연삭 작업의 격상: 첨단 소프트웨어와 자동화로 '좋음'에서 '훌륭함'으로

소프트웨어, 자동화, 연마재 발전이 부품 및 공구 연삭을 오버드라이브로 보냅니다.

귀사가 항공우주나 의료 부품을 전문으로 해 기존 가공법으로는 절삭하기 너무 힘든 금속에서 복잡한 형상을 생산해야 할 수도 있습니다. 또는 공구 및 커터 샵에서 일하거나 소유하고 있어 드릴, 엔드밀, 성형 공구를 더 빠르고 비용 효율적으로 생산하는 방법을 찾고 있을 수도 있습니다. 이유가 무엇이든, 요건이 무엇이든, 여러분은 운이 좋습니다. 대부분의 금속 가공 기술과 마찬가지로 연삭(더 정확히 말하면 연마 가공)도 최근 몇 년간 크게 개선되었습니다.

어떻게요? 우선, 연삭 휠 제조사들이 새로운 본드와 슈퍼 연마재를 개발해 '슈퍼'라는 타이틀에 진정으로 걸맞게, 이전보다 더 많은 소재를 더 짧은 시간에 제거할 수 있게 되었습니다. 그리고 연삭 기계 제조사들은 그런 첨단 연마재를 최대한 활용할 수 있을 만큼 충분히 강하고 강력하면서, 자동화, 원격 모니터링, 지능형 소프트웨어 시스템 같은 스마트 기능을 공작기계에 추가하는 점점 더 유능한 장비를 제공하고 있습니다.

간단히 말해, 연삭은 생산성과 부품 정밀도의 새 시대에 진입했습니다. 이를 활용하지 않으면 공정 개선, 제품 품질 향상, 수익 증대라는 중요한 기회를 놓칠 수 있습니다.

더 나은 제어가 핵심

이것의 핵심 동인은 자격을 갖춘 기계공 부족입니다. JTEKT 토요다 아메리카(JTEKT Toyoda Americas Corp.)의 그라인더 내셔널 제품 매니저 셰인 패런트(Shane Farrant)는 이에 동의하며, 인간-기계 인터페이스(HMI)를 더 이해하기 쉽게 만드는 것이 덜 숙련된 노동력의 영향을 최소화하기 위한 필수 첫 단계라고 덧붙였습니다.

"우리가 범용, 원통, 캠축, 크랭크축 연삭 기계 라인업에 개발한 많은 기계 개선 중 더 단순하고 직관적인 HMI가 하나입니다."라고 그는 말했습니다. "이는 설정과 프로그래밍 절차를 돕기 위해 사진과 기타 그래픽에 더 의존하는 사용자 친화적 형식을 의미합니다."

사물인터넷(IoT) 기반 작업 환경으로의 큰 추진도 있었습니다. 예를 들어 토요다의 토요팩(TOYOPUC) 터치 컨트롤의 진단 페이지는 냉각수 레벨, 기계 진동, 오일 온도 등 부품 품질 저하나 생산 이슈로 이어질 수 있는 모든 것을 표시하며, 이를 고쳐야 할 책임자에게 즉각 알림을 보냅니다. 또한 이 정보를 기계 컨트롤에서 수집해 네트워크 데이터베이스로 푸시해 이력 분석이 가능합니다.

또 다른 시간 절약 기능은 대체 프로그램의 자동 생성으로, 공정 관련 문제가 있을 때 운영자가 호출할 수 있습니다. JTEKT 토요다 제안 엔지니어링 매니저 스티브 얼리(Steve Earley)는 이 대화형 컨트롤 옵션이 회사의 GE6 롤 그라인더에서 사용 가능하다고 말했습니다. 이 기계는 주물, 모터, 기타 구성요소 수정을 통해 이 특수 애플리케이션에서 진동을 줄이고 기계 정밀도를 높이는 혜택도 보았습니다.

전기차용 리튬 배터리 제조 소재는 매우 얇다고 그는 설명했습니다. 따라서 이 소재를 생산하는 롤은 매우 정밀해야 하며 매우 미세한 표면 조도를 가져야 합니다. "운영자가 기계를 설정할 때 컨트롤은 시작용 일반화된 프로그램을 제시할 뿐만 아니라 두 가지 대안—더 빠른 사이클 타임을 위한 더 공격적인 프로그램과 더 나은 표면 조도를 내는 더 보수적인 프로그램—을 제시합니다. 초기 결과를 바탕으로 운영자는 최단 시간에 최상의 부품을 제공하는 가공 파라미터 세트로 쉽게 전환할 수 있습니다."

