[첨단 헬로티]
야베 카즈토시 (矢部 和壽) ㈜牧野후라이스제작소
머시닝센터(MC)에 의한 고경도 재료의 고속 안정가공이 제창된 이후, 직조가공에서 정도, 표면 성상의 품질, 가공 효율은 현저하게 향상됐다.
그러나 자동차 운전 지원 기술이나 스마트폰 등으로 대표되는 선진 디바이스의 다기능, 소형화와 대규모의 양산에 대응하는 생산 기술에는 보다 높은 품질이 요구되기 때문에 가공, 성형 기술의 능력을 최대한으로 이끌어낼 필요가 있다.
동사는 미세 가공 분야에서 가공기는 물론이고 공구, 가공 조건, 공구 궤적 등의 가공 기술, 측정 기능 등 일련의 개발을 하고 있다. 더불어 앞으로 이들 기술은 가공 환경, 가공자의 기량에 의존하지 않고, 또한 안정되게 성능이 발휘되며 가공 프로세스의 부하 저감, 자동화에 기여하는 종합 기술이 트렌드가 될 것으로 생각하고 있다.
이 글은 이러한 요구에 대응하는 미세 정밀 가공기 iQ 시리즈와 그 가공 사례 및 주변 기술의 대응을 소개한다.
iQ 시리즈의 개요
그림 1에 ‘iQ300’의 외관을 나타냈다. iQ 시리즈는 이송축이 리니어모터와 고정도 저진동의 직동 베어링으로 구성되며, 주축 회전 속도 45,000min-1, HSK-E 32 테이퍼의 빌트인 모터 타입의 주축을 탑재한다.
iQ300, ‘iQ500’의 기본적인 기계 구성은 동일하고 기계 스트로크 및 적재 사이즈, 중량이 다른 사양이다. 특별 사양인 PCD(다결정 다이아몬드 소결체) 구상 공구를 정형 연삭하는 장치를 사용하면, 강재에 대한 자유 곡면가공에서 표면조도 Sa 20nm, 형상 정도 1μm 이하가 실현 가능하다.
발매 당초에 극미세 형상, 극소경 공구로 특화한 가공 기술을 개발, 고난도 가공으로 보급하는 동시에 범용적인 금형가공 다듬질가공의 품질 안정성이 평가됐다. 또한 초경합금의 직조가공 보급기에는 일본, 유럽 시장에서 도입됐다.
초경가공은 담금질강(60HRC)과 비교해 가공 조건에 따라서는 절삭부하가 3배 이상이 되고, 주축 강성이 필요한 가공이다. 또한 다듬질가공에서는 수 μm의 다듬질값을 장시간에 걸쳐 안정되게 제거할 수 있는 정도가 필요하며, 이 요구에 대응 가능했다고 생각한다.
방전가공으로 제작한 초경금형에 비해, 금형 수명이 길어졌다고 하는 보고도 있다. iQ300의 보급에 동반해 보다 큰 금형의 가공에 대한 요구가 증가했기 때문에 iQ500을 개발했다. 이하에 iQ500의 개발 컨셉트를 나타냈다.
1. Smooth surface
커져도 가공물의 연마 작업을 최소로 한다. 연마하기 쉬운 면질을 추구하기 위해 공구 교환이나 주축 회전 속도의 차이에 따른 단차의 최소화, 면조도, 면의 파형을 최소화하고, 가공 정도, 면질을 향상시켰다.
2. Smart productivity
생산성과 사용성을 향상시킨다. 미소 블록 지령의 NC 데이터에 대한 추종성을 향상시키고, 톨러런스가 큰 데이터에서도 원활한 축이동을 실현. 미소 공구의 고능률화에 대응하는 고속 어태치먼트, 앵글 헤드 어태치먼트의 자동 교환이 가능한 사양을 설정했다.
3. Sub-micro precision
가공 정도를 추구한다. 양산가공에서도 안정된 정도를 지향하고, iQ300과 동등한 가공 정도를 실현했다.
