측면에 구멍이 있거나, 측면 형상이 복잡하거나, 원통형 단면을 가진 부품을 가공할 때는 종종 CNC 가공에 있어 특수한 접근 방식이 필요합니다. 표준 3축 밀링으로 확보할 수 있는 접근 범위보다 더 넓은 접근이 필요하지만, 반드시 완전한 5축 설정이 필요한 것은 아닌 경우, 4축 가공이 실용적인 대안이 되는 경우가 많습니다.
제어 가능한 회전축을 추가함으로써, 이 기계는 수동 설정 횟수를 줄이면서도 측면 구멍, 방사형 슬롯, 원주 방향 홈, 경사면 및 여러 가공 표면을 가공할 수 있습니다. 이 기사에서는 4축 가공이 무엇인지, 작동 원리, 주요 유형, 장점과 한계, 그리고 이 공정에 일반적으로 적합한 부품에 대해 설명합니다.
4축 가공이란 무엇인가요?
4축 가공은 표준 X, Y, Z 선형 축에 회전축 하나를 추가한 CNC 가공 방식입니다. 이 추가된 회전축 덕분에 가공 과정에서 공작물을 회전시킬 수 있어, 절삭 공구가 더 적은 횟수의 세팅만으로 여러 면, 측면 형상 또는 원형 형상에 접근할 수 있게 됩니다.
그렇다고 해서 모든 부품에 4축 가공을 적용해야 한다는 뜻은 아닙니다. 이 방식은 형상상 측면 접근, 각도 위치 지정 또는 회전 가공이 필요한 경우에 가장 유용하며, 이러한 가공을 수행하려면 3축 가공기에서 부품을 반복적으로 제거하고 뒤집고, 위치 표시를 하고, 다시 고정해야 할 필요가 있습니다. 이러한 구성은 기존에는 빈번한 수동 재고정이나 복잡한 인덱서 설정이 필요했던 부품의 생산 과정을 간소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
4축 가공은 어떻게 이루어지나요?
대부분의 4축 가공 프로젝트는 CAD 모델과 CAM 프로그래밍으로 시작되지만, 이 공정의 가장 큰 특징은 가공 과정에서 회전축을 어떻게 활용하는지에 있습니다. 4축 설정에서는 공작물을 회전 테이블, 인덱서 또는 4축 고정대에 장착합니다. CNC 프로그램은 X, Y, Z축의 선형 이동을 제어하는 동시에 제4축의 회전도 제어합니다. 이를 통해 공작물을 지그에서 분리하지 않고도 위치를 재조정하거나 회전시킬 수 있으며, 프로그램 실행 주기 동안 스핀들에 대한 공작물의 방향을 변경할 수 있습니다.
이를 달성하기 위해, 이 시스템은 선형 공구 경로와 제어된 공작물 방향 간의 균형을 맞춥니다:
-
직선 절단 운동: 절삭 공구는 X, Y, Z 축을 따라 이동하며, 노출된 면에 작용하여 밀링, 드릴링 또는 슬롯 가공 작업을 수행합니다.
-
회전 위치 결정: 4축은 공작물을 필요한 각도로 회전시켜, 다른 면이나 특정 반경 방향의 형상을 기계 스핀들에 맞출 수 있도록 합니다.
-
단일 설정 액세스: 여러 면, 측면 구멍, 슬롯 또는 원형 형상은 작업자가 수동으로 공작물을 다시 고정할 필요 없이 순차적으로 가공할 수 있는 경우가 많습니다.
-
데이터 제어: 회전 중에도 공작물이 고정된 상태를 유지하기 때문에, 서로 다른 면에 걸쳐 있는 다양한 가공 부위 간의 관계를 더 쉽게 추적하고 확인할 수 있습니다.
4축은 인덱싱 위치 결정과 연속 회전 모두에 사용할 수 있습니다. 인덱싱 가공에서는 절삭이 시작되기 전에 공작물이 고정된 각도까지 회전하여 제자리에 고정됩니다. 연속 가공에서는 회전축이 절삭 공구와 동시에 이동하며, 이는 원통형 윤곽, 나선형 홈 및 감싸인 형상의 가공에 유용합니다.
4축은 어떤 역할을 하나요?
