대형 부품 가공을 위한 수평 머시닝 센터(HMC)의 역량 극대화

다양한 플랫폼으로 최대 효율의 가공 실현

수평 머시닝 센터(HMC)는 다면체 대형 부품의 가공을 파트 핸들링 최소화로 극대화하는 다재다능한 4축, 그리고 점점 더 5축 기계 플랫폼입니다. 항공우주, 자동차, 발전, 일반 엔지니어링 등 다양한 산업에서 사용됩니다.

준보편적 생산 능력을 갖춘 HMC는 제조업체에 많은 선택지를 제공해 석유 및 가스 같은 특정 산업의 순환적 변동에 덜 취약합니다. HMC는 쉽게 자동화할 수 있으며, 일반적으로 툼스톤 장착 부품, 단일 공작물용 트윈 팔레트를 갖추거나 6개 이상의 팔레트 풀로 자동화할 수 있습니다. 무인 라이트아웃 생산을 위해서는 선형 유연 제조 시스템(스토커 공급, 레일 가이드 오버헤드 갠트리 로봇 또는 페데스탈 장착 6축 로봇 텐딩)도 이용 가능합니다. 단일 대형 공작물은 엔진 블록부터 유정 드릴 비트, 펌프 하우징, 매니폴드, 툼스톤 장착 부품군까지 다양합니다.

대형 부품에 적합한 기계 선정

대형 부품 가공 시 기계의 강성과 기본 구조는 공정 효율, 정밀도, 일관성에 결정적이라고 키타무라 USA의 부영업 매니저 살 스비에르첵(Sal Swierczek)은 말합니다.

"키타무라의 HXiG 시리즈 HMC는 테이블 크기 250~1,250mm, 8,000rpm 또는 12,000rpm 4단 기어 구동 스핀들로 430~900ft-lb의 토크를 제공해 난삭재 가공에 적합합니다."라고 그는 설명합니다. "이 HMC들은 박스웨이의 오일 냉각 듀얼 볼스크류를 갖추며, 키타무라의 특허 공법으로 내부 경화 및 연마되어 4μm 이하의 표면 조도로 우수한 결합, 정밀도, 장기 신뢰성을 보장합니다. 핸드 스크래핑 장인 기술로 ±0.002mm 전 스트로크 정밀도와 ±0.001mm 반복 정밀도를 달성합니다."

첫 번째 고려사항은 공작물이 기계의 작업 범위 내에 드는지 여부입니다. 단일 부품을 테이블에 올리든 처리량을 늘리기 위해 여러 부품을 올리든 마찬가지입니다. "주요 기계 선정 기준에는 기계 용량(전체 기계 크기 포함), 스핀들 파워, 강성, 공구 수, 매거진 크기 선택, 공구 테이퍼와 크기가 포함됩니다."라고 그는 덧붙입니다. "키타무라 수평 기계는 표준 2스테이션 APC(자동 팔레트 체인저)를 갖추며, 현장에서 팔레트 풀을 추가해 팔레트 수를 늘릴 수 있는 옵션이 있습니다."

스비에르첵은 "자동화 능력은 오늘날 공장이 직면한 과제 중 하나, 즉 숙련된 작업자와 라이트아웃 가공을 감당할 인력을 찾기 어렵다는 점을 해결합니다."라고 덧붙였습니다.

수평 머시닝 센터는 부품 가공에 필수적인 유연성을 제공합니다. "3축 머시닝 센터와 비교해 완전한 4축 머시닝 센터는 부품 핸들링을 최소화해 부품을 뒤집는 횟수를 6번에서 2번으로 줄입니다."라고 스비에르첵은 말합니다. "머시닝 센터의 4축으로 부품의 전면과 양측면에 접근한 후 재배치하여 마무리 가공할 수 있습니다."

또한 키타무라 HMC는 공장 비즈니스 성장에 따라 완전한 5축 가공으로 확장 가능합니다. 키타무라는 자체 아루마틱-미(Arumatik-Mi) 아이콘 구동 CNC 컨트롤을 제공하며, 이는 FANUC 프로그래밍과 호환됩니다. 아루마틱-미 컨트롤은 가공 중 실시간 스핀들 부하를 모니터링해 공구 마모를 감지하고 절삭 이송률을 자동 제어합니다. 절삭 조건 변화에 적응하여 공구 수명을 극대화하고 사이클 타임을 획기적으로 단축합니다. 추가 이점으로는 비절삭 시간 단축, 기계 충돌 및 인적 오류 방지가 있습니다.

