원셋업 가공으로 복잡 부품 생산 비용 절감하기

선삭, 밀링, 드릴링이 필요한 복잡한 부품의 단가를 어떻게 최소화할까요? 살리나스 밸리 프리시전(Salinas Valley Precision, 캘리포니아주 살리나스)의 스티브 하토리 사장에게 답은 간단합니다. "단 한 번의 셋업으로 가공하되, 그 셋업을 최대한 단순하게 만드세요."

과거 하토리 씨는 통재료에서 복잡한 원형 부품을 생산하기 위해 최소 세 대의 기계가 필요했습니다. 재료를 길이대로 자르는 밴드쏘, 선반, 플랫과 홀을 가공하는 머시닝 센터가 그것입니다. 이제 이 작업장은 단 한 대의 기계로 이 모든 작업을 수행합니다. 미가공 봉재를 투입하면 완성품이 자동으로 나오며, 수많은 셋업을 단 하나로 대체합니다.

"옛 방식을 옹호하는 사람은 낚시 릴을 가공해 본 적이 없을 겁니다."라고 하토리 씨는 말합니다. 실제로 지역 스포츠 용품 제조업체가 낚시 릴 부품을 의뢰했을 때, 그는 처음에 거절했습니다. 당시에는 부품이 너무 복잡해 수익을 낼 수 없었습니다. 통 알루미늄에서 90%의 재료를 깎아내는 이 부품은 지름 3.25인치로, 두께 0.1인치 미만의 휘기 쉬운 플랜지 두 개가 속이 빈 코어로 연결된 구조입니다.

이 부품은 모든 방향에서 가공해야 합니다. 각 플랜지에는 무게 감소를 위해 지름 0.45인치 구멍 12개가 뚫려 있습니다. 코어 둘레에도 12개의 타원형 경량화 슬롯이 있습니다. 한쪽 면의 카운터보어에는 낚싯대 래칫 메커니즘용 세레이션 36개와 프레스 피트 베어링 보어가 있으며, 지름 공차는 총 0.0002인치입니다.

"이 복잡한 형상이 문제의 절반일 뿐입니다."라고 하토리 씨는 말합니다. "나머지 절반은 배치 크기였습니다. 당시 사용하던 CNC 선반과 머시닝 센터에 복잡한 지그를 써서 가공할 수도 있었지만, 소량 생산(종종 100개 미만)에서는 막대한 셋업 비용을 상각할 수 없었습니다."

하토리 씨는 프로토타입은 가공했지만 양산 입찰은 하지 않았습니다. 적어도 처음에는요. 하지만 그 후 그는 공정을 재발명했고, 이 부품은 10인 작업장의 주요 수익원이 되었습니다.

원스톱 가공

하토리 씨의 독창성이 낳은 핵심 결과는 모든 선삭, 밀링, 드릴링 작업을 단일 기계인 마작 '슈퍼 퀵 턴(SQT) 15MS-Y' CNC 터닝 센터에서 수행하는 공정입니다. 이 기계는 밀링용 회전 공구와 후면 선삭용 대향 제2 스핀들을 갖추고 있으며, 4인치 스트로크의 프로그래머블 Y축을 장착했습니다. 이 Y축 기능 덕분에 공작물이 주 스핀들 또는 보조 스핀들에 고정된 상태에서 편심 밀링 작업을 할 수 있습니다.

두 스핀들 간의 조정된 자동 핸드오버를 통해 공작물을 한 번도 놓지 않고 모든 면에 도달할 수 있습니다. 따라서 중요한 공작물 위치 기준이 전체 가공 공정 내내 유지됩니다.

공작물 블랭크는 마작 컷피더(Cut-Feeder)로 공급됩니다. 밀링-드릴링 기능이 터닝 센터로 머시닝 센터를 대체하듯, 컷피더는 밴드쏘를 공정에서 제외시키고 연속 부품 사이클 간 지연을 단 몇 초로 줄입니다. 컷피더는 봉재를 이송할 뿐만 아니라 길이(0.60~5.11인치)로 절단합니다. 현재 부품을 가공하는 동안 절단을 실행한 후, 선반이 다음 사이클 준비가 되면 새 공작물을 척을 통해 로드합니다.

자동 피더는 셋업 시간을 최소화합니다. 이 장치는 낚시 릴용 3.25인치 직경 봉재를 최대 5개까지 저장하고, 회전 없이 각 봉재를 이송하고 절단합니다. 기존 바피더 방식과 달리 컷피더는 봉재를 고정한 상태에서 절단 공구가 봉재 주위를 회전하며 서서히 이송해 절단을 완료합니다. 봉재가 회전하지 않으므로 둥글게 만들기 위한 사전 가공이 필요 없습니다(사각이나 육각 프로파일도 가능). 결과적으로 하토리 씨는 단순히 봉재를 피더에 넣고 터닝 센터가 완성품으로 가공하도록 맡기면 됩니다. 최종 디버링만 기계 외부에서 수행합니다.

가공 공정에는 20번의 공구 교환이 필요하지만 작업자가 필요 없어 하토리 씨는 종종 무인 운전을 합니다. 12피트 봉재 한 개를 넣으면 90개의 릴을 얻습니다.

상상에 대한 수익

릴은 8분마다 한 개씩 터닝 센터에서 나옵니다. 메인 및 서브 스핀들 5,000rpm, 회전 공구 3,000rpm의 고속 스핀들 속도를 활용하지만, 하토리 씨는 사이클 타임이 짧은 주된 이유를 창의적인 프로그래밍으로 꼽습니다. 항공우주 R&D 기업의 가공 전문가였던 그는 10년 전 회사가 문을 닫자 복잡한 CNC 가공 전략을 계속 고안하기 위해 작업장을 열었습니다.

