첨단 툴패스 전략으로 수익 극대화

적응형 밀링(Adaptive Milling), 다이나믹 모션(Dynamic Motion), 하이퍼밀(hyperMILL), 프로핏 밀링(Profit Milling), 볼루밀(VoluMill), 웨이브폼 가공(Waveform machining). 부품을 가공해 생계를 잇는 운 좋은 사람이라면, 이들 중 하나나 이와 유사한 고성능 프로그래밍 기술을 사용하여 칩 시닝(chip thinning), 연속 인게이지먼트, 높은 축 방향 및 낮은 반경 방향 절삭 깊이 툴패스를 자사 가공 센터용으로 생성할 확률이 약 50대 50입니다.

우리는 어느 CAM 시스템이 더 나은지에 대해 논하지 않겠습니다. 왜냐하면 모두 꽤 훌륭하기 때문입니다. 사실 10년 전만 해도(가공 산업의 대부분이 그렇듯)보다 훨씬 낫습니다. 하지만 기회만 주면 각 CAM 제공업체는 자사 소프트웨어를 최고로 만드는 몇 가지 기능을 나열할 것입니다. 사용 편의성, 더 높은 생산성, 툴패스 정확도 등이 이점입니다. 어느 것이 정답일까요? 답은 매우 간단합니다: 경우에 따라 다릅니다.

이견 없음

다시 말하지만, 우리는 오늘 논쟁을 해결하려 하지 않습니다. 신중하게 구성된 테스트 컷이나 수년간의 일상적인 사용만이 이 자주 격렬한 논쟁을 끝낼 수 있고, 그때도 결과는 다를 수 있습니다. 더 중요한 질문은 이것입니다: 당신은 기술을 올바르게 적용하고 있습니까? 선택한 CAM 패키지가 사용자에게 가능한 최대 이점을 제공하고 있습니까, 아니면 잘못된 절삭 공구 선택, 약한 워크홀딩, 낡은 툴홀더, 심지어 공작기계 자체 때문에 발목이 잡혀 있습니까?

이유를 알아볼 만한 가치가 있습니다. 산드빅 코로만트(Sandvik Coromant Co.)의 항공우주 엔지니어 존 기랄도(John Giraldo)는 최근 협력한 한 티어 2 항공우주 제조업체가 산드빅 코로만트의 플루라 HFS 엔드밀(Plura HFS end mill)을 사용한 고효율 툴패스 전략 채택 후 와스팔로이 LPT(저압 터빈) 부품 가공 생산성을 198% 높였다고 말했습니다. 또한 한 티어 4 모터스포츠 공급업체는 유사한 접근법으로 티타늄 휠 허브 가공 시 공구 수명을 2배로 늘리고 처리량을 3배로 늘렸습니다.

"항공우주 산업에서 티타늄과 니켈 기반 합금의 고이송 측면 밀링에 대한 수요가 증가하고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "전통적 툴패스는 난삭재에서 성능이 좋지 않으므로, 효율성과 생산성을 유지하면서 공구 마모에 대한 부정적 영향을 줄이는 새로운 프로그래밍 전략 개발이 필요했습니다."

비행기와 우주선 제조업체만 새로운 효과적인 툴패스를 찾는 것이 아닙니다. 기랄도는 자동차 산업이 지속적으로 공급업체에 생산 비용 절감을 압박하며, 이는 절삭 공구 공급업체와 CAD/CAM 제공업체로까지 이어진다고 지적했습니다. 공급업체들이 대체로 도전에 응해왔지만, 상점들이 이러한 첨단 가공 기술을 구형 장비에 적용하거나 새 공정을 테스트하고 검증할 시간을 찾는 것은 종종 어렵습니다.

시너지 탐구

세코 툴스(Seco Tools LLC, 미시간주 트로이)의 북미 솔리드 밀링 제품 매니저 제이 볼(Jay Ball)은 동의했습니다. 그는 적어도 절반의 상점이 검증된, 이제 수십 년 된 프로그래밍 방식에 충실하다고 말했습니다. 오늘날의 프로그래밍 기법을 아직 믿지 못하거나, 장비가 단순히 이를 구현하는 데 필요한 훨씬 더 높은 이송률을 달성할 수 없기 때문입니다.

"잡지 기사를 읽거나 고효율 가공 동영상을 보고 시도하려 흥분한 누군가에게 전화를 받았지만, 상점에 가보니 CNC 장비가 구식이고 툴홀더가 10년 된 것이라 이를 효과적으로 적용할 가능성이 거의 없다는 것을 알게 될 때 정말 안타깝습니다."라고 그는 말했습니다. "더 나쁜 건, 어쨌든 시도해보게 해서 고객을 실망시키고, 나중에 새 기계를 사도 다시 시도하지 않게 만드는 경우입니다."

