5축 가공을 통한 맞춤형 금속 부품 제조

5축 가공을 통한 맞춤형 금속 부품 제조

작가:PFT, 선전

추상적인:첨단 제조 기술은 항공우주, 의료 및 에너지 분야 전반에 걸쳐 점점 더 복잡하고 고정밀인 금속 부품을 요구합니다. 본 분석은 최신 5축 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공이 이러한 요구 사항을 충족하는지 평가합니다. 복잡한 임펠러와 터빈 블레이드를 대표하는 벤치마크 형상을 활용하여 항공우주 등급 티타늄(Ti-6Al-4V)과 스테인리스강(316L)에 대해 5축 가공과 기존 3축 가공 방식을 비교하는 가공 시험을 수행했습니다. 그 결과, 5축 가공을 통해 가공 시간이 40~60% 단축되고 표면 조도(Ra)가 최대 35% 향상되었으며, 이는 셋업 감소와 공구 방향 최적화 덕분입니다. 공차 ±0.025mm 이내의 형상에 대한 형상 정확도는 평균 28% 향상되었습니다. 상당한 사전 프로그래밍 전문 지식과 투자가 필요하지만, 5축 가공은 이전에는 구현할 수 없었던 형상을 뛰어난 효율성과 마감으로 안정적으로 생산할 수 있도록 합니다. 이러한 기능은 5축 기술을 고부가가치의 복잡한 맞춤형 금속 부품 제작에 필수적인 기술로 자리매김하게 합니다.

1. 서론
항공우주(더 가볍고 더 강한 부품 요구), 의료(생체 적합성 및 환자 맞춤형 임플란트 필요), 에너지(복잡한 유체 처리 부품 필요) 등 산업 전반에 걸쳐 성능 최적화를 위한 끊임없는 노력은 금속 부품 복잡성의 한계를 넓혔습니다. 제한된 공구 접근성과 여러 가지 필수 설정으로 제약되는 기존의 3축 CNC 가공은 복잡한 윤곽, 깊은 캐비티, 그리고 복합 각도가 필요한 형상을 가공하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 한계는 정확도 저하, 생산 시간 연장, 비용 증가, 그리고 설계 제약으로 이어집니다. 2025년까지 고도로 복잡하고 정밀한 금속 부품을 효율적으로 제조하는 능력은 더 이상 사치가 아닌 경쟁력 있는 필수 요소가 될 것입니다. 3개의 선형 축(X, Y, Z)과 2개의 회전 축(A, B, C)을 동시에 제어할 수 있는 최신 5축 CNC 가공은 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 이 기술은 절삭 공구가 단일 설정으로 거의 모든 방향에서 공작물에 접근할 수 있도록 하여 3축 가공의 고유한 접근 제한을 근본적으로 극복합니다. 이 글에서는 맞춤형 금속 부품 생산을 위한 5축 가공의 구체적인 기능, 정량적 이점, 실제 구현 고려 사항을 살펴봅니다.

2. 방법
2.1 설계 및 벤치마킹
Siemens NX CAD 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 제조에서 흔히 발생하는 과제를 구현한 두 가지 벤치마크 부품이 설계되었습니다.

임펠러:높은 종횡비와 좁은 간격을 갖춘 복잡하고 뒤틀린 칼날이 특징입니다.

터빈 블레이드:복합 곡률, 얇은 벽, 정밀한 장착 표면을 통합했습니다.
이러한 설계는 의도적으로 언더컷, 깊은 포켓, 비직교적 공구 접근을 필요로 하는 기능을 통합하여 3축 가공의 한계를 특별히 타깃으로 삼았습니다.

2.2 재료 및 장비

재료:항공우주 등급 티타늄(Ti-6Al-4V, 열처리 조건)과 316L 스테인리스 스틸은 까다로운 응용 분야와 독특한 가공 특성과의 관련성을 고려하여 선택되었습니다.

기계:

5축:DMG MORI DMU 65 모노블록(하이덴하인 TNC 640 제어).

3축:HAAS VF-4SS(HAAS NGC 제어).

