[첨단 헬로티]

스와 오사무(諏訪 修) C&G시스템즈(주)

금형 제조에서 QCD(품질, 코스트, 납기)를 달성하기 위해서는 가공 공정의 삭감과 수정이 필요하다. 기계가공 공정에서는 5축가공기를 도입해 직조가공의 범위를 확대함으로써 그 후의 방전가공에 걸리는 시간을 줄인 사례를 수년 전부터 접했다.

그러나 절삭 후의 다듬질면이 요구 품질을 만족시키지 않은 경우, 손다듬질에 의한 수정 작업이 필요하고, 다듬질 공정의 작업 공수가 증대한다. 또한 과도한 수정, 연마는 금형의 정도 저하가 우려되기에 기계가공 후의 가공면 품질(가공 정도, 가공면 품위)의 향상이 요구된다.

다듬질면의 문제 원인과 현상

절삭하기 위해서는 공작기계, 공구, 절삭 데이터를 사용하기에 그들의 특성이 조합돼 여러 가지 원인에서 다듬질면의 문제가 발생한다. 

그림 1에 나타낸 가공 형상이 급격하게 변화하는 형상 곡률이 큰 부위로, 공구경로의 제어점열의 방향 변화각이 커지면 CNC 공작기계가 공구경로의 코너 앞에서 이송 속도를 감속시킨다. 또한 제어점의 간격이 전후의 제어점에 비해 극단적으로 짧은 부위도 감속이 발생한다.

감속한 부위는 공구의 전도 상태가 변하고, 커터 마크가 발생하는 원인이 된다. 또한 인접하는 공구경로의 제어점이 불균일해지면 실제 이송 속도가 동등하지 않고, 다듬질면에 줄무늬 등의 절삭흔적이 발생한다. 

이 현상은 모든 경우에서 발생하지 않고, 주로 대형 금형을 문형가공기와 같은 대형 가공기를 사용해 완만한 면을 절삭했을 때에 발생하기 쉽다. CAM 측에서 공구경로를 표시, 제어점열의 방향 변화각이나 제어점의 간격을 눈으로 확인하는 것은 가능하지만, CAM 오퍼레이터 작업 공수를 증대시킨다.

이 글에서는 2019년 4월에 출시한 동사의 금형용 CAD/CAM 시스템 ‘CAM-TOOL V 15.1’에 탑재한 ‘구조점 재배치’ 기능이 실현하는, 기계특성에 대응한 제어점 배치에 의한 절삭 데이터 최적화를 소개한다. 또한 CAM-TOOL에서는 제어점을 ‘구조점’이라는 명칭으로 취급한다.

공구경로의 연산 방법과 제어점 배치

공구경로의 연산 방법에는 일반적으로 가공 형상을 미세 평면의 집합으로 근사한 형상에서 생성하는 폴리곤 연산과 가공 형상을 곡면에서 생성하는 서피스 연산이 있다(그림 2). 

CAM-TOOL은 이 2가지 연산 방법에 대응해 정도 우선, 효율 우선의 요구 품질에 맞춰 구분 사용할 수 있다. 일반적인 CAM에서 많이 사용되는 폴리곤 연산은 가공 형상을 면 근사함으로써 가공 형상과의 오차가 가공 정도를 저하시키는 특징이 있으며, 형상 곡률이 큰 부위는 절삭에서 절입이나 잔삭이 우려된다.

근사 정도 톨러런스를 높이면 가공 형상에 가까워지지만, 근사인 것은 변하지 않기에 절삭점의 좌표값이 산재해 고정도의 공구경로가 되지 않는다. 

한편, 서피스 연산은 폴리곤 연산과 같이 가공 형상을 면 근사시키지 않고 가공 형상면에서 공구경로를 생성하기에 절삭점이 깨끗하게 배치돼 고정도의 공구경로를 작성할 수 있다(그림 3). 

또한 형상 곡률의 크기나 변화율에 대응해 독자 알고리즘에 의한 제어점 배치를 계산한다. 이것에 의해 형상 기복에 맞춰 제어점을 배치, 형상 곡률이 큰 부위에서도 제어점열의 방향 각도를 작게 억제한다(그림 4).

단, 가공 데이터의 사이즈를 줄일 목적으로 지정한 허용 정도의 범위에 들어가는 제어점을 솎아내는 리덕션 처리가 적용된 결과, 형상 곡률이 작은 완만하게 변화하는 면과 평평한 면에서 제어점의 간격이 균등해지지 않는 부위가 발생하는 경우가 있다(그림 5). 

