5축 CNC 기계: 기본 가이드

1. 개요

공작기계는 한 국가의 제조 기술 수준을 상징합니다. 공작 기계 제조의 정점은 5축 연동형 수치 제어 공작 기계 시스템으로 대표됩니다.

어떤 측면에서는 한 국가의 산업 발전 현황을 반영합니다. 오랫동안 미국을 중심으로 한 서구 선진국에서는 5축 연동형 수치 제어 공작 기계 시스템을 중요한 전략 자원으로 취급하여 수출 허가 제도를 시행해 왔습니다.

특히 냉전 시대에는 중국과 구소련과 같은 사회주의권 국가에 대한 봉쇄와 금수 조치가 취해졌습니다. 지난 세기 말 일본의 도시바가 구소련에 5축 연동 수치 제어 밀링 머신을 여러 대 판매한 '도시바 사건'이 있었습니다.

그 결과 잠수함 프로펠러를 업그레이드하여 미국 첩보함의 소나에 탐지되지 않도록 만들었습니다. 따라서 미국은 도시바를 전략 물자 금수 위반으로 처벌했습니다.

머시닝 센터는 강력한 통합 가공 기능을 갖추고 있습니다. 공작물을 한 번 클램핑하면 높은 정밀도로 상당한 양의 가공을 완료할 수 있습니다.

특히 중간 난이도 배치 부품의 경우 일반 공작 기계가 할 수 없는 많은 작업을 수행할 수 있어 효율성이 일반 공작 기계의 5~10배에 달합니다. 특히 다음과 같은 생산에 적합합니다. 복잡한 모양 고정밀 단위 또는 소규모 다품종 생산에 적합합니다.

현대 제조업에서 정밀 가공은 점점 더 보편화되고 있습니다. 정밀 가공을 가능하게 하는 고급 CNC 기계와 금형은 제조 산업 체인의 최전선에 자리 잡고 있습니다. 금형 제품의 품질은 CNC 장비에 크게 좌우됩니다.

치열한 시장 경쟁 속에서 제조업은 더 짧은 생산 주기, 더 높은 처리 품질, 더 빠른 제품 리툴링 능력, 더 낮은 제조 기술을 요구합니다.

이러한 조건을 충족하기 위해 점점 더 많은 제조 회사들이 하이엔드급 CNC 기계 도구 - 4축 및 5축 가공 기계.

3축 공작 기계에는 직교 이동 축(일반적으로 X, Y, Z 축으로 정의됨)이 3개만 있으며 세 방향의 선형 동작 자유도만 얻을 수 있다는 것을 알고 있습니다.

따라서 가공 공구 축 방향을 따라 구조물을 가공할 수 있습니다. 측면 구조 피처는 가공할 수 없습니다. (3축 공작 기계는 여러 세트의 픽스처를 설계하고 여러 번 설치, 위치 지정 및 클램핑해야 하며 전체 가공을 분해하여 가공 주기가 길어지고 품질이 크게 저하됩니다.) 3축 공작 기계는 가공 주기가 길어지고 품질이 크게 저하됩니다.

제한되지 않은 도구(또는 공작물)는 공간에서 6개의 자유도를 가집니다. 실제로는 금속 절단를 사용하면 공작물과 공구 사이에 엄청난 절삭력과 마찰력이 발생합니다.

공작물의 위치가 움직이지 않도록 클램핑하여 고정해야 합니다. 5축 CNC 가공이란 하나의 공작 기계에 최소 5개의 좌표축(3개의 선형 좌표와 2개의 회전 좌표)이 있어 컴퓨터 수치 제어 하에 동시에 조정 및 처리할 수 있는 것을 말합니다.

5축 연결 CNC 공작 기계 시스템은 임펠러, 블레이드, 선박 프로펠러, 중장비 발전기 로터, 터빈 로터, 대형 디젤 엔진 크랭크샤프트 등을 가공할 수 있는 유일한 수단입니다.

복잡한 표면 가공을 위해 특별히 설계된 첨단 고정밀 공작 기계로 항공, 항공우주, 군사, 연구, 정밀 기기, 고정밀 의료 장비 산업 등에 큰 영향력을 발휘하고 있습니다.

임펠러는 임펄스 증기 터빈에서 로터의 일부를 구성하는 움직이는 날개가 장착된 휠과 휠에 장착된 회전 날개의 조립체를 모두 의미합니다.

증기 터빈 발전기는 증기 터빈으로 구동되는 발전기를 말합니다. 보일러에서 생성된 과열된 증기가 터빈으로 들어가서 팽창하면서 날개를 돌리면 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다.

작업 후 사용한 스팀은 응축기, 순환수 펌프, 응축수 펌프, 급수 가열 장치 및 기타 구성 요소를 통해 재활용하기 위해 보일러로 반환됩니다.

5축

표준 좌표계는 오른손잡이 데카르트 좌표계입니다. 기본 좌표축은 세 개의 선형 축입니다: 이러한 각 선형 축에 해당하는 회전축은 각각 A, B, C로 표시됩니다.

