CNC 가공 원리: 컴퓨터가 정밀 부품을 만드는 방식

제조업체와 기계 공장은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계를 사용하여 다양한 공작기계를 제어합니다. CNC 가공 개념은 1940~50년대에 등장했으며, 당시에는 펀치 테이프 기술 같은 아날로그 데이터 저장 방식이 사용되었습니다. 오늘날 CNC 생산은 정교한 컴퓨터 지원 제조(CAM) 또는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 통해 기계에 설계 지침을 전달하여 부품과 시제품을 생산합니다.

절삭 제조 공정인 CNC 가공은 더 높은 복잡성을 구현할 수 있습니다. 이제 고정밀과 정확성이 요구되는 저·중·대량 생산이 가능해졌습니다.

제조업체가 사용하는 CNC 기계는 밀링, 연삭, 드릴링 및 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 일부 시스템은 마감 작업도 가능합니다. CNC 기계 작업에 사용되는 전자기계 장치는 정교함과 조작 가능한 공구 면에서 다양합니다. 3~5축으로 작동하며, 각 축은 공구가 이동할 수 있는 특정 치수입니다.

• 측면 이동(상하, 좌우)은 X, Y축으로 제어됩니다.
• 종방향 이동은 일반적으로 Z축으로 제어됩니다.
• 회전 및 추가 운동은 추가 축으로 가능합니다.

축이 많을수록 절삭과 정밀도를 위한 움직임의 자유도가 높아집니다.

CNC 가공 소재

대부분의 CNC 기계는 매우 다재다능합니다. 금속 밀링에 흔히 사용되며, 강철, 알루미늄, 구리, 황동, 티타늄 등을 절단할 수 있습니다. 기타 가공 가능 소재로는 폴리프로필렌 등 다양한 플라스틱, 목재, 유리섬유, 폼 등이 있습니다.

CNC 가공이 다른 컴퓨터 시스템과 다른 점

CNC 기계를 제어하는 컴퓨터는 일반 가정용이나 업무용 컴퓨터와 다릅니다. 숙련된 프로그래머가 코드를 작성하며 높은 연산 능력이 필요합니다. 이 코드는 시간이 지나도 수정 가능하여 기존 프로그램을 업데이트할 수 있습니다. 즉, CNC 기계 프로그래밍은 끊임없이 진화하는 자동화 공정입니다. 그러나 인간 작업자의 개입 없이 속도, 위치, 반복성, 예측성을 제어하는 소프트웨어로 사실상 모든 제조 분야에서 사용됩니다.

CNC 생산 공정의 작동 원리

공정은 일반적으로 미가공 소재로 시작합니다. 예를 들어 플라스틱 블록을 기계에 넣고 재료 제거 공정을 시작합니다. 소프트웨어 프로그램의 디지털 지침이 기계로 전송되며, 이는 3D 프린팅과 유사합니다. 이 디지털 지침(G코드라고도 함)은 부품을 어떻게 절단할지에 대한 지침으로 변환됩니다.

한때 고도로 기술적이고 노동 집약적이었던 공정이 이제 더 빠르고 정확해졌습니다. 시제품 부품은 높은 생산성으로 제작할 수 있습니다.

가공 공정 중에 여러 공구가 사용될 수 있습니다. 예를 들어 기계는 드릴 비트 크기 인벤토리에서 공구를 선택합니다. X, Y축 측면 이동, Z축 종방향 이동, 회전 운동 등이 가능합니다.

다축 기계에서는 부품이 자동으로 뒤집히고 위치가 잡히며, 인간 개입 없이 공정이 진행됩니다. 공정을 멈추고 수동으로 부품을 옮길 필요가 없습니다. 부품이 자동으로 위치하면 추가 절삭이 이루어지는 식입니다.

CNC 기계는 매우 정확합니다. 측정 단위는 1/1000인치로, 정밀 가공 공정의 공차는 약 ±0.001인치입니다. 연마용으로 사용하면 ±0.00005인치까지 조일 수 있습니다. 사람 머리카락 두께가 약 0.00069인치이니, 얼마나 정교하고 반복 가능한지 알 수 있습니다.