적은 작업 공정으로

유나이티드 그라인딩 북미(United Grinding North America Inc.) 프로파일 그룹 부사장 래리 마샨드(Larry Marchand)는 특히 연삭 기계가 더 유능해짐에 따라 사용하기 쉬운 컨트롤의 필요성에 동의했습니다. 하지만 그는 제조 커뮤니티 전반에서 재공품 감소와 더 적은 가공 작업에 대한 엄청난 요구가 있어 유나이티드 그라인딩과 다른 회사들이 소위 '완결형(done-in-one)' 접근법을 채택해 운영자 터치 타임을 줄이고 작업당 가치를 높이게 되었다고 말했습니다.

이를 지원하기 위해 유나이티드 그라인딩은 한때 매우 단일 목적이었던 프로파일 연삭 기계에 '추가 공정, 작업, 특징'을 도입했습니다. "고객은 단일 부품 핸들링에서 더 많은 가치를 추가하길 원합니다."라고 마샨드는 말했습니다. "자동 공구 교환기가 장착된 기계에 대한 큰 수요를 보았습니다. 공작물을 연삭한 다음 드릴이나 밀링 커터를 가져와 부품을 완성할 수 있게 합니다. 이는 2차 작업을 없애고 부품 리드 타임을 줄이며 품질을 개선합니다."

이게 기계 공장이 CNC 공작기계를 모든 걸 다 하는 슈퍼 그라인더로 교체해야 한다는 뜻일까요? 전혀 아닙니다. 멀티태스킹 기계가 슬롯 밀링이나 저널 연삭을 꽤 잘 수행하듯, 멀티태스킹 그라인더도 이제 머시닝 센터와 드릴-탭 기계의 영역이었던 작업을 수행할 수 있습니다. 하지만 마샨드가 지적했듯 "연삭 집약적인 부품이라면 전용 그라인더가 항상 더 나은 선택입니다."

이에 몇 가지 이유가 있다고 그는 말했습니다. 연삭은 밀링과 터닝 작업보다 훨씬 더 많은 절삭유를 필요로 하며, 공작물과 휠 교차점에 정확히 겨냥해야 합니다. 지름 2피트 정도의 휠을 구동하려면 평균 칩메이킹 기계에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 마력이 필요합니다. 마지막으로, 하루 종일 0.001mm와 싱글 디지트 표면 조도를 유지하는 것은 대부분의 CNC 그라인더가 이 작업을 최적화하도록 설계되어 뛰어나지만, 머시닝 센터는 그렇지 않습니다.

난삭재 정복

이 역량은 니켈, 크롬, 코발트 함량이 높은 금속에서 특히 관련성이 높다고 마샨드는 말했습니다. "우리 비즈니스의 많은 부분이 인코넬(Inconel)과 르네(Rene) 소재로 부품을 생산하는 고객들로부터 옵니다. 이 소재들은 최소한 경화 상태에서는 사실상 비가공성입니다. 이들의 유일한 선택은 방전가공(EDM)이나 연삭이며, 현대 연삭 기계의 강성, 파워, 정밀도와 최근까지 이용할 수 없었던 슈퍼 연마재의 가용성 덕분에 대부분 후자를 선택합니다."

슈퍼 연마재의 선도 제조사 중 하나는 노턴|세인트고뱅 어브레이시브(Norton|Saint-Gobain Abrasives, 매사추세츠주 우스터)입니다. 알프레도 바라간(Alfredo Barragan) 북미 슈퍼 연마재 수석 기업 애플리케이션 엔지니어는 연삭이 한때 '마무리 전용' 공정으로 여겨졌지만, 점점 더 유능한 연삭 기술 개발로 주류 가공 공정으로 진화했다고 말했습니다. 그러나 이 공정으로 최대 성공을 거두려면 동등하게 현대적인 연마재가 적용되어야 합니다.

"전통적인 레진 또는 메탈 본드 다이아몬드 매트릭스 휠은 정말 조밀한 경향이 있습니다."라고 바라간은 말했습니다. "조밀한 것은 견고한 구조를 주고 그 구조를 유지하는 강한 본드를 돕는 좋은 점이지만, 한 가지 고려사항을 제기합니다: 휠이 더 빨리 로딩되어 장기적으로 생산성을 떨어뜨립니다. 노턴 윈터 패러다임(Norton Winter Paradigm) 하이브리드 본드 휠이 이 문제를 해결합니다."

이 휠들은 향상된 입자 유지력과 높은 다공성을 결합해 절삭 힘을 줄인다고 합니다. 더 높은 다공성은 로딩도 줄여 휠이 더 시원하게, 더 자유롭게, 더 적은 다운타임으로 연삭해 궁극적으로 하루 더 많은 부품을 생산합니다. 사용된 연마재에 따라 하이브리드 본드 휠은 초경, 첨단 세라믹, 경화 공구강, 유나이티드 그라인딩의 마샨드가 방금 언급한 고온 합금을 효율적으로 연삭합니다.