경면가공 시스템
가공 정도, 표면조도는 가공기의 정적 정도와 운동 정도 및 공구 표면 성상의 전사이다. 공구는 단체의 정도와 함께 홀더, 주축에 장착된 상태에서 정도 관리가 중요해진다.
특히 PCD 구상 공구를 이용한 다듬질가공에서는 공구의 진동 정도와 상태 변화가 현저하게 가공면에 나타나기 때문에 보다 고정도, 고품위의 가공면을 지향해 성형연삭반과 같이 기기 상에서 정도 수정을 검토했다.
PCD 구상 공구는 봉 모양의 고밀도 다날 공구이기 때문에 숫돌과 같이 트루잉･드레싱을 하는 것이 가능하다. 이 특성을 이용해 공구의 형상과 표면 성상을 최적화, 재연삭이 가능한 공구 정형장치를 개발했다(PCD 구상의 정도, 표면 성상을 조정하는 목적에서 정형으로 표기한다).
그림 2에 나타낸 공구 정형장치는 프로그램에 공구 R을 지시하고 사이클 스타트하면, 트루어 숫돌의 드레스와 지름 측정, PCD 공구 정형, 측정의 일련 동작이 자동으로 이루어진다. 또한 가공에 사용하는 주축 회전 속도로 공구를 정형하기 때문에 공구 회전 중의 최대 진동이 감소하는 효과가 있다.
볼 형상에서 테이퍼 볼 형상 공구의 성형도 가능한데, 공구연삭반과 같은 엔드밀 등의 절삭날 성형에는 대응하지 않는다.
최신 cBN 볼 엔드밀은 PCD 공구와 비교해 손색이 없는 가공 표면조도를 실현하고 있다. 이것은 날끝 능선 근방의 조도 개선, 미소한 랜드나 릴리프각을 얕게 한 형상 등 날끝 처리의 연구에 의해 실현했다고 생각된다.
실제로 극미소한 릴리프면 마모가 발생한 cBN 볼 엔드밀에 정형장치로 외주에 미소 랜드를 부가한 공구는 신품의 상태보다 가공물의 표면조도가 향상됐다. 절삭날이 있는 cBN 볼 엔드밀에서도 그 형상에 따라 외주 재연삭에 의한 재운용도 가능하다고 생각된다.
가공 사례
[가공 사례 1]
SUS420J2(52HRC) 상당의 재료에 반경 10mm, 깊이 3mm의 오목 구면을 가공한 사례에서는 정형 처리한 PCD 구상 공구에 의한 가공 표면조도는 약 0.8mm 범위에서 Sa 11nm으로, 양호한 다듬질면을 얻을 수 있었다.
그림 3에 구면의 정도를 측정한 결과를 나타냈다. 구면의 형상 정도는 직경 14mm의 범위에서 PV300nm가 얻어진다. 이 사례는 시험가공을 해서 측정 결과를 기초로 공구 궤적을 보정했다. 공구 R의 보정량은 0.5μm 정도로, 정형함으로써 공구가 갖는 형상 오차를 1μm 이하로 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
[가공 사례 2]
그림 4에 자동차 내장 부품(카오디오)의 금형 가공 사례를 나타냈다. 형상은 수평면, 완곡면, 가식면으로 구성된다. 볼 엔드밀로 가공하는 경우 수평면은 절삭 속도가 올라가지 않고, 절삭칩 제거 등의 문제로 측면, 경사면과 비교해 다듬질면 품질이 떨어진다.
이 문제를 개선하기 위해서는 5축가공기가 권장되는데, 간이적으로 공구축에 경사를 주는 방법으로서 그림 5에 나타낸 앵글 헤드 어태치먼트를 개발했다. 이 장치는 Z축 회전의 위상 제어가 가능하고, XYZ 직교축과 함께 동시 4축가공이 가능하다.
