[첨단 헬로티]

마루야마 토모히로(丸山 智大) 碌碌산업(주)

최근 스마트폰, 태블릿형 단말 등의 모바일 기기는 급속하게 소형화․박육화가 추진되고 있으며, 기기에 탑재되는 부품도 고정도화, 미세화 요구가 높아지고 있다. 

이것에 동반해 금형에 대한 요구 정도도 높아지고 있으며, 일본 제조업에서는 고정도, 고면품위 등 부가가치가 높은 가공을 실현해 고정도화, 미세화의 길을 추진해왔다.

동사에서는 1996년에 고정도 고속 소경 미세 가공기 ‘MEGA’를 개발, 현재 제5 세대에 이르기까지 항상 진화를 계속해왔다. 

또한, MEGA의 상위 기종으로서 2010년에 ‘Android’를 개발했으며, 2016년에는 브러시업이 실시된 ‘Android Ⅱ’로 계승해 시대와 함께 엄격해지고 있는 고정도 미세 가공의 요구에 대응하기 위해 개발을 계속하고 있다.

이번에 발표한 신기종 ‘Vision’은 MEGA나 Android Ⅱ로는 가공할 수 없는 크기의 워크에 대응, HSK-E40을 채용한 주축에 의한 중절삭 가공을 가능하게 하면서도 지금까지 축적한 미세 가공기의 DNA를 계승한 기계이다.

이 글에서는 동사가 제창하는 미세 가공기, 절삭공구, CAD/CAM, 설비 환경의 사위일체에 오퍼레이터를 더한 ‘사위일체+One’의 미세 가공에 대한 대응을 소개하는 동시에, Vision의 특징과 고정도 금형을 생각한 가공 샘플을 소개한다.

사위일체+One의 제창

고정도 미세 가공의 요구가 높아짐에 따라 동사가 이전부터 제창하고 있던 사위일체+One(그림 1)의 중요성이 증가하고 있는데, 각각에 필요한 요소에 대해서 이하에 설명한다.

1. 초고정도 고속 미세 가공기

미세 가공기로서 저속 회전에서 고속 회전까지 전 영역에서 동적 진동이 적은 고성능 주축을 탑재하고 있는 것이 필수이며, 미세 가공에 필요한 미소한 절입에 대한 높은 추종 성능을 가진 구동계, 그리고 장시간 가공에서도 주축 등의 열 영향을 억제하기 위한 만전의 열변위 대책이 필요하다.

2. 절삭공구

절삭공구는 피삭재마다 최적의 공구 사양, 적절한 코팅 등을 고려해 선정하는 것이 중요하다. 특히 미세 가공에서는 내마모성과 절삭날의 형상 정도가 우수하며, 가공 성능이 안정저으로 지속되는 공구가 요구되고 있다. 

또한 공구 회전 시의 밸런스도 가공 정도에 큰 영향을 미치기 때문에 공구를 유지하는 홀더에 대해서도 공구 끝단의 동적 진동을 가급적 억제하는 고정도의 밸런스 특성이 필요해진다.

3. CAD/CAM

CAD/CAM은 미세 가공에 적합한 가공 프로그램을 생성하는 시스템 성능이 요구된다. 복잡한 형상을 가공할 때에는 가공면 전체가 고품위의 면이 되는 궤적이나 구성점의 배열을 작성하는 능력, 복잡한 형상을 따른 프로그램을 정도 좋게 계산하는 능력이 필요하다. 

또한 미세 가공에서는 미소 절입의 가공을 하기 위해 어프로치 동작도 중요해지고, 원호 어프로치나 램핑 등 가공면에 영향을 주지 않도록 공구 부하를 저감할 수 있는 프로그램 생성이 반드시 필요하다.

4. 설치 환경

기계는 주변의 온도에 의해 자세 변형을 일으키므로 고정도 가공을 하는데 있어서는 자세 변형에 의한 정도 열화를 억제할 필요가 있다. 그렇기 때문에 가급적 안정된 온도 환경이 요구된다.

5. +One (플러스 원)

+One (플러스 원)이란 기계를 조작하는 오퍼레이터를 말한다. 엄격한 가공 정도를 실현하기 위해서는 예전에 숙련공이 범용 가공기를 구사해 장인의 기술에 의해 궁극의 가공을 해왔듯이 Vision에는 마찬가지로 탁월한 기능의 기량을 충분히 발휘할 수 있는 옵션을 준비하고 있다.

부속장치 ‘Advanced M-Kit’의 모니터 상에 각부의 온도 데이터, 소비 에어량, 전력소비량 등이 표시되어 오퍼레이터가 기계의 정보를 실시간으로 파악할 수 있으며, 약간의 데이터 변화로부터 미소한 변위를 추측해 인간 기계 일체로 보정하는 장인의 기술로 고정도 가공이 가능해졌다. 

