금형 제작을 위한 올바른 5축 CNC 밀 선택 가이드

과거에는 5축 CNC 밀이 항공우주 및 발전 설비 제조업체의 영역으로 개발되고 마케팅되었습니다. 그러나 최근 몇 년간 금형 제작자들 사이에서 5축 머시닝 센터 채택이 증가했습니다. 그렇다면 금형 제작용 5축 CNC 밀을 구매할 때 무엇을 봐야 할까요?

5축 CNC의 장점

금형 제작에 5축 가공을 도입하면 많은 장점이 있습니다. 그중 대표적인 몇 가지는:

설정 횟수 감소

5축 가공은 기계, 스핀들, 공구를 수용하기 위한 여러 설정 대신 한 번의 설정으로 복잡한 형상을 밀링할 수 있게 합니다. 이는 특히 복합 각도에 있는 구멍이나 특징 간 공차를 조여줍니다.

이는 전체 설정 시간도 줄여줍니다. 기계의 빠른 재배향은 몇 초면 되지만, 설정 변경은 복잡성과 부품 요구사항에 따라 수 시간이 걸릴 수 있습니다. 5축 기계는 소중한 시간을 절약해 작업 시간을 줄이고 더 많은 비즈니스를 수주할 수 있게 합니다.

더 짧은 커터로 정삭

완전한 5축 기능으로 공구 축을 부품 주위로 기울일 수 있어 더 짧은 커터와 더 작은 L/D(길이-직경) 비율을 사용할 수 있습니다. 이는 공구 진동과 처짐을 줄여 우수한 표면 마감을 제공합니다.

깊은 영역 가공

Z축에서 직진으로 도달하기 어려운 부품의 깊은 영역은 공구 축을 회전시키고 3+2 또는 동시 5축 작업을 수행해 밀링할 수 있습니다.

시간과 비용 절약

더 짧은 커터를 사용하면 처짐과 진동 감소로 더 빠른 이송 속도가 가능해지는 경우가 많습니다. 깊은 영역과 리브의 5축 CNC 밀링은 더 느린 EDM 작업의 필요성을 줄여 출하 시간을 단축합니다. 함께 보면 금형 제작에서 시간과 비용을 절약합니다.

전반적으로 5축 가공은 주요 특징에서 더 엄격한 공차로 우수한 부품을 더 짧은 시간에 제공해 비즈니스 경쟁력을 유지하게 해줍니다.

3+2 대 동시 5축

5축 가공을 논할 때 3+2축과 동시 5축 가공의 차이를 구별하는 것이 중요합니다. 일반적으로 5축 CNC 밀은 X, Y, Z 세 개의 선형 축을 가집니다. 또한 두 개의 회전 축(A&B, A&C, 또는 B&C)을 가집니다. 회전 축은 선형 축에 대응합니다. 예를 들어 회전 A축은 선형 X축을 중심으로 회전합니다. B축은 Y축, C축은 Z축을 중심으로 회전합니다. 금형 제작에 사용되는 대부분의 5축 밀은 A&C 또는 B&C 구성입니다.

3+2축 가공

기계가 두 회전 축을 사용해 위치로 회전한 후 전통적인 3축 절삭을 수행합니다. 먼저 회전하고 나서 절삭하지만, 동시에 하지는 않습니다. 임시 작업 평면을 위한 임의의 공구 벡터를 설정하고 거기서 3축 절삭을 수행한다고 생각하면 됩니다. 임시 작업 평면을 설정하므로 드릴링 같은 전통적인 통조림 사이클(canned cycles)을 3+2축 가공 중에 보통 사용할 수 있습니다.

3+2축 가공은 프로그래밍이 더 간단하다는 장점이 있습니다. Fusion 360은 3+2 작업을 특히 쉽게 만듭니다. 모든 밀링 작업에 단순히 체크박스 하나로 공구 재배향을 빠른 지오메트리 선택, 그래픽 핸들, 현재 뷰 정렬로 할 수 있습니다. 이 간소화된 프로그래밍 접근법으로 기계의 최대 성능을 쉽게 끌어낼 수 있습니다.

5축 동시 가공

이 모드에서는 회전 축을 선형 축과 동시에 사용할 수 있습니다. 즉, 다섯 축 모두를 동시에 사용합니다. 회전과 밀링을 동시에 수행합니다. 지속적인 움직임은 공구가 부품과 접촉한 상태를 유지하며 리트랙트(retract)나 블렌드 영역이 더 적을 수 있습니다.

