얼마전 경기도의 한 가공기업 대표는 “5축 가공 좋은 건 알겠는데 너무 어려워서 할 사람이 없고, 5축 가공기가 정밀하지 않다는 이야기도 있더라”면서 5축 가공 도입에 망설이는 이유를 토로했다. 2019년 현재, 그것도 대한민국에서 아직도 5축 가공은 먼 이야기 일까? 두산공작기계의 5축 가공 전문가와 설계자로부터 5축 가공의 현주소에 대해 직접 알아본다.
에디터 | 이상준
우리는 점점 더 복잡한 가공물을 가공해야 하는 상황에 처해왔다. 이는 제품 자체가 복잡해지는 수요 산업의 발달에 기인하는, 피할 수 없는 숙명과 같은 것이다. 이렇게 복잡해진 가공물에 대응하기 위해 가공 현장에서는 가공 공정을 늘려서 대응 해왔다. 여러 단계의 공정을 거쳐 가공하다 보면 각 공정마다 수반되는 세팅 작업에 긴 시간이 소요됨은 물론 비싼 치구 비용까지 발생하게 된다. 또한, 작업자가 워크를 세팅하다 보면 어쩔 수 없이 오차가 발생하게 되는데, 이 오차는 공정이 많을수록 누적되게 마련이다. 이는 결국 최종 결과물의 품질 문제로 이어지거나 재가공에 따른 손실 발생으로 나타나기도 한다.
5축 가공의 분명한 장점
복잡해지는 공정으로 인해 발생하는 어려움을 극복할 수 있는 가공 패러다임 중의 하나가 바로 5축 가공이다. 5축은 직교축 3개와 회전축 2개로 이루어지는데, 5축 장비가 3축 장비와 다른 점은 바로 ‘회전축’의 유무다. 이 회전축이 테이블에 고정된 면을 제외한 다섯 개 면을 모두 가공할 수 있게 한다.
5축 가공의 가장 큰 장점은 뭐니 뭐니 해도 공정을 줄여준다는 것이다. 단면 하나를 가공한 뒤 원하는 각도만큼 회전축을 돌려 또 다른 단면을 가공할 수 있기 때문에, 가공의 각 단계별로 발생하는 셋업 과정을 완전히 생략할 수 있다. 당연히 셋업 과정에서 발생하는 시간, 비용, 품질 문제가 함께 해소되는 것은 두말할 나위가 없다.
두 개의 부가된 회전축으로 인한 또 하나의 장점은 공구 활용에 대한 것이다. 예를 들어 3축 가공 시 바닥 면을 가공하려면 매우 긴 공구가 필요한데, 공구가 길면 진동으로 인한 채터가 발생할 수 있고, 이로 인해 공구 파손으로 인한 공구 비용 증가나 표면 조도 저하 등의 문제가 발생할 수 있다. 반면 5축 가공으로 축을 돌려서 가공할 경우 짧은 공구를 사용할 수 있어 긴 공구 때문에 발생하는 문제를 회피하면서 더 좋은 품질의 결과물을 얻을 수 있다.
분할 5축 가공 vs 동시 5축 가공
5축 가공은 크게 3+2축으로 대표하는 분할 5축 가공과 동시 5축 가공으로 나눌 수 있다. 3+2축 가공과 같은 분할 5축 가공의 경우 3개 직교축과 2개 회전축이 동시에 움직이지 않고, 한쪽 면을 가공한 뒤 원하는 각도만큼 회전축을 돌려 다음 면을 가공하는 식이다. 이런 분할 5축 가공만으로도 앞서 말한 공정 단축이나 공구 활용 등의 효과를 모두 볼 수 있다. 실제로 업계에서는 전체 5축 가공 중 분할 5축 가공을 사용하는 비중이 80%를 넘는 것으로 보고 있다. 일반 산업 또는 자동차 부품 가공 분야에서 분할 5축 가공이 많이 사용된다.