대형 부품용 기계들

대형 부품 가공을 위해 메소드 머신 툴즈(Methods Machine Tools Inc.)는 두 HMC 라인을 제공합니다: 니가타(Niigata)와 키와 재팬(KIWA Japan). "키와 재팬 라인은 잡숍과 1차, 2차 자동차 협력업체에 적합한 고속, 고신뢰성 가공으로 알려져 있습니다."라고 운영 부사장 데일 헤드버그(Dale Hedberg)는 말합니다. "니가타 제품 라인은 저주파 가공과 높은 금속 제거율이 요구되는 중절삭 애플리케이션을 위해 설계되었습니다."

니가타 제품 라인에는 5축 HN50E-5X 및 HN63E-5X, 4축 HN50~HN1600, HN800~HN1600-BAR, HN800 및 HN1000-FC 페이싱 및 컨투어링 기계가 포함됩니다. 기계 플랫폼은 테이블 크기 500mm~1,600mm입니다. 스핀들 테이퍼 크기는 CAT-50 BIG Plus, HSK100A이며, 스핀들 옵션으로 6,000, 8,000, 12,000, 15,000rpm이 있습니다.

"현재 업계는 수평 머시닝 센터에서 5축 플랫폼으로 추세이며, 니가타는 500mm와 630mm 크기 모두에서 5축을 제공합니다."라고 헤드버그는 말했습니다. "항공우주와 에너지 산업에서 니가타는 저주파 가공 애플리케이션에 집중하는데, 이는 기계의 천연 감쇠 특성의 이점을 얻습니다. 저주파 가공은 타이타늄과 인코넬의 고토크 가공에서 공구 수명과 스핀들 수명 연장을 위해 점점 더 많이 언급되는 용어입니다."라고 그는 설명했습니다.

절삭 힘의 진동을 감쇠하는 능력은 기계의 주물과 핸드 스크래핑된 금속 대 금속 접촉면의 결합 표면 조도에 자연스럽게 내재되어 있습니다. 헤드버그에 따르면 에너지 및 발전 분야의 일반적인 애플리케이션에는 플랜지, 프래킹 헤드, 블리스크(blisk)가 포함됩니다.

HMC를 이용한 대형 부품 가공에서 각 축의 이동 직경 정밀도와 강성은 정밀도와 반복성을 달성하는 데 특히 중요합니다. 헤드버그는 "5축 가공의 장점은 독특한 부품을 가공해 창문형 고정구 أو 특수 클램핑 방식이 필요한 경우가 아니라면 정교한 고정구나 맞춤형 워크홀딩이 필요 없다는 점입니다."라고 말했습니다.

애플리케이션 중심의 HMC

미츠이 세이키 USA(Mitsui Seiki USA Inc.)는 대형 부품 가공 애플리케이션에 가장 수요가 많은 현재 모델을 중심으로 새로운 수평 머시닝 센터 개발을 고객 수요에 기반해 진행한다고 로브 허드슨(Robb Hudson) 사장은 말합니다. "오늘날 대형 부품 수요는 확실히 항공우주에서 오고 있는데, 현재 제트 엔진 부품군과 구조 부품 모두에서 큰 동력입니다. 다른 목표 시장에는 금형, 우주, 방위, 산업용 가스 터빈 부문이 포함됩니다."

"1m 이상 팔레트와 1,000~10,000lb(453~4,535kg) 하중을 수용하는 동반 테이블 구성을 갖춘 우리의 수평 머시닝 센터를 대형 부품 기계로 간주합니다. 중요한 점은 이 크기대의 우리 기계들이 모두 고객 주도로 개발되었다는 것입니다. 우리는 기계를 만들고 시장을 찾지 않았습니다. 모두 고객의 특정 애플리케이션 요구사항에서 파생되었습니다."

대형 부품 제조용으로 고려되기 위해 미츠이 세이키 기계들은 모두 동일한 주요 기술적 특징을 공유합니다. 허드슨은 "내 생각에는 두 범주가 있습니다. 대량의 소재 제거가 필요한 대형 부품과 단순히 형상이 복잡해 가벼운 절삭이 필요한 부품입니다. 미츠이 세이키는 난삭재의 중절삭이 필요한 대형 부품 분야에서 운영됩니다. 따라서 우리 기계들은 큰 질량, 강성, 대형 박스 가이드웨이, 충분한 추력을 위한 대구경 볼스크류, 견고한 축 토크, 작업 범위 내 부품 이동과 필요한 절삭 힘을 수용하는 특수 서보 모터를 갖추고 있습니다."

