VMC 기술, 적용 범위 확대와 생산성 향상으로 진화

첨단 모델들이 작업장에서 VMC의 입지를 지속 확장합니다.

첨단 기능과 특징을 갖춘 수직 머시닝 센터(VMC)가 기계 공장의 CNC 장비 무기고에서 더 생산적인 구성원으로 입지를 다지고 있습니다. 오늘날의 VMC는 작업장의 인적 드문 어두운 구석에 처박히거나 2차 가공에 국한되어야 한다는 통념에 도전하고 있습니다. VMC는 전통적으로 수평 머시닝 센터(HMC)보다 저렴했지만 생산 능력이 부족했습니다.

어느 정도 최근 첨단 기술 추가로 VMC는 생산성 격차를 좁히고 항공우주, 의료, 에너지를 비롯한 까다로운 산업에서 고속, 고정밀 애플리케이션에서 경쟁 우위를 확보했습니다. VMC의 기능성은 4축 및 5축 테이블-온-테이블과 트러니언 구성, 멀티 팔레트 체인저, 더 많은 공구, 고속 스핀들 추가로 크게 증가했습니다. VMC는 제트 엔진용 블레이드 로터, 발전용 터빈 블레이드, 대형 항공우주 부품, 정밀 금형 및 다이 작업 같은 가장 복잡한 공작물 가공이 가능합니다.

금형·다이 VMC 사례 연구

베르크주크바우 라이스(Werkzeugbau Leiss GmbH)는 압출 블로우 몰드와 스트레치 블로우 몰드의 세계 선도적이고 가장 성공적인 생산업체 중 하나로 꼽힙니다. 독일 바이에른주 루드비히슈타트(Ludwigsstadt) 소재 이 회사는 고객과 긴밀히 협력해 식품, 제약, 화학, 자동차, 화장품 산업용 새 포장 설계를 개발하며, 약 65명의 숙련된 라이스 직원이 금형과 다이를 설계·제조합니다.

"툴 설계 및 제작 서비스 제공자로서 우리는 고객의 파트너로 자신을 봅니다."라고 다니엘 라이스(Daniel Leiss)는 회사의 전략을 설명하며 말했습니다. 그는 아버지 프리츠 라이스(Fritz Leiss)와 함께 회사를 경영합니다. 고객과의 긴밀한 파트너십은 종종 새 포장 설계 개발로 시작됩니다. "우리가 경험으로 프로세스를 일찍 도울수록 관련된 모든 사람의 다이 제조가 더 경제적이 됩니다."

이 덕분에 베르크주크바우 라이스는 연간 250개의 새 다이를 총 약 1,000개 캐비티와 블로우 핀, 마스크/펀칭, 다이/핀 같은 주변 부품과 함께 제조할 수 있습니다.

베르크주크바우 라이스는 크고 현대적인 시설에서 대량 생산을 관리합니다. 정밀 가공은 DMG 모리(DMG Mori)의 10대 CNC 기계를 포함한 강력한 기계 군단으로 수행됩니다. 2대의 CTX 터닝 머신 외에도 기계 군단에는 DMG 모리 DMC V 시리즈의 5개 수직 머시닝 센터가 포함됩니다. 이에는 DMC 1150 V, DMC 1450 V, 그리고 새로운 DMC 1850 V가 포함됩니다.

기계들은 고정밀 압출 블로우 몰드(라이스 생산의 80% 차지)를 풀 가동으로 가공합니다. 제조 공정은 냉각 시스템 드릴링과 밀링부터 황삭과 정삭까지 다양합니다. "우리는 기계의 높은 안정성과 정밀도 덕분에 후속 몰드 연마 특히 장스트로크 기계용 대형 몰드 분야에서 정삭 작업을 최소화할 수 있었습니다."라고 다니엘 라이스는 말했습니다.

