CNC 가공 완벽 가이드: 핵심 공정, 작업 방식 및 장점

현대 제품 제조는 제품 설계의 복잡성이 증가함에 따라 정밀도와 정확성을 보장하는 공정과 기술을 요구합니다. 그 결과 제조 기술, 특히 자동화 도입 분야에서 개발과 혁신이 급속히 진행되고 있습니다.

자동화 덕분에 CNC 가공은 정밀도, 정확성, 복잡한 제품 설계 구현 능력으로 잘 알려진 일반적인 제조 공정이 되었습니다. 이 글에서는 CNC 가공의 기초, 공정, 적용 분야 및 이점에 대해 설명합니다.

CNC(Computer Numerical Control, 컴퓨터 수치 제어)란 무엇인가?

컴퓨터 수치 제어(CNC)는 공구에 부착된 마이크로컴퓨터를 사용하여 공작기계를 제어하는 방식입니다. 마이크로컴퓨터는 G-코드와 M-코드라 불리는 프로그래밍 언어에 반응하여 이 작업을 수행하는데, 여기에는 이송 속도, 스핀들 속도, 절삭 공구, 냉각수 흐름 등의 가공 매개변수에 대한 지침이 포함됩니다.

마이크로컴퓨터는 이 지침을 공작기계로 전달합니다. 따라서 CNC 가공은 수동 조작이 필요 없어 제품 설계의 복잡성과 상관없이 오류 없는 부품을 제작하는 데 적합합니다.

CNC 가공이란?

CNC 가공은 CAD 모델의 지침에 따라 공작물에서 재료를 제거하여 제품을 만드는 절삭 제조 공정입니다. CNC 기계는 CAD 모델에서 얻은 코드(G-코드 및 M-코드)에 따라 선삭, 드릴링, 밀링 등의 가공 작업을 수행하여 공작물의 일부를 제거합니다. 이 코드에는 가공 매개변수에 대한 지침이 들어 있습니다.

CNC 가공 공정은 다양한 금속, 플라스틱, 목재, 복합 재료와 호환됩니다. 3D 프린팅, 사출 성형과 같은 적층 및 성형 제조 공정과 함께 부품 제조의 필수 공정으로 자리 잡았습니다. 그러나 CNC 가공은 높은 공차 등 이러한 방법보다 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 계속 읽어보세요.

CNC 가공 공정의 4가지 주요 단계

CNC 가공 공정 유형에 관계없이 기본적으로 네 가지 단계로 이루어집니다. 일반적인 작동 절차는 다음과 같습니다.

1단계: CAD 모델 준비

여기에는 제품의 2D 또는 3D 모델 설계를 만드는 작업이 포함됩니다. 이 공정에 적합한 소프트웨어가 많으며, 대표적으로 AutoCAD와 SolidWorks가 있습니다. 또한 제품 요구사항에 따라 2D 설계를 3D 설계로 변환할 수도 있습니다.

일부 제품 설계는 단순할 수 있지만, 복잡한 제품 설계의 경우 CAD 모델 준비에 고급 지식이 필요할 수 있습니다.

CAD 모델은 공차, 구성선, 나사산 및 가공 작업을 효과적으로 수행하기 위한 기타 매개변수와 같은 중요한 특징을 작업자가 쉽게 파악할 수 있도록 제대로 설계되어야 합니다.

2단계: CNC 호환 포맷으로 변환

CNC 기계는 CAD 모델을 이해할 수 없습니다. 따라서 기계가 해석할 수 있도록 CAD 모델을 CNC 호환 포맷으로 변환해야 합니다. 이 단계에서는 Fusion 360, AutoCAD 또는 기타 온라인 소프트웨어 서비스 같은 CAM 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

이 소프트웨어는 CNC 호환 포맷으로 변환할 뿐만 아니라 회전 및 선형 이동, 절삭 순서, 공구 경로, 공작물, 기계 속도 등 가공 작업과 관련된 매개변수에 대해 CNC 기계에 지시합니다.