이들을 유효적 그리고 효과적으로 활용해 더욱 고정도 고품위 가공을 실현하는 오퍼레이터를 동사에서는 ‘머시닝 아티스트’로서 리스펙트하고, 인정하는 것을 추진하고 있다.

Vision의 개발

Vision는 ‘범용성 있는 초고정도 고속 미세 가공기’를 컨셉트로 개발이 추진됐다. 현재 유저는 범용성이 있는 가공기로 거친가공을 하고, 미세 가공기에 워크를 바꿔 실어 다듬질가공을 하고 있는 케이스를 볼 수 있다. 이 경우, 다른 사양의 기계를 2대 사용할 필요가 있다.

이러한 상황 속에서 유저로부터 거친가공에서 경면 다듬질가공까지 1대로 할 수 있는 기계를 원한다는 의견이 많이 있어, 이것을 가능하게 하는 가공기, 즉 기계를 바꿔 가며 가공하는 것이 아니라 원 척킹으로 거친･중간･다듬질가공이 가능한 미세 가공기를 개발 목표로 했다.

표준 사양은 앞에서 말한 컨셉트에 준거하는 동시에, 유저로부터 가능한 한 정보를 받아 결정했다. Vision의 외관 사진을 그림 2, 표준 사양을 표 1에 나타냈다.

1. 열대칭 프레임 구조

열원의 냉각을 해도 그 모두를 제거하는 것은 어렵고, 미세 가공기에서는 아주 약간의 변화로도 가공 정도에 미치는 영향은 크기 때문에 이 요인은 큰 과제가 된다. 또한 환경의 온도 변화도 가공 정도에 영향을 준다. 

주요 부품에는 유한요소법에 의한 구조 해석을 하고 열대칭 구조로 함으로써 열에 의한 변형을 억제하는 것은 물론이고, 약간의 변위라도 규칙성을 갖게 함으로써 예측하기 쉬운 구조로 했다.

2. 특수 초정밀 롤링 안내

축이동 안내기구에서 웨이빙의 발생이 가공면 품위에 영향을 미친다. 이 기계는 Android Ⅱ에 채용해 실적이 있는 ‘특수 초정밀 롤링 안내’를 전축에 채용, 웨이빙을 억제함으로써 미소한 파형을 서브 μm로 하고, 고면품위 가공을 실현시켰다. 

3. 전축 수평 대향 배치 리니어모터 구동

각 이동축의 이송기구에는 리니어모터 구동을 채용, 각 축에 2개씩 리니어모터를 수평 대향으로 배치하고 편하중을 억제함으로써 흡인력을 상쇄시키는 기구로 되어 있다. 

또한 리니어모터의 발열 대책으로서 코일 내부와 코일 설치부의 양쪽에 냉각유를 순환시키는 2중 냉각에 의해 축이동 시의 열영향을 억제해 안정된 구동계를 실현했다.

4. 열변위 대책

주축 회전 시의 발열에 의한 영향 및 이동축의 동작에 관계되는 변위 등이 가공 정도에 영향을 미치지 않도록 ‘A-H.I.S 제어(Advanced Heat Isolation System’을 채용하고 있다. 

주축 회전 시의 발열에 의한 열변위 대책으로서 고정도 오일 컨트롤러를 설치, ±0.1℃ 단위로 냉각 제어를 하고 있다. 냉각회로는 인버터 PI 제어 방식을 채용하고, 열교환 오일을 강제 순환시킴으로써 안정 제어하고 있다. 주축 하우징에도 열교환 오일을 순환시키는 2층 재킷을 채용, 하우징 새들에 대한 전열을 억제하고 있다. 

또한 제어반을 기계 본체에서 떼어내 설치함으로써 제어반 내의 발열에 의한 영향을 경감시켰다. 그리고 XYZ 각 축의 이송구동부를 강제 환기시키고 있으며, 열 체류의 영향도 배제하는 시스템으로 하고 있다.

가공 실례

여기에서는 Vision과 사위일체+One에 의해 실현할 수 있었던, 광범위 경면가공의 실례를 소개한다. 가공 실례는 플라스틱 금형을 이미지했다. 금형에 대한 고정도화와 단납기화의 요구와 함께 형상 정도의 확보와 작업 시간 등의 코스트 절감이 요구되고 있다. 

연마 시간을 단축시킴으로써 사람의 수작업 연마에 의한 형상 정도 열화의 방지와 작업 시간 코스트 절감이 가능해진다. 그리고 연마 시간의 단축을 실현하기 위해서는 기계가공의 다듬질면 품위를 향상시킬 필요가 있으며, 금형 직조의 경면가공에 대한 요구에 대응할 필요가 있다.

동사에서는 2016년에 경면가공에 초점을 맞춘 특수 정압 주축(Vassallo-6)을 탑재한 ‘Android Ⅱ type-s’와 동사 오리지널 경면가공용 초경 볼 엔드밀 ‘Luminous-E’를 개발, STAVAX재(52HRC)로 다듬질면의 면조도 Ra 3nm을 달성했다. 