DMC V 시리즈의 최대 모델은 2018년 7월 필드 테스트 기계로 설치되었으며, 다니엘 라이스는 이를 완벽한 추가로 여깁니다: "DMC 1850 V로 DMG 모리는 검증된 기계 컨셉을 더 크고 무거운 부품 가공 시 증가하는 품질 요건에 맞게 조정했습니다." 수직 머시닝 센터는 X축 1,850mm, Y축 700mm, Z축 550mm로 이동 범위가 확장됩니다. 최대 적재 용량은 3,000kg입니다.

다니엘 라이스에 따르면 DMC 1850 V는 금형·다이 제작자의 요구사항에 이상적으로 부합합니다. "기계 안정성은 2.5D 가공과 드릴링뿐만 아니라 3D 황삭에도 적용됩니다. 정밀도와 역동성으로 3D 정삭에도 인상적이며 따라서 툴 생산의 모든 단계에 적합합니다."라고 그는 말했습니다. 단 몇 달의 필드 테스트 후 DMC 1850 V는 2교대 작업에 투입되어 이후 안정적으로 수행되고 있습니다.

틸트 테이블 장착 VMC

마작(Mazak Corp., 켄터키주 플로렌스)은 트러니언 스타일 틸트 테이블을 갖춘 VC-500A/5X 수직 머시닝 센트로 켄터키에서 설계·제작한 VMC 라인을 지속 확장하고 있습니다. 이 VMC는 소형 복잡 부품의 정확하고 비용 효율적인 풀 5축 가공을 위해 설계되었습니다. VC-500A/5X는 부품 위치 확인과 특징 검사를 위한 온보드 프로빙을 포함한 3축, 4축, 5축 가공 역량을 갖춘 마작 VMC 라인에 합류합니다. VC-500A/5X는 마자트롤 스무스X(Mazatrol SmoothX) CNC를 탑재해 복잡한 부품 생산 프로그램을 쉽게 생성할 수 있습니다.

VC-500A/5X의 첨단 기능은 특히 동시 5축 작업과 자유형 금형·다이 가공을 위한 미세 증분 프로그램에서 가능한 최단 가공 사이클 타임을 보장한다고 회사는 말했습니다. 이 기능에는 고이득 피드포워드 컨트롤, 빠른 회전축 속도, 가변 가속 제어, 지능형 포켓 밀링이 포함됩니다. 특수 기어 설계 소프트웨어와 메트롤로지 유닛을 폐루프 기어 가공 공정에 통합할 수 있습니다.

VC-500A/5X의 축 이동은 직경 19.88인치(505mm), 높이 12인치(305mm)까지의 부품 크기를 수용합니다. 이 세 선형 축의 급이송 속도는 1,181ipm(30m/min)입니다. VC-500Z/5X는 강철, 알루미늄, 주철을 포함한 모든 일반 소재 가공용 고성능 12,000rpm CAT-40 스핀들을 장착합니다. 옵션으로 15,000rpm과 20,000rpm 스핀들 속도가 제공됩니다.

60공구 ATC는 설정 시간 단축, 중복 공구 허용, 무인 연속 작업 증가에 도움이 됩니다. 이 공정은 잡숍에 표준 공구로 소형~중형 배치 기어를 고정밀도와 비용 효율적으로 가공할 옵션을 제공합니다.

단일 기계 자동화

작업장 공간이 귀중한 상황에서 소형 설치 면적 기계가 널리 가치를 인정받듯, 가용 바닥 공간을 최적화할 수 있는 자동화도 마찬가지입니다. 수직 머시닝 센터용 단일 기계 자동화 시스템은 변화하는 생산 수요를 확장 가능하고 비용 효율적인 시스템으로 충족할 수 있는 소규모 공장을 위한 생산적 솔루션을 제공합니다. 최소 바닥 공간을 필요로 하며 라이트아웃 운전을 제공해 기계 스핀들을 절삭 상태로 유지하면서 작업자는 새 부품 로드, 품질 관리 검사, 기타 다양한 작업장 업무를 수행할 수 있습니다.

자동화와 관련해 마작 같은 공작기계 OEM은 원 사이즈가 모두에 맞지 않는다는 것을 인식하고 확장 가능한 자동화 시스템을 지속 개발합니다. 이러한 시스템은 크기, 비용, 역량에서 확장 가능하면서도 자동화의 전형적 이점인 기계와 노동의 생산량 증가(본질적으로 더 적은 것으로 더 많은 것 하기)를 제공합니다.