이 모든 특징과 컨트롤 및 구조 정밀도가 애플리케이션에 적합한 성능을 제공하는 데 필요하다고 허드슨은 말합니다. 그는 고정구가 대형 부품 제조에서 중요한 요소이며, 종종 공작물만큼 실질적이고 무겁다고 덧붙였습니다.

자동화의 용이성

어떤 유형의 기계로든 자동화를 설정하는 것은 복잡하지만, HMC는 생산 출력의 볼륨 때문에 자동화가 더 쉬운 것 같다고 YCM 테크놀로지(USA)의 지역 영업 매니저 멜 게이(Mel Gay)는 말합니다.

"HMC 구매 시 투자 금액 회수 속도가 항상 최우선 관심사입니다."라고 그는 말합니다. "소규모 잡숍에는 최소 60~120 공구 용량의 500/630mm 크기가 인기이고, 대형 공장에는 240 공구 이상이 선호됩니다. 더 큰 공구 용량은 멀티 팔레트 셀 구성에서 특히 최소 설정 시간으로 더 복잡한 작업을 가능하게 합니다."

IMTS에서 YCM은 자동차 같은 대량 부품 생산 산업을 겨냥한 NH500A 6 APC를 전시했습니다. NH500A는 30hp, 20,000rpm 스핀들과 500×500mm 팔레트를 갖춥니다.

"생산성은 갈비 구조의 고강성 T-베이스 기초에서 시작됩니다."라고 게이는 말합니다. "YCM은 이 기초에 일체형 주조 스핀들 헤드스톡과 이중벽 컬럼 설계를 결합합니다. 다이렉트 드라이브 스핀들은 정밀 세라믹 볼 베어링을 특징으로 하여 더 높은 절삭 역학과 스핀들 속도를 허용합니다."

전 축 고정밀 롤러 타입 가이드웨이로 급이송 2,362ipm(60m/min), 절삭 이송 최대 1,575ipm(40m/min)을 실현한다고 게이는 설명합니다. 정밀 팔레트 인덱싱 시스템은 단일 부품 또는 부품군의 고처리량을 위한 6팔레트 APC를 수용합니다.

"이 모든 특징은 최신 절삭 공구 기술 활용, 부품 가공 개선, 총소유비용 절감을 가능하게 합니다."라고 그는 덧붙였습니다.

미국에서 제작되는 대형 부품 HMC

DMG 모리(DMG Mori)는 일리노이주 호프만 에스테이츠에 본사를 두고 캘리포니아주 데이비스 공장에서 4종의 수평 머시닝 센터를 제조합니다. NHX 4000과 NHX 5000은 3세대 40테이퍼 기계로 400mm와 500mm 팔레트를, NHX 5500과 NHX 6300은 2세대 50테이퍼 기계로 500mm와 630mm 팔레트를 갖춥니다.

"우리의 수평 기계는 에너지, 항공우주, 산업 장비, 계약 제조 산업 고객의 중절삭과 고정밀 요구사항을 모두 충족하도록 설계되었습니다."라고 개발 및 제품 관리 부문 수석 부사장 존 맥도날드(John McDonald)는 말합니다.

일반적인 공작물로는 에너지 산업의 대형 밸브와 터빈 부품, 산업 장비의 엔진, 디퍼렌셜, 트랜스미션 하우징, 항공우주의 구조 부품이 있습니다. 소재는 애플리케이션에 따라 티타늄, 스테인리스강, 주철, 알루미늄까지 다양합니다.

"우리 고객들은 팔레트 풀 시스템을 고혼합 생산에 활용하거나, 수평 머시닝 센터에 표준으로 제공되는 통합 테이블 관통 고정구 유압을 이용한 전용 로봇 로딩으로 자동화를 통해 높은 생산성을 달성하고 있습니다."라고 맥도날드는 말합니다. "대형 부품 가공과 중절삭은 최적화된 기계 구조에 의존합니다. 우리의 모든 수평 기계는 완전한 유한 요소 최적화 구조를 가지며, 중부하 3점 지지 주철 베드 구조, 파워마스터 스핀들(50테이퍼 기계), 롤러 리니어 가이드를 포함합니다. 리니어 스케일이 모든 기계에 표준 장착되어 기계의 긴 수명 동안 최고 정밀도 유지가 가능합니다."