3단계: 설정 및 실행

이 단계에서는 올바른 유형의 CNC 기계를 선택하고 가공 작업이 시작되기 전에 특정 작업을 구성합니다. 적절한 기계 선택은 공작물, 제품 설계의 복잡성, 비용에 따라 달라집니다. 이후 공작물을 기계에 고정합니다.

4단계: 부품 가공

작업자는 필요한 절삭 공구를 장착하고 공정을 시작합니다. 공정은 자동화되어 컴퓨터 프로그램이 완료라고 판단할 때까지 실행됩니다. 가공 중과 후에 기계공은 품질 보증을 위해 여러 단계의 검사를 수행합니다.

CNC 가공에서 기계공의 중요한 역할

CNC 가공 공정은 자동화되어 있지만, 예상치 못한 결함을 처리하기 위해 CNC 기계공이 필요합니다. 다음은 CNC 기계공의 주요 역할입니다.

• 제품 사양 파악
• 도면, 스케치, CAD/CAM 파일 판독
• CAE 모델 생성
• 절삭 공구 및 기타 기계 자재 정렬 및 조정
• CNC 기계 공구 설치, 사용, 분해
• 기계 속도 모니터링
• 완제품 검사 및 테스트를 통한 결함 확인
• 부품이 CAD 모델과 정렬되는지 확인

CNC 기계의 유형

각 CNC 가공 공정마다 전용 기계가 있습니다. 예를 들어 CNC 밀링용 기계는 CNC 밀링 머신, CNC 선삭용 기계는 CNC 선반이라 부릅니다. 그러나 CNC 기계의 유형은 이동하고 회전할 수 있는 축에 따라 더 세분화됩니다. 부품 제조에 일반적으로 사용되는 유형은 다음과 같습니다.

2축 CNC 기계

2축 CNC 기계는 X축과 Z축, 즉 수직과 수평 방향으로만 부품을 가공할 수 있습니다. 따라서 부품 제조에 사용되는 가장 단순한 CNC 기계입니다.

3축 CNC 기계

3축 CNC 기계는 2축 기계보다 한 단계 더 나아가 X, Y, Z축으로 이동할 수 있습니다. CNC 가공에서 가장 흔하게 사용되는 기계입니다. 그러나 회전 기능이 없어 복잡한 설계의 부품을 가공하는 데 제한이 있을 수 있습니다.

4축 CNC 기계

4축 CNC 기계는 스핀들이 세 축을 따라 이동할 수 있습니다. 간단히 말해 기계는 상하, 좌우, 전후로 움직일 수 있으며 X축과 A축을 따라 회전할 수 있습니다. 이 모든 것이 공작물을 움직이지 않고 수행됩니다. 속도, 정밀도, 정확성 덕분에 복잡한 부품 가공에 가장 흔하게 사용되는 CNC 기계입니다.

5축 CNC 기계

5축 CNC 기계는 스핀들과 절삭 공구가 4축 기계와 비슷하게 움직일 수 있습니다. 그러나 4축 기계와 달리 세 축 중 임의의 두 축을 따라 회전할 수 있습니다. 가공 중 수동 재배치 없이 모든 방향에서 공작물에 접근할 수 있는 능력 덕분에 가장 완전한 다축 CNC 기계로 간주됩니다. 5축 CNC 가공은 정밀하고 복잡한 부품의 완벽한 작업을 가능하게 합니다.

CNC 가공을 위한 3가지 일반적인 지원 소프트웨어

CNC 가공 공정 요구사항에 따라 모든 가공은 아래 나열된 소프트웨어 중 하나 이상을 사용합니다.

1. CAD 소프트웨어

CAD 소프트웨어를 사용하면 작업자가 제품 설계 및 제조에 사용되는 물리적 구성요소의 2D 및 3D 모델을 제작할 수 있습니다. 그 외에도 제조업체에 설계 데이터를 제공하는 기능을 합니다. 예: AutoCAD(2D 및 3D), Inventor(3D), Blender, SketchUp.

2. CAM 소프트웨어

CAM 소프트웨어는 CNC 기계를 제어하는 G-코드를 CAD 모델로부터 생성하는 데 적합합니다. 결과적으로 CNC 기계는 자동화됩니다. 대표적인 예: Fusion 360, SolidWorks, AutoCAD.