"멀티태스킹 선반은 프로그래머의 상상력에 대해 제가 써본 어떤 기계보다 더 큰 보상을 줍니다."라고 그는 말합니다. "한 기계에这么多 옵션이 있으면 어떤 형상을 만들든 항상 다른 방법, 그리고 종종 더 나은 방법이 있습니다."

예를 들어 하토리 씨는 알루미늄 릴의 얇은 플랜지를 고속으로 선삭하면서도 처짐 없이 가공하는 독특한 방법을 찾아냈습니다. 한 면의 모든 형상을 메인 척에서 가공한 후, 프로그램은 메인 척의 그립을 유지한 채 서브 척이 공작물을 잡게 합니다. 이렇게 양쪽에서 공작물을 잡으면 처짐 문제가 해결됩니다. 두 스핀들이 동기 회전하며 두 플랜지 사이의 금속을 마치 0.75인치 깊이의 단일 홈인 것처럼 파냅니다.

Y축 기능은 래칫 세레이션 가공에 사용됩니다. 기존 라이브 툴 선반처럼 스핀들을 인덱싱해 각 홈마다 절삭하는 대신, 하토리 씨는 메인 스핀들이 공작물을 고정한 상태에서 터렛이 X-Y 보간으로 한 세레이션에서 다음 세레이션으로 이동하게 합니다. 터렛 이동이 스핀들 인덱싱보다 약간 빠르지만, 이 차이가 36개 세레이션에 곱해지면 생산성 향상이 뚜렷합니다.

다른 경우 Y축은 기존 3축(X, Y, C) 턴밀 기계에서도 가공 가능한 형상을 만듭니다. 로봇 조립 시스템의 타이밍 메커니즘용 4340강 래칫 휠이 한 예입니다. 지름 3.25인치에 3/16인치 두께 디스크와 더 넓은 일체형 허브가 있으며, 톱날처럼 둘레에 12개 이빨이 있습니다. Y축으로 날 둘레에 12개 플랫을 가공합니다. "각 플랫은 단순한 컷입니다."라고 하토리 씨는 말합니다. "예전엔 머시닝 센터가 필요했지만 이제 한 번의 셋업으로 완전 가공하니 100개 배치가 3시간 단축됩니다."

3축 보간

이 부품도 세레이션의 디테일이 핵심입니다. 지역 의료기기 제조업체를 위해 하토리 씨는 심장 전자 매핑 카테터의 제어 유닛용 지름 2인치 힌지 서포트를 생산합니다. 제어 장치를 여러 방향에서 고정하는 힌지 조인트의 절반으로, 중심선을 따라 긴 플랫이 있어 상단 부분의 절반이 깎여 나갑니다. 이 플랫은 두 힌지 절반이 만나는 면이 되며, 이들을 연결하는 피봇 구멍이 있습니다. 이 피봇 주위에는 30개의 톱니형 세레이션이 있습니다. 힌지가 여러 위치에서 맞물려 잠기게 하는 이 세레이션은 피봇을 중심으로 대칭적인 햇살 무늬를 이루며, 다른 쪽 힌지 절반의 유사한 패턴과 맞물립니다.

"선형 축 두 개로는 이 형상을 가공할 수 없습니다. 세 개가 필요합니다."라고 하토리 씨는 말합니다. "세레이션 크레스트는 같은 평면에 있지만 공구 경로는 그렇지 않습니다. 두 세레이션 사이 골의 각도와 일치하는 맞춤형 엔드밀로 가공하지만, 이 공구로도 2축 공구 경로로는 올바른 형상을 낼 수 없습니다. 허브에서 멀어질수록 두 컷 사이의 공간이 두꺼워져 부채꼴 모양의 피크가 생기기 때문입니다. 둘레까지 날카로운 피크가 필요합니다."

이 문제를 풀기 위해 하토리 씨는 3축 보간으로 각 컷을 만듭니다. 맞춤형 공구 지름은 둘레에서의 피크-투-피크 거리와 거의 같습니다. 따라서 허브에서 시작해 공구 끝만으로 절삭하고, X와 Z로 패턴 반경 방향 바깥으로 이동하면서 Y축으로 공구를 아래로 이송합니다. 이렇게 하면 허브와 둘레에서 피크 두께가 동일해지고 단일 패스로 가공됩니다. 이 힌지 서포트 부품도 통재료(알루미늄 봉재)에서 시작하며 총 사이클 타임은 부품당 약 12분입니다.

낚시 릴과 달리 힌지 서포트는 멀티 프로세싱 터닝 센터 구매 전부터 하토리 씨의 작업 물량이었습니다. 원래 CNC 선반과 수직 머시닝 센터에서 가공했습니다. 부품의 원형 테이퍼를 만들기 위해 선삭이 먼저였습니다. "부드러운 프로파일 때문에 수직 머시닝 센터에서 셋업이 오래 걸렸습니다."라고 하토리 씨는 말합니다. "바이스를 쓸 수 없어 맞춤 지그에 볼트로 고정해야 했습니다."

이제 그 문제는 사라졌습니다. 터닝 센터 척이 선삭과 밀링 모두에서 공작물을 잡기 때문입니다. "SQT에서의 밀링 시간은 머시닝 센터와 같지만, 이제는 아무도 부품을 볼트로 고정하고 풀 필요가 없습니다."라고 하토리 씨는 말합니다. "큰 차이입니다. 그 한 가지 개선만으로 힌지 부품 사이클 타임이 30% 이상 단축되었습니다."