표준 50테이퍼 파워마스터 스핀들은 12,000rpm이며 옵션으로 16,000rpm 고속 버전이 있습니다. NHX 6300은 난삭 소재와 중주철 같은 어려운 금속의 중절삭을 위한 8,000rpm 고토크 스핀들 옵션도 제공합니다.

DMG 모리의 셀로스(CELOS) 컨트롤 인터페이스는 공정 최적화를 위한 애플리케이션 선택을 제공합니다. 인더스트리 4.0 이니셔티브에 맞춰 셀로스 컨트롤 인터페이스는 단일 부품 제조부터 연속 대량 생산까지 아이디어에서 완제품까지 모든 부품 가공 단계를 단순화하고 가속화합니다.

셀로스 앱은 작업, 공정, 기계 데이터의 일관된 관리, 문서화, 시각화는 물론 작업장과 상위 기업 구조 연결로 일관된 디지털화와 무종이 생산의 기반을 만듭니다. 이 기능은 셀로스 PC 버전으로 사무실 컴퓨터에서도 구현 가능하다고 DMG 모리는 설명합니다.

"우리는 또한 고객이 복잡한 가공 공정을 쉽게 구현할 수 있게 하는 기술 사이클을 제공합니다."라고 맥도날드는 말합니다. "예를 들어 머신 바이브레이션 컨트롤(MVC)은 중절삭 중 안정적인 절삭 이송과 속도를 찾도록 돕습니다. 반면 머신 프로텍션 컨트롤(MPC)은 스핀들 진동 모니터링, 공구 부하 모니터링, 충돌 감지로 손상을 예방하거나 줄입니다. 이러한 데이터를 수집하고 분석함으로써 셀로스 컨트롤 인터페이스는 공장이 생산성을 극대화하고 더 높은 정밀도를 달성하며 스핀들을 더 오랜 시간 가동하도록 돕습니다."

구조의 역량

오쿠마(Okuma)의 수평 머시닝 센터는 MA-600HII 같은 모델이 자동차, 금형, 에너지, 항공우주 산업에서 인기 있는 선택이라고 오쿠마 아메리카의 머시닝 센터 제품 스페셜िस्ट 에롤 버렐(Errol Burrell)은 말합니다.

"일관된 열적 안정성 덕분에 대형 부품 가공에 정밀도와 안정성을 제공합니다."라고 그는 말합니다. "기계는 열적 프로파일 테스트를 거쳐 열변형 가능성 데이터가 실시간으로 컨트롤에 피드백되어 오쿠마의 TAS(열적 축 안정화) 소프트웨어를 통해 필요한 보정이 이루어집니다."

MA-600HII는 50테이퍼 기계로 6,000rpm 스핀들과 표준 40공구 매거진을 갖추며 60공구, 최대 285공구 또는 400공구까지 업그레이드 가능해 잡숍이나 양산 제조에 이상적입니다. MB-8000H는 800mm 테이블을 가진 거의 동일한 플랫폼이며, 다음 크기인 MB-10000H는 컬럼 대신 박스-인-박스 설계를 채택합니다.

오쿠마 기계는 각 결합 표면을 핸드 스크래핑해 더 오랜 기간 정밀도와 생산성을 높여 비용 절감과 최대 수익성을 실현한다고 버렐은 말합니다.

일반적인 유정 부품인 펌프 하우징은 오쿠마의 독자적인 턴컷(Turn-Cut) 기능의 이점을 얻습니다. "펌프 하우징의 경우, 턴컷 기능으로 오쿠마 수평 머시닝 센터에서 플랜지를 선삭할 수 있습니다."라고 버렐은 말합니다. 턴컷은 오쿠마 HMC에서 사용 가능한 프로그래밍 옵션으로, 원형 및/또는 각도 특징을 포함한 보어와 직경을 생성할 수 있게 합니다. 이를 통해 표준 CNC 가공 기능이 수행되는 동일한 플랫폼에서 대형 언밸런스 부품의 선삭 특징을 가공할 수 있습니다. 턴컷은 특수 목적 기계, 공구, 고정구 또는 추가 구성품 구매 필요성을 없애줍니다.

