CNC 가공 설계 마스터: 검증된 최적 설계 전략으로 최상의 부품 만들기

컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공을 위한 설계를 최적화하기 위해 취할 수 있는 몇 가지 쉬운 단계가 있습니다. 제조용 설계(DFM) 규칙을 따르면 CNC 가공의 광범위한 역량을 더 잘 활용할 수 있습니다. 다만 업계 전반의 구체적 표준이 존재하지 않아 어려울 수 있습니다.

이 기사에서는 CNC 가공을 위한 최적 설계 관행에 대한 종합 가이드를 제공합니다. 이 방대한 최신 정보를 수집하기 위해 업계 전문가들과 CNC 가공 서비스 제공업체들의 피드백을 요청했습니다. 비용 최적화를 원하신다면 CNC 비용 효율적 부품 설계 가이드를 확인하세요.

CNC 가공 공정이란 무엇인가요?

CNC 가공은 절삭 제조 기술입니다. CNC에서는 수천 RPM의 고속으로 회전하는 다양한 절삭 공구를 사용해 고체 블록에서 소재를 제거하며 CAD 모델 기반으로 부품을 생산합니다. 금속과 플라스틱 모두 CNC 가공 가능합니다.

CNC 가공 부품은 높은 치수 정밀도와 엄격한 공차를 가집니다. CNC는 대량 생산과 일회성 작업 모두에 적합합니다. 사실 CNC 가공은 현재 3D 프린팅과 비교해도 금속 시제품 생산에 가장 비용 효율적인 방식입니다.

CNC 가공 기본 원리 소개를 읽어보세요.

CNC 설계의 주요 제약사항은 무엇인가요?

CNC는 뛰어난 설계 유연성을 제공하지만 몇 가지 제약이 있습니다. 이 제한사항들은 절삭 공정의 기본 메커니즘과 관련되며 주로 공구 지오메트리와 공구 접근성에 관한 것입니다.

공구 지오메트리

가장 일반적인 CNC 절삭 공구(엔드밀과 드릴)는 원통형 모양에 제한된 절삭 길이를 가집니다.

공작물에서 소재가 제거될 때 공구의 지오메트리가 가공된 부품에 전이됩니다. 이는 예를 들어 CNC 부품의 내부 코너는 아무리 작은 절삭 공구를 사용해도 항상 반경을 가진다는 것을 의미합니다.

공구 접근성

소재를 제거하기 위해 절삭 공구는 공작물에 위에서 직접 접근합니다. 이런 방식으로 접근할 수 없는 형상은 CNC 가공이 불가능합니다.

이 규칙에 예외가 있습니다: 언더컷(Undercuts). 이 기사 후반부에 언더컷 섹션이 있습니다.

좋은 설계 관행은 모델의 모든 형상(홀, 캐비티, 수직 벽 등)을 6가지 주요 방향 중 하나에 정렬하는 것입니다. 하지만 이 규칙을 제약이 아닌 권장사항으로 보세요. 5축 CNC 시스템이 고급 공작물 고정 능력을 제공하기 때문입니다.

공구 접근성은 큰 깊이-너비 비율을 가진 형상 가공 시에도 문제가 됩니다. 깊은 캐비티의 바닥까지 도달하려면 연장된 리치의 공구가 필요합니다. 이는 엔드 이펙터의 동작 범위를 넓혀 머신 채터를 증가시키고 달성 가능한 정밀도를 낮춥니다.

가장 큰 직경과 가장 짧은 길이의 공구로 CNC 가공 가능한 부품을 설계하면 생산이 단순해집니다.

CNC 설계 가이드라인

CNC 가공용 부품 설계 시 자주 직면하는 과제는 업계 전반의 구체적 표준이 존재하지 않는다는 점입니다. CNC 머신과 공구 제조사들이 기술의 역량을 지속적으로 개선하며 가능한 것의 한계를 확장하고 있습니다. 아래 표는 CNC 가공 부품에서 가장 흔히 마주치는 형상들에 대한 권장값과 실현 가능값을 요약합니다.

