최적 결과를 위한 필수 CNC 가공 설계 가이드라인

사실 CNC 가공은 다재다능하지만 모든 설계가 가능한 건 아닙니다. 즉, 원활한 가공을 위해 인지해야 할 제한과 제약이 있습니다. 두 가지 주요 CNC 설계 제한사항은:

공구 기하학 (Tool Geometry)

대부분 CNC 절삭 공구는 제한된 절삭 길이를 가집니다. 또한 모두 원통형 형상과 기하학으로 나옵니다. 공작물에서 소재를 제거할 때 이 절삭 공구들은 원통형 기하학을 공작물에 전이시킵니다. 이 때문에 절삭 공구 크기와 상관없이 공작물 내부 코너는 항상 반경을 가집니다.

공구 접근성 (Tool Access)

상당한 깊이-폭 비율을 가진 공작물 작업 시 공구 접근성이 주요 관심사가 됩니다. 이 우려는 CNC 기계가 위에서 공작물에 절삭 공구를 적용해 절삭하기 때문입니다.

즉, 위쪽 각도에서 접근 불가능한 공작물 가공은 어렵습니다. 이 규칙의 유일한 예외는 CNC 가공 부품의 언더컷 가공 시 발생합니다.

부품 또는 구성요소 특징을 6개 주 방향 중 하나에 정렬하는 것이 이 공구 접근성 과제 완화 방법 중 하나입니다. 또한 우수한 공작물 유지 능력을 가진 5축 CNC 가공을 사용하면 공구 접근성이 더 이상 제한되지 않습니다.

CNC 가공 설계 모범 사례 및 권장사항

CNC 가공 세계에는 일반적으로 인정되는 표준 세트가 없습니다. 이는 주로 산업과 사용 기계가 끊임없이 진화하기 때문입니다. 하지만 설계 품질을 최고로 유지하는 데 도움이 되는 몇 가지 모범 사례와 권장사항이 있습니다. 이 권장사항들은 다음과 같습니다:

1. 내부 모서리 (Internal Edges)

내부 모서리 생성 시 수직 코너 반경은 캐비티 깊이의 최소 1/3이어야 합니다. 권장 코너 반경을 사용하면 권장 캐비티 깊이를 가진 직경 공구를 쓸 수 있습니다.

권장값보다 약간 큰 코너 반경은 90도 각도 대신 원형 경로로 절삭할 수 있게 해 더 나은 품질의 표면 마감을 만듭니다. 90도 각도가 필요하다면 코너 반경을 줄이는 대신 T-본 언더컷을 사용하는 것이 권장됩니다.

2. 구멍 (Holes)

구멍 생성을 위해 머시니스트는 드릴 비트나 엔드밀 공구를 쓸 수 있습니다. 설계 시 구멍 직경 결정 가이드로 미터법 또는 인치법 표준 드릴 비트 크기를 사용하는 것이 최선입니다.

기술적으로 1mm 초과 모든 치수가 가능합니다. 머신 오퍼레이터는 정밀 공차가 필요한 구멍 마무리에 리머와 보링 공구를 사용합니다. 20mm 미만 고정밀 구멍에는 표준 직경 사용이 최선입니다.

CNC 가공용 부품 설계 시 모든 구멍의 최대 제안 깊이는 공칭 직경의 4배지만, 40배까지 가능합니다. 공칭 직경은 보통 10배 비율입니다.

3. 나사산 (Threads)

CNC 가공 제품 개발 시 사용하는 최소 나사산 크기는 M2지만, M6 이상이 보통 이상적입니다. 머시니스트는 CNC 나사산 가공기로 M6까지 작은 나사산을 절삭해 탭 파손 위험을 줄일 수 있습니다.

최소 나사산 길이는 공칭 직경의 1.5배, 권장 길이는 공칭 직경의 3배입니다. M6 미만 나사산의 경우 구멍 바닥에 공칭 직경 1.5배 길이의 비나사산 구간을 추가해야 합니다. M6 초과 나사산은 구멍 전체 길이에 걸쳐 나사산 가공하는 것이 최선입니다.

