 온도 상승에 의한 온도 드리프트 대책으로서 열확산의 모습을 화상 해석해서 동력계의 구조를 개선했다.

② 진동 노이즈 대책
가공 품질 향상을 위해 가공 중에 숫돌축 방향으로 오실레이션을 하고 있는데, 이 운동에 기인하는 진동 노이즈 대책으로서 전용의 필터링 회로를 내장했다.

③ 연삭성 변화에 대응
숫돌의 연삭성 변화로 숫돌 절입의 피드백 제어의 응답성에 영향을 주는데, 피드백 제어의 자동 게인 조정 프로그램으로 대응했다.

게인 조정이 불충분한 경우에는 그림 4에 나타냈듯이 동력계의 출력이 일정압이 될 때까지 오버슈트해, 일정압으로 정정될 때까지 가공 시간은 안정되지 않는다.  그림 5에 8N, 그림 6에 10N으로 정압 내면 연삭을 했을 때의 동력값 출력 차트를 나타냈다. 오버슈트하지 않고 설정한 연삭저항으로, 설정한 치수로 다듬질할 수 있었다. 그림 7에 실제 가공의 모습을 나타냈다.

(2) 연삭저항에 의한 가공 효율과 형상 정도의 제어

일반적으로 내면 연삭은 가공 시간과 형상 정도는 트레이드오프의 관계에 있다. 가공 사이클 전반은 가공 시간 단축을 위해 재료 제거 효율을 높여야 하며 절입 속도를 빠르게 설정하고, 후반은 보다 정확한 형상 정도를 얻기 위해 절입 속도를 느리게 설정하고 있다.

그러나 재료 제거 효율도 형상 정도도 숫돌의 연삭성에 의해 최적 조건은 변화하기 때문에 절입 속도가 아니라 가공 사이클 내에서 연삭저항을 바꾸는 편이 좋은 결과를 가져온다고 생각한다. 그림 8은 정압 내면 연삭 사이클 중에 연삭저항을 바꾼 경우의 측정 차트를, 또한 그림 9에는 설정 화면의 예를 나타냈다.

또한 소경 내면 연삭에서는 CBN 숫돌을 이용하는 경우가 많은데, CBN 숫돌은 드레싱의 양부에 따라 숫돌의 연삭성 변화는 비교적 큰 것 같다. 특히 숫돌 지름이 작을수록 그 경향은 강하다. 그 이유로 드레싱 전후에서 가공 후의 형상 정도가 변화하기 쉽고, 그 관리에는 어려움이 따른다. 정압 내면 연삭은 숫돌의 연삭성 변화에 관계없이 퀼을 일정하게 휘게 해 가공을 하는 것이 가능하다.

그림 10에 설정한 연삭저항과 다듬질한 내주면의 원통도의 관계를 나타냈다. 양자의 관계는 근사적으로 1차식으로 표현할 수 있고, 원통도는 쉽게 관리할 수 있다. 더구나 가공 후의 표면조도도 숫돌의 연삭성과 높은 상관을 가지고 있기 때문에 정압 내면 연삭의 가공 사이클 시간의 변동을 감시함으로써 표면조도의 관리도 가능해진다.

(3) 이상 부하 검출

동력계의 부속 기능으로서 그림 9에 나타낸 설정 화면에 부하 상한의 한계값을 입력함으로써 숫돌 또는 스핀들에 작용하는 이상 부하를 검출해 비상복귀를 기동시킬 수 있다. 스핀들 파손 트러블에 의한 경제적 손실의 억제에도 유효하다.

3. 동력계를 이용한 센터리스 연삭가공

다음으로 동력계를 이용한 센터리스 연삭반을 소개한다. 센터리스 연삭반이 생겨난지 약 100년이 경과했는데, 그 최적 가공 조건을 도출하기 위해 많은 사람이 노력해 왔다. 지금까지 보고되어 있는 그 도출법은 크게 나눠서 2가지이다. 하나는 기하학적 고찰, 또 다른 하나는 역학적 고찰이다.

전자는 효율적으로 공작물의 변형을 제거하고 또한 채터 진동의 발생을 억제하는 최적의 공작물지지 조건을 구하는 것이며, 후자는 기계 강성과의 관계에서 채터 진동을 억제하는 조건을 구하고 있다. 특히 센터리스 연삭반의 구조는 그림 11과 같이 C형 구조이기 때문에 연삭저항에 따라 숫돌과 공작물의 접점이 변화하기 쉽다.