턴컷은 기계의 성능이나 수명에 영향을 주지 않습니다. 중절삭이 필요할 때 턴컷 장착 오쿠마 HMC는 여전히 동일한 능력을 발휘한다고 오쿠마는 밝혔습니다. 가장 중요한 것은 턴컷이 선삭 애플리케이션을 위해 보조 기계를 사용할 필요 없이 가공을 가능하게 한다는 점입니다. 밸브, 파이프, 매니폴드형 부품이 턴컷의 이상적 후보입니다.

IMTS에서 오쿠마는 타워 팔레트 자동화 수직 팔레트 시스템을 선보였습니다. 20×20인치(500×500mm) 팔레트 12개를 2단으로 적재하며, 각 팔레트 최대 하중 1,100lb(500kg)입니다. 통합 APC 시스템은 서보 모터 구동 선회 시스템으로 빠른 로드/언로드 타임과 라이트아웃 운전을 실현한다고 회사는 설명했습니다.

완전한 4축과 자동화

마작(Mazak Corp.)은 대형 브리지 타입 수직 머시닝 센터, 선삭 기능의 5축 수직 머시닝 센터(INTEGREX), 바리아시스(VARIAXIS) 5축 트러니언 타입 기계 외에도 풀 라인업의 HMC를 제공한다고 제품 스페셜리스트 재러드 레이크(Jared Leick)는 말합니다.

"50테이퍼 스핀들의 대형 부품 가공은 800~1,600mm 테이블/팔레트 기계에서 수행되며, 1,250~1,600mm 테이블의 퀼(Quill) 시리즈 HMC와 자동차 및 에너지 부품용 대형 엔진 블록 가공용 630mm 테이블의 HCN-6800이 포함됩니다."

50테이퍼 라인에는 시리즈의 3개 추가 모델(HCN-8800, HCN-10800, HCN-12800)이 있으며, 표준 10,000rpm과 옵션 8,000rpm, 6,000rpm 50hp 스핀들로 타이타늄, 스테인리스 및 기타 난삭 금속의 고토크 가공이 가능합니다. 항공우주 및 반도체 산업용 대형 알루미늄 구조 부품 가공을 위해 16,000rpm 스핀들도 제공된다고 레이크는 말했습니다.

마작은 완전한 4축 HMC를 제공하며, 이는 마작이 판매하는 전체 HMC의 약 60%를 차지한다고 그는 말했습니다. 표준 0.0001° 포지셔닝의 4축 HMC는 2면 또는 4면 고정구를 회전시켜 복합 각도 드릴링, 90° 인덱싱, 역회전이 가능합니다. 완전한 4축 작동은 윤곽 가공을 가능하게 하고 사이클 타임 단축으로 가공을 용이하게 하며, 특히 복잡한 부품에 효과적입니다.

사용 가능한 자동화에는 마작의 팔레텍(PALLETECH) 시스템이 있으며, 이는 많은 수의 기계를 FMS 구성과 레일 가이드 로봇으로 수용할 수 있고, 마작의 새로운 멀티 팔레트 풀(MPP) 단일 기계 자동화 시스템으로 400mm와 500mm 기계를 지원합니다. "우리는 레일 위 6축 FANUC 로봇으로 HMC를 자동화해 부품을 레이저 마킹, 세척, 디버링 등 다양한 스테이션으로 이송합니다."라고 레이크는 말했습니다.

마작 HCN-5000 HMC는 이제 회사의 MPP 시스템과 함께 제공되며, 이는 콤팩트한 설치 면적의 기본 자동화 솔루션입니다. 기존 선형 수평 팔레트 스토커를 수용할 바닥 공간이 부족한 공장도 이제 연속 생산을 위해 자동화할 수 있다고 레이크는 말했습니다.

MPP는 마작 팔레텍 시스템의 편의성을 제공하면서 최대 30% 적은 공간을 차지합니다. 각 축의 서보 모터와 각 팔레트를 스토커 중심으로부터 같은 거리에 유지하는 2단 팔레트 배열로 빠르고 안정적인 로드/언로드를 보장한다고 그는 설명했습니다.

생산 필요에 따라 확장되도록 설계되어 제조업체는 표준 10팔레트 스토커를 16팔레트로 재구성해 출력을 늘릴 수 있습니다. HCN-5000의 대형 중량 부품 작업을 고려해 마작은 이 최신 MPP를 부품 크기 용량 면에서 가장 큰 버전으로 만들었습니다. 시스템은 500mm² 팔레트를 수용하며 직경 800mm, 높이 1,000mm까지의 공작물을 처리합니다.