가장 널리 사용되는 CNC 가공 기술 중 하나인 밀링은 부품 제조 및 표면 마무리에 사용하기에 가장 이상적인 공정이라고 할 수 있습니다. 이번 글에서는 CNC 밀링 가공에 대한 모든 것 관련해서 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
개요
CNC 밀링은 높은 정밀도, 재현성 및 출력 속도 수준을 가능하게 하여 자동차, 항공우주, 로봇, 의료 분야를 포함한 수많은 산업에서 CNC 밀링을 사용하고 있습니다.
CNC 밀링 가공에 대한 모든 것 즉, CNC 밀링 가공의 정의, 밀링 유형, 필수 도구 및 가공비용을 절감하는 방법과 같은 기본 사항을 알려드리도록 하겠습니다.
밀링의 정의
“밀링”이라는 용어는 공작물에서 재료를 제거하기 위해 제조에 사용되는 회전식 커터 기반 가공 작업을 의미합니다.
또한, 다양한 재료에 다양한 형태와 표면 처리를 만들어 낼 수 있는 적응형 방법이라고 할 수 있으며 여기에는 다양한 유형의 기계를 사용하는 것도 포함됩니다.
밀링 작업에는 수동 밀링 흔히 잘 알고 있는 범용 밀링과 자동(CNC) 밀링의 두 가지 유형이 있습니다.
범용 밀링은 수공구와 수동으로 작동되는 기계를 사용하여 사람이 직접 손으로 재료를 성형하고 제작하는 방법을 말합니다.
가공 제품의 품질을 결정하는 것은 밀링을 다루는 작업자의 지식, 숙련도 및 경험에 달려 있다고 할 수 있습니다.
CNC 밀링이란?
그렇다면 CNC밀링이란 무엇일까요?
CNC 밀링은 작업을 제어하는 컴퓨터 제어 장비를 사용하는 자동 가공 기술로써 회전 도구를 사용하여 밀링은 플라스틱, 금속 또는 목재와 같은 재료를 가공합니다.
CNC 밀링 가공을 통해 컴퓨터는 스핀들 RPM과 이송 속도, 도구 사용 순서, 각 커터의 도구 경로를 제어함으로써 기계가 직접 모든 작업을 한다고 할 수 있습니다.
절삭 공구의 회전은 CNC 밀링 머신의 유형과 정교함 수준에 따라 달라집니다.
대부분의 CNC 가공 부품은 ±0.02mm에서 ±0.1mm 사이의 높은 공차에 도달할 수 있고 일부 정밀기계는 최대 ±0.01mm의 공차를 가공할 수도 있습니다.
또한 3, 4, 5축부터 다축 밀링까지 다양한 밀링 축 작업이 있습니다.
3축 밀링은 대부분 알고 계시겠지만 X, Y, Z축으로 이동합니다.
이에 비해 5축 밀링 머신은 선형 X, Y, Z 방향과 회전 A, B 방향으로 이동하기 때문에 더 복잡한 부품의 생산이 가능합니다.
CNC 밀링 머신 축 기본 사항
CNC 밀링 머신은 선형 축과 회전축이라는 두 가지 주요 축에서 작동합니다.
CNC 밀링 머신 선형 축
CNC 기계는 수학 및 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어에서 광범위하게 활용되는 데카르트 좌표계를 기반으로 합니다.
이 시스템의 세 선형 축은 서로 수직이고 원점에서 교차하며 X, Y, Z축은 절삭 공구의 방향을 나타냅니다.
X축은 절삭 공구와 평행하게 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 동작이고, Y축은 절삭 공구에 수직으로 움직이는 동작으로 앞에서 뒤로 이동하는 반면 Z축은 아래에서 위로 이동합니다.
CNC 밀링 머신 회전축(로터리 축)
회전축과 선형축이 어떻게 관련되어 있는지는 회전이 항상 세 개의 선형 축 중 하나를 중심으로 회전하기 때문에 분명해지며 세 개의 회전축이 있어 이들 축의 관계는 다음과 같습니다.
