CNC 밀링 가공 부품에 측면 구멍, 경사면, 곡면 또는 여러 면에 형상이 있는 경우, 공작 기계의 축 수는 가공 접근성과 총 생산 비용 모두에 영향을 미칠 수 있습니다. 단순한 부품의 경우 3축 가공만으로도 충분할 수 있지만, 회전 형상이나 복잡한 각도가 포함된 부품의 경우 4축 또는 5축 가공이 필요할 수 있습니다. 올바른 구성을 선택하는 것은 종종 부품 형상이 공구 경로, 공작물 고정 방식 및 공차와 어떻게 상호작용하는지에 달려 있습니다.
이 기사에서는 3축, 4축, 5축 가공 방식을 비교하고, 공작물의 구조, 공차 요구 사항, 비용 및 리드 타임을 고려하여 실용적인 공정을 선택하는 방법을 설명합니다.
3축 가공이란 무엇인가요?
3축 가공은 다음의 표준적인 토대입니다. CNC 밀링. 이러한 설정에서 절삭 공구는 X, Y, Z 선형 축을 따라 이동하는 반면, 공구의 방향은 일반적으로 스핀들에 대해 고정된 상태를 유지합니다.
이 설정은 대부분의 형상을 하나의 고정된 공구 방향에서 가공할 수 있는 직육면체 형상의 부품에 일반적으로 사용됩니다. 이 방법을 통해 가공되는 일반적인 기하학적 형상으로는 평면, 계단형 면, 직선형 슬롯, 얕은 포켓, 드릴 구멍 및 표준 외부 윤곽 등이 있습니다.
3축 가공의 장점
3축 가공은 공작물의 형상이 단순하고, 고정된 공구 방향에서 대부분의 가공 부위에 접근할 수 있을 때 실용적입니다. 이 방식의 장점은 표준 CNC 공작물의 경우 세팅이 간편하고, 직접 프로그래밍이 가능하며, 가공에 드는 부수적인 비용이 적다는 점에 있습니다.
- 간편한 설정: 간편한 공작물 고정 방식과 단축된 준비 시간 덕분에 생산 개시가 빨라집니다.
- 공통 부품 특징: 주로 평면, 얕은 홈, 드릴 구멍 및 나사산 구멍에 사용됩니다.
- 가공 비용 절감: 가공 비용을 낮추고 프로그래밍을 간소화하면 표준 부품의 가공 비용을 절감할 수 있습니다.
- 안정적인 생산: 성숙한 공정을 통해 표준 부품의 반복 생산에 3축 가공을 실용적으로 활용할 수 있습니다.
3축 가공의 한계
3축 가공의 주요 제약 사항은 다면체 부품이나 복잡한 곡면을 다룰 때 두드러지게 나타납니다. 이러한 한계로 인해 수작업이 늘어나고, 개별 공정 간에 편차가 발생할 수 있습니다.
- 추가 리픽스처링: 면이 여러 개인 부품의 경우 수동으로 뒤집고 다시 고정해야 하므로 취급 시간이 늘어납니다.
- 제한된 측면 접근: 측면 가공에는 대개 추가적인 설정, 각도 가공 공구 또는 다른 가공 전략이 필요합니다.
- 설정 오류 위험: 부품을 수시로 수동으로 회전시키면 공정 간에 설정 오차가 누적될 가능성이 있습니다.
- 복잡한 표면 제한: 복잡한 곡면 가공에는 광범위한 점대점 공구 경로가 필요하며, 이는 사이클 시간에 영향을 미칠 수 있습니다.
4축 가공이란 무엇인가요?
4축 가공 표준 선형 이동 방식에 일반적으로 A축(X축을 중심으로 회전) 또는 B축(Y축을 중심으로 회전)으로 지정되는 하나의 회전축을 추가하여 구현됩니다. 이러한 구성을 통해 공작물을 회전시킬 수 있으므로, 공구는 단일 가공 공정 내에서 여러 면을 가공할 수 있습니다.
이러한 추가적인 이동 기능을 통해 기계는 단일 프로그램 사이클 내에서 공작물의 여러 면을 가공할 수 있습니다. 이 기능은 부품에 방사형 구멍, 원주 방향 홈, 나선형 슬롯 또는 중심 원통축이나 다면체 형상 주위에 분포된 평면 형상이 필요한 경우에 자주 검토됩니다.
4축 가공의 장점
4축 가공은 여러 평면이나 원통형 표면에 걸쳐 분포된 형상이 있는 부품을 가공할 때 유용합니다. 이는 5축 가공에서 발생하는 추가 비용과 프로그래밍의 복잡성을 일부 피하면서도 공정 단계를 압축할 수 있는 실용적인 방법을 제공합니다.