마작이 단일 기계 자동화의 이점을 어떻게 평가하는지 봅시다. 더 광범위한 자동화 시스템과 비교해 단일 기계 자동화 시스템은 극적으로 더 작은 설치 면적을 가지며, 많은 잡숍 케이스에서 그게 필요한 전부입니다.

오늘날의 단일 기계 자동화 시스템은 일반적으로 표준화된 솔루션이면서도 유연하고 확장 가능합니다. 예를 들어 마작의 멀티 팔레트 풀(MPP) 자동화 시스템은 6, 12, 18 팔레트를 수용하는 3가지 구성 옵션을 공장에 제공합니다. 시스템은 다양한 생산 방식에서 작동하며 운영자는 MPP 시스템을 저혼합/대량 생산 부품이나 빈번한 체인지오버가 있는 단납기 부품으로 실행하도록 설정할 수 있습니다.

초기에 공장은 3열 2행의 6팔레트 MPP로 시작할 수 있습니다. 이 2단 시스템은 각 열 6팔레트로 확장되어 총 12팔레트 풀이 될 수 있습니다. 18팔레트 시스템의 경우 MPP는 6팔레트 3열로 성장합니다. 구성에 관계없이 MPP의 설치 면적 크기는 작아 소중한 작업장 바닥 공간을 절약합니다.

예를 들어 MPP 6팔레트 체인저와 마작 바리아시스 i-600 5축 VMC 조합은 동일한 용량을 제공하면서 6팔레트 선형 타입 시스템보다 29% 적은 바닥 공간을 사용합니다. 12팔레트 시스템과 비교해 MPP는 바닥 공간 요건을 44% 줄입니다. 마작 바리아시스 i-700 5축 VMC와 함께 사용할 때 6팔레트 MPP는 6팔레트 선형 배치 시스템보다 44% 작으며, MPP의 12, 18팔레트 시스템은 절반 미만의 공간이 필요합니다.

다른 자동화 시스템과 달리 MPP는 기계의 기존 팔레트 위에 추가 팔레트를 올리는 대신 실제 기계 팔레트를 사용합니다. 바리아시스 i-600의 MPP는 직경 600mm, 높이 425mm까지 최대 300kg 하중의 400mm² 팔레트를 특징으로 합니다.

바리아시스 i-700 MPP 팔레트는 500mm 정사각형이며 400kg 적재 용량을 가집니다. MPP는 일반적인 2팔레트 체인저가 기계 공구에 설치될 때와 같은 팔레트 클램핑 시스템으로 작동합니다. MPP 내부에서 서보 구동 로봇이 팔레트를 기계 안팎으로 픽앤플레이스합니다.

MPP는 마작의 광범위한 멀티 머신 팔레텍 자동화 시스템을 제어하는 동일한 스무스 PMC(Smooth PMC) 소프트웨어를 사용합니다. 기계 툴의 컨트롤은 별도 셀 컨트롤러 유닛에서 실행되는 소프트웨어를 표시합니다. 스무스 PMC 소프트웨어는 스마트폰, PC, 태블릿으로 거의 어디서나 자동화 가공 시스템을 모니터링하기 쉽게 만듭니다. 소프트웨어는 일정 즉시 변경, 부품 프로그램 파일 관리, 공구 수명/파손 추적, 작업장 지시 발행도 가능하게 합니다.

도면에서 부품까지 더 빠르게

대화형 프로그래밍을 발명한 허코 컴퍼니즈(Hurco Companies Inc.)가 CNC 머시닝 센터로 도면에서 부품까지 더 빠르게 가는 프로세스를 간소화하는 리더일 것이라 기대하실 겁니다. 그리고 그렇습니다.