툴패스, 절삭 공구, 툴홀더, 공작기계 간의 공생 관계는 업계 많은 이들이 간과하지만, 이 기사 인터뷰에 응한 모두는 그것이 매우 현실적이라는 데 동의했습니다. 그럼에도 불구하고 새롭고 효과적인 툴패스 개발 압력은 높습니다. 볼은 "사실상 모든 CAM 제공업체"가 오늘날 어떤 형태의 고효율 가공을 제공하며, 그것이 없이는 경쟁할 수 없어 세코 툴스와 경쟁사들도 동등하게 고성능 절삭 공구를 개발해야 한다고 말했습니다.

볼에게 이는 전통적인 4플루트 엔드밀을 훨씬 넘어서는 플루트 수로 나타납니다. 5, 6, 7, 9플루트 버전이 쉽게 구할 수 있습니다. 고속, 고이송, 고효율, 고성능 커터가 첨단 밀링 전략을 위해 설계되고 최적화되어 점점 더 흔해지고 있으며, 종종 가변 피치, 가변 헬릭스 설계를 통해 강철과 초합금을 분당 수백 인치 속도로 절삭할 때 발생하는 채터 유발 고조파를 줄입니다.

확장성

볼의 제안처럼 슬프게도 많은 상점이 아직 고효율 밴드웨건에 올라타지 않았지만, 그는 이러한 전략이 머시니스트와 프로그래머가 개념과 적용법에 익숙해짐에 따라 더 인기를 얻고 있다고 확언했습니다. "더 많은 사람이 매일 이 기술에 노출되고, 사이클 타임 40% 이상 단축이 꽤 일반적임을 인식하면, 더 많은 사람이 동참할 것입니다."

이 모든 것을 잘 아는 사람은 CNC 소프트웨어(CNC Software Inc., 코네티컷주 톨랜드)의 마스터캠(Mastercam) 개발사 선임 시장 분석가 벤 문드(Ben Mund)입니다. 그는 앞서 언급한 마스터캠의 다이나믹 모션 기술이 인기와 기능면에서 계속 성장하고 있다고 말했습니다. "지난 1년간 금속 제거율을 높이거나 블렌딩 및 서페이싱 기능을 개선하기 위한 다양한 새로운 툴패스와 기존 것들의 개선을 도입했습니다."라고 그는 말했습니다.

문드는 공작기계 연식과 사용 커터 스타일에 관계없이 생산성 향상이 항상 가능하다고 언급했으며, 다이나믹 모션은 거의 보편적으로 적용 가능하다고 말했습니다. "저렴한 절삭 공구나 하위급 CNC 기계를 사용한다고 해서 실패하지 않지만, 셋업이 최적에서 멀어질수록 이점은 확실히 줄어듭니다."

배럴 커터 넘어서

그는 자신의 말이 다이나믹 밀링을 황삭, 2D 가공, 3D 반정삭에 사용할 때 성립하지만, 마스터캠의 '가속 피니싱(accelerated finishing)'은 완전히 다른 상황임을 재빨리 지적했습니다. 그 시나리오에서는 원하는 결과를 얻기 위해 툴패스가 일반적으로 특정 커터 지오메트리를 요구합니다.

한 예가 배럴 커팅(barrel cutting), 즉 원-세그먼트 커터(circle-segment tool cutting)입니다. 문드는 마스터캠이 절삭 공구 제조업체와 적극적으로 협력하여 금형 제작, 의료 가공, 항공우주 피니싱 애플리케이션용으로 이러한 '형상 커터(shaped cutters)'를 정의하고 테스트했다고 말했습니다. 이 도구들은 사용자에게 기존 서페이싱 방법보다 '훨씬 짧은 시간에 정말 높은 정밀도의 피니싱'을 생산할 수 있는 능력을 줍니다.

그는 이 개방적 정책이 마스터캠의 모든 소프트웨어 제품에 적용된다고 설명했습니다. "예를 들어, 몇 년 전 다이나믹 모션 툴패스 엔진 개발 시 선도적인 절삭 공구 공급업체와 협력했습니다."라고 그는 말했습니다. "일부 내부 테스트 중 칩 제어와 깊이까지 빠르게 도달하는 데 문제가 있어, 커터 지오메트리 수정을 제안했습니다."

결국 절삭 공구 공급업체는 채터 없는 엔드밀 라인에 고속 팁을 추가했습니다. 문드와 팀도 몇 가지를 배워 이후 마스터캠 기능에 반영했습니다. "이는 하드웨어와 소프트웨어 공급업체 간의 시너지가 존재하는 훌륭한 예로, 각 참여자가 결과적으로 훨씬 더 나은 제품을 얻게 됩니다."라고 문드는 말했습니다.