이것은 연마재 기술 이상의 것입니다. 그들이 부착된 공작기계처럼 휠 자체도 스마트해지고 있습니다. 임베디드 RFID 태그로 더 나은 자산 관리, 간소화된 조달, 사용 및 드레싱 정보 추적, 운영자 오류 방지가 가능합니다.

노턴|세인트고뱅은 연마재 제품에만 노력을 제한하지 않습니다. 4사이트(4Sight) 공정 모니터링 및 진단 시스템은 앞서 논의한 것과 유사한 IoT 기능을 제공하며, 브랜드 중립적 실시간 연삭 기계 값 모니터링(스핀들 부하, 기계 가동률 등), 트렌드 분석용 데이터 저장, 필요시 알림 전송 능력을 갖춥니다. "이것은 올해 우리의 가장 큰 이니셔티브 중 하나이며, 스마트 태그 시스템과 함께 우리 인더스트리 4.0 솔루션의 기반이 됩니다."라고 바라간은 말했습니다.

곧 여러분의 화면에: V@디슨(V@dison)

그들만 그런 게 아닙니다. 볼머 오브 아메리카(Vollmer of America Corp., 펜실베이니아주 카네기)는 모회사 볼머 그룹(Vollmer Group)과 함께 연삭 작업을 '디지털 트랜스포메이션'하기 위한 여러 도구와 서비스를 개발 중입니다. V@디슨(V@dison)이라 브랜드화된 이에는 기계 파라미터 향상 가시성을 위한 V@ 스크린, 공정 시뮬레이션을 위한 V@ 체크, 공작물에 따른 기계 성능 최적화를 위한 V@ 부스트, 더 일관된 예방 정비를 위한 V@ 가이드가 포함됩니다.

볼머는 여전히 이 이니셔티브의 초기 단계에 있지만, 북미 영업 매니저 섀넌 폭스(Shannon Fox)는 연삭 커뮤니티가 손쉽게 딸 수 있는 개선의 열매가 여전히 많이 있다고 말했습니다. 그중 으뜸은 자동화입니다. 폭스는 자사의 VGRIND 360 공구 및 커터 그라인더의 로봇 부품 로딩과 휠 교환 기능을 예로 들며, 이는 볼머와 실제로 대부분의 공작기계 제조사가 고객이 라이트아웃 제조를 향해 나아갈 때 일상적으로 설치하는 옵션이라고 말했습니다.

시뮬레이션도 또 다른 일상적 요청입니다. 볼머의 V@ 체크 시스템은 아직 개발 중이지만, 폭스는 볼머와 다른 브랜드 연삭 장비에 제공되는 NUMROTOplus 소프트웨어가 성숙하고 잘 받아들여지는 대안이라고 언급했습니다. "그라인더가 더 유능해짐에 따라 시뮬레이션이 더 중요해지고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "분기점이 더 타이트해지고, 공구 형상은 점점 더 복잡해지며, 많은 기계(우리 것 포함)가 단일 작업에서 다중 휠 팩 사용을 허용해 간섭 우려를 높입니다. 시뮬레이션 없이 매우 비싼 공작기계를 충돌시킬 위험이 있습니다."

보는 것이 믿는 것이다

시뮬레이션은 다른 이유에서도 중요합니다. 호주 멜버른 기반 ANCA CNC 머신즈(ANCA CNC Machines)는 가변 피치 엔드밀의 공구 불균형 예측에 시뮬레이션을 사용합니다. "고성능 커터의 트레이드오프 중 하나입니다. 플루트 간격이 불규칙해 본질적으로 언밸런스 상태입니다."라고 글로벌 마케팅 매니저 루카스 헤일(Lucas Hale)은 말했습니다. "이를 극복하기 위해 불균형을 계산하고 전략적 위치에서 추가 소재를 제거해 상쇄하도록 NC 프로그램을 조정하는 시뮬레이션 소프트웨어를 개발했습니다. 공구는 그라인더에서 완벽하게 균형 잡힌 상태로 나와 연장된 공구 수명과 가공 부품의 더 나은 표면 마감을 제공합니다."

헤일은 로봇 부품 및 휠 핸들링을 포함한 자동화 요구에 동의했지만, 생산성을 끌어올릴 여러 추가 방법을 제시했습니다. 한때 수동으로 수행되던 로딩 제거를 위한 일상적 '스티킹(sticking)'을 ANCA는 자동화해 인건비를 줄이고 휠 수명을 연장했습니다. ANCA의 소프트웨어와 기계는 '상당한 사용 편의성'을 제공해 설정 시간을 줄인다고 합니다. 레이저 기반 측정 시스템은 절삭 공구 정밀도와 형상의 인프로세스 검증을 제공하고, 자동화된 오프셋이나 휠 드레싱으로 마모를 보상합니다.