X축을 중심으로 한 기울기 또는 회전을 A축, 줄여서 기울기 축이라고 하고 Y축을 중심으로 한 회전을 B축, Z축을 중심으로 한 회전을 C축이라고 합니다.
CNC 밀링 작동 원리
밀링 가공에 대한 전체 개요를 제공하는 것이 중요합니다.
이렇게 하면 작동 방식에 대한 전체 그림을 얻는 데 도움이 되며, 일반적으로 CNC 밀링 작업은 세 단계로 진행됩니다.
CAD 설계
첫 번째 단계에서는 CAD 소프트웨어를 사용하여 원하는 제품의 가상 표현을 만드는 작업이 포함됩니다.
CAD-CAM 프로그램을 사용하여 가공에 필요한 G 코드를 생성할 수 있기 때문에 CAD를 활용한 설계 데이터를 기계가 이해하는 CNC 프로그래밍 언어로 변환하는 것이 필수입니다.
이런 과정으로 인해 기계의 성능에 맞게 코드를 확인하고 수정할 수 있는 것입니다.
또한 이 소프트웨어를 사용하면 제조 엔지니어가 전체 밀링 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있어 설계 오류를 확인하고 기계 가공이 불가능한 모델을 파악할 수 있습니다.
작업자에게는 아래와 같은 정보가 포함된 기술 엔지니어링 도면도 필요합니다.
부품의 치수 및 중요한 특징
- 공차
- 구성선
- 스레드 표시
- 마무리 환경설정
밀링 머신 설정
CNC 밀링 기계가 자동으로 공작물을 가공하지만 가공의 일부 특정 부분에는 작업자가 필요합니다. 예를 들어, 공작물을 작업대에 고정하고 스핀들용 절삭 공구를 장착해야 합니다.
하지만 요즘 출시되는 밀링 머신에는 라이브 툴링 기능이 있어 밀링 가공 중에 공구를 스스로 변경할 수 있습니다.
이런 편리한 기능으로 인해 작업 중에 발생하는 정지 횟수가 줄어듭니다. 하지만 가공을 시작하기 전에 초기 설정 및 프로그램 확인은 여전히 작업자의 손길이 필요합니다.
구성 요소 생산
앞서 말씀드린 것처럼 CNC 밀링은 공구가 공작물에 닿을 때 재료를 잘라내는 회전 공구를 사용하는데 도구를 계속해서 회전시키면 원하는 모양이 만들어집니다.
이 공정은 재료의 유형과 원하는 최종 제품의 모양에 따라 다양한 작업으로 구성될 수 있습니다.
처음 몇 가지 작업에서는 큰 공구를 사용하여 재료를 절삭하여 대략적인 모양을 만듭니다.
이후 공구를 변경하면 정밀한 부분을 가공할 수 있는데 특히, 정밀 CNC 밀링은 타의 추종을 불하는 수준의 표면 거칠기와 엔지니어링 공차를 포함하여 완성도 있는 제품이 됩니다.
다양한 CNC 밀링 작업
CNC 밀링은 높은 정확도로 여러 가지 복잡한 형상을 생산할 수 있습니다.
이러한 피쳐에는 나사산, 모따기, 슬롯 등이 포함되지만 피쳐를 생성하려면 다음과 같은 다양한 밀링 작업이 필요합니다.
일반 밀링
이는 표면 밀링이라고도 알려져 있으며, 이 작업은 수평 밀링을 사용하기 때문에 절삭 공구는 작업 테이블과 평행한 회전축을 갖습니다.
일반 밀링에서는 원하는 결과에 따라 모양과 방향이 다른 다양한 커터를 사용합니다.
넓은 커터(빠른 이송 속도)와 더 미세한 절삭 날(더 빠른 절삭 속도)의 조합은 비용 효율성을 위한 탁월한 선택으로 만족도 높은 표면 마감과 고품질을 얻을 수 있습니다.