4축은 스핀들에 대해 공작물을 제어된 방식으로 재조정할 수 있는 수단을 제공합니다. 특정 축(대개 X축)을 중심으로 공작물을 회전시킴으로써, 기계는 공작물과 절삭 공구 간의 각도를 변경하여, 그렇지 않으면 공작물 고정 장치에 가려져 접근할 수 없었던 표면까지 가공할 수 있게 됩니다.
이 기능은 측면 구멍, 원주 방향 홈, 경사면 또는 단일 블록의 여러 표면에 분포된 형상이 필요한 공작물에 유용합니다. 공작물이 회전하는 동안 고정된 상태를 유지하기 때문에, 4축은 이러한 서로 다른 형상들 간의 위치 일관성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 수동 반전 및 2차 위치 설정에 대한 의존도를 줄여, 다단계 3축 가공 과정에서 발생할 수 있는 정렬 오류를 방지하는 데 도움이 됩니다.
4축 가공의 종류
4축 가공은 회전축이 절삭 공구와 어떻게 상호작용하는지에 따라 분류됩니다. 주요 방법으로는 인덱싱 가공과 연속 가공이 있습니다.
인덱싱 방식의 4축 가공
‘3+1 가공’이라고도 불리는 인덱싱 4축 가공은 공작물을 특정 각도로 회전시킨 후 제자리에 고정하는 과정을 포함합니다. 원하는 각도에 도달하면, 회전축은 고정된 상태를 유지한 채 기계가 표준 가공을 수행합니다. 밀링, 드릴링 또는 슬롯 가공 작업.
이 방법은 장착 구멍이나 평평한 면과 같이 여러 면에 형상이 필요한 부품에 일반적으로 사용됩니다. 절삭 중 축이 고정되기 때문에, 이 설정은 절삭 시 더 뛰어난 강성을 제공하며 프로그래밍도 대체로 간단합니다. 이는 정확한 각도 위치 지정이 필요한 하우징, 브래킷, 각종 공구 플레이트와 같은 부품에 널리 사용되는 옵션입니다.
4축 연속 가공
연속 4축 가공은 절삭 공정 중 회전축과 선형축이 동기화되어 움직이는 방식을 말합니다. 이러한 설정에서 공구가 재료를 밀링하는 동안 공작물이 회전하므로, 복잡하거나 곡선형, 또는 감싸진 형태의 형상을 가공할 수 있습니다.
이 공법은 공구 경로가 공작물의 곡률을 따라가는 나선형 홈, 캠, 원통형 윤곽과 같은 형상을 가공하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이러한 가공 동작은 기계 축 간의 동기화가 필요하기 때문에, CAM 환경에서 공구 경로의 정확성을 검증하고 간섭 위험을 줄이기 위해 세심한 계획이 필요합니다.
4축 가공의 장점
4축 가공의 가장 큰 장점은 여러 공정을 단일 세팅으로 통합할 수 있다는 점이며, 이는 생산 측면에서 여러 가지 이점을 제공합니다. 4축 가공이 모든 부품에 대해 무조건 더 나은 것은 아니지만, 부품에 측면 가공, 회전 형상이 필요하거나, 전체 가공의 복잡성 없이 세팅 횟수를 줄여야 하는 경우에는 더 실용적일 수 있습니다. 5축 프로세스.
-
설정 단계가 줄어듭니다: 작업자는 각 측면 가공 부위마다 공작물을 제거하고, 뒤집고, 위치를 표시하고, 다시 고정할 필요가 없으므로, 세팅 시간을 단축하고 취급 시 발생하는 편차를 줄일 수 있습니다.
-
더 나은 위치 일관성: 서로 다른 면의 형상을 동일한 기준점을 사용하여 가공할 수 있으므로, 중첩된 세팅 오류의 위험을 줄일 수 있습니다.
-
부가 기능에 대한 접근성 개선: 별도의 고정 장치를 여러 개 제작하는 대신, 공작물을 회전시켜 스핀들에 측면 구멍, 방사형 홈, 경사면 및 원형 형상을 가공할 수 있습니다.
-
보다 효율적인 다면 가공: 수동 재고정 작업을 줄이면 가공면이 여러 개인 부품의 세팅 및 가공 시간을 단축할 수 있습니다.