허코 VMC는 콤팩트한 설치 면적의 가치 모델인 VM CNC VMC부터 VMX 5축 시리즈 기계, 최대 항공우주 부품용 2m, 3m X축의 DCX 시리즈 더블 컬럼 머시닝 센터까지 다양합니다. 허코 VMC는 자동차, 항공우주, 의료 장비, 에너지, 사출 금형, 운송, 전자 산업용 부품 제조에 사용됩니다.

상위 CNC 머시닝 센터에서 허코는 더 빠르고 쉬운 처리를 위한 듀얼 스크린 컨트롤을 제공합니다. 데이터 블록 검색(Data Block Search)은 운영자가 부품 프로그램을 편집해 특징을 수정하는 데 도움을 줍니다. 코드 줄을 검색하는 대신 프로그래머가 그래픽 화면에서 편집이 필요한 부품 특징을 선택하면 해당 코드 줄이 다른 화면에 나타나 빠르게 변경할 수 있습니다.

허코의 컨커런트 프로그래밍(Concurrent Programming) 기능은 듀얼 스크린 컨트롤로 강화되었습니다. 머시닝 센터가 한 부품을 가공하는 동안 운영자는 가공 사이클을 중단하지 않고 다음 부품을 프로그래밍할 수 있습니다.

DXF 전송(DXF Transfer)으로 운영자는 CAD 이미지를 임포트하고 원하는 특징을 선택하면 윈맥스(WinMax) CNC 컨트롤이 자동으로 프로그램을 생성합니다. 부품 프로그램은 허코의 검증 그래픽 시스템으로 화면에서 확인할 수 있는데, 여기에는 동적 회전과 실시간 공구 표시를 포함한 툴패스의 3D 솔리드 렌더링이 있어 부품을 다시 그리지 않고 어떤 각도에서든 볼 수 있습니다.

최근 허코 컨트롤과 소프트웨어 기능은 사이클 타임 최적화부터 공구 정보 수집까지 모든 것을 간소화하도록 설계되었습니다. 울티모션(UltiMotion)은 사이클 타임을 최대 30% 단축해 표면 마감 품질을 크게 향상시킨다고 허코는 말합니다.

울티모니터(UltiMonitor)는 어떤 웹 브라우저에서든 기계 원격 모니터링을 가능하게 하거나, 기계의 USB 카메라에서 컨트롤 화면이나 비디오를 볼 수 있게 합니다. 앱솔루트 툴 렝스(Absolute Tool Length)는 툴 설정을 부품과 기계로부터 독립적으로 만듭니다. 결과적으로 툴 정보는 한 번만 수집하면 되어 다른 머시닝 센터에서도 툴을 사용할 수 있게 하며 오프라인 툴 프리세터 사용을 용이하게 합니다. 또한 툴 체인지 최적화(Tool Change Optimization)는 부품 프로그램을 분석하고 프로그램을 최적 효율로 재배열해 툴 체인지 횟수를 자동으로 줄입니다.

완전한 VMC 역량

친숙한 FANUC 로보드릴(RoboDrill)은 밀링, 드릴링, 탭핑, 페이싱, 포켓팅, 슬로팅 등 VMC의 모든 능력을 모방합니다. 메소드 머신 툴즈(Method Machine Tools Inc.)의 로보드릴 제품 매니저 켄 코클린(Ken Corklin)은 "로보드릴은 20×30인치, 20×40인치 VMC와 매우 잘 경쟁하며 40테이퍼 20×30인치 VMC와 같은 양의 작업을 15~50% 더 빠르게 수행할 수 있습니다. 이유는 빠른 공구 교환, 빠른 스핀들 온/오프, 고가속 모터 때문입니다. 40테이퍼가 일부 더 무거운 황삭을 할 수 있어도 로보드릴은 슬로팅, 탭핑, 드릴링, 포켓팅, 원호 보간에서 이깁니다. 황삭 시 로보드릴은 보통 15% 더 빠르며, 황삭 없이 최대 20~40% 더 높습니다."라고 말했습니다.

북미에 7,000대 이상의 로보드릴이 설치되어 있으며 약 절반은 잡숍, 절반은 산업별 공장입니다. 애플리케이션에는 항공우주 부품용 알루미늄 고속 가공, 의료 부품과 총기 부품용 티타늄과 코발트 크롬, 일반 엔지니어링이 포함됩니다.

