정밀 가공 기술로 숍 생산성 혁신: 자동화와 유연한 양산 장비

인덱스(Index) MS32-6 멀티 스핀들 선반은 새로운 공구 슬라이드 플랫폼을 탑재해 W-서레이션 인터페이스와 퀵 클램핑 시스템으로 빠른 체인지오버를 실현합니다.

여기서 제 '체이싱 스레드(Chasing Threads)' 칼럼이 이 기사의 배경을 설명합니다. 요약하자면, 물리적 국제 공작기계 전시회(IMTS)는 이번 달 열리지 않지만, 소프트웨어 및 장비 공급업체들은 이 시기에 맞춰 귀사의 숍을 더 효율적이고 효과적인 운영으로 이끌 신제품을 공개해왔습니다.

그래서 정밀 가공 산업을 지원하는 다수 공급업체에 연락해 그들이 포착한 트렌드와 신기술이 어떻게 그 과제에 대응하는지 물었습니다. 논의 결과 두 가지 명확한 트렌드가 부상했습니다. 자동화는 로봇 그 이상이며, 양산 가공 장비가 더 유연해지고 있다는 점입니다. 이와 관련해 귀사의 비즈니스를 고객 니즈에 최적으로 맞추는 데 도움이 될 기술들을 소개합니다.

쇼플로어 자동화의 다양한 형태

머신 숍 환경에서 '자동화'라는 단어를 들으면 로봇이 가장 먼저 떠오릅니다. 확실히 머신 텐딩 로봇이 숍에서 점점 보편화되고 있습니다. 특히 코로나19로 인한 인력난 상황에서 이러한 자동화 생산의 가치가 두드러졌습니다. 당연히 머신 툴 빌더들에게 자사 장비에 적용 가능한 자동화 옵션 문의가 쇄도하고 있습니다.

여기에는 마루베니 시티즌-신콤(Marubeni Citizen-Cincom)도 포함됩니다. 이들의 시티즌 스위스형 선반에는 진공 이젝션, 와이어 이젝션, 팔레트 로딩/언로딩 유닛을 장착해 자동 부품 핸들링이 가능합니다. 진공 시스템은 서브 스핀들에서 부품을 이젝트해 진공 추출기로 모아 외부 트레이나 캐러셀에 수집합니다. 와이어 이젝션 시스템은 길고 섬세한 부품 이젝트에 적합하며 부품 수집 트레이나 테이블을 포함합니다. 팔레타이징 시스템은 공정 중 부품 수집과 샘플링을 지원하며, 셔틀 스토리지 트레이 유닛은 가공 중 완제품 언로드에 접근 가능합니다. 머신 스핀들에 소재를 자동 로드하는 것도 가능합니다.

마루베니 시티즌-신콤은 L20XII ATC 스위스형 모델에 B축 자동 공구 교환 기능을 추가했습니다. 13개 공구 수용 가능합니다.

또한 B축 L20XII ATC 스위스형 모델에 자동 공구 교환 기능을 새로 제공합니다(아래 영상 참조). 공구는 갱 툴포스트에 장착되며 전면 가공용 B축 공구 13개(ATC에 12개 저장) 수용 가능합니다. ATC 공구는 기존 터닝 공구 및 크로스 가공용 회전 공구와 연계 사용 가능합니다. 오프라인 프리셋으로 빠른 셋업이 가능하며, 의료용 임플란트 등 복잡한 형상의 완전 가공을 지원합니다.

매거진 바 피더는 쉽게 배치할 수 있는 자동화 도구입니다. 예를 들어 엣지 테크놀로지스의 신형 엣지 패트리어트 880(직경 8~80mm, 6피트 및 12피트 버전)은 퀵 체인지 가이드 채널과 조절식 롤러 고정 장치를 갖추고 있습니다. 대구경 바스톡용 견고하고 경제적인 솔루션이라는 시장 니즈를 충족한다고 합니다. 6피트 버전은 잔재 후퇴 기능으로 6피트 바 공급이 가능해 기존 단축 로더보다 더 많은 기능을 원하는 사용자에게 유리합니다.

CAM 프로그래밍도 자동화할 수 있습니다. DP 테크놀로지(DP Technology)는 인공지능(AI) 엔진을 개선해 이를 가능하게 합니다. 목표는 경험 많은 프로그래머들이 오랜 시간 갈고닦은 베스트 프랙티스 데이터베이스를 활용해 '지능을 구축'하고 프로그래밍에 통합하는 것입니다.