- 수동 설정 감소: 부품을 회전시키면 다면 가공 작업 시 수동으로 공작물을 다시 고정해야 하는 번거로움을 자동으로 줄여줍니다.
- 더 나은 측면 접근성: 부품의 외곽선을 따라 연속 절단 또는 인덱스 절단을 수행할 수 있습니다.
- 회전식 정밀 가공: 반경 방향 구멍, 원형 슬롯, 키홈 및 나선형 형상의 가공에 유용합니다.
- 개선된 기능 간 관계: 한 번의 세팅으로 여러 면을 가공하면 피처 간의 위치 공차를 유지하는 데 도움이 됩니다.
4축 가공의 한계
회전축을 추가하면 유연성이 높아지지만, 4축 가공은 단일 회전 평면으로 인해 한계가 있습니다. 복잡하고 다방향적인 형상을 가진 부품의 경우 여전히 2차 가공 공정이 필요할 수 있습니다.
- 로터리 축 1개: 이동은 하나의 회전축으로 제한되므로, 복합 각도 형상의 경우 여전히 별도의 설정이 필요하거나 다른 가공 방법이 필요할 수 있습니다.
- 제한된 합각: 축에서 벗어난 포트, 기울어진 면 또는 복잡한 각도의 표면은 특수한 고정 장치나 5축 가공이 필요할 수 있습니다.
- 경기 일정 확정: 로터리 테이블과 척의 경우, 공구 간섭을 방지하기 위해 간극을 신중하게 계획해야 합니다.
- CAM 검증 관련 추가 정보: 프로그래밍에는 회전축 간의 연동이 필요하기 때문에 시뮬레이션의 필요성이 커지고 있습니다.
5축 가공이란 무엇인가요?
5축 가공 3개의 선형 축과 2개의 회전 축을 사용하여, 공구 또는 공작물이 더 넓은 범위의 제어된 각도에서 부품에 접근할 수 있게 합니다.
이 제품은 깊은 충치, 자유 형상 표면, 임펠러, 금형, 항공우주 구조물 및 복합 각도를 가진 부품에 대해 자주 검토됩니다.
5축 가공의 장점
5축 가공은 구조용 부품, 곡면 및 복잡한 각도가 필요한 부품에 유용합니다. 경우에 따라 공구를 더 유리한 각도로 배치할 수 있어, 복잡한 형상에서도 더 짧은 공구를 사용하고 더 안정적인 절삭 조건을 확보할 수 있습니다.
- 도구 이용 편의성 향상: 추가 축을 통해 경사진 면, 언더컷 및 복잡한 표면에 대한 공구 접근성이 향상됩니다.
- 더 나은 공구 각도: 공구를 소재에 대해 더 유리한 각도로 배치하면 표면 상태를 개선하고 공구 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 복잡한 설정 과정이 줄어듭니다: 복잡한 다면체 부품의 경우 세팅 횟수가 줄어들어, 공정 간 수동 재위치 작업이 감소할 수 있습니다.
- 복잡한 표면 가공: 복잡한 곡면 형상의 경우, 부드럽게 동시에 움직이는 방식이 자주 사용됩니다.
5축 가공의 한계
5축 가공은 비용, 프로그래밍 작업 및 검증 요건을 증가시키므로, 공작물의 형상이 이를 정당화할 때에만 적용해야 합니다. 높은 장비 비용과 프로그래밍의 복잡성으로 인해, 5축 가공은 선별적으로 적용되어야 합니다.
- 높은 기계 비용: 설비 투자액이 늘어나면 운영 비용도 증가한다.
- 복잡한 프로그래밍: 고급 CAM 소프트웨어, 정밀한 포스트프로세서, 그리고 엄격한 시뮬레이션 프로토콜이 필요합니다.
- 추가 충돌 검사: 이동축, 공작물 고정 장치 및 스핀들이 서로 매우 가까이 위치해 있으므로, 충돌 여부를 꼼꼼히 확인해야 합니다.
- 항상 경제적인 것은 아니다: 단순한 판재, 표준 구멍, 슬롯 또는 복잡도가 낮은 부품의 경우, 5축 가공이 항상 경제적인 것은 아닙니다.
3축, 4축, 5축 가공의 차이점은 무엇인가요?