주고받는 협력

이스카 메탈스(Iscar Metals Inc., 텍사스주 알링턴)의 밀링 전국 제품 매니저 토마스 라운(Thomas Raun)은 상호 보완적 제품을 만드는 기업 간 파트너십을 굳게 믿는 또 다른 사람입니다.

"지속적인 주고받기가 있어야 합니다."라고 그는 말했습니다. "때로는 그들의 소프트웨어 역량이 우리 절삭 공구 제조사로서의 개발을 견인하고, 때로는 그 반대입니다. 어느 쪽이든, 고객 생산성 향상을 의미한다면 CAM 개발자 및 공작기계 제조사와 협력하는 데 완전히 열려 있습니다."

세코의 볼이 언급했듯, 라운은 절삭 공구 지오메트리의 최근 발전 중 하나인 더 많은 플루트 수가 트로코이달 밀링의 가벼운 반경 방향 인게이지먼트와 높은 이송률에서 직접 비롯되었다고 말했습니다. 이스카는 이 아이디어를 한 단계 더 발전시켜 직경 1mm당 1플루트인 초경 솔리드 엔드밀을 제공하는데, 이 도구들은 전형적인 '닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐' 식으로 트로코이달 밀링에서만 주로 효과적입니다.

"물론 고효율 밀링에 첫발을 들이면, 다음으로 금속 제거를 극대화하기 위해 더 큰 축 방향 인게이지먼트를 찾게 됩니다."라고 그는 말했습니다. "이 때문에 직경의 4배, 6배인 절삭 길이를 가진 엔드밀을 보게 됩니다. 이 도구들은 전에도 있었지만 주로 틈새 애플리케이션용이었습니다. 이제 꽤 흔해졌습니다. 다만 여기서 문제는 칩이 몇 인치 길이가 될 수 있어 매우 빨리 쌓이고 가공 영역에서 제거하기 어렵다는 점입니다. 그래서 칩을 관리하기 쉬운 조각으로 분할하는 노치 플루트(notched flutes) 엔드밀을 개발해야 했습니다."

이스카는 다른 방식으로도 소프트웨어 개발자들과 협력합니다. 라운은 몇 년 전 다양한 인기 CAM 패키지에 포함하기 위한 공구 지오메트리와 절삭 파라미터 라이브러리 생성을 지적했습니다. 이는 중요한 애플리케이션 데이터를 몇 번의 마우스 클릭으로 접근 가능하게 하며, 이 값들을 수동으로 입력할 필요가 없어 본질적으로 공구 선택과 이송/속도 결정 과정을 '포카요케(poka-yoke, 실수 방지)'합니다.

그럼에도 라운은 이러한 값을 약간의 소금(한계) 있게 받아들일 것을 제안했습니다. "프로그래머들은 일반적으로 고효율 밀링에 필요한 높은 이송률을 이해하지만, 증가된 절삭 속도의 잠재력을 간과하는 경향이 있습니다."라고 그는 말했습니다. "10% 스텝오버 시 권장 절삭 속도의 2배, 5% 시 3배로 하는 것이 좋은 경험적 규칙입니다. 물론 공작기계에 따라 달라지는데, 많은 기계가 작은 부품과 복잡한 지오메트리에서 특히 이러한 높은 스핀들 속도에서 적절한 칩 두께를 유지하는 데 필요한 이송률을 실제로 달성할 수 없기 때문입니다. 이 상황에서는 공구에 언더피딩(underfeeding)하게 되어 마찰과 조기 마모로 이어집니다."

스펙을 넘어

오쿠마 아메리카(Okuma America Corp., 노스캐롤라이나주 샬럿)의 제품 스페셜리스트 매니저 웨이드 앤더슨(Wade Anderson)에 따르면, 이송률과 급이송 속도만 보고 공작기계를 구매 결정할 때는 스프레드시트 너머를 봐야 합니다. 그는 이스카의 라운이 이송률에 대해 절대적으로 맞다고 말하며, 기계 구매자가 최대 이송률과 급이송 속도 같은 값들을 비교하는 차트만 보고 구매 결정을 내릴 때 "완전히 미치게 된다(absolutely bonkers)"고 말했습니다. "어떤 경우에도 스프레드시트를 보고 어떤 공작기계가 최선인지 증명할 수 없습니다."라고 그는 말했습니다.