캐비티와 포켓

캐비티와 포켓 예시

권장 캐비티 깊이: 캐비티 너비의 4배

엔드밀 공구는 제한된 절삭 길이(일반적으로 직경의 3~4배)를 가집니다. 캐비티의 깊이-너비 비율이 작아질수록 공구 편향, 칩 배출, 진동이 더 두드러집니다.

캐비티 깊이를 너비의 4배로 제한하면 좋은 결과를 보장합니다.

더 깊은 깊이가 필요하면 가변 캐비티 깊이로 부품을 설계하는 것을 고려하세요.

깊은 캐비티 밀링: 공구 직경의 6배보다 깊은 캐비티는 깊은 캐비티로 간주합니다. 특수 공구를 사용해 최대 30:1의 공구 직경-캐비티 깊이 비율 가능(1인치 직경 엔드밀 공구로 최대 깊이 35cm).

내부 에지

내부 에지 예시

수직 코너 반경

권장: 캐비티 깊이의 ⅓ 이상

권장값을 사용하면 적절한 직경의 공구를 사용할 수 있고 권장 캐비티 깊이 가이드라인과 정렬됩니다. 코너 반경을 권장값보다 약간 크게(예: 1mm) 하면 공구가 90도 각도 대신 원형 경로로 절삭할 수 있습니다. 이는 더 높은 품질의 표면 마감을 초래하므로 선호됩니다. 날카로운 90도 내부 코너가 필요하면 코너 반경을 줄이는 대신 T-본 언더컷 추가를 고려하세요.

바닥 반경

권장: 0.5mm, 1mm 또는 반경 없음
실현 가능: 모든 반경

엔드밀 공구는 평평하거나 약간 둥근 하부 절삭 날을 가집니다. 다른 바닥 반경은 볼 엔드 공구로 가공 가능합니다. 머시니스트들이 선호하므로 권장값을 사용하는 것이 좋은 설계 관행입니다.

얇은 벽

최소 벽 두께

권장: 0.8mm(금속), 1.5mm(플라스틱)
실현 가능: 0.5mm(금속), 1.0mm(플라스틱)

벽 두께를 줄이면 소재 강성이 감소해 가공 중 진동이 증가하고 달성 가능한 정밀도가 낮아집니다. 플라스틱은 잔류 응력으로 인한 변형과 온도 상승으로 인한 연화에 취약하므로 더 큰 최소 벽 두께를 권장합니다. 위 실현 가능 값은 케이스별로 검토해야 합니다.

홀

직경

권장: 표준 드릴 비트
실현 가능: 1mm보다 큰 모든 직경

홀은 드릴 비트나 엔드밀 공구로 가공합니다. 드릴 비트 크기는 표준화되어 있습니다(미터법 및 인치 단위). 리머와 보링 공구는 엄격한 공차가 필요한 홀 마무리에 사용됩니다. 직경 20mm 미만의 고정밀 홀에는 표준 직경 사용을 권장합니다.

최대 깊이

권장: 공칭 직경의 4배
일반적: 공칭 직경의 10배
실현 가능: 공칭 직경의 40배

비표준 직경의 홀은 엔드밀 공구로 가공해야 합니다. 이 경우 최대 캐비티 깊이 제한이 적용되며 권장 최대 깊이 값을 사용해야 합니다. 일반적인 값보다 깊은 홀은 특수 드릴 비트(최소 직경 3mm)로 가공합니다. 드릴로 가공한 블라인드 홀은 원뿔형 바닥(135도 각도)을 가지며, 엔드밀 공구로 가공한 홀은 평평한 바닥을 가집니다. 관통 홀과 블라인드 홀 사이에는 CNC 가공에서 특별한 선호도가 없습니다.

나사산

나사산 가공 예시

나사산 크기

최소: M2
권장: M6 이상

나사산은 탭으로, 외부 나사산은 다이스로 가공합니다. 탭과 다이스로 M2까지 나사산 가공 가능. CNC 나사산 가공 공구는 일반적이며 머시니스트들이 선호하는데, 탭 파손 위험을 줄여주기 때문입니다. CNC 나사산 가공 공구는 M6까지 나사산 가공 가능합니다.