"BIG Plus 스핀들 기술이 30테이퍼 C-프레임 스타일 로보드릴에 표면 접촉 면적을 제공해 더 무겁고 고품질의 절삭을 번개 같은 속도로 가능하게 합니다. 이는 40테이퍼 기계가 따라잡기 어려운 부분입니다."라고 코클린은 말했습니다. "예를 들어 로보드릴은 빠른 가감속률 덕분에 200ipm(50m/min) 이상의 이송률로 일반적인 금형·다이 작업이나 의료 애플리케이션을 고속 볼 엔드밀로 수행할 수 있습니다."

로보드릴은 쇼트 베드, 미디엄 베드, 롱 베드 세 가지 크기로 제공되며 최신 FANUC 31i-B5 나노 CNC 컨트롤을 탑재합니다. 쇼트 베드 모델 X/Y/Z 이동은 300×300×300mm, 미디엄 모델은 500×400×330mm, 롱 베드는 700×400×330mm입니다. 급이송률은 세 모델 모두 2,125ipm(54m/min)입니다. BIG Plus 스핀들은 10,000rpm과 24,000rpm, 21공구 ATC를 갖춥니다.

로보드릴의 최신 추가 사항에는 터렛용 서보 모터가 있어 사이클 타임을 단축하며, Ai 오버랩(Ai Overlap) 같은 기능으로 Z축에서 아크 반경 이동이 가능해 90° 코너 정지 대신 사이클 타임을 단축합니다. FANUC의 터치스크린 iHMI 컨트롤로 렌쇼(Renishaw)의 고 프로브(Go Probe) 같은 앱 사용이 증가하고 있습니다.

로보드릴은 표준 자동화 패키지나 맞춤형 자동화 솔루션을 위해 FANUC 로봇과 원활하게 매칭되도록 설계되었습니다. 메소드(Method)는 새로운 플러스 시리즈(Plus Series)를 포함한 다수의 표준 '볼트온(bolt-on)' 자동화 솔루션을 보유하고 있습니다.

플러스 K(Plus K)는 연장된 자동 공구 교환기와 자동 팔레트 체인저로 로보드릴이 무인 운전할 수 있게 합니다. 맞춤형 자동화 솔루션은 수년간 메소드 오토메이션(Method Automation)의 초점이었습니다.

FANUC 31iB5 컨트롤로 로보드릴은 5축 능력이 있습니다. AICCII와 천 블록 룩어헤드 같은 옵션으로 고속 윤곽 가공과 가공이 가능합니다. 크기와 1.5g 가속도로 높은 기동성을 가지며 표준 VMC 대비 15~50% 사이클 타임 단축이 가능하다고 코클린은 말했습니다.

리니어 및 박스 웨이 VMC

많은 공작기계 제작사들이 이제 리니어 가이드웨이 기계에만 치우칩니다. 하지만 두산 머신 툴즈 아메리카(Doosan Machine Tools America, 뉴저지주 파인 브룩)는 리니어와 박스 웨이 VMC를 모두 제공해 넓은 가공 옵션 범위를 제공합니다.

DNM 시리즈는 리니어 가이드웨이, BIG Plus 40/50테이퍼 스핀들(두산 VMC 표준), 8,000~15,000rpm 스핀들 속도를 특징으로 합니다. S 모델은 15,000rpm과 더 빠른 급이송을 장착합니다. X축 이동은 모델 라인업에서 20.5~85인치(520~2,160mm) 범위입니다.

더 단단한 소재에서의 중가공을 위해 마인스(Mynx) 시리즈는 박스 웨이 설계, BIG Plus 40/50테이퍼 스핀들에 모델에 따라 기어드 헤드 또는 다이렉트 드라이브, 6,000~12,000rpm 범위를 특징으로 합니다.