공작물은 3점으로 지지되고 그 3점의 배치로 다듬질 형상, 다듬질 치수가 정해지기 때문에 기하학과 역학의 양 방향에서 최적 가공 조건을 추구할 필요가 있다. 지금까지 동사는 공작물 센터 높이를 자동 제어할 수 있는 기종(MFC-600VI형기)를 개발해 공작물 지름에 대응한, 이론적으로 도출된 최적값으로 자동 설정되는 기능을 탑재해 진원가공의 고도화를 도모해 왔다.

또한 새롭게 개발한 센터리스 연삭반용 동력계(μ-Force-Nano)를 통해 역학적 어프로치를 더해, 복합적으로 센터리스 연삭가공의 최적화를 도모하기 위해 대응하고 있다.

(1) 연삭저항의 측정원리

우선, μ-Force-Nano로 어떻게 연삭저항을 측정할지를 설명하고 싶다. 그림 12에 나타낸 동력계 센서 헤드를 제작해 워크레스트의 양 끝단에 장착, 장착면의 변형량으로 블레드에 작용하는 힘을 측정한다. 표 2에 동력계(μ-Force-Nano)의 사양을 나타냈다.

센서 헤드를 2군데에 장착하는 이유는 센서 헤드 단체로는 블레이드 상의 공작물 위치와 센서 헤드 간의 거리가 변화하면 측정 감도도 변화하기 때문에 양쪽의 센서 헤드 출력 합을 평가함으로써 블레이드 전체를 일체의 측정기로 간주해 측정 감도를 안정시켰다.

또한 2개 장착함으로써 센서 헤드의 상태를 서로 감시시켜 고장 검출의 신뢰도를 높였다. 교정작업은 푸시풀게이지, 또는 스프링만으로 블레이드에 힘을 거하고, 보정계수를 조정한다. 보정계수는 블레이드의 두께 등으로 변화하는데, 한번 설정하면 기본적으로는 변화하지 않는다.

연삭 숫돌에서 공작물에 작용하는 연삭저항은 그림 13에 나타냈듯이 공작물 자중과의 합력이 되고, 블레이드 측에 분력 (b)와 조정 숫돌 측에 분력으로서 전해진다. 각 분력의 크기는 분력 방향의 각도를 계수로 해서 연삭저항과 비례 관계에 있다.

공작물의 회전에 의해 분력 (b)에 동마찰계수를 곱한 마찰력 (w)가 공작물 회전을 제동하는 방향으로 작용, 그 반대 방향으로 동일한 힘의 접선저항 (w)이 블레이드에 가해진다. 따라서 센서 헤드는 장착 위치의 변형에서 분력 (b)과 접선저항 (w)의 합력을 측정한다. 마찰계수나 공작물의 자중 변화량은 무시할 수 있을 만큼 작은 값이기 때문에 워크레스트의 변위량에 의해 연삭저항을 평가할 수 있다고 판단했다.

(2) 가공 사례

그림 14는 변형이 큰 공작물을 인피드 연삭한 경우의 측정 차트이다. 연삭 초기에는 단속적으로 불꽃을 발생시키면서 가공이 진행, 조금씩 변형이 제거되어 가는 모습이 확인된다. 가공 중의 미연삭부를 가시화할 수 있었다.

그림 15는 인피드 연삭 사이클의 연삭저항 변화를 측정한 차트이다. 가공 개시의 연삭 숫돌과 공작물의 접촉을 검출하고 있다. 접촉 순간, 그 신호를 센터리스 연삭반의 제어장치에 보내어 절입 속도를 제어하고 있다. 가공 사이클 내의 에어컷 스트로크와 실제 가공 스트로크의 속도를 높은 응답성으로 변화시킴으로써 에어컷 시간이 단축된다.

그림 15의 그림 중에 있는 화살표는 연삭 숫돌과 공작물의 접촉 개시를 나타내는데, 측정값은 거기서 일단 하강하고 그 후 상승으로 전환되고 있다. 이 현상은 정지하고 있는 공작물에 연삭 숫돌이 접촉한 순간은 그림 13으로 나타낸 블레이드 측의 분력 (b)만의 힘이 가해지고, 접촉 후 공작물이 회전을 시작함으로써 접선저항 (w)이 블레이드에 가해지기 시작한 것을 나타내고 있다.

(3) 채터 진동의 검출

센터리스 연삭에서는 세팅 작업의 조정 부족, 숫돌 연삭성 열화, 드레싱 툴의 소모, 베어링 수명 등 여러 가지 요인에서 다듬질 공작물에 짝수 산의 채터 진동이 나타나는 경우가 있다. μ-Force-Nano의 앰프에 탑재되어 있는 FFT 기능을 이용해 센서 헤드의 데이터를 진동 해석, 각 진동 주파수의 검출을 가능하게 했다.