4. 캐비티와 포켓 (Cavities and Pockets)

엔드밀 공구는 절삭 길이 제한이 있어, 모든 설계에서 업계 권장 캐비티 깊이는 폭의 4배입니다. 더 낮은 깊이-폭 비율은 칩 배출 향상, 공구 편향 감소, 진동 감소로 이어집니다.

CNC 설계에 더 깊은 깊이가 필요하나요? 이 과제 해결법 중 하나는 가변 캐비티 깊이와 특수 공구 사용입니다.

5. 작거나 돌출된 텍스트 (Small or Raised Text)

부품 번호나 회사명으로 부품 마킹이 필요할 수 있습니다. 텍스트 추가는 맞춤 CNC 설계에서 정말 멋져 보이지만 가공에 시간이 많이 걸립니다. 전기화학적 에칭이나 레이저 마킹이 보통 더 낫습니다.

가공 유형별 CNC 부품 설계 모범 사례

모범 사례 유지와 CNC 가공 기초 지식은 부품 또는 제품 고품질 보장에 도움이 됩니다. 이를 염두에 두고 가공 유형별 CNC 가공 부품 설계 시 염두에 둬야 할 모범 사례들입니다.

1. CNC 밀링 설계

CNC 밀링은 둥근 커터로 원재료에서 소재를 급속 제거해 원하는 형상을 얻는 가공 기술입니다. 밀링 기계는 3축부터 12축까지 다양한 설계로 나옵니다.

1.1 흔히 구할 수 있는 절삭 공구

CNC 부품 설계 아이디어 생성 시 CNC 밀링용으로 흔히 구할 수 있는 여러 공구(엔드밀 커터 등)를 고려하세요. 흔한 공구로 필요 특징과 기하학 제작이 가능하면 비용과 리드타임이 크게 줄어듭니다.

설계 시 공구 표준 크기도 고려하세요. 표준보다 작은 반경 설계는 설계 복잡성과 비용을 초래합니다.

1.2 날카로운 내부 코너 피하기

밀링 공구로 날카로운 코너 달성은 불가능합니다. 이유는 여기에 쓰이는 절삭 공구가 둥글기 때문입니다. CNC 밀링 사용 시 코너에 반경이 필요하며, 이를 만드는 커터보다 커야 합니다. 이상적으로 절삭 공구 직경은 만드는 반경의 2배입니다.

필렛은 경사지거나 드래프트된 표면이 수직 벽이나 날카로운 모서리와 만날 때도 필요합니다. 표면이 공구에 수직이고 평평하지 않으면 스퀘어 또는 볼 엔드밀은 항상 벽과 아래 표면 사이에 소재를 남깁니다.

1.3 깊고 좁은 슬롯 피하기

긴 공구는 진동과 편향이 심해 표면 마감이 나빠집니다. 따라서 엔드밀 최종 절삭 깊이는 플라스틱 절삭 시 직경 15배, 알루미늄 절삭 시 10배, 강철 절삭 시 5배를 넘지 않아야 합니다.

예를 들어 0.5" 엔드밀로 가공 강철 제품에 0.55" 폭 슬롯을 자를 때 깊이는 2.75" 이하여야 합니다. 이전 점에서 내부 필렛 반경도 공구 직경에 의존하므로, 이 경우 내부 반경은 0.25"보다 커야 합니다.

1.4 가능한 최대 내부 반경으로 설계

더 큰 커터 = 단위 시간당 더 많은 소재 제거 = 가공 시간과 비용 감소. 설계 시 허용되는 최대 내부 반경을 항상 사용하세요. 가능하면 0.8mm 미만 반경은 피하세요.

또한 엔드밀 반경보다 필렛을 약간 크게 만드세요. 예: 0.125"(3.175mm) 대신 0.130"(3.3mm) 반경 사용. 밀이 더 매끄러운 경로를 따라가 표면이 더 고운 마감이 됩니다.

2. CNC 터닝 설계

CNC 터닝은 선반에서 축 대칭과 원통형 기하학을 가진 부품을 만드는 가공 공정입니다. 공정은 공작물을 회전 척에 고정하고 절삭 공구가 원하는 형상으로 절삭하는 방식입니다. 이 가공 공정은 더 나은 표면 마감과 타이트한 공차를 만듭니다.