ANCA는 이 프로세스를 한 단계 더 나아갔습니다. 졸러(Zoller Inc.) 같은 선도적인 공구 프리세팅 장비 제공업체와의 협력을 통해 ANCA는 자동화된 검사와 CNC 그라인더로의 피드백을 지원하는 인터페이스를 개발했습니다. 로봇이 커터를 프리세터에 놓으면, 그것이 측정하고 결과를 소프트웨어 시스템에 보내 기계가 필요에 따라 조정합니다. 이는 '루프를 닫습니다(close the loop).'라고 헤일은 설명했으며, 통합 블랭크 관리 시스템과 함께 고객이 "수백 개의 공구를 로드하고, 실행을 누르고, 다음 날 완성된 커터로 돌아올 수 있게 합니다."

"기본 기계 구조도 지난 5년 정도 동안 개선되었습니다."라고 헤일은 계속했습니다. "예를 들어 리니어 모터가 우리 산업에서 훨씬 더 흔해졌습니다. 이들은 절삭 공구 품질과 따라서 그 공구로 만들어지는 부품 품질에 기여할 뿐만 아니라, 리니어 기계가 볼스크류 기계보다 훨씬 더 빠르게 움직여 사이클 타임을 단축합니다. 그리고 기계 구성요소의 마모가 적어 장비 수명이 연장됩니다. 이것이 리니어 모터가 거의 모든 고정밀, 고성능 연삭 기계의 표준 구성요소가 된 이유입니다."

첫 부품, 양품

JTEKT 토요다가 더 직관적인 컨트롤 소프트웨어로 숙련 기계공 부족을 해결하듯, 롤로매틱(Rollomatic Inc., 일리노이주 문들레인)은 기계 설정을 더 쉽고 빠르게 만드는 작업을 하고 있습니다. 대부분의 공구 및 커터 제조업체는 다른 금속 절삭 잡숍과 다를 바 없어 더 작은 배치 크기와 더 짧은 리드 타임에 직면해 설정 시간이 생산 런에서 더 큰 비중을 차지합니다. 해결책의 한 부분? 더 나은 소프트웨어.

"수십 년간 공장은 설정당 3, 4, 5개의 공작물 블랭크를 소모하며 기계를 점차 다이얼인해 양품을 얻었습니다."라고 롤로매틱 사장 에릭 슈바르첸바흐(Eric Schwarzenbach)는 말했습니다. "하지만 지능형 소프트웨어를 사용하면 스크랩 공작물 수를 줄이는 게 매우 가능하며, 제로가 궁극적 목표입니다. 이는 소재 비용뿐만 아니라 설정 시간도 줄여줍니다."

소프트웨어는 공작기계, 공작물, 연삭 휠의 3D 표현을 만들어 운영자를 지원한다고 슈바르첸바흐는 말했습니다. 이는 드라이런(dry run) 필요성을 없앱니다. 운영자는 애니메이션을 빠르게 하거나 느리게 하고, 되돌리거나 문제 영역을 확대해 휠 팩과 공작물 간 잠재적 충돌을 피할 수 있습니다. 그리고 애니메이션이 끝나고 기계가 실제로 부품을 만들 때 소프트웨어는 '빈 이동(empty moves)'을 없애고 안전 거리를 최소로 단축합니다.

스마트 소프트웨어가 훌륭하지만, 슈바르첸바흐는 공작기계와 관련 시스템이 동등하게 중요함을 빠르게 지적했습니다. 공작기계가 더 정확하고 안정적일수록 첫 시도에서 목표 치수를 맞히기 더 쉽습니다. 또한 향상된 휠 드레싱 기술, 자동화된 캘리브레이션 절차, 계산을 더 빠르게 처리하는 더 빠른 컨트롤, 마모에 강하고 프리컷팅하며 날카로운 코너를 더 오래 유지하는 하이브리드 휠 본드도 중요합니다. 이 요소들은 더 빠른 설정과 첫 부품을 양품으로 만드는 향상된 능력, 더 짧은 사이클 타임에 큰 역할을 합니다.

다른 이들이 언급했듯 자동화된 휠 교환도 연삭의 게임체인저입니다. 슈바르첸바흐는 롤로매틱의 고속 체인저가 휠 팩을 5초 만에 아버-투-아버(arbor-to-arbor)로 교체하고 그라인드-투-그라인드(grind-to-grind) 타임 11초를 달성한다고 말했습니다. 이점은 더 짧은 사이클 타임을 넘어섭니다. "4개 휠 팩이 있으면 1~2개 휠 팩보다 충돌 가능성이 더 높습니다. 이는 설정을 복잡하게 만듭니다. 그래서 큰 휠 팩을 분할하고 11~12초 휠 교환 시간을 감당할 수 있다면, 오늘날엔 그게 선호되는 방식입니다."