3. CAE 소프트웨어

CAE 소프트웨어는 제품 설계자가 의도한 제품의 성능을 모방할 수 있게 해줍니다. 결과적으로 제품 설계를 개선하고 엔지니어가 엔지니어링 관련 문제를 해결하는 데 도움을 줍니다. 예: 유한 요소 분석, 멀티바디 다이내믹스, 전산 유체 역학.

다양한 CNC 가공 작업 유형

CNC 가공은 의도한 제품을 만들기 위해 공작물의 일부를 절삭 제거하는 여러 기술로 구성됩니다. 그러나 제거 방식은 공정에 따라 다릅니다. 부품 제조에 사용되는 일반적인 CNC 가공 작업은 다음과 같습니다.

CNC 드릴링

CNC 드릴링은 회전하는 절삭 공구를 사용하여 고정된 공작물에 원통형 구멍을 만드는 작업입니다. 부품 조립이 필요한 제품 제작에 사용되는 중요한 CNC 가공 작업입니다.

CNC 밀링

CNC 밀링은 회전하고 축을 따라 이동하는 절삭 공구를 사용하여 공작물에서 재료를 제거하는 가장 일반적인 가공 작업입니다. 절삭의 용이성은 CNC 기계의 정교함에 따라 달라집니다.

CNC 선삭

CNC 선삭은 제품을 회전시키면서 가공된 부품을 만들기 위해 제작된 절삭 공구에 공급하는 가공 작업입니다.

기타 가공 작업

• 연삭
• 브로칭
• 래핑
• 톱질
• 호닝

CNC 가공과 호환되는 재료

금속: 구리, 스테인리스강 합금, 티타늄, 황동, 알루미늄 합금, 강철, 마그네슘 등

플라스틱: 아세탈, PEEK, 폴리카보네이트, 나일론, 아크릴, PVC, 폴리프로필렌 등

복합재: 에폭시, 페놀릭, 유리섬유, 탄소섬유

목재: 경재 및 합판

폼: 경질 폼 및 조각용 폼

CNC 가공은 많은 재료와 호환됩니다. 그러나 CNC 재료를 선택하기 전에 다음을 고려해야 합니다.

• 경도
• 기계적 특성
• 부품 기능
• 치수 공차
• 작동 온도
• 비용

CNC 가공의 이점은 무엇인가?

CNC 가공은 여러 장점으로 인해 산업용 부품 제조에 널리 적용됩니다. 다음은 다른 제조 작업에 비해 이 공정이 가진 몇 가지 이점입니다.

정확성과 정밀도

CNC 가공은 정확하여 제품 제조업체가 의도한 설계대로 부품을 만들 수 있습니다. 또한 높은 정밀도와 공차를 가지므로 정확성을 잃지 않고 제품의 서로 다른 배치를 제조할 수 있습니다. 자동화된 공정이기 때문에 가공 중 오류가 줄어듭니다.

빠르고 효율적

CNC 가공 부품을 며칠 만에 받아볼 수 있습니다. 따라서 생산 효율성이 높습니다. 다만 속도와 효율성은 CNC 기계 유형과 제품 복잡성에 따라 달라집니다.

비용 효율성

CNC 가공은 초기 투자 비용이 높습니다. 그러나 운영 비용은 낮습니다. 또한 높은 생산 속도, 거의 없는 인적 오류, 낮은 생산 비용이 비용 효율성을 높입니다. 게다가 대부분의 가공 작업은 교육이 적게 필요하며, 교육은 대부분 온라인으로 제공됩니다.

향상된 역량

대부분의 CNC 기계는 다양한 목적으로 많은 공구를 장착할 수 있습니다. 또한 정교한 소프트웨어를 통해 다양한 제품과 복잡한 공작물에서 작업할 수 있습니다. 따라서 크기, 모양, 질감이 다른 공작물과의 향상된 역량과 호환성을 가집니다.

광범위한 호환 재료

가공 작업은 광범위한 재료 베이스와 호환됩니다. 일반적인 예로 금속, 플라스틱, 복합재가 있습니다.