반면, 동시 5축 가공은 다섯 개 축이 동시에 움직일 수 있어 복잡한 형상이나 곡면을 손쉽게 가공할 수 있는 가공 방식이다. 임펠러, 블리스크 등과 같이 자유 곡면을 가진 복잡한 형상의 공작물은 동시 5축 가공으로만 가공이 가능하다. 항공 부품 분야에서는 동시 5축 가공이 많이 사용된다.
5축 가공을 구현하기 위해 3축 가공기에 로터리 테이블과 같은 부가 장치를 사용하기도 하는데, 아무래도 5축 가공을 위해 설계된 장비와 비교 했을 때 오차가 크고 로터리 테이블의 높이에 의한 스트로크 제한 등의 문제가 있을 수 있기 때문에 본격적으로 5축 가공을 위해서는 5축 가공기를 도입하는 것이 좋은 선택될 수 있다.
‘5축기는 정밀하지 않다’도 이제는옛말
가공 종사자들 사이에 회자되는 ‘5축에 대한 속설’ 중의 하나가 바로 5축 가공기는 정밀하지 않다는 것이다. 5축 가공 전문가인 두산공작기계 AE팀 장동식 부장은 “5축 가공기가 정밀도를 맞추기 어렵다는 것은 예전에는 맞는 말이었다. 5축 가공기의 경우 정밀도 유지를 위해 관리해야 할 포인트가 많은 것은 사실이기 때문이다. 그러나, 이제는 장비 자체의 정밀도도 높아졌고, 수작업으로 복잡하게 관리하던 예전과는 달리 쉽게 관리할 수 있는 다양한 솔루션들이 준비되어 있어 소비자들이 생각하는 정밀도 문제는 더이상 없다.”라고 밝혔다. 대표적인 예가 바로 두산공작기계가 제공하는 IKC(Intelligent Kinematic Compensation) 솔루션이다.
IKC는 X, Y, Z 3축과 A축, C축 등의 회전축을 자동으로 보정해주는 기능으로 업계에서는 ‘TCP 보정’ 또는 ‘회전축 중심 오차 보정’이라고 부르는 작업이다. 이 작업은 컨트롤러의 HMI에서 GUI 방식으로 편리하게 조작이 가능해 3~4분 내로, 준비 작업을 포함한다 해도 30분 내로 정밀도 확보를 위한 모든 보정을 완료할 수 있다. 예전에는 공작기계 제조사를 호출해야만 가능했던 이런 보정 작업을 장비 설치 직후는 물론, 정밀도가 잘 나오지 않을 때 수시로 또는 계절이 바뀌는 시기에 주기적으로 실시할 수 있다. 2~3년 전까지만 해도 IKC와 같은 5축 오차 보정 솔루션 도입에 미온적인 소비자가 많았지만, 최근에는 그 효용성에 대한 인식이 많이 개선되고 입소문까지 퍼져 5축기 도입 시 장착 비율이 많이 높아졌다.
IKC는 보정을 위한 소프트웨어와 터치 프루브, 데이텀 볼, 자동 공구길이 측정 장치, 마스터 툴 등 하드웨어가 패키지 옵션으로 제공된다. IKC를 사용하면 회전축 오차 보정은 물론 공구 길이 측정도 자동화하게 되고, 원하는 경우 제공되는 터치 프루브를 이용해서 정형화된 공작물 형상에 대한 길이, 단차, 원의 직경 등 단순한 형상에 대한 공작기계 장비 내 워크 측정까지 구현할 수 있는 효과를 덤으로 얻을 수 있다.
5축 가공은 어렵다? - 솔루션은 존재해
두산공작기계 AE 기술개발팀 장동식 부장은 “실제로 국내 가공 현장에 5축 가공을 위한 숙련된 인력이 부족한 것은 사실이다. 국내 시장에서 5축 가공 장비만 도입한 후 양산까지 자체적으로 수행할 수 있는 기업은 많지 않을것으로 예상하고 있다. 5축 가공이 가진 복잡함과 어려움 때문인데, 이제는 이런 어려움도 두산공작기계와 같은 장비 메이커의 지원을 통해 상당 부분 극복이 가능한 시대가 되었다.”라고 밝혔다.