페이스 밀링
이 유형의 밀링은 측면과 끝에 톱니가 있는 절삭 공구를 사용하며 측면 톱니는 주요 절단 작업을 수행하고 끝 부분의 다른 톱니는 표면 마무리를 돕습니다.
페이스 밀링은 복잡한 윤곽을 생성하고 고품질 마감을 남길 수 있기 때문에 일반적으로 표면 밀링 후에 수행됩니다.
앵귤러 밀링
이는 홈, 모따기, 슬롯 및 기타 복잡한 형상을 생성하는 최고의 밀링 작업 중 하나입니다.
기존의 3축 밀에서는 각진 홈을 위한 더브테일 커터나 모따기를 생성하는 원추형 커팅 헤드 등 다양한 커터를 사용하며 커터의 축은 절단 표면과 수직이거나 일직선인 경우가 많습니다.
폼 밀링
폼 밀링 작업은 보다 복잡한 윤곽을 만들기 위해 특수 공구를 사용합니다.
오목하거나 볼록한 커터가 가장 일반적이며 단 한 번의 절단으로 표면 윤곽, 둥근 모서리 및 둥근 홈을 만드는 데 도움이 됩니다.
기타 밀링 작업
위에서 말씀드린 밀링 작업 외에도 CNC 밀링 기계는 다음과 같은 다른 유형의 특수 밀링 작업을 수행할 수 있습니다.
프로파일 밀링(Profile milling)
여기서 공구는 스톡 바의 각진 표면이나 수직 표면을 따라 절단 경로를 생성합니다. 이 가공에서는 공작물의 표면에 평행하거나 수직일 수 있는 프로파일 밀링 도구를 사용합니다.
갱 밀링(Gang milling)
여러 커터를 사용해 동시에 패턴을 생성하는 폼 밀링의 하위 범주로써 커터는 일반적으로 모양, 크기 또는 너비가 다양하여 더 짧은 기간 내에 복잡한 부품을 만들 수 있습니다.
스트래들 밀링(Straddle milling)
스트래들 밀링 작업을 통해 공작 기계는 단일 커팅으로 두 개 이상의 평행한 공작물을 작업할 수 있고 두 개의 커터가 공작물의 양쪽에 배열되어 동일한 기계 아버에서 양쪽을 밀링합니다.
가공 공정의 필수 CNC 밀링 공구
많은 CNC 밀링 공구가 사용되지만 모두 필수는 아닙니다. 하지만 꼭 사용되는 세 가지 필수 밀링 공구가 있는데 다음과 같습니다.
탭(Taps)
나사산은 탭이라는 공구를 사용하여 금속이나 플라스틱과 같은 재료에 가공합니다.
수동 탭과 자동 탭을 모두 포함하여 다양한 모양과 크기로 제공되며 밀링머신에 부착하면 나사 구멍을 가공할 수 있습니다.
게다가 이 밀링 탭 공구는 플라스틱, 황동, 구리 및 알루미늄과 같은 부드러운 재료에 사용하면 더 좋은 결과물을 얻으실 수 있습니다.
드릴 비트(Drill Bits)
목재와 금속에는 밀링 머신에 부착된 드릴 비트를 사용하여 구멍을 뚫을 수 있고 스페이드 및 트위스트 드릴을 포함하여 다양한 모양과 크기로 사용할 수 있습니다.
또한 드릴 비트는 드릴링 전에 원추형 구멍을 정확하게 형성하기 위해 CNC 밀링에 필수적이며, 이는 구멍을 잘못 드릴링하는 것을 방지하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
엔드밀(End Mills)
드릴링과 밀링에 사용되는 절삭 공구를 엔드밀이라고 하며 초경 또는 고속도강과 같은 재료로 제작되어 다양한 크기와 형태로 제공됩니다.
게다가 측면, 평면, 램프, 플랜지 및 슬롯 밀링을 포함한 다양한 절단 응용 분야에 활용될 수 있으며 대량의 재료를 깎는 데 중요한 공구입니다.
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