터닝 기계를 사용한 CNC 절삭 설계 팁입니다:

2.1 날카로운 내부 및 외부 코너 피하기

CNC 가공 설계 시 내부와 외부 모두 날카로운 코너는 피하는 게 중요합니다. 내부 코너에 반경 추가는 공구가 더 큰 표면으로 올라가는 걸 방지하는 한 방법입니다. 또 다른 방법은 가파른 측벽을 약간 경사지게 하는 것입니다. 단일 선반 절삭 공구로 윤곽 가공이 더 단순해질 수 있어 공정 수가 줄어듭니다.

2.2 길고 얇은 부품 피하기

길고 얇은 터닝 부품은 고르지 않게 회전하고 공구에 채터를 일으키기 쉬우니 피하세요. 긴 부품 제작 시 자유단에 센터 드릴 공간을 남기고 센터를 사용해 부품이 똑바로 회전하게 하세요. 게다가 길이-직경 비율을 일반적인 지침으로 8:1 이하로 유지하세요.

2.3 얇은 벽 피하기

밀링과 비슷하게 과도한 소재 제거는 구성요소에 불필요한 응력을 줍니다. 너무 얇은 벽도 강성을 낮춥니다. 하지만 얇은 벽은 타이트한 공차 유지를 어렵게 만듭니다. 이 때문에 터닝 구간 벽 두께를 설계 시 0.02인치(약 0.5mm) 이상으로 유지하는 게 최선입니다.

2.4 특징 대칭성 (Feature Symmetry)

터닝 부품에 추가되는 모든 특징은 일반적으로 터닝 축을 중심으로 대칭이어야 합니다. 축 대칭이 아닌 기하학이나 특징 추가는 더 복잡한 가공과 셋업을 필요로 합니다. 계단, 테이퍼, 챔퍼, 곡선은 터닝에 훌륭한 특징입니다.

가끔 터닝 부품에 축 대칭이 아닌 특징 추가가 필요해 다른 작업이 필요할 수 있습니다. 이 경우에도 약간의 대칭성은 유지할 수 있습니다.

3. 드릴링 설계

이 용어는 공작물에 구멍 생성 작업에 쓰입니다. 이 작업에 쓰이는 공구는 원뿔형 팁을 가져 가공 중 소재 깊숙이 들어갈 수 있습니다.

CNC 드릴링용 설계 생성 시 다음 제안사항 고려하세요:

3.1 적절한 구멍 깊이

드릴링은 가장 가까운 비트 직경의 12배를 초과해 깊어지면 안 됩니다. 이유는 이 길이 이상 드릴 비트는 강성을 잃고 타이트한 공차 유지 능력을 잃으며 파손될 가능성이 높기 때문입니다. 더 깊게 파야 하면 구멍 직경을 키우는 것도 고려하세요.

하지만 깊은 구멍이 필수라면 부품 양쪽에서 드릴링하는 대안이 있습니다. 두 번째 가공 셋업이 필요해 제조 공정이 더 오래 걸리고 비싸진다는 점을 명심하세요.

3.2 부분 구멍 피하기

팁이 방황할 가능성이 크므로 부분 구멍은 피하는 게 최선입니다. 하지만 구멍 일부만 필요하다면 드릴 축을 소재 위에 두어 부품이 구멍 대부분을 잡게 하세요.

3.3 드릴 축을 표면에 수직으로 유지

드릴 축은 팁 방황 방지를 위해 표면에 수직이어야 합니다. 원형 물체 표면에 얕은 평바닥 포켓을 가공하면 드릴이 부품 표면에 수직으로 진입할 수 있게 해줍니다. 파일럿 홀 사용이 이 과제 해결에 최선이지만, 이 선택은 CNC 부품 설계보다 CNC 기계 프로그래밍 단계에서 필요해집니다.

3.4 캐비티 관통 드릴링 피하기

CNC 설계 아이디어에서 드릴 구멍 위치 계획 시 부품에 기존 캐비티가 없는지 확인하세요. 드릴 구멍이 캐비티와 약간 교차하는 건 필요하면 괜찮습니다. 단, 구멍 중심축이 교차해야 합니다.