DP의 최신 에스프릿(Esprit) 소프트웨어에는 머신 스왑(Machine Swap) 기능이 포함됩니다. 이는 디지털 트윈 개념을 활용해 가공 작업 전체의 디지털 복제본을 가상 환경에 생성합니다. 다양한 머신 타입을 보유한 숍에 유용하다고 합니다. 예를 들어 VMC용으로 만든 부품 프로그램을 HMC에서 돌리도록 AI 엔진이 자동으로 새 코드를 생성하는데, HMC의 키네마틱스를 알기 때문입니다. 마찬가지로 오토매틱 링크(Automatic Link) 기능으로 AI 엔진이 최적의 안전한 절삭 작업 연결을 생성해 공작물 소재 제거에 따라 공구 클리어런스 거리가 변하는 것을 반영, 사이클 타임을 단축합니다.

에스프릿은 인공지능 엔진을 활용해 스위스형 등 다양한 머신 툴의 CAM 프로그래밍에 '지능을 구축'합니다. 머신 키네마틱스 데이터로 실제 머신의 정확한 디지털 트윈을 생성하는 것이 핵심입니다.

또한 머신 툴 빌더 및 딜러와 긴밀히 협력해 수동 코드 편집이 필요 없는 포스트프로세서를 개발합니다. 이는 프로그래머에게 동등한 시간 절약 효과를 줍니다.

스타 CNC(Star CNC)는 무인 가공이 진화함에 따라 공정 모니터링과 예측 분석을 통한 경미하거나 완전 무인 운전을 지원할 필요성이 커지고 있다고 말합니다. 신규 SMOOSS-i 소프트웨어는 실시간 데이터 수집을 통한 원격 모니터링과 작업 완료 현황의 실시간 상태 파악을 가능하게 한다고 합니다. 다른 기능으로는 공구 수명 및 상태, 잔여 원자재, 현재 머신 상태 기반으로 필요한 운영자 개입을 예측해 특정 머신에 운영자가 언제 있어야 하는지 더 잘 판단할 수 있게 돕습니다. 이는 운영자 시간과 현장 존재 관리를 개선하며, 코로나19로 인한 사회적 거리두기 권고 상황에서 한 구역에 모이는 인원 수를 최소화하는 데도 기여합니다.

SPC 이노베이션즈(SPC Innovations)의 디텍터(Detector) 시리즈는 모듈형 설계로 특정 부품에 맞춘 다양한 센서의 쉬운 캘리브레이션과 구성이 가능하며, 시스템을 다른 머신에 설치할 수도 있다고 합니다.

마찬가지로 무인 가공 공정에 신뢰를 구축하려면 부품을 정기적으로 측정해 치수 관리를 하고, 공구 마모와 파손도 감지해야 합니다. SPC 이노베이션즈는 이제 인머신(in-machine) 공구 파손 감지 및 부품 게이징 시스템인 디텍터를 제공합니다. 이 시스템은 범용 산업용 터치스크린으로 구성되어 완드 타입 전자 접촉 센서(인코더 내장)를 프로그래밍하고 모니터링하며, 공구/부품 존재 감지 또는 부품 측정을 위해 구성됩니다. 중요 부품 속성의 공정 중 측정을 통해 공구 마모 보정을 위한 공구 오프셋 자동 변경이 가능합니다. 오로드(misload) 같은 이상으로 불량 부품이 감지되면 자동으로 리젝트합니다.

신규 시스템은 최대 16개 센서를 수용합니다. 머신 자체의 자재 핸들링 기능으로 부품을 센서로 이동시키거나 크로스 슬라이드를 만들어 센서를 부품에 가져가 직경, 길이 등을 측정할 수 있습니다. 모듈형 설계로 특정 부품에 맞춘 다양한 센서의 쉬운 캘리브레이션과 구성이 가능하며, 시스템을 다른 머신에 설치할 수도 있습니다. 이러한 자동 인머신 검사는 상당한 양의 수동 부품 선별 및 측정, 부품과의 물리적 접촉을 줄여줍니다.

양산 장비도 유연해질 수 있다

트랜스퍼 머신은 고량 가공 작업의 잘 알려진 옵션입니다. 하지만 그누티(Gnutti) 같은 빌더들은 유연성도 염두에 두고 머신을 설계합니다. 예를 들어 피콜라(Piccola) 머신은 최대 직경 13mm의 코일 스톡을 가공합니다. 코일 가공으로 바스톡 크기 변경이 불필요하고 바스톡 잔재가 없어 소재 활용률이 극대화됩니다. 또한 피콜라 머신에는 최대 6개 공구를 수용하는 새로운 멀티 스테이션 공구 교환 시스템이 있어 다양한 작업 운영이나 장기 작업의 이중 공구 구성에 유연성을 제공합니다.

화천(Hwacheon)은 D2-5AX 5축 머신에서 생산되는 고난도 부품용 자동화 솔루션에 대한 관심이 증가하고 있다고 합니다. 이런 머신에 장착 가능한 자동 공작물 교환 장치는 8스테이션 또는 20스테이션 모델로 제공되며, 최대 직경 300mm, 중량 80kg까지 수용 가능합니다.