두산공작기계는 5축 가공기를 도입한 기업이 5축 양산 단계까지 ‘소프트 랜딩’ 할 수 있는 어플리케이션 엔지니어링 (Application Engineering) 서비스를 지원하고 있다. 이 서비스는 장비 도입 시 필수적으로 진행하게 되는 장비 설치나 초기 보정 작업과 장비 조작 및 운영 교육은 물론, 기업이 사용하고 있는 CAM 소프트웨어를 통해 작성된 CAM 데이터가 5축 장비에서 원활하게 돌아갈 수 있도록 인터페이스 하는 작업인 PP(Post Process)를 사용자가 어려움 없이 셋업할 수 있도록 지원한다. 또한, 5축 장비 사용 시 필수적인 회전 중심축 보정, 공구 길이 측정, 공작물 측정 등을 위한 주변 기기와 소프트웨어 사용법을 사용자가 익힐 수 있도록 지원한다. 이렇게 도입한 5축 장비로 제품을 가공하기 전 단계까지 지원하는데, 고객이 원하는 경우 1~2개 정도의 실 가공까지 돕기도 한다. 5축 가공기를 도입하는 기업의 경우 대부분 가공에 대한 역량은 어느 정도 갖추고 있기 때문에 이런 기본적인 어플리케이션 엔지니어링 서비스 만으로도 5축 가공에 수월하게 입문하는 경우가 대부분이다.
턴키 방식의 어플리케이션 엔지니어링 서비스도 있다. 이는 앞서 말한 장비 도입 시 기본적으로 지원하는 수준을 넘어 고객사의 양산 준비를 위한 가공 기술까지 패키지로 지원하는데, 고객이 요구하는 수량 만큼의 시제품 가공까지 모두 지원하는 서비스다. 이런 컨설팅 서비스가 가능한 것은 두산공작기계가 다양한 산업 분야에서 가공 기술에 대한 노하우를 쌓아 왔기 때문이다. 두산공작기계 장비를 도입하면서 턴키 방식의 엔지니어링 서비스를 함께 구매하는 소비자는 점차 늘고 있는 추세다. 특히, 자동화가 결부된 프로젝트의 경우는 턴키 방식의 비중이 높다. 장동식 부장은 “5축 장비를 도입하는 소비자는 장비만 검토할게 아니라, 5축 가공 기술, 그리고 그에 수반되는 여러 가지 기능을 함께 익혀 양산 단계까지 준비할 수 있도록 해주는 서비스까지 제공하는 장비 제조사를 선택하는 것이 매우 중요하다.”라고 말했다.
두산공작기계의 5축 가공기 라인업
두산공작기계는 2009년 대량 양산에 들어간 컬럼 무빙 타입 5축 가공기 VC 630 5AX를 시작으로 5축 가공기 전체 라인업을 갖춘 회사다. 5축 가공기를 크게 구분하는 세가지 방식 즉, 테이블 틸팅 및 로테이션(TT), 테이블 로테이션 헤드 틸팅(TH), 그리고 헤드 틸팅 및 로테이션(HH) 타입을 모두 갖추고 있는데, 이와 함께 축의 방향에 따라 수직형 및 수평형 장비와 가공 가능한 공작물을 기준으로는 소형부터 대형 공작물까지 모두 커버하는 라인업이다. 또한, 엔트리 레벨 5축기인 DNM 시리즈에서 부터 초정밀 5축 가공기인 FM200에 이르기 까지 가성비와 초고성능 까지의 다양한 장비 스펙트럼을 갖추고 있다.
FM 시리즈
○ FM 시리즈는 항공, 의료 부품을 위한 42000 r/min의 초고속, 초정밀 5축 동시제어부터 복잡한 형상의 다면 가공을 경제적으로 가능하게 하는 4+1축 제어까지 사용자의 니즈에 따라 선택 가능한 고속 고정밀 5축 머시닝센터다.