나사산 길이

최소: 공칭 직경의 1.5배
권장: 공칭 직경의 3배

나사산에 가해지는 하중의 대부분은 처음 몇 산(공칭 직경의 최대 1.5배)이 받습니다. 공칭 직경의 3배보다 긴 나사산은 불필요합니다.

탭으로 가공된 블라인드 홀의 나사산(즉, M6 미만의 모든 나사산)의 경우 홀 바닥에 공칭 직경의 1.5배에 해당하는 비나사산 길이를 추가하세요. CNC 나사산 가공 공구를 사용할 수 있는 경우(즉, M6 이상의 나사산), 홀 전체 길이에 걸쳐 나사산 가공 가능합니다.

작은 형상

작은 CNC 형상 예시

최소 홀 직경

권장: 2.5mm(0.1인치)
실현 가능: 0.05mm(0.005인치)

대부분의 기계 가공소는 직경 2.5mm(0.1인치)까지의 공구로 캐비티와 홀을 정확하게 가공할 수 있습니다. 이 한계 미만은 마이크로 가공으로 간주됩니다. 이 스케일에서는 절삭 공정의 물리학이 변하므로 특수 공구(마이크로 드릴)와 전문 지식이 필요합니다. 절대 필요하지 않다면 피하는 것을 권장합니다.

공차

CNC 공차 예시

일반적: ±0.1mm
실현 가능: ±0.02mm

우리의 공차는 ISO 2768-m 또는 -f입니다. 공차가 지정되지 않으면 제조 파트너가 선택한 2768 등급을 사용합니다. 공차는 허용 가능한 치수의 경계를 정의합니다. 달성 가능한 공차는 기본 치수와 부품 지오메트리에 따라 달라집니다. 위 값들은 합리적인 가이드라인입니다.

텍스트 및 레터링

권장: 폰트 크기 20 이상, 5mm 각인 깊이

각인 텍스트가 양각 텍스트보다 선호됩니다. 소재 제거가 더 적기 때문입니다. 최소 크기 20 산세리프 폰트(예: Arial, Verdana) 사용을 권장합니다. 많은 CNC 머신이 이 폰트들에 대한 사전 프로그래밍된 루틴을 가집니다.

CNC 머신 설정과 부품 방향

공구 접근성은 CNC 가공의 주요 설계 제한사항 중 하나입니다. 모델의 모든 표면에 도달하려면 공작물을 여러 번 회전해야 합니다.

공작물이 회전할 때마다 머신을 재보정하고 새로운 좌표계를 정의해야 합니다.

설계 시 머신 설정을 고려하는 것은 두 가지 이유로 중요합니다:

• 총 머신 설정 횟수가 비용에 영향을 줍니다. 부품 회전과 재정렬은 수작업이 필요하고 총 가공 시간을 늘립니다. 부품이 3~4회까지 회전하는 것은 종종 허용되지만, 그 이상은 과도합니다.
• 최대 상대적 위치 정밀도를 달성하려면 두 형상을 같은 설정에서 가공해야 합니다. 새로운 보정 단계가 작지만 무시할 수 없는 오차를 유발하기 때문입니다.

5축 CNC 가공이란 무엇인가요?

5축 CNC 머신은 절삭 공구나 부품을 5개 축을 따라 동시에 움직입니다. 다축 CNC 머신은 두 개의 추가 회전축을 제공해 복잡한 지오메트리의 부품을 제조할 수 있습니다. 이 머신들은 여러 머신 설정의 필요성을 없애줍니다.

5축 CNC 가공의 장점과 한계는 무엇인가요?

5축 CNC 가공은 공구가 절삭 표면에 끊임없이 접선 방향으로 유지되게 합니다. 공구 경로가 더 복잡하고 효율적이 되어 더 나은 표면 마감과 더 짧은 가공 시간으로 부품을 만듭니다.

하지만 5축 CNC에도 한계가 있습니다. 기본 공구 지오메트리와 공구 접근성 제한은 여전히 적용됩니다(예: 내부 지오메트리가 있는 부품은 가공 불가). 게다가 이런 시스템 사용 비용은 더 높습니다.