공작기계의 구조나 제어기의 설정에 의하지만, 인접하는 공구경로의 제어점이 불균일해지면 실제 이송 속도가 동등해지지 않아 가공면에 영향이 생기는 경우가 있다.

구조점 재배치 기능에 의한 절삭 데이터의 최적화

앞에서 말한 가공면에 대한 영향을 억제하기 위해 연산 후의 공구경로 제어점을 재배치하는 구조점 재배치 기능을 CL 편집 모듈에 탑재했다. 재배치는 이하와 같이 서피스 형상을 기초로 정렬, 배열, 추가 등을 할 수 있다.

1. 정렬

가공 형상 상에 지정한 간격으로 제어점이 균등해지도록 배치(그림 6).

2. 배열

제어점을 직선 상, 번갈아 배열하는 외에 곡면 상에 등간격으로 배열하는 방법(그림 7)이나 공구경로의 끝, 중앙에서 맞추는 방법이 있다.

3. 추가

제어점을 배치 후, 형상 곡률이 큰 부위에서 가공 정도의 확보, 제어점열의 방향 각도를 작게 억제하기 위해 지정 톨러런스(거리, 각도)로 제어점을 추가한다.

4. 곡률 에지 상에 배치

마지막으로 공구경로의 곡률이 급격하게 변화하는 곡면 에지 상에 제어점을 배치하는 기능을 소개한다.

(1) 기능

공구경로의 연산 시에는 서피스 연산이어도 곡면의 에지를 의식하지 않는다. 그렇기에 곡면 에지 상의 제어점이 가지런하지 않은 경우가 있고, 인접하는 공구경로에 단차가 발생하면 다듬질면에 줄무늬가 발생한다(그림 8). 이 기능은 서피스 연산은 물론, 폴리곤 연산으로 생성한 공구경로라도 곡면 에지 상에 제어점을 배치하기 때문에 가공면 품질의 향상을 기대할 수 있다.

(2) 효과의 확인

기능 효과를 확인하기 위해 필릿 R 형상의 R 윤곽 방향으로 절삭하는 공구경로를 서피스 연산(주사선 영역 모드)으로 생성, 구조점 재배치 기능을 적용 전의 데이터로 절삭한 결과와 적용 후의 데이터로 절삭한 결과를 비교하는 가공 실험을 했다. 그림 9에 가공 형상을, 이하에 가공 조건을 나타냈다. 

[가공 조건]

･재료 : NAK80

･공구 : 공구 지름 ø6 (볼 엔드밀)

･공구 돌출 길이 : 20mm

･절삭 조건

･회전수 :20,000min-1

･이송 속도 : 1,000mm/min

･절입량 : 0.1mm (커스프 하이트=5μm)

(3) 결과

재배치 기능의 적용 전은 필릿 R면과 바닥면의 에지를 공유하는 부근(그림 10)에서 곡면 에지 상에 제어점이 배치되지 않는 부위가 있고, 인접하는 공구경로에 단차가 발생했다. 한편, 적용 후에는 곡면 에지 상의 제어점을 통과함으로써 단차가 억제됐다(그림 11). 이 데이터로 절삭한 결과, 적용 전에 발생한 줄무늬가 적용 후에는 개선된 것을 확인했다(그림 12).

최근에는 CNC 공작기계가 NC 데이터를 예측해 움직임을 원활하게 하는 기능과 인접하는 공구경로를 고려해 단차를 억제하는 기능이 개발되어 가공면 품질의 향상이 예상된다. 

그러나 형상을 참조하지 않는 경우, 가공 정도의 향상에는 위험이 있다는 특징이 있다. 그것에 대해, 구조점 재배치 기능은 가공 형상면을 기초로 제어점을 배치하기 때문에 가공 정도의 향상을 실현한다. 

또한 지금까지 설명한 기능을 적용해, 기계특성에 대응한 제어점을 배치한 절삭 데이터를 작성함으로써 고속 가공과 가공면 품위의 향상이 가능해진다.

이번에 소개한 CAM-TOOL V 15.1에서는 주사선 가공계, 면윤곽 가공계 등 전체 10모드에 대응했다. V 16.1에서는 등고선계의 절삭 모드에 대응, 그 다음 판에서는 재배치 기능을 공구경로 연산에 포함시킬 예정이다. 앞으로도 금형 제조의 QCD를 달성하기 위한 유효한 기능을 계속 개발해 갈 계획이다.