압형:황삭 및 정삭 가공에는 케나메탈과 샌드빅 코로만트의 코팅 솔리드 초경 엔드밀(다양한 직경, 볼 노즈, 플랫 엔드)을 사용했습니다. 절삭 조건(속도, 이송, 절삭 깊이)은 공구 제조업체의 권장 사항과 제어된 테스트 절삭을 사용하여 소재 및 기계 성능에 따라 최적화되었습니다.

작업 홀딩:정밀하게 가공된 맞춤형 모듈식 고정 장치는 두 기계 유형 모두에서 견고한 클램핑과 반복 가능한 위치 조정을 보장했습니다. 3축 시험의 경우, 회전이 필요한 부품은 일반적인 작업 현장 관행을 시뮬레이션하여 정밀 다웰을 사용하여 수동으로 재배치했습니다. 5축 시험은 단일 고정 장치 설정 내에서 기계의 모든 회전 기능을 활용했습니다.

2.3 데이터 수집 및 분석

사이클 타임:기계 타이머에서 직접 측정되었습니다.

표면 거칠기(Ra):부품당 5개의 주요 위치에서 Mitutoyo Surftest SJ-410 프로파일로미터를 사용하여 측정했습니다. 재료/기계 조합별로 3개의 부품을 가공했습니다.

기하학적 정확도:Zeiss CONTURA G2 좌표 측정기(CMM)를 사용하여 스캔했습니다. 주요 치수 및 기하 공차(평탄도, 직각도, 프로파일)를 CAD 모델과 비교했습니다.

통계 분석:사이클 시간과 Ra 측정값에 대한 평균값과 표준 편차를 계산했습니다. CMM 데이터는 공칭 치수 편차 및 공차 준수율을 분석했습니다.

표 1: 실험 설정 요약

3. 결과 및 분석
3.1 효율성 향상
5축 가공은 상당한 시간 절감 효과를 보였습니다. 티타늄 임펠러의 경우, 5축 가공은 3축 가공 대비 사이클 시간을 58% 단축했습니다(2.1시간 vs 5.0시간). 스테인리스 스틸 터빈 블레이드는 42% 단축되었습니다(1.8시간 vs 3.1시간). 이러한 효과는 주로 여러 번의 셋업과 그에 따른 수동 조작/재고정 시간을 없애고, 최적화된 공구 방향을 통해 더 길고 연속적인 절삭을 통해 더욱 효율적인 툴패스를 구현한 데 기인합니다.

3.2 표면 품질 개선
표면 거칠기(Ra)는 5축 가공을 통해 지속적으로 향상되었습니다. 티타늄 임펠러의 복잡한 블레이드 표면에서 평균 Ra 값은 32% 감소했습니다(0.8µm 대비 1.18µm). 스테인리스강 터빈 블레이드에서도 유사한 개선이 관찰되었습니다(Ra는 35% 감소, 평균 0.65µm 대비 1.0µm). 이러한 개선은 일정하고 최적의 절삭 접촉각을 유지하고, 공구 길이를 짧게 하여 공구 강성을 향상시킴으로써 공구 진동을 감소시켰기 때문입니다.

3.3 기하학적 정확도 향상
CMM 분석 결과, 5축 가공 시 뛰어난 기하학적 정확도가 확인되었습니다. 핵심 형상의 엄격한 ±0.025mm 공차 범위 내 유지율이 크게 증가했습니다. 티타늄 임펠러의 경우 30%(92% 준수, 62% 대비), 스테인리스 스틸 블레이드의 경우 26%(89% 준수, 63% 대비) 증가했습니다. 이러한 개선은 3축 가공에서 필요한 여러 번의 설정 및 수동 위치 조정으로 인해 누적되는 오차를 제거한 데 따른 것입니다. 복합 각도가 요구되는 형상에서 정확도가 가장 크게 향상되었습니다.