장비 사양 비교는 공작기계 평가 과정의 필수 단계지만, 칩이 날리기 전에는 기계의 진가를 진정으로 테스트할 수 없습니다. 이는 현실적인 테스트 컷을 통해서만 가능하며, 가급적 자사 소재를 사용하는 것이 좋습니다(반드시 자사 절삭 공구와 툴패스일 필요는 없습니다). 귀사 상점이 고효율 밀링 곡선에 완전히 올라와 있지 않다면, 어떤 기계 데모도 (바라건대) 귀사 상점이 낯설 수 있는 프로그래밍 방법, 툴홀딩, 절삭 공구를 소개할 것입니다. 이 기술들은 성공하기 위해 절대적으로 필요합니다.

앤더슨은 공작기계 제조사, CAM 시스템, 절삭 공구를 세 개의 동등하게 중요한 구성 요소로 하는 삼각형으로 생각하라고 설명했습니다. "분명 워크홀딩과 절삭유 같은 다른 변수들도 가공 방정식에 들어오지만, 이 세 가지가 다른 것들이 뒤쫓고 결국 능가해야 할 혁신을 촉발하는 경향이 있습니다."라고 그는 말했습니다.

고이송, 칩 시닝, 트로코이달 밀링 전략을 활용하는 모든 애플리케이션에 대해 앤더슨은 이중 접촉 테이퍼와 페이스 연결이 있는 우수한 스핀들 설계, 높은 금속 제거율에 필요한 적절한 질량과 칩 배출 특성을 가진 기계 구조, 극한 처리 속도를 지원할 수 있는 컨트롤러를 갖춘 가공 센터를 추천합니다.

이 마지막 부분은 라운이 앞서 암시한 것을 반복합니다. 특정 이송률을 프로그래밍한다고 해서 공작기계가 결코 달성한다는 의미는 아닙니다. "오쿠마에게는 CAM과 절삭 공구 공급업체가 시장에 내놓는 어떤 혁신도 다룰 수 있는 플랫폼을 제공하는 것이 중요합니다."라고 앤더슨은 말했습니다. "이는 다이나믹 모션 제어와 함께 오는 엄청난 양의 데이터를 처리할 수 있는 기계 제어 및 서보 시스템, 기계가 최대 잠재력에 도달할 수 있게 하는 고급 가감속 및 저크 곡선을 의미합니다."

수명도 고려해야 합니다. 다이나믹 고속 밀링 시연을 보는 것과 수년간 이런 작업을 처리하는 것은 완전히 다릅니다. 앤더슨은 "기계에 충분한 질량이 없거나, 스핀들 연결이 올바르지 않거나, 컨트롤러가 따라가지 못하면 결과는 최적 이하일 것입니다. 모든 변수가 균형을 이루어야 최신 기술의 잠재력을 온전히 실현하고, 장기적으로 유지할 수 있습니다."라고 말했습니다.

오랜 친구, 세라믹

올바른 공작기계를 갖는 것은 한때 특수 애플리케이션에만 적합하다고 여겨졌던 절삭 공구의 문을 엽니다. 그린리프(Greenleaf Corp., 펜실베이니아주 세거타운)의 응용 엔지니어링 매니저이자 프로젝트 매니저인 마틴 딜라만(Martin Dillaman)은 세라믹이 이 범주에 속한다고 말했습니다.

"지난 5~10년간 공작기계가 마침내 세라믹 절삭 공구를 따라잡았다는 이야기를 지난주에 나눴습니다."라고 그는 말했습니다. "더 높은 스핀들 속도와 더 큰 기계 강성 덕분에 이 도구들을 과거보다 더 효과적으로 적용할 수 있게 되었습니다. 그래서 더 많은 상점이 이제 우리 제품을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 추가 개발 기회도 생겼습니다."

딜라만은 이 중 몇 가지 개발을 지적했는데, 대부분은 그린리프의 고객 및 그들의 CAM 제공업체와의 협업에서 비롯되었습니다. 여기에는 밀링 작업과 관련된 충격을 더 잘 흡수하는 위상 강화 세라믹(phase-toughened ceramics), 고전단 인덱서블 커터, 올해 말 출시 예정인 파인 피치 엑셀러레이터 엔드밀(fine-pitch Excelerator end mills) 라인, 그리고 자사의 허시컷(Hushcut) 채터 저감 지오메트리를 통한 초경 절삭 공구 진출도 포함됩니다.

"우리는 고객들이 고성능 밀링 전략으로 이동하는 수가 확실히 증가하는 것을 보고 있으며, 어떤 방식으로든 그들을 지원하기 위해 노력하고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 그들의 프로그래머 및 머시니스트와 앉아 그들이 절삭하는 소재와 사용하는 소프트웨어에 가장 적합한 가공 접근법을 개발하도록 돕습니다. 심지어 엔지니어링 부서에 맞춤 솔루션을 요청하는 한이 있더라도 말입니다. 요즘 많은 상점이 한계를 밀어붙이고 있으며, 그들에게 가능한 최대 성공을 안겨주는 것이 우리의 일입니다."