Fusion 360도 동시 5축 작업을 제공해 복잡한 부품에 대한 용량을 늘리고 기계를 최대한 활용할 수 있게 합니다.

금형 제작에서 대부분의 5축 기계가 실제로 80% 이상(혹은 그 이상!)의 시간을 3+2축 밀링으로 수행한다는 점을 명심해야 합니다. 동시 가공은 일반적으로 3+2로 안 되는 특정 고유 용도에 예약됩니다.

기본 밀링 머신 차이

5축 CNC 밀 설계에는 다양한 스타일이 있습니다. 이 글에서는 단순화를 위해 회전 테이블형과 회전 헤드형 두 주요 그룹으로 나누겠습니다.

회전 테이블 설계는 부품이 장착된 테이블이 회전하는 방식으로, 일반적으로 C축 이동을 가집니다. 테이블이 다른 회전도 수행하는 경우(트러니언 케이스)나 스핀들이 한 축 회전으로 5축 기계를 완성하는 경우가 있습니다.

회전 헤드 설계는 일반적으로 스핀들이 장착된 너클(knuckle)을 사용합니다. 너클은 보통 두 축 회전을 허용하며, 일반적으로 A&C 또는 덜 흔하게 B&C입니다.

회전 테이블 설계의 몇 가지 장점:

• 회전 헤드 설계보다 높은 강성
• 회전 헤드 설계보다 더 큰 속도와 성능

회전 헤드 설계의 몇 가지 장점:

• 회전 테이블 설계보다 더 큰 작업 범위와 더 무거운 부품
• 회전 테이블 설계보다 고정 장치와 다중 부품에 대한 더 다양한 활용성

어떤 구성을 선택하든 Fusion 360은 프로그래밍을 간단하게 유지하기 위해 각 구성을 같은 방식으로 프로그래밍합니다. 빠르고 무료이며 완전히 커스터마이징 가능한 포스트 프로세서 라이브러리도 제공해 G-코드를 필요에 맞게 조정하고 부품을 올바르게 완성할 수 있습니다.

작업 영역 크기

5축 CNC 밀 구매 시 가장 큰 고려사항 중 하나는 작업 엔벨로프(work envelope) 크기입니다. 흔한 실수는 첫 구매 때 너무 작은 밀을 사는 것입니다.

3축 가공과 마찬가지로 캐비티 가공 시 기계의 Z 이동 거리가 중요합니다. 부품과 긴 공구가 부품에서 빠져나가기 위한 충분한 Z-이동이 필요합니다. 5축 기계에서는 부품 주변 모든 방향으로 공구 리트랙트를 위한 추가 클리어런스가 필요합니다.

쇼핑할 때 5축 기계를 고려할 때, 기계에서 사용할 가장 큰 부품을 고려하고 부품 주변 모든 방향으로 가장 긴 공구를 치수에 더하세요. 이는 충분한 클리어런스를 가진 밀을 구매하는 데 도움이 됩니다.

축 제한사항

5축 밀을 고려할 때 회전 축의 제한사항을 고려하세요. 회전 제한은 5축으로 가공할 수 있는 부품의 범위를 제한합니다. 백드래프트(backdraft) 조건이 있는 부품을 밀링해야 한다면 5축 CNC 밀이 이를 수행할 충분한 회전 능력을 가지고 있는지 확인하세요.

또한 일반적인 5축 밀을 사용하는 경우 C축에 제한이 있는지 없는지 확인하세요. 무제한 C축은 부품을 계속 회전시키며 밀링할 수 있게 합니다. 소다병 같은 물체를 생각해 보세요. 연속 C축으로 병을 위에서 아래까지, 백드래프트 영역까지 계속 회전시키며 밀링할 수 있습니다.

C축 회전에 제한이 있는 기계는 부품에서 멀어지고, 축을 풀고, 부품에 다시 접근해 밀링을 계속해야 합니다. 이러한 언와인드(unwind) 움직임은 단순히 제한 때문에 공중에서 움직이는 귀중한 밀링 시간을 낭비하게 합니다.

컨트롤러

밀링 기계 컨트롤러 없이는 그저 비싼 금속 덩어리일 뿐입니다. 그 역할은 선형 및 회전 축의 엔코더에서 데이터를 받아 모터가 다음에 무엇을 할지 제어하는 것입니다.