CNC 가공 언더컷

언더컷은 일부 표면이 위에서 직접 접근할 수 없어 표준 절삭 공구로 가공할 수 없는 형상입니다.

언더컷에는 T-슬롯과 더브테일(Dovetail)이라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 언더컷은 한 면 또는 양면일 수 있으며 특수 공구로 가공합니다.

T-슬롯 절삭 공구는 수직 샤프트에 부착된 수평 절삭 날로 구성됩니다. 언더컷의 너비는 3mm~40mm 사이에서 변할 수 있습니다. 표준 크기(정수 밀리미터 단위 또는 표준 인치 분수)로 너비를 사용하는 것을 권장합니다. 적절한 공구가 이미 있을 가능성이 더 높기 때문입니다.

더브테일 절삭 공구의 경우 각도가 결정적 특징 크기입니다. 45도와 60도 더브테일 공구는 표준으로 간주됩니다. 5도, 10도, 최대 120도(10도 단위) 각도의 공구도 존재하지만 덜 흔하게 사용됩니다.

CNC 가공을 위한 언더컷 설계

내부 벽에 언더컷이 있는 부품 설계 시 공구를 위한 충분한 클리어런스를 추가해야 합니다. 좋은 경험 법칙은 가공된 벽과 다른 내부 벽 사이에 언더컷 깊이의 최소 4배에 해당하는 공간을 두는 것입니다.

표준 공구의 경우 절삭 직경과 샤프트 직경의 일반적인 비율이 2:1이므로 절삭 깊이가 제한됩니다. 비표준 언더컷이 필요하면 기계 가공소에서 자체 커스텀 언더컷 공구를 제작하는 것이 일반적인 관행입니다. 이는 리드 타임과 비용을 증가시킬 수 있으니 가능하면 피하세요.

기술 도면 작성

기술 도면은 엔지니어가 머시니스트에게 특정 제조 요구사항을 전달하는 데 때때로 사용됩니다. 이 주제에 관심이 있으시다면 기술 도면을 언제, 왜, 어떻게 사용하는지에 대한 기사를 읽어보세요.

Hubs 견적에 기술 도면 업로드하기

우리 플랫폼에서 주문 시 보통 기술 도면을 요구하지 않지만, 경우에 따라 견적 요청에 귀중한 맥락을 더할 수 있습니다. 특정 설계 사양은 STEP이나 IGES 파일에 포함될 수 없습니다. 예를 들어 모델에 나사 구멍이나 축, 선택한 2768 등급보다 엄격한 공차 치수가 포함된 경우 2D 기술 도면을 포함해야 합니다.

기술 도면을 추가한다면 업로드된 파일들의 사양과 일치하는지 확인하세요. 기술 도면이 업로드된 파일이나 견적 사양과 일치하지 않으면:

• 견적 사양이 기술, 소재, 표면 마감의 준거점이 됩니다.
• 기술 도면이 나사산 사양, 공차 사양, 표면 마감 디테일, 부품 마킹 요청, 열처리 사양의 준거점이 됩니다.
• CAD 파일이 부품 설계, 지오메트리, 치수, 형상 위치의 준거점이 됩니다.

자세한 내용은 사양 정책을 읽어보세요.

Hubs의 CNC 가공 모범 사례

• 가장 큰 직경의 공구로 가공 가능한 부품을 설계하세요.
• 모든 내부 수직 코너에 큰 필렛(캐비티 깊이의 최소 ⅓)을 추가하세요.
• 캐비티 깊이를 너비의 4배로 제한하세요.
• 설계의 주요 형상을 6가지 주요 방향 중 하나에 정렬하세요. 불가능하면 5축 CNC 가공을 고려하세요.
• 설계에 나사산, 공차, 표면 마감 사양 또는 머신 운영자 참고사항이 포함되면 기술 도면을 제출하세요.

CNC 가공이 필요한 부품이 있으신가요? 설계를 업로드하면 DFM 도구가 최적화를 제안하고 즉시 가격을 제공합니다.