그리고 공구의 장수명화를 추진하고 있으며, Ra 3nm을 달성한 가공의 면적을 약 13배로 한 광범위 가공에서도 Ra 4nm의 면조도를 달성하고 있다. 이것에 의해 이전보다 고차원으로 광범위한 금형 연마리스가 가능해졌다.

JIMTOF 2018에서 Vision을 발표했으며, 그리고 R3까지였던 Luminous-E의 라인업에 Vision의 HSK-E40에 맞춰 R4, R5, R6을 추가했다(표 2).

이번 가공 실례에서는 R5 볼 엔드밀을 사용해 Ra 3nm을 달성한 가공의 면적을 약 50배로 한 초광범위 가공에서 Ra 15nm(그림 3)의 면조도를 달성했다.

AI Machine Dr.

‘AI Machine Dr.’은 클라우드를 이용한 미세 가공기의 초정밀 가공을 안정적으로 지속할 수 있게 하는 것에 초점을 맞춘, 동사 독자의 IoT 애플리케이션이다.

 

앞에서 말했듯이 동사는 2010년에 Android를 발표하고, 기계 각부의 온도를 부속 모니터로 파악, 기록으로서 남길수 있게 로거 기능도 탑재한 Android M-Kit 기능을 개발했다. 

Android 시리즈는 현 시점까지 수 백대 생산하고 있는데, 모두 유저가 이 시스템을 탑재해 달라고 하는 상황이다. 이것으로부터도 미세 가공을 안정적으로 하기 위해 기계의 상태를 ‘가시화’하는 것은 효과적이고 반드시 필요한 수단이라고 생각한다.

그리고 앞으로는 유저와 공작기계 메이커가 일체가 되어 미세 가공기를 감시하고, 항상 최적의 상태로 초정밀 가공을 지속시킬 수 있는 것과 기계의 가동률을 높여 생산성 향상을 도모하는 것이 미세 가공기의 바람직한 모습이라고 생각한다. 이것이 AI Machine Dr.이다. 이미지도를 그림 4에 나타냈다.

AI Machine Dr.은 미세 가공기에 탑재된 루터를 인터넷에 접속, 클라우드 상의 데이터 보존 서비스를 이용함으로써 기계 상태(온도, 전력, 압력, 유량, 부하, 시간, 지령 등)의 데이터가 보존된다. 

유저는 인터넷에 접속된 퍼스널컴퓨터나 태블릿에서 클라우드에 액세스함으로써 보존된 기계 정보를 받을 수 있다. 또한 동사에서도 모니터링센터를 설치해, 기계가 항상 정상인 것을 사전 계약에 기초해 함께 감시하는 시스템이다.

1. 기계의 상태 관리

최대 36항목에 미치는 기체 관리 데이터의 발신이 이루어지고 있으며, 각각의 항목이 미세 가공에 베스트 상태인 것을 항상 감시, 관리하는 것이 가능하다. 또한 데이터마다 사전에 설정된 한계값을 넘는 이상 상태가 발생한 경우, 경고나 메시지를 발신해 개선을 촉구한다. 

기계에서 떨어진 장소에서 기계의 상태 감시가 가능한 이 기능은 가공자뿐만 아니라 관리자에게도 유용한 기능이 될 것으로 생각하고 있다.

2. 예방 보전과 조기 트러블 해결

기체 관리 데이터는 몇 초 단위로 수집되고, 즉시에 클라우드 상에 보존된다. 수집된 데이터는 쉽게 불러낼 수 있고, 과거의 데이터와 현재의 데이터를 비교해 기계의 상태 변화를 신속하게 검지하는 것이 가능해 기계의 예방 보전이 가능해진다. 

또한 기계의 문제 발생 시에는 알람이 통지되고, 수집된 ‘온도, 부하, 기기, 유량’, ‘알람, 메인티넌스’, 그리고 조작 이력, 파라미터 등의 정보를 기초로 동사의 모니터링센터가 고장 부위를 추측해 조기에 트러블에 대응할 수 있게 된다.

Vision 시리즈의 개발에 의해 동사의 초고정도 고속 미세 가공기 시리즈에 새로운 가공 영역을 가지는 라인업이 추가되고, 미세 가공 분야에서 지금까지 축적해 온 노하우를 활용해 한층 더 범용성을 갖춘 기계를 제공할 수 있었다.

그러나 고정도 미세 가공을 더욱 실현하기 위해서는 앞에서 말한 기계 이외의 요소도 반드시 필요하다. 동사는 Vision과 함께 사위일체+One과 AI Machine Dr.의 제안을 통해 ‘고객의 어려움’을 해결하고, 미세 가공기의 리딩 컴퍼니를 목표로 노력해 갈 것이다.