DNM 시리즈
○ DNM 시리즈는 5축 가공에 입문하고자 하는 소비자를 위한 최적의 엔트리 레벨 5축 가공기다. DNM 만의 최적 설계구조를 적용했으며 컴팩트한 사이즈와 높은 생산성을 보여준다. 일반 부품 가공에 많이 사용된다.
DVF 시리즈
○ 두산공작기계 고유의 안정된 프레임 구조와 컴팩트한 사이즈의 새로운 5축 수직형 머시닝센터 DVF 시리즈는 5축 가공에 대한 신뢰성과 생산성을 대폭 향상 시켰다. DVF 8000T 모델은 별도의 공구 클램핑 시스템을 갖추고 있어 표면 조도가 우수하고 터닝과 밀링가공을 한번에 수행할 수 있어 복합 형상 공작물의 복합 가공이 가능하다.
VC/5AX 시리즈
○ 10년 가까이 5축기 분야 베스트셀러 였던 동시 제어 5축 머시닝센터 VC 630/5AX는 고속, 고강성 빌트인 스핀들을 장착하여 고속 가공에서부터 강력 절삭까지 복잡한 형상 가공을 한 번에 가능하게 한다.
VCF 시리즈
○ 컬럼 무빙 머시닝센터 VCF 시리즈는 별치형 및 매립형 C축 로터리 테이블과 B축 틸팅 헤드를 통해 3축부터 5축까지의 복합 가공에 유연하게 대응이 가능하다. 로터리 테이블 및 센터 파티션 등의 다양한 옵션을 적용해 작업 효율을 증대 시키고, 단일 기계로 생산성 향상과 고부가가치를 모두 노릴 수 있다.
DHF 시리즈
○ 다면가공이 가능한 노딩 헤드와 강력한 800mm 트윈-팔레트를 갖춘 동시 5축 수평형 머시닝센터 DHF는 항공용 터빈 케이스와 같이 크고 복잡한 공작물 가공에 최적이다. Glass scale과 스핀들, 볼스크류 샤프트 쿨링을 표준으로 적용해 정밀성을 확보했다.
HFP 시리즈
○ 대형 틸팅 테이블 장착 동시 5축 수평형 머시닝센터 HFP 시리즈는 고속 유니버셜 헤드를 장착해 높은 생산성과 우수한 칩처리 능력으로 복잡한 형상의 대형 항공 부품 가공에 최적화 되어 있다. 안정적 구조와 4,000x1,500mm에 이르는 동급 최대 가공 영역을 갖추고 있다.
BM 시리즈
○ 정확하고 견고한 5축 가공 문형 머시닝센터인 BM 시리즈는 안전성과 신뢰성이 높은 이중 컬럼(Double Column) 구조로 되어 있어 자동차, 사출 성형기 또는 프레스 몰드 등 대형 부품의 정밀 가공에 적합한 제품이다. 직선 이송계의 강성 및 정밀도 증대를 위해 롤러타입의 LM 가이드웨이를 적용했다.
완전히 새로운 프레임의 DVF 시리즈 등장
이미 5축 가공기 풀라인업을 갖춘 두산공작기계이지만, 2018년 완전히 새로운 두산공작기계 고유의 프레임을 장착한 장비 라인업을 발표했다. 10년 가까이 대량으로 판매된 베스트셀러 모델인 VC 630이 단일 모델로 가지고 있던 한계와 5축 장비에 대한 선택의 폭을 넓혀 달라는 고객의 요구 사항을 반영했다. 이로 인해 탄생한 DVF 시리즈는 신뢰성과 생산성을 월등히 향상시킨 두산공작기계 5축 가공기의 새로운 라인업으로 10년 이상 축적한 5축 가공기 기술을 바탕으로 향후 본격적으로 5축 가공기 시장을 공략하기 위해 대량 생산을 염두에 둔 장비다.