그림 16에 다듬질 공작물의 진원도, 그림 17에 연삭 중인 측정값의 FFT 해석 결과를 나타냈다. 표 3에 가공 조건을 나타냈는데, 채터 진동을 발생시키기 위해 보통보다 센터 높이를 높게, 공작물 회전수를 올려 실험을 했다.

공작물 외경과 조정 숫돌의 외경 비율에서 공작물 회전 속도는 조정 숫돌 회전 속도의 10배인 8.5s-1이 되고, 그림 16의 차트에서 공작물 표면의 산 수가 14였기 때문에 1초간에 공작물 표면의 산이 블레이드에 접촉하는 횟수는 8.5×14=119로 산출할 수 있다.

그림 17에서 돌출되어 있는 주파수가 120Hz인 것으로부터 약간 오차는 있지만, 계산값과 거의 일치하고 있기 때문에 가공 중에 공작물의 형상을 예측하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

(4) 슬라이드 자동 셋업

생산성이나 안전성에 관련된 기능을 소개한다. 센터리스 연삭반의 세팅 작업에는 연삭 숫돌과 공작물의 틈새량을 세트해 실시하는 슬라이드의 원위치 설정이 있다. 내면연삭반과 달리 공작물 센터가 없기 때문에 공작물과 숫돌의 접점을 기준으로 한 각 슬라이드의 위치결정 작업에는 많은 시간을 필요로 한다.

공작물을 블레이드에 실은 상태에서 연삭 숫돌을 공작물에 근접시켜 접점을 확인하거나, 또는 틈새 게이지 등을 통해 간접적으로 그 접점을 구하거나 하고 있다. 그 작업에서는 수작업으로 연삭 숫돌을 돌리거나, 혹은 틈새 게이지를 들은 손을 숫돌 사이에 내밀어 실시할 필요가 있으며, 숫돌은 회전 OFF의 상태에 있지만 슬라이드 구동에 모터를 사용하고 있는 경우에는 제어장치는 ON의 상태로 안전면에 과제가 있다고 할 수 있다.

μ-Force-Nano의 접촉 검지 기능은 숫돌을 정지한 상태에서 속도 0.1mm/s의 슬라이드 이송으로 공작물에 자동 접근시켜 접촉을 검출하고, 수 10밀리초의 응답성으로 슬라이드 이송을 정지시킬 수 있다. 작업자는 수동 펄스 발생기로 숫돌과 공작물의 틈새를 육안으로 보면서 어느 정도 근접시킨 후 1회의 푸시버튼 조작으로 숫돌과 공작물의 접촉, 슬라이드의 일정량 후퇴, 그리고 원위치 설정까지 일련의 작업을 자동으로 할 수 있다. 보호 커버는 항상 닫은 상태에서 작업은 완료한다. 단, 이 기능은 공작물 중량에 따라 부속장치가 필요해지는 경우가 있다.

(5) 과부하에 대응한 비상정지 기능

가공 트러블, 예를 들면 가공 중인 공작물 전도, 또는 공작물과 조정 숫돌의 접점에서 그립 제어가 불가능해진 경우에 일어나는 슬립, 또는 스피너라고 불리는 공작물의 이상 회전, 그리고 푸시버튼이나 수동 펄스 발생기의 오조작에 의한 숫돌과 블레이드의 충돌 등은 작업자에 대한 위험, 공구 파손의 경제적 손실, 기계 복구에 필요한 시간 로스는 크다.

내면연삭반용 동력계 μ-Force-One과 마찬가지로 μ-Force-Nano도 설정한 부하 상한값을 검출한 순간에 슬라이드의 비상복귀, 또는 비상정지를 동작시키는 것이 가능하다.

4. 맺음말

어떻게 하면 보다 정확한 형상으로 연삭할 수 있을까, 어떻게 하면 보다 높은 생산 효율을 얻을 수 있을까, 지금까지의 공구 이송 속도(mm/s)에서 공구, 공작물에 작용하는 힘(N)으로 생각함으로써 이러한 과제에 대한 새로운 어프로치가 시작된다고 생각한다. 처음으로 입수한 도구를 사용할 수 있게 됐듯이 내면연삭반이나 센터리스 연삭반도 현재보다 더 잘 사용할 수 있을 것이라고 믿는다.