세 가지 가공 방법은 단순히 축의 수뿐만 아니라 여러 측면에서 차이가 있습니다. 이는 공구가 공작물에 접근하는 방식, 필요한 세팅 횟수, 처리 가능한 공작물의 복잡도, 그리고 프로그래밍 및 총 비용의 변화에 영향을 미칩니다. 다음은 실제 가공 결정 요소를 바탕으로 한 비교입니다.
축 운동
3축 가공은 X, Y, Z축의 직선 이동을 이용하며, 공구의 방향은 일반적으로 고정된 상태를 유지합니다. 4축 가공은 회전축 하나를 추가하여, 공작물을 단일 중심선을 기준으로 인덱싱하거나 회전시킬 수 있게 합니다. 5축 가공은 두 개의 회전축을 추가하여, 가공 중에 공구 또는 공작물의 각도 이동을 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 합니다. 이러한 차이는 기계의 움직임뿐만 아니라, 부품의 배치 방식, 공구가 재료에 접근하는 방식, 그리고 가공 전략의 수립 방식에도 영향을 미칩니다.
도구 이용
특정 방향에서 가공이 가능한 경우, 일반적으로 3축 가공으로 충분합니다. 측면이나 원주 주변에 가공 부위가 위치한 경우, 4축 가공이 뚜렷한 이점을 제공합니다. 복합 각도, 깊은 캐비티 또는 자유 형상 표면이 포함된 가공 부위의 경우, 5축 가공을 고려해 볼 가치가 더 커집니다.
설정
3축 가공의 경우, 다면 부품의 경우 부품을 뒤집거나 재고정해야 할 수 있어, 공작물 고정 준비 작업이 추가되고 가공 시간이 늘어날 수 있습니다. 4축 가공은 공작물을 회전시켜 스핀들에 다른 면이 자동으로 노출되도록 함으로써 수동 재고정 작업을 줄일 수 있습니다. 5축 가공은 복잡한 공작물의 경우 세팅 횟수를 더욱 줄일 수 있으며, 종종 더 적은 세팅 횟수로 다면 가공을 완료할 수 있게 해줍니다. 다만, 모든 공작물에 5축 공정이 적합한 것은 아닙니다.
부품 복잡성
3축 가공은 단순한 직육면체 형상의 부품, 평판, 그리고 한 면에만 형상이 있는 부품에 적합합니다. 4축 가공은 샤프트, 슬리브, 원형 슬롯, 방사형 구멍, 다면 하우징과 같은 다면 또는 회전 형상에 적합합니다. 5축 가공은 복잡한 각도 형상, 자유 형상 표면, 깊은 캐비티, 그리고 지속적이고 조화로운 공구 위치 조정이 필요한 임펠러에 적합합니다.
정확도
축 수가 많다고 해서 반드시 정밀도가 높아지는 것은 아닙니다. 실제 부품 정밀도는 기계 상태, 고정 장치의 강성, 공구 경로 전략, 절삭 공구, 재료의 안정성 및 검사 요건에 따라 달라집니다. 그러나 다축 기계는 수동으로 위치를 재조정할 필요 없이 서로 다른 면에서 여러 공정을 수행함으로써 누적되는 설정 오차를 줄일 수 있습니다.
프로그래밍
3축 CAM 프로그래밍은 공구의 방향이 변하지 않기 때문에 일반적으로 더 간단하며 시뮬레이션도 최소한으로만 필요합니다. 4축 프로그래밍의 경우, 단일 평면상에서 원활한 회전이 이루어지도록 회전축과 고정 장치를 고려해야 합니다. 5축 프로그래밍은 복잡한 움직임을 추적하기 위해 보다 상세한 CAM 프로그래밍, 전용 포스트 프로세싱, 기계 시뮬레이션 및 세심한 충돌 검사가 필요합니다.
비용
3축 가공은 일반적으로 기계 및 프로그래밍 비용이 저렴하여, 기본적인 형상의 경우 흔히 선택되는 저비용 옵션입니다. 4축 가공은 3축 가공보다 비용이 더 들 수 있지만, 다면 부품의 세팅 시간을 단축할 수 있습니다. 5축 가공은 기계 비용과 엔지니어링 준비 비용으로 인해 비용이 더 많이 들지만, 복잡한 부품의 경우 지그 작업, 수동 세팅 시간 또는 총 가공 공수를 줄일 수 있습니다.
애플리케이션
3축: 판, 브래킷, 홈, 구멍, 얕은 포켓, 표준 직육면체 형상 부품.
4축: 샤프트, 슬리브, 방사형 구멍, 키홈, 원형 슬롯, 밸브 본체, 매니폴드, 다면 하우징.