미크론(Mikron)은 멀티엑스(MultiX) 로터리 트랜스퍼 플랫폼에서 구성 가능성, 확장성, 유연성을 강조합니다. 이 머신들은 진정한 터닝 능력과 한 스테이션에서 최대 3개 공구 동시 절삭이 가능합니다(머신당 4~24 스테이션). 모든 표준 가공 유닛은 교환 가능하고 매우 정밀하게 재위치됩니다. 따라서 한 작업용으로 구성된 머신을 가공 유닛 교환만으로 다른 작업용으로 재구성할 수 있습니다. 또한 다양한 툴홀더를 사용할 수 있고 각 유닛에 여러 공구를 장착할 수 있습니다.

포르타(Porta)의 포르타센터(PortaCenter) 컨셉도 총 부품 수요는 증가하지만 로트 크기는 줄어드는 하이믹스 생산 니즈를 충족하기 위해 개발되었습니다. 이 표준 모델 머신들은 3개의 4축 가공 스테이션과 1개의 로드/언로드 스테이션을 갖추고, 기존 4축 수평 머시닝 센터(HMC) 여러 대를 단일 유닛으로 대체합니다. 이는 지그, 툴링, 인력, 바닥 면적, 검사, 유틸리티 관련 비용을 절감하면서 신규 작업으로의 빠른 체인지오버를 제공한다고 합니다. 실제로 포르타센터의 추가 A축과 U축은 기존 HMC로는 불가능한 부품을 원 셋업으로 가공할 수 있게 합니다. 표준 포르타센터 ISO40 모델은 10인치 작업 엔벨로프를, ISO50 모델은 20인치 작업 엔벨로프로 더 큰 부품을 수용합니다.

스위스형의 바스톡 용량을 초과하는 경우 대안이 될 수 있는 두산 푸마(Doosan Puma) TT-1300SYYB는 각 Y축 이동이 가능한 트윈 터렛으로 메인/서브 스핀들에 개별 또는 동시 접근 가능합니다.

스위스형에 익숙한 숍들도 작업이 해당 머신의 바스톡 용량을 초과하거나 한계에 달했을 때 선택의 기로에 섭니다. 두산은 신형 푸마 TT-1300SYYB가 2인치 바스톡으로 가공 가능한 부품에 생산성, 정밀도, 유연성을 제공한다고 말합니다. 이 머신은 Y축 이동이 가능한 트윈 터렛을 갖춰 메인 및 서브 스핀들에 별도 또는 동시 접근할 수 있으며, 후자는 핀치 터닝(pinch turning) 같은 작업에 활용됩니다.

소형 부품의 경우 인덱스(Index)가 신형 MS32-6 멀티 스핀들 선반(페이지 상단 사진)을 출시해 멀티 스핀들 기술의 선택지를 더 넓은 범위의 숍으로 확대했습니다. 이 머신에는 W-서레이션 인터페이스를 사용하는 새로운 공구 슬라이드 플랫폼이 탑재되어 정밀 로케이팅으로 빠른 체인지오버가 가능합니다. 또한 새로운 퀵 클램핑 시스템으로 오프라인에서 세팅된 공구를 쉽게 장착할 수 있습니다. 인덱스는 이 기능들의 조합으로 셋업 타임을 90% 이상 단축해, 멀티 스핀들의 높은 생산성을 유지하면서 소량 로트 운영의 유연성을 확보할 수 있다고 설명합니다.

토르노스(Tornos)는 소형 풋프린트 스위스나노(SwissNano) 머신을 더 큰 7mm 직경 모델로도 제공합니다.

토르노스도 소형 풋프린트 스위스나노 스위스형 선반의 유연성을 7mm 직경 대형 모델로 확대했습니다. 이 모델은 오리지널 4mm 모델과 동일한 열적 안정성과 백 스핀들이 3개 선형 축에 장착된 6축 키네마틱스 설계를 유지하면서 스핀들 출력이 2배(2.5kW)로 증가해 더 다양한 난삭재 가공이 가능합니다. 또한 카운터 스핀들 하단에 2~4개 공구를 장착할 수 있어 병렬 작업이 가능합니다.

호른(Horn)은 스위스형용 W&F 리니어 유닛에 통합 쿨런트 관리 시스템을 제공합니다. 이 유닛은 특수 설계된 배관으로 유닛 포트에 두 라인만 연결하면 고압 쿨런트를 툴홀더로 공급할 수 있습니다.

퀵 체인지 툴링도 스위스형 같은 양산 머신 툴의 유연성을 높여 소량 배치에 더 쉽게 대응하게 합니다. 예를 들어 츠가미(Tsugami)는 머신 외부에서 프리셋 가능한 구동 및 정지 툴홀더를 제공해 수초 만에 교체 가능하며, 운영자의 터치오프 실수를 방지합니다. 이는 2차 작업 필요성도 크게 줄이고 이중 공구 구성과 무인 가공 활용을 장려합니다.