일반적인 CNC 생산 단계는 다음과 같습니다:

• CAD 모델 설계: 설계자는 2D 벡터 또는 3D 솔리드 부품 CAD 설계를 작성하며 모든 치수, 형상, 기술 사양을 반영합니다. 부품 특성은 기계 능력에 의해 제한됩니다. 대부분의 CNC 공구는 곡면 모서리만 만들 수 있어 부품 형상이 제한되며, 각 기계의 최소 부품 두께, 최대 부품 크기, 복잡한 내부 형상 제작 가능성도 고려해야 합니다.
• 파일 변환: CAD 파일을 CAM 소프트웨어로 실행하면 부품 형상이 추출됩니다. 디지털 프로그래밍 코드가 생성되어 기계와 공구를 제어합니다. 기하 코드(G코드)는 기계가 언제, 어디로, 어떻게 움직일지 지시하며, 보조 기능 코드(M코드)는 기계 커버 탈착 등 보조 기능을 제어합니다.
• 기계 설정: CNC 기계 프로그래밍 후 시스템을 준비합니다. 작업자는 공작물을 기계나 스핀들, 바이스에 고정하는 등 초기 단계를 수행합니다. 공구 활성화 전 작업 고정 장비를 고정해야 합니다. 경우에 따라 드릴 비트와 엔드밀을 적절한 구성 요소에 장착한 후 프로그램을 실행합니다.
• 실행: 작업자가 프로그램을 시작하면 기계가 공정을 개시합니다. CNC 프로그램의 명령이 기계 내 컴퓨터에 전달되어 공구 조작을 지시합니다. 프로그램이 모든 작업을 수행하여 맞춤 설계 부품이나 제품이 완성될 때까지 시스템을 안내합니다.

CNC 기계 및 공정 유형

현대 CNC 시스템은 전통적 가공 기술과 새로운 가공 기술을 결합하여 광범위한 응용 분야에서 높은 다재다능함을 보입니다. 대표적인 전통 장비는 다음과 같습니다:

• 밀링 머신: 회전 절삭 공구를 갖춘 유연한 시스템으로, G코드나 제조사 독자 언어로 프로그래밍할 수 있습니다. 기본형은 3축이지만 최신형은 최대 3축이 추가될 수 있습니다.
• 드릴: 특정 작업에 맞춘 크기의 비트를 회전시켜 정지된 공작물에 접촉하여 절단합니다. 드릴은 절단 효율과 작업 생산성 향상에 탁월합니다.
• 선반: 공작물 블록을 드릴 비트에 대고 회전시키는 방식으로, 복잡한 형상 생산이 가능합니다. 보통 X, Z축으로 작동하며 공작물을 측면 이동시켜 점진적으로 절삭합니다.

오늘날 사용되는 새로운 기술로는 방전 가공(EDM)이 있습니다. 전기 스파크를 사용하여 공작물의 일부를 제거하여 디지털 설계대로 성형합니다. 전극 간 거리를 줄여 전기장을 강화함으로써 방전을 유도합니다. 대표적으로 와이어 EDM(와이어로 공작물을 태워/침식시켜 제거)과 싱커 EDM(공작물과 전극을 유전체 유체에 담근 형태)이 있습니다.

플라즈마 절단은 토치를 사용해 금속을 절단합니다. 압축 공기와 전기 아크를 결합해 플라즈마를 생성합니다. 물이라는 더 친숙한 매체도 CNC 가공에 쓰입니다. 워터젯 절단기는 고압 집수된 물줄기로 금속, 화강암 등 단단한 소재를 절단합니다. 경우에 따라 모래 등 연마재를 혼합해 효과를 높입니다. 워터젯 절단은 내열성이 낮은 소재에 자주 사용됩니다.

Laszeray Technology의 CNC 생산 가공

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