앵글 헤드 어태치먼트는 에어 구동 방식으로, 온도, 압력, 유량이 최적으로 조정된 공기를 가공기 주축의 중심에서 공급한다. 회전 정도와 가공의 안정성을 높인 기구를 이용함으로써 수평면, 완곡면의 표면조도가 50% 향상됐다.
[가공 사례 3]
그림 6에 동전극을 가공한 사례를 나타냈다. 형상 상부에 경사면이 있기 때문에 R1의 볼 엔드밀을 이용한 등고선 다듬질가공으로 했다. 동은 피삭성이 좋은 비철금속이지만, 전극가공에서 문제가 되는 버가 발생하기 쉽다.
이 사례에서는 공구는 동 절삭에 많이 이용되는 DLC 코팅된 초경공구와 단결정 다이아몬드 공구를 이용해, 그 특성을 비교했다. 2.5×2.5×7.5mm의 각기둥을 100개 가공한 시점에서 위치도는 어느 것이나 0.4μm 이내였는데, 초경공구는 치수 정도에서 4μm 정도 오차가 생겼다.
공구 마모량이 점증하기 때문에 치수 변수가 발생하고 있으며, 그림 7 (b)에 나타낸 형상 상면의 에지 부분에는 버가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 단결정 다이아몬드 공구를 이용한 가공에서는 치수 변화는 0.3μm이고, 에지 형상은 샤프하며 버도 적고 경면이 된다.
단결정 다이아몬드 공구는 고가이며 소경의 경우는 단날인 것이 많고, 형상에 따라 가공 시간은 늘어나는 경향이 있다. 그러나 가공 품질을 장시간 유지하는 것이 가능하고, 직날 타입은 극소경이어도 재연삭이 가능한 경우가 있다.
버의 극소화에 의해 후처리가 불필요하고, 에지 검출 정도가 높아짐으로써 이미지에 의한 측정을 할 수 있는 등 자동화 대응이 가능해지는 부가가치가 생기기 때문에 용도에 따른 운용을 제안하고 싶다.
자동화
품질의 고도화와 생산성, 코스트에 대응하기 위해 기계, 가공 기술은 물론이고, 하드웨어, 소프트웨어에 걸친 통신, 연계, 최적화, 디지털화가 요구되고 있다.
MC의 정의 중 하나로 ‘자동 공구 교환이 가능하다’는 것이 있는데, 현재는 가공물의 자동 교환을 비롯해 기기 내 측정, 주변기기를 조합함으로써 공구, 가공물의 탈착, 반송, 측정 등 물건과 정보 흐름의 자동화 기술이 급속하게 진화하고 있다.
아웃풋 품질은 엄격해지고 있으며 생산성을 높이고 코스트를 내리기 위해 MC는 생산 프로세스의 핵심으로서, 최고의 퍼포먼스로 안정된 품질을 장시간 유지해 다운타임을 최소로 하고, 기계 간의 편차를 억제하는 등의 기본적인 성능이 중요해진다.
또한 가공 공정의 집약, 분산 등 공정 설계의 최적해는 가공 형태나 품질, 납기, 설비기계의 종류, 대수, 작업성 등 여러 가지 요소에 따라 변화한다.
iQ 시리즈는 이들에 유연하게 대응하기 위해 가공의 품질과 효율을 추구하고, 또한 환경 로버스트의 최적화, 기기 내 측정 기능의 수정에 의한, ±1μm 이하의 가공 정도를 안정적으로 공급할 수 있는 기계 정도, 운용 기술을 포함한 지원 기술의 개발을 추진하고 있다.
미세 정밀 가공기 iQ 시리즈를 개발해 공구, 기능, 장치나 가공 기술의 개발에 의해 실현한 가공 사례를 소개했다. 최첨단 기술은 그것을 생산하는 기술이 있고, 툴이 존재한다.
iQ 시리즈는 품질과 가치를 부가하는 툴이며, 새로운 기술 혁신에 기여하고 있다. 동사는 앞으로도 가치를 창조하는 제품과 기술 개발해 노력해 갈 것이다.