호른은 W&F 베르크초이크테크닉(W&F Werkzeugtechnik)과 협력해 스위스형용 W&F 리니어 유닛에 통합 쿨런트 관리 시스템을 제공해 더 빠른 셋업을 지원합니다. 호른에 따르면 이 퀵 체인지 솔루션이 최초는 아니지만, 스위스 가공의 엄격한 요건에 따른 안정성 문제와 타이트한 작업 엔벨로프로 인한 추가 공구 교체 시간을 해결한다고 합니다.

회사 설명에 따르면 스위스형에서 공구 교체 시 절삭날 트루잉(truing)과 스루 쿨런트용 툴홀더 배관 작업이 필요합니다. 트루잉은 시간 소모가 크고, 부품 외경에 공구를 대고 위치시키는 과정에서 툴홀더를 과도하게 조이면 절삭날이 손상될 수도 있습니다. 대신 W&F 리니어 시스템은 사용자 머신에 맞춤화된 다이렉트 볼트온 블록으로 기존 툴 블록을 대체합니다. 이 블록은 특수 설계된 배관으로 유닛 포트에 두 라인만 연결하면 고압 쿨런트를 공급할 수 있습니다. 쿨런트는 블록을 통해 HSK 쿨런트 튜브로 툴홀더에 공급되며, 각 툴 스테이션 하단의 배관 포트에 플러그인됩니다.

배관 포트는 절삭 공구 위치 설정을 위한 고정 거리 역할도 합니다. 포트는 스토퍼 역할을 해 스루 쿨런트가 없어도 툴홀더가 여기에 안착됩니다. 툴홀더 길이가 알려져 있고 스토퍼가 정확한 위치를 제공하므로 절삭날 위치를 트루잉 없이 설정할 수 있습니다. 공구 교체는 단순히 툴홀더를 빼내고 인서트 교체 후 다시 꽂는 것만으로 끝납니다.

CNC 밀링 머신의 공구 교체는 ATC(자동 공구 교환기)가 있어 덜 문제지만, 컨벤셔널 머신이 마이크로 작업을 수행할 수 있도록 고속 스핀들을 사용하는 경우(NSK에 따르면 이 시장이 성장 중) 운영자 개입이 필요할 수 있습니다.

하이믹스 생산 환경에서 셋업 속도를 높이기 위해 퀵 체인지 워크홀딩이 보편화되고 있습니다. 하인부흐(Hainbuch)는 최근 자사 시스템에 2-죠 모듈을 추가해 입방체 부품 클램핑을 가능하게 했습니다.

회사 설명에 따르면 소구경 공구는 일반적으로 15,000rpm 이상의 스핀들 속도가 필요한데, 컨벤셔널 머신으로는 달성하기 어렵습니다. 고속 스핀들 유형 중 하나는 머신 자체 스핀들에 장착하는 전기식 모델입니다. NSK는 전기 스핀들이 머신 CNC와 간단히 인터페이스되며 긴 수명, 일정한 속도, 높은 정밀도, 좋은 반복성을 장점으로 꼽습니다. 기존 전기 스핀들의 단점은 ATC 포켓에 보관 가능하지만, 운영자가 머신을 멈추고 냉각 및 퍼징용 전기 신호와 공압 라인을 수동으로 분리해야 ATC에 로드할 수 있다는 점입니다. NSK의 최신 모델은 이러한 요소를 수동 연결/분리 없이 완전 자동 교체 가능합니다. 이는 저속 머신이 필요할 때 마이크로 가공용 고속 rpm을 유연하게 구현할 수 있게 합니다. NSK 전기 스핀들은 최대 80,000rpm에 도달합니다.

앞으로도 더 많은 혁신 (항상 그렇듯)

이 기술 샘플링은 말 그대로 샘플링일 뿐입니다. 단일 기사로 정밀 가공 산업에 새로 나온 모든 것을 다룰 수는 없습니다. 언제나처럼 Production Machining은 유용한 신규 장비, 소프트웨어, 컨셉을 개발되는 대로 소개할 것입니다. 이 기사에서 언급된 주제들에 대한 심층 분석과 귀사와 같은 숍에서 첨단 기술이 성공적으로 적용되는 사례를 담은 기사도 지속적으로 선보일 예정입니다. 인쇄판 구독을 신청하세요.

8스핀들 머신의 해부

얼마 전 슈테(Schütte) 독일 본사 방문 시, 6스핀들 제너레이션 SCX CNC 멀티의 변형인 8스핀들 ACX CNC 멀티에 대해 배웠습니다. 최대 85개 축을 제어해야 하는 머신에 직관적인 운영자 인터페이스를 제공하는 것이 과제였습니다. 자세히 알아보기.