5축 CNC 가공은 컴퓨터 수치 제어 시스템의 제어 하에 가공을 위한 좌표축(선형 좌표 3개, 회전 좌표 2개)이 5개 이상 있는 공작 기계를 말합니다.

의 '축'은 CNC 공작 기계는 좌표의 XY 축과 같은 공간 좌표 축으로 간주할 수도 있는 모션 축을 나타내며, 각 모션 축에는 독립적인 컨트롤러와 모터 구동 시스템이 있습니다.

즉, CNC 공작 기계에는 동시에 보간할 수 있는 5개의 서보 축(주축 제외)이 있습니다(5개의 서보 축이 모두 동시에 움직여 단일 공작물을 처리할 수 있음).

구조적 다양성

5축 CNC 공작 기계 는 다양한 구조적 형태로 제공되며, 크게 작업대 틸팅형, 스핀들 틸팅형, 작업대/스핀들 틸팅형 5축 가공 공구 조합의 세 가지 주요 카테고리로 나뉩니다.

5축 CNC 공작 기계:

• 틸팅 작업대 유형
• 틸팅 스핀들 유형
• 틸팅 작업대/스핀들 유형

기울어진 워크벤치 유형

이것은 기울어진 작업대 유형을 나타냅니다. 기계 베드에 설정된 작업대는 일반적으로 +30도에서 -120도 범위 내에서 작동하는 A축으로 정의되는 X축을 중심으로 회전할 수 있습니다.

또한 작업대 중앙에 회전 테이블이 설치되어 있어 표시된 위치의 Z축(C축으로 정의됨)을 중심으로 회전할 수 있어 360도 완전 회전이 가능합니다.

A축과 C축의 조합을 통해 작업대에 고정된 공작물의 아래쪽 면을 제외한 다섯 면을 모두 수직 스핀들로 가공할 수 있습니다.

A축과 C축의 최소 인덱싱 값은 일반적으로 0.001도이므로 공작물을 어떤 각도로든 세분화할 수 있어 경사진 표면과 구멍을 가공할 수 있습니다.

A축과 C축을 XYZ 선형 축으로 조정하면 복잡한 공간 표면을 가공할 수 있으며, 물론 하이엔드 수치 제어 시스템, 서보 시스템 및 소프트웨어의 지원이 필요합니다.

이 설정의 장점은 스핀들 구조가 비교적 단순하고 강성이 뛰어나며 제조 비용이 저렴하다는 것입니다.

그러나 작업대는 일반적으로 너무 크게 설계할 수 없으며, 특히 A축의 회전이 90도 이상인 경우 공작물의 절단이 작업대에 상당한 하중 토크를 가하기 때문에 하중 지지력이 다소 제한됩니다.

틸트 스핀들 유형

틸트 스핀들 타입은 메인 스핀들 앞쪽 끝에 회전 헤드가 있어 Z축을 중심으로 독립적으로 360도 회전하여 C축이 될 수 있습니다.

회전 헤드에는 일반적으로 ±90도 이상을 달성하여 위에서 언급한 것과 동일한 기능을 실현하는 X축을 중심으로 회전할 수 있는 A축도 포함되어 있습니다.

이 설정의 장점은 스핀들 가공에서 제공하는 유연성입니다. 작업 테이블을 상당한 규모로 설계할 수 있으므로 이러한 머시닝 센터에서 거대한 항공기 본체와 엔진 케이싱을 가공할 수 있습니다.

또 다른 중요한 장점은 표면 가공에 볼 노즈 엔드밀을 사용하는 것입니다. 공구 중심선이 가공 표면에 수직인 경우 볼 노즈 엔드밀 팁의 라인 속도가 0이 되어 팁 절삭으로 인해 표면 정삭 품질이 떨어집니다.

그러나 볼 노즈 엔드밀은 스핀들을 공작물에 대해 비스듬히 회전하는 회전 스핀들 설계를 사용하여 팁 절단을 방지함으로써 일정한 라인 속도를 보장하고 표면 가공 품질을 향상시킵니다.

이 구조는 회전식 공작 테이블 머시닝 센터로는 달성하기 어려운 금형의 고정밀 표면 가공에 매우 적합합니다.

높은 회전 정확도를 달성하기 위해 고급 회전축에는 원형 격자 눈금 피드백 시스템이 장착되어 있어 몇 초 내에 인덱싱 정확도를 높일 수 있습니다.

당연히 이러한 유형의 스핀들 회전 구조는 더 복잡하고 그에 따라 제조 비용도 더 높습니다.

작업대/스핀들 틸트 유형

하나의 회전축은 스핀들 헤드의 공구 쪽에 있고 다른 회전축은 작업대 쪽에 있습니다. 이 공작 기계 유형 는 회전축 구조를 가장 유연하게 배열할 수 있으며, A, B, C 축을 자유롭게 조합할 수 있습니다.