-
중간 수준의 복잡도를 가진 부품에 적합합니다: 3축 가공이 제공하는 접근성보다 더 넓은 접근성이 필요하지만, 공구의 지속적인 기울임이나 완전한 5축 기능이 필요하지 않은 부품의 경우 유용할 수 있습니다.
4축 가공의 한계
4축 가공은 다용도로 활용될 수 있지만, 모든 다축 가공 전략을 대체할 수는 없으므로 공정 계획 단계에서 고려해야 할 특정 제약 사항이 있습니다.
-
회전축이 하나뿐인 경우: 회전 자유도가 하나뿐이기 때문에, 공구가 복합 각도로 기울어져야 하는 복잡한 다축 가공을 수행할 수 없습니다.
-
고정 장치의 여유 공간과 작업 범위를 반드시 확인해야 합니다: 회전 테이블, 인덱서 또는 4축 고정 장치는 기계 내부 공간을 차지합니다. 경우에 따라 고정 장치가 접근 문제를 해결해 주지만, 공구, 척, 회전 테이블 및 기계 외장 사이의 간섭 문제를 새롭게 야기하기도 합니다. 대형 공작물이나 측면에서 접근해야 하는 부위의 경우, 가공 전에 고정 장치와 간섭 여부에 대한 검토가 필요합니다.
-
더 복잡한 CAM 프로그래밍: 공구, 공작물 및 고정구 간의 충돌이 발생하지 않도록 보장하기 위해서는 연속적인 4축 경로의 경우, 표준 3축 가공보다 더 정교한 소프트웨어와 검증 절차가 필요합니다.
-
단순한 부품의 경우 항상 비용 효율적이지는 않습니다: 단일 3축 설비로 가공이 가능한 평면 또는 단순한 형상의 경우, 4축 장비로 인한 추가적인 비용 부담이 필요하지 않을 수 있습니다.
-
복잡한 자유 형상 기하학적 구조의 경우 제한 사항: 매우 복잡한 자유형 표면이나 깊고 다방향으로 뻗은 공동의 경우, 4축 가공기의 성능을 여전히 초과할 수 있어 다른 가공 전략이 필요할 수도 있습니다.
4축 가공이 적절한 방법인지 여부는 구체적인 공작물의 형상, 요구되는 공차, 재질, 생산량, 그리고 가공 표면의 정밀도 요구 사항을 바탕으로 평가해야 합니다.
4축 가공의 적합한 부품 및 적용 분야
부품 형상상 여러 면에 접근해야 하거나, 원형 형상이 포함되거나, 특정 각도 관계가 필요한 경우 4축 가공이 종종 검토됩니다.
-
브래킷 및 하우징: 볼트 구멍, 장착면 또는 측면 형상이 여러 면에 위치하여 공구 접근을 위해 회전이 필요한 경우에 유용합니다.
-
축 및 슬리브: 원통형 표면에 직접 가공되는 홈, 슬롯, 키홈 또는 감싸인 형상에 적합합니다.
-
밸브 본체 및 매니폴드형 부품: 부품의 서로 다른 면에 걸쳐 포트나 가공면이 정렬 상태를 유지하고 위치 관계를 유지해야 할 때 유용합니다.
-
고정구 및 공구 부품: 위치 결정 오차가 누적되는 것을 방지하기 위해, 단일 세팅으로 여러 기준 피처를 가공해야 할 때 적합합니다.
-
소형 정밀 부품: 방사형 구멍, 곡선형 슬롯, 측면 포트 또는 여러 개의 정렬된 면이 있는 소형 가공 부품은, 특히 반복적인 재고정 작업이 형상 간의 관계에 영향을 미칠 수 있는 경우, 4축 가공을 고려하는 경우가 많습니다. 이러한 부품은 로봇 공학, 자동차, 항공우주 또는 의료 기기 조립 분야에서 사용될 수 있습니다.
결론
4축 가공은 공작물에 측면 구멍, 원통형 형상, 다면 형상 또는 설비 관련 공차 위험이 있는 경우에 가장 유용합니다. 도면을 조기에 검토하면 형상, 공차 요구 사항, 재료, 배치 크기 및 가공 표면 요구 사항 등을 고려하여 4축 가공 방식의 적용이 타당한지 확인할 수 있습니다.