양산 공장을 위해 모델에는 로터리 팔레트 체인저가 있는 VC 시리즈, 트윈 스핀들과 2개 공구 교환기가 있는 DMP 500/2SP가 포함됩니다. DMP는 47.2×20.5인치(1,200×520mm) 테이블과 약 단일 스핀들 기계와 같은 설치 면적에서 각 스핀들로 접근 가능한 최대 40공구 매거진을 가집니다. 각 스핀들은 W축으로 약간 조정되어 워크홀딩이나 고정구 높이의 완벽한 정렬 필요성을 피할 수 있습니다.

두산의 5축 수직 기계에는 기계 플랫폼에 통합된 2축 트러니언 테이블이 있는 DNM이 포함됩니다. 다이렉트 드라이브, 40테이퍼, 12,000rpm 스핀들과 짝을 이룬 로터리 테이블로 표준 VMC에서 한 단계 업그레이드된 성능을 제공합니다.

마지막으로 DVF 5축 기계는 캔틸레버 스타일 5축 또는 트러니언 스타일 테이블로 더 완전한 통합 솔루션을 제공합니다. VCF 시리즈 5축 고정 테이블 VMC는 기계 이동과 테이블 크기가 더 커 부품 범위에서 더 많은 것을 제공합니다. 추가 축은 B축 회전 헤드 스핀들 또는 내장형 테이블 위 회전축에 있습니다.

첨단 VMC 평가를 위한 체크리스트

시장에 나오는 최신 수직 머시닝 센터 모델들은 VMC에서 가능하다고 생각되지 않았던 신뢰성과 효율성 수준에 기여하는 첨단 기능, 구조적 속성, 구성요소를 갖추고 있습니다. 북미 금속 절삭 작업과 글로벌 계열사에 가공 솔루션을 제공하는 엘리슨 테크놀로지스(Ellison Technologies)에 따르면, 다음은 차세대 VMC에 반영되길 원하는 최신 특징과 역량들입니다.

유리한 VMC 특성 논의는 "New Generation VMCs Are More Productive and Efficient Than Ever," Manufacturing Engineering, June 2017을 참조하세요. 여기에는 다음 정보가 포함됩니다: "기계가 어떻게 구성되었는지 검토해 10년, 15년, 아마도 20년 후에도 설치한 날만큼 정확하게 작동하는지 확인하세요. 제조사가 스핀들 헤드, 베이스, 컬럼, 새들의 주물 설계에 유한 요소 분석(FEA)을 사용하는지 확인하세요. 아이디어는 구조의 고유 진동수를 기계 작동 범위 밖으로 빼내는 것입니다.

"또한 주조 방식이 미하니트 월드와이드(Meehanite Worldwide) 조직에 의해 라이선스되었는지 확인하세요. 이 특허 공정은 최고 품질의 철 생산 절차를 요구하며, 기계 수명 동안 장기 강성, 중절삭 능력, 적절한 진동 감쇠를 제공합니다.

"품질 기계의 다른 구조적 하이라이트에는 베드에 핸드 스크래핑된 아치형 피라미드 컬럼이 있어 두 주물이 거의 하나로 작동하게 하며, 부품 정밀도에 반영되는 타이트한 기계 지오메트리를 보장합니다. 고품질 세라믹 스핀들 베어링, 더블 앵커 프리텐션드 볼스크류, 리니어 롤러 모션 가이드는 고려할 다른 구조적 측면들입니다. 롤러 가이드는 볼 베어링 모션 가이드보다 3배 강성과 2배 수명을 가집니다.

"건전한 구조 위에서 스핀들, 냉각 시스템, 칩 컨베이잉 메커니즘 같은 추가 구성요소를 면밀히 검토하세요. 이 모든 것이 효율성에 기여합니다. BIG Plus 같은 듀얼 컨택트 스핀들(테이퍼/페이스), 공구 부하 모니터링, 스핀들 스루 쿨런트, 최적 공구 적용과 사이클 타임을 위한 적응형 이송률 제어 같은 기능을 찾으세요. 또한 기계가 열을 어떻게 다루도록 설계되었는지 이해하세요. 아마도 최근 몇 년간 가장 큰 발전은 다양한 열 안정성 개선의 적용입니다."