대부분의 작업대/스핀들 틸트형 공작기계는 B축과 C축을 중심으로 회전하는 작업대가 결합된 형태로 구성됩니다. 이 구조 배열은 간단하고 유연하며 스핀들 틸트형과 작업 테이블 틸트형 공작기계의 장점을 모두 공유합니다.

이러한 기계의 스핀들은 수평 또는 수직 위치로 회전할 수 있으며 작업 테이블은 위치 지정을 위해 인덱싱만 하면 되므로 수직 및 수평 변환이 가능한 3축 가공 센터로 쉽게 구성할 수 있습니다.

스핀들 방향을 변환하고 작업대 인덱싱과 결합하여 공작물에서 오면체 가공을 수행할 수 있습니다. 그 결과 제조 비용이 절감되고 실용성이 높아집니다.

5축 CNC 가공의 적용

5축 링크 머시닝 센터는 복잡하고 다양한 작업이 필요한 부품 가공에 이상적입니다.

이러한 구성 요소에는 다양한 유형의 기존 공작 기계, 수많은 절단 도구 및 고정 장치를 사용하며, 성공적인 완료를 위해 여러 번의 설정과 조정이 필요한 경우가 많습니다.

1. 인클로저형 구성 요소

인클로저 유형 부품은 일반적으로 공차 요구 사항이 높은 다중 스테이션 홀 및 평면 가공이 필요합니다.

특히 형태와 위치 허용 오차가 다소 엄격합니다.

이러한 구성 요소는 일반적으로 밀링 작업을 거칩니다, 드릴링리밍, 보링, 브로칭, 스레딩 작업에는 수많은 도구가 필요합니다. 이 공정은 여러 번의 클램핑과 정렬로 인해 표준 공작 기계로는 가공 정밀도를 보장하기 어렵기 때문에 까다로운 작업입니다.

인클로저형 부품을 가공할 때는 4개의 수평면을 가공하기 위해 작업 테이블을 여러 번 회전해야 하므로 수평 머시닝 센터를 사용하는 것이 적절합니다.

2. 복잡한 표면

복잡한 표면은 기계 제조, 특히 항공우주 산업에서 중요한 역할을 합니다. 기존의 가공 방법을 사용하여 복잡한 표면을 제작하는 것은 불가능하지는 않더라도 어려운 일입니다.

이러한 복잡한 표면 구성품에는 다양한 임펠러, 구형, 다양한 곡면 형성 그라인더, 프로펠러, 수중 차량 프로펠러 및 기타 자유형 표면이 포함됩니다. 이러한 부품은 5축 머시닝 센터에서 가장 효과적으로 가공할 수 있습니다.

밀링 커터는 구형 표면을 근사화하는 엔벨로프 표면 역할을 합니다. 머시닝 센터로 복잡한 표면을 가공할 때는 프로그래밍 작업량이 상당하며, 대부분의 작업에는 자동화된 프로그래밍 기술이 필요합니다.

3. 불규칙한 부품

비정형적인 모양이 특징인 불규칙한 부품은 점, 선, 표면을 여러 스테이션에서 혼합하여 처리해야 하는 경우가 많습니다. 이러한 부품은 일반적으로 강성이 낮기 때문에 제어하기가 어렵습니다. 클램핑 변형 및 가공 정밀도를 보장합니다.

실제로 일부 부품에는 기존 공작 기계로는 가공하기 어려운 부분이 있습니다. 머시닝 센터로 작업할 때는 단일 또는 이중 클램핑과 같은 적절한 기술적 조치를 취하는 것이 현명합니다.

머시닝 센터의 멀티 스테이션, 혼합 가공 기능(점, 선, 표면을 포괄하는)을 활용하면 여러 가공 절차 또는 모든 가공 절차를 완료할 수 있습니다.

4. 플랜지 부품

플랜지 부품, 키홈, 방사형 구멍 또는 일련의 분산된 구멍이 있는 끝면이 있는 부품, 플랜지 부싱과 같은 곡판 또는 샤프트 부품, 키홈 또는 사각형 끝이 있는 샤프트 부품, 다양한 모터 커버와 같이 광범위한 구멍이 있는 플레이트 부품 등이 있습니다.

수직 머시닝 센터는 끝면과 곡면에 구멍이 분산되어 있는 디스크 부품에 적합하며, 수평 머시닝 센터는 방사형 구멍이 있는 부품에 선택할 수 있습니다.

5. 전문 처리

머시닝 센터의 기능을 숙지한 후 적절한 지그와 특수 공구를 조합하면 특정 고유 기술 작업을 수행할 수 있습니다.

여기에는 금속 표면에 텍스트, 선, 패턴을 조각하는 것이 포함됩니다. 머시닝 센터의 메인 스핀들에 고주파 스파크 전원 공급 장치를 장착하여 선형 스캐닝을 수행할 수 있습니다. 표면 경화 금속 표면에서.

또한 머시닝 센터에 고속 연삭 헤드를 장착하면 작은 계수의 인벌루트 원추형 기어와 다양한 곡선 및 표면을 연삭할 수 있습니다.