갠트리 타입 프레임의 고강성 - DVF 6500, 8000
DVF 시리즈는 가장 보편적이면서 기계 강성에서 가장 유리한 ‘테이블 틸팅 및 로테이션’ 타입 장비이다. 중대형 공작물 가공을 위한 DVF 6500, 8000은 A축 틸팅, C축 회전 방식의 테이블을 갖춘 장비이다. DVF 6500, 8000이 채택한 갠트리 타입 구조는 가이드 된 부분이 기계에 최대한 접근된 지점에서 가공하기 때문에 물리적 변형이 덜하고, 좌우 대칭인 구조이기 때문에 열변형이 덜하다는 큰 장점을 가지고 있는 구조다. 당연히 정밀도가 요구되는 대형 장비에 적합하다고 볼 수 있다. DVF 시리즈 개발에 참여한 두산공작기계 MC개발1팀 신종규 차장은 “전 세계 모든 공작기계 브랜드가 베드, 컬럼, 새들, 헤드바디로 구성되는 고유의 프레임 설계를 가지고 있다. 두산공작기계 역시 우리만의 고유의 5축기 프레임을 설계할 필요가 있었고, 가장 경쟁력있는 구조를 만들고자 했다.”라고 말하며, “설계 초기 단계에서 부터 철저하게 FEM 해석을 통한 가상 검증을 수행하면서 최적화된 모델을 찾아낸 결과 기존 장비 대비 처짐 현상을 무려 50%나 줄일 수 있었다.”라고 밝혔다. 강성이 높은 프레임을 확보해 장비 정밀도가 높아짐에 따라 선진 경쟁사 수준의 정밀도를 갖추게 되었고, 더불어 가격 경쟁력까지 확보하게 된 5축기가 바로 DVF 시리즈다.
DVF 8000의 터닝 기능
DVF 8000에는 5축 머시닝센터의 회전축인 C축을 회전시켜 터닝 가공을 가능하게 하는 프리미엄 기능인 터닝 기능이 추가되었다. 단일 셋업으로 가공을 마치고자 하는 5축 가공의 사상 처럼, 이제는 터닝 가공마저 5축 가공기 내에서 한 번의 셋업으로 끝내 버리자는 현장의 가공 니즈를 바탕으로 탄생 되었다. 개발 당시만 하더라도 국내에 이런 고급 기능을 사용하는 곳이 많지 않은 것으로 파악되었는데, 막상 DVF 8000 장비에 해당 기능이 탑재된 것이 알려지면서 많은 문의가 오고 있고, 실제로 판매되는 DVF 8000 장비의 반 정도에는 터닝 기능이 옵션으로 장착되고 있다. DVF 8000의 터닝 기능으로는 기어 가공을 위한 스카이빙 까지 구현이 가능하다. 로터리 테이블 C축의 회전과 주축 스핀들의 회전을 항상 일정한 속도와 방향으로 동기화 시키는 것이 중요한데, 이 동기화 기능이 터닝 기능과 함께 제공된다.
자동화와의 환상 케미 - DVF 5000
컬럼 무빙 타입 장비인 DVF 5000은 B축 틸팅, C축 회전 방식의 테이블을 적용했다. 이러한 구조는 장비의 폭을 줄여 컴팩트하게 만들 수 있고 칩처리에도 유리하다. 특히, 장비 우측 면을 통해 워크를 넣고 뺄 수 있어 AWC(Automatic Workpiece Changer)와 같은 자동화 장치로 소형 자동화를 구현할 때 절대적으로 유리하다. 실제로 최근 판매되고 있는 DVF 5000 장비는 대부분 AWC와 함께 납품이 되고 있는데, 이는 자동화 시장에 대한 두산공작기계의 전략적인 선택이 통하고 있다는 증거다. DVF 5000은 Ø500mm의 테이블이 기본으로 장착되며 최대 허용 중량은 400kg으로 주로 소형 공작물 가공을 위한 장비이다.
5축 가공과 자동화
앞서 여러 번 언급한 바와 같이 5축 가공은 한번의 세팅으로 완가공이 가능해 공정을 축약할 수 있다는 것이 생산성 향상의 가장 중요한 포인트다. 그런데, 더 나아가서 장비 비가동 시간을 발생시키는 워크 셋업 시간 마저 줄일 수 있다면? 5축 가공이 제공하는 공정 축약에 더해 워크의 로딩/언로딩에 대한 자동화까지 이루어지게 되면, 자재의 투입부터 가공 완료까지 작업자의 불필요한 투입이 없는 소위 ‘완전 자동화’를 이룰수 있다. 최근 국내 가공 현장에서는 근로 시간 단축 이슈와 맞물려 자동화가 다시 부각되고 있다.