*그림 1: 비교 성능 지표(5축 대 3축)*

4. 토론
이 결과는 복잡한 맞춤형 금속 부품에 대한 5축 가공의 기술적 이점을 명확히 보여줍니다. 사이클 시간의 상당한 단축은 부품당 비용 절감 및 생산 능력 향상으로 직결됩니다. 향상된 표면 조도는 수작업 연마와 같은 2차 마무리 작업을 줄이거나 없애고, 비용과 리드타임을 더욱 단축하는 동시에 부품의 일관성을 향상시킵니다. 이러한 기하학적 정확도의 향상은 부품의 기능과 안전이 매우 중요한 항공우주 엔진이나 의료용 임플란트와 같은 고성능 애플리케이션에 매우 중요합니다.

이러한 장점은 주로 5축 가공의 핵심 기능인 동시 다축 이동을 통해 단일 셋업 가공을 가능하게 하는 것에서 비롯됩니다. 이를 통해 셋업으로 인한 오류와 처리 시간이 줄어듭니다. 또한, 최적의 공구 방향을 지속적으로 유지하여 이상적인 칩 부하와 절삭력을 유지함으로써 표면 조도를 향상시키고, 공구 강성이 허용하는 경우 더욱 공격적인 가공 전략을 가능하게 하여 속도 향상에 기여합니다.

그러나 실제 적용을 위해서는 한계를 인정해야 합니다. 고성능 5축 기계와 적합한 툴링에 대한 자본 투자는 3축 장비보다 훨씬 높습니다. 프로그래밍 복잡성은 기하급수적으로 증가합니다. 효율적이고 충돌 없는 5축 툴패스를 생성하려면 고도로 숙련된 CAM 프로그래머와 정교한 소프트웨어가 필요합니다. 가공 전 시뮬레이션과 검증은 필수 단계입니다. 고정 장치는 전체 회전 이동을 위한 강성과 충분한 여유 공간을 모두 제공해야 합니다. 이러한 요소들은 작업자와 프로그래머에게 필요한 기술 수준을 높입니다.

실질적인 의미는 명확합니다. 5축 가공은 속도, 품질, 그리고 성능 측면에서 높은 운영비와 투자를 정당화하는 고부가가치의 복잡한 부품에 적합합니다. 단순한 부품의 경우 3축 가공이 더 경제적입니다. 성공은 기술과 숙련된 인력, 그리고 강력한 CAM 및 시뮬레이션 도구에 대한 투자에 달려 있습니다. 제조 용이성(DFM)을 고려한 부품 설계 과정에서 5축 가공 기능을 최대한 활용하기 위해서는 설계, 제조 엔지니어링, 그리고 가공 현장 간의 조기 협업이 매우 중요합니다.

5. 결론
최신 5축 CNC 가공은 기존 3축 가공 방식에 비해 복잡하고 정밀한 맞춤형 금속 부품 제조에 있어 탁월한 솔루션을 제공합니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

상당한 효율성:단일 설정 가공과 최적화된 툴패스를 통해 사이클 시간이 40-60% 단축됩니다.

향상된 품질:최적의 도구 방향과 접촉으로 인해 표면 거칠기(Ra)가 최대 35%까지 향상되었습니다.

뛰어난 정확도:여러 설정에서 발생하는 오류를 제거하여 중요한 기하학적 허용 오차를 ±0.025mm 이내로 유지하는 데 평균 28% 증가했습니다.
이 기술을 사용하면 3축 가공으로는 실행 불가능하거나 비실용적인 복잡한 기하학적 형상(깊은 캐비티, 언더컷, 복합 곡선)을 생산할 수 있어 항공우주, 의료, 에너지 분야의 끊임없이 변화하는 요구에 직접적으로 대응할 수 있습니다.

5축 가공에 대한 투자 수익률을 극대화하기 위해 제조업체는 정밀도와 리드타임이 경쟁에서 중요한 요소인 고도로 복잡하고 가치 있는 부품에 집중해야 합니다. 향후 연구에서는 실시간 품질 관리 및 폐루프 가공을 위해 5축 가공과 공정 중 계측 기술을 통합하여 정밀도를 더욱 향상시키고 불량률을 줄이는 방안을 모색해야 합니다. 인코넬이나 경화강과 같이 가공이 어려운 소재에 5축 유연성을 활용하는 적응형 가공 전략에 대한 지속적인 연구 또한 중요한 방향을 제시합니다.