5축: 임펠러, 터빈 블레이드, 금형, 항공우주 구조물, 의료용 임플란트, 깊은 캐비티 및 복잡한 자유형 표면.
3축, 4축, 5축 가공 중 어떤 것을 선택해야 할까?
공작 기계의 축 구성을 결정할 때는 단순히 축 수를 늘리는 것을 우선시하기보다는, 항상 공작물 도면과 가공 요구 사항부터 고려해야 합니다. 공작물의 구조, 가공 면의 수, 측면 형상, 공차 관계, 표면 복잡도, 총 비용 등은 모두 최종 가공 공정에 영향을 미칩니다.
부품 구조
먼저 해당 부품이 단순한 직육면체 부품인지, 다면체 부품인지, 아니면 복잡한 자유형 부품인지 검토해 보십시오. 평면, 표준 구멍, 슬롯 및 단순한 포켓은 대개 3축 가공에 적합합니다. 방사형 구멍, 원형 슬롯, 키홈 또는 나선형 형상이 있는 부품은 4축 가공을 고려하는 것이 더 나을 수 있습니다. 깊은 캐비티, 복합 각도 및 자유 형상 표면은 5축 가공이 필요할 수 있습니다.
가공면
특징이 포함된 주면이 하나뿐인 공작물은 대개 3축 가공에 적합합니다. 특징이 공통 중심선을 둘러싼 여러 측면 면에 분포되어 있는 경우, 4축 가공을 통해 별도의 세팅 없이도 해당 부위에 접근할 수 있습니다. 공작물에 복합 각도나 비표준 각도로 배향된 면이 여러 개 있는 경우, 해당 표면에 도달하기 위해 5축 가공을 고려하는 경우가 많습니다.
부가 기능
둥근 형상이나 다면 형상에 가로 관통 구멍, 방사형 슬롯, 키홈, 측면 포트 또는 원주 방향 홈이 필요한 설계의 경우, 이러한 형상 요소들 때문에 4축 가공을 고려해 볼 가치가 있는 경우가 많습니다. 이를 통해 공작물이 인덱싱될 때 공구가 중심선에 대해 적절한 접근 각도를 유지할 수 있으므로, 3축 가공기에서 각진 쐐기형 고정 장치를 제작하거나 여러 번의 수동 세팅을 수행할 필요가 없어집니다.
복잡한 표면
자유 형상 프로파일, 연속 곡선 또는 여유 공간이 좁은 깊은 포켓의 경우, 5축 가공 자주 평가됩니다. 공구 기울기를 지속적으로 조정할 수 있는 기능 덕분에 짧은 볼노즈 엔드밀도 복잡한 형상을 부드럽게 따라갈 수 있으며, 이로 인해 공구의 편향과 진동을 방지하는 동시에, 축 수가 적은 가공 기계에서는 어렵거나 비효율적일 수 있는 정밀한 표면 마감을 달성하는 데 도움이 됩니다.
허용 오차
서로 다른 면들 사이에 정밀한 위치 관계가 있는 경우, 반복적인 세팅 횟수를 최소화하는 것이 매우 중요합니다. 4축 또는 5축 가공을 통해 누적된 세팅 오차를 줄일 수 있지만, 최종 정밀도는 여전히 기계 상태, 고정구, 공구 및 검사 방법에 따라 달라집니다.
비용 및 리드 타임
적절한 공정 경로를 결정하려면 기계의 시간당 단가와 총 생산 비용을 비교하여 균형을 맞춰야 합니다. 단순한 부품의 경우, 5축 공작 기계의 높은 시간당 단가가 비용 대비 효율성이 떨어질 수 있으므로 3축 또는 4축 가공이 더 실용적일 수 있습니다. 반대로, 소량 생산되는 복잡한 부품의 경우, 5축 가공을 통해 특수 지그의 필요성을 줄이고, 여러 공정을 통합하며, 리드 타임을 단축할 수 있습니다.
결론
3축, 4축, 5축 가공은 단순히 성능의 우열을 가리는 문제가 아닙니다. 3축 가공은 일반적으로 표준적인 단면 형상 및 기본적인 직육면체 부품에 적합합니다. 4축 가공은 측면 구멍, 원주형 홈, 다면 인덱싱 가공에 주로 고려되며, 5축 가공은 복합 각도, 깊은 캐비티, 복잡한 자유 형상 표면에 자주 사용됩니다. 최종 선택은 공작물의 형상, 공작물 고정 전략, 공차 요구 사항, 배치 크기, 리드 타임 및 총 가공 비용을 고려하여 결정해야 합니다.