가공 자동화의 좋은 시나리오
5축 장비는 멈춤 없이 가공을 하고 있다. 이와중에 작업자는 워크나 팔레트를 자동으로 교환해 주는 자동화 장치에서 이어서 가공할 워크 셋업 작업을 진행한다. 가공이 완료된 후에 자동화 장치는 결과물을 자동으로 적재해 준다. 이런 일련의 과정을 거치는 동안 우선, 작업자는 가공기에 얽메이지 않고 자유롭게 업무를 볼 수 있었다. 또한, 장비 가동 시간을 획기적으로 늘릴수 있는데, 예를 들어 작업자는 업무 시간인 8시간 동안 워크를 세팅한 후 퇴근하고, 장비는 24시간 연속으로 가공을 수행하는 시나리오가 가능해지고 실제로 현장에서 적용되고 있다. 이렇게 좋은 시나리오를 가능하게 하기 위해 필수적으로 갖춰야하는 것이 바로 5축 가공기와 AWC, LPS다.
공작물 자동 교환 솔루션 - AWC, LPS
두산공작기계의 공작물 자동교환 솔루션인 AWC(Automatic Workpiece Changer)는 워크를 올린 팔레트를 공작기계에 자동으로 위치시켜준다. 공압 방식의 제로 포인트 클램프를 적용해 팔레트 장착 시 높은 반복 정밀도를 보장한다. 갠트리 로봇 암이 움직여 팔레트를 이동시키는데, 팔레트 교체에 걸리는 시간은 1분 미만이다. 팔레트는 공작물의 크기에 따라 4개부터 24개까지 적용이 가능하다. 두산공작기계는 이미 오래전부터 자동 팔레트 교환장치를 공급해 왔으나, 2018년 7월 출시한 AWC는 컴팩트하게 설계해 공간 효율성과 작업 편의성을 제공하고 제로 포인트를 사용해 정밀도까지 높여 5축 가공 자동화에 더욱 적합해졌다.
AWC는 두산공작기계의 수직형 머시닝센터에는 전 기종에 장착이 가능하다. 특히, 자동화를 고려해 B축 틸팅 방식으로 설계한 DVF 5000과는 가장 좋은 궁합을 나타낸다. 5축 장비 한 대 가격에도 한참 못미치는 경제적인 비용으로 가공 자동화를 구축할 수 있어 좋은 반응을 얻고 있으며, 지속적으로 수요가 증가할 것으로 내다보고 있다.
5축 가공과 함께 높은 생산성을 발휘하게 해줄 또하나의 팔레트 자동화 솔루션으로 두산공작기계의 LPS(Linear Pallet System)가 있다. 주로 장시간 부품을 가공하게 되는 중대형물의 양산에 유리하기 때문에 DVF 6500 장비와 함께 연계하기에 유리하다. AWC와 LPS 설계를 담당한 두산공작기계 MC개발1팀의 장규빈 과장은 “LPS 솔루션을 적용한 해외의 한 기업은 구매한지 2년 만에 장비 가동 시간 1만 시간을 넘겼다. 자동화를 적용하지 않은 장비를 7년 동안 가동시켜서 겨우 1만 시간 정도 가동한 것을 감안하면 생산성이 3배 가량 증가한 놀라운 결과다.”라며 “국내의 경우에도 앞으로 근무 시간에 단축의 여파로 자동화에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 내다보고 있다. 동일한 수주 물량을 처리함에 있어서 더 적은 인원으로, 동일한 인원으로 더 많은 수주 물량을 처리할 수 있는 것이 5축 가공기에 자동화를 도입했을 때 얻을 수 있는 효과다.”라고 말했다.
취재 : 월간 매뉴팩쳐링