동시 5축에서 컨트롤러는 X, Y, Z 선형 움직임을 정확하게 동기화할 뿐만 아니라 회전 축도 관리해야 합니다. 구성 요소가 회전 중심에서 더 멀리 이동할 때 속도가 증가하므로 이는 더 어렵습니다.

모든 5축 컨트롤러가 동등하게 만들어지지 않습니다. 일부는 동기화를 더 잘 수행합니다. 일부는 동시 5축 수행 시 밀링 공정을 느리게 합니다. 5축 CNC 밀을 쇼핑할 때 동시 5축 모드에서 현실적으로 사용 가능한 속도를 살펴보는 것이 중요합니다.

5축 CNC 밀 구매 시 고려할 또 다른 사항: 컨트롤러가 3+2축 가공을 위한 작업 평면을 얼마나 잘 설정하는가? 모든 통조림 사이클이 어떤 기울기에서든 사용 가능한가? 포스트 프로세싱 출력에서 이를 관리하기 위해 무엇이 필요한가?

또 다른 고려사항은 컨트롤러에 RTCP(Rotation Tool Center Point) 설정 방식이 있는가? 이는 컨트롤러가 회전 중심에 대한 부품 원점을 알고 프로그래밍된 부품에 필요한 움직임을 정확하게 계산할 수 있는 곳입니다. RTCP(때로는 TCPM이라고도 함)의 어떤 형태는 보통 동시 5축에서 금형 부품을 정삭하는 데 사용됩니다.

공구 홀딩

고성능 스핀들과 공구를 사용할 때 공구 홀더 시스템은 전체 강성에 긍정적 또는 부정적 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 공구 홀더 클램핑 시스템은 홀더 외부에서 안쪽으로 압력을 가해 클램핑합니다. 다른 시스템은 홀더 내부에서 바깥쪽 힘으로 클램핑합니다. 후자 시스템인 안쪽에서 바깥쪽 힘으로 홀딩하는 방식은 고속 스핀들의 회전에서 오는 원심력에 의해 도움을 받습니다.

리니어 웨이 (Linear Ways)

대부분의 CNC 밀링 기계는 마찰을 줄이기 위해 볼 베어링을 포함한 볼스크류(ball screws)를 사용해 움직임을 제어합니다. CNC 기계의 최근 발전 중 하나는 모터와 볼스크류를 리니어 모터로 교체하는 것입니다. 리니어 모터가 장착된 기계의 비용은 일반적으로 더 높습니다. 하지만 평균적으로 더 높은 가속도, 더 높은 정밀도, 더 부드러운 작동을 제공할 수 있습니다.

이러한 장점은 중급 5축 CNC 밀과 비교한 것임을 명심하세요. 더 견고한 엔코더, 스케일, 스크류, 모터를 갖춘 고급 5축 밀은 리니어 모터에서 얻을 수 있는 것과 같은 속도와 정밀도를 제공합니다.

CAD 파일

5축 가공을 수행할 때 밀에서 프로그램을 실행하기 전에 CNC 프로그램을 시뮬레이션하고 검증하고 싶을 것입니다. 부품이나 헤드를 회전시키기 시작하면 기계-부품 충돌 가능성이 증가하기 때문입니다.

정확한 시뮬레이션은 정확한 5축 CNC 밀의 3D CAD 데이터에서 시작합니다. 기계의 정확한 표현 없이는 시뮬레이션이 기껏해야 추정일 뿐입니다. 여기에는 스핀들, 테이블, 어떤 스타일이든 회전하게 만드는 모든 부품이 포함됩니다.

일부 기계 공급업체는 밀의 CAD 파일을 제공하고, 일부는 비용을 청구하며, 다른 일부는 전혀 제공하지 않습니다. CAD 파일이 제공되든, 구매하든, 직접 설계하든, 실제 기계 치수와 3D 데이터를 검증해 정확한지 확인해야 합니다.

금형 제작에 5축 밀링을 추가하면 많은 이점이 있으며 마감을 개선하고 출하 시간을 단축하며 EDM 작업의 필요성을 줄일 수 있습니다.

5축 CNC 밀을 고려할 때, 생각보다 한 사이즈 큰 것을 고려하세요. 동시 5축 가공을 위한 RTCP 기능을 검증하세요. 3+2축 가공을 위한 다양한 임시 작업 평면 사용의 간편성을 확인하세요. 더 높은 속도, 정확도, 마감 품질을 위해 더 높은 품질의 견고한 부품을 고려하세요.

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