CNC 가공의 대체 제조 공정

CNC 가공은 부품 및 제품 제조에서 널리 받아들여지는 다목적 공정입니다. 그러나 때로는 최적의 방법이 아닐 수 있습니다. 고려할 수 있는 몇 가지 대체 방법은 다음과 같습니다.

3D 프린팅

3D 프린팅은 CAD 또는 디지털 3D 모델의 지침을 사용하여 재료를 녹이고, 증착시키고, 고체화하는 적층 제조 공정입니다. CNC 가공과 마찬가지로 자동화되어 있습니다. 그러나 CNC 가공과 달리 단순한 설계에 더 적합합니다.

사출 성형

사출 성형은 재료를 녹여 준비된 금형에 주입하고 고체화시키는 플라스틱 제조 공정입니다. 블로우 성형, 오버몰딩, 인서트 몰딩 등 다른 제조 공정과 같은 메커니즘으로 작동합니다. 제품의 대량 제작에 중요한 공정입니다.

다이 캐스팅

다이 캐스팅은 사출 성형과 유사하지만 알루미늄과 같은 금속에 적합합니다. 금속을 녹여 준비된 금형에 주입하는 방식입니다. 주입 방식은 제품 품질에 따라 저압 또는 고압이 될 수 있습니다.

CNC 가공의 간략한 역사

전자 시대 이전에는 설계자가 부품을 손으로 만들거나 수동 조작 기계로 제작했습니다. 당시 사용된 제조 공정은 정확성, 정밀도, 복잡한 제품 적합성, 무엇보다 제품의 대량 생산 측면에서 한계가 있었습니다. 그 결과 새로운 제조 공정을 도입하기 위한 연구 개발이 이루어졌습니다.

수치 제어의 첫 시도는 1940년대 존 T. 파슨스가 MIT와 협력하여 미 공군 부품 제조에 수치 제어 기계를 개발하면서 시작되었습니다. 이 기계는 펀치 카드의 지침을 사용하여 공구 세트를 제어할 수 있게 했습니다. 그러나 여전히 완전 자동화는 아니었기 때문에 작업자가 상주해야 했습니다.

더 빠른 컴퓨터의 발명으로 CNC 기계는 펀치 카드 대신 디지털 코드를 사용하여 공작기계를 제어하게 되었습니다. CNC 가공은 이전 가공 시스템보다 더 빠르고 정확하게 부품을 생산할 수 있게 되었습니다.

결론

CNC 가공은 정확성, 정밀도, 공차 덕분에 부품 및 제품 제조에서 널리 받아들여지는 공정 세트입니다. 따라서 제품 설계자와 제조업체가 다양한 복잡성의 제품을 쉽게 만들 수 있습니다.

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자주 묻는 질문(FAQ)

M-코드와 G-코드란 무엇인가?

한편 G-코드는 CNC 기계가 어떻게 움직여야 하는지 지시하는 코드 세트입니다. 다른 한편 M-코드는 기계의 비절삭 작업을 수행합니다.

CNC 가공의 주요 과제는 무엇인가?

CNC 가공에서는 맞춤화가 특히 쉽지 않습니다. 기계공은 완성품에 사소한 조정을 가하기 위해 초기 단계에서 CAD 파일을 수정해야 합니다. 또한 기술 향상으로 인해 숙련된 작업자만 프로그램을 작성할 수 있습니다.

CNC 가공이 사용되는 산업은?

CNC 가공은 많은 제조 산업에서 응용됩니다. 이 제조 공정을 채택한 대표적인 산업으로는 자동차, 항공우주, 군수, 방위, 해양, 의료 산업이 있습니다.

CNC 가공의 용어는?

CNC 가공의 일반적인 용어는 다음과 같습니다.

- CAD: 컴퓨터 지원 설계
-CAM: 컴퓨터 지원 제조
-CAE: 컴퓨터 지원 엔지니어링
-DNC: 분산 수치 제어
-G-코드: 기하 코드
-M-코드: 기타 기계 코드

CNC 가공 산업의 트렌드는?

CNC 가공 산업의 트렌드에는 공정의 완전 자동화, CNC 기계에 더 많은 축 추가, 쉬운 맞춤화를 위한 더 많은 기능 개발이 포함됩니다.