오류 제로인 절삭을 향한 길

스핀들과 공구홀더 사이에 이물질이 들어가면, 드릴이나 밀링 공구가 부정확하게 클램핑되고 결과적으로 불량부품이 양산되며 가동 중단까지 초래할 수 있다. 센서기반 모니터링시스템이 이를 예방할 수 있다.

공학박사 올리버 게오르기(Oliver Georgi): 프라운호퍼 공작 기계 및 성형 기술 연구소 공작 기계, 생산 시스템 및 절삭 기술 부문 연구원,

공학박사 요제프 그라이프(Josef Greif): Ott-Jakob Spanntechnik GmbH 개발 & 설계 부서장

구성품의 기능과 정확도가 높아지고 있는 최근 경향에서 가공 프로세스에 대한 요건이 계속 높아지고 있다. 제조현장에서는 높은 수준의 자동화와 결부하여 공작기계의 높은 신뢰성과 함께 꾸준한 성능개선을 요구하고 있다. 기계적 특성을 최적화하는 것만으로 충분하지 않다. 제조비용과 생산성과 같은 경제적 측면이 큰 의미를 갖게 되었다. 이런 맥락에서 가동 중지, 장애 취약성, 불량품 비용, 측정 비용, 시험 비용 등이 더욱 중요해졌고, 지속적으로 축소해야 한다.

제로 오류 공차

비행기 엔진부품을 예로 들면 이러한 점은 더욱 분명해진다. 비행기 엔진부품은 고도로 정밀하게 제작하여 효율성과 높은 안전성을 유지해야 한다. 이러한 부품들은 보통 고정밀 밀링으로 제작한다. 하지만 밀링머신에 칩 같은 이물질이 공구 접촉면에 들어가 품질을 상당부분 떨어트리는 경우가 있다. 이물질이 접촉면에 퇴적되어 틈이 생기는데, 수백 분의 1mm의 입자만 되어도 드릴링 공구나 밀링 공구에 중대한 위치 오류를 초래한다. 결과적으로 불량 부품이 양산되고, 이러한 불량 부품은 기술과 비용 집약적인 비행기엔진 부품일 경우 값비싼 대가를 치러야 한다. 따라서 프로세스 신뢰도는 금전적 손해를 예방하기 위한 최고의 계명이 될 수 있다.

이러한 점에서 복합적인 프로세스와 연결되어 있는 공작기계 분야와 자동차 분야의 연속 제조에도 똑같이 적용된다. 개별 기계와 프로세스들은 전체 생산라인의 절차와 품질에 큰 영향을 끼친다. 정확하게 클램핑되지 않은 공구로 인한 가공 오류는 후방에 배치된 품질점검에서 뒤늦게 감지되는 경우가 많다. 불량품 비용 외에 기계 또는 전체 생산라인 가동중지 같은 시간적인 비용을 초래할 수 있다. 원인 탐색과 제거, 해당 공작물 검사를 위한 수고 그리고 다시 작동을 개시할 때의 애프터런 시간이 추가로 더해진다.

모니터링 시스템이 오류를 방지한다

절삭가공에서 불량과 고장을 예방하기 위한 접근법으로 공작기계의 지정된 특징에 대해 상태를 모니터링할 수 있다. 오류를 미리 식별하고, 후속 손상을 방지하며 대응하기 위함이다. 이를 위해 정체압 측정 원리를 기반으로 하는 시스템들이 나와 있다. 공구 교체 후 블로잉에어 세척장치의 채널 내 압력을 측정하여, 공구와 공구 홀더 사이에 틈이 생기면, 틈의 넓이에 따라 압력이 떨어지게 되고, 이를 측정하여 30 μm을 초과하는 틈을 식별하는 방법이다. 구성품의 정밀도 요건이 계속 높아지는 현 상황에서 기존의 모니터링 방법으로는 충분하지 않다. 클램핑된 공구의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있는 고도로 정확한 센서가 해결책이다. 센서를 통한 측정기술은 공구의 오프셋을 마이크로미터 단위로 정확하게 파악한다. 오차를 기록하고, 불량부품이 나오기 전에 경고 메시지를 보낼 수 있다. 이러한 시스템을 위해 프라운호퍼 공작기계 및 성형기술 연구소(IWU)가 Ott-Jakob Spanntechnik GmbH와 협력하여 연구를 진행하였다.

그림 2: 고도로 정확한 센서 시스템 구조

IWU의 정확한 모니터링 시스템 Planko(그림 1)는 최적의 공구 포지셔닝에서 레이더로 오차를 파악한다. Planko 시스템은 모터 스핀들 스테이터에 고정되는 판독헤드와 콤팩트한 수동적 전기장치 어셈블리로, 이 전기장치 어셈블리는 스핀들 노즈부에 통합된(그림 2) 공진장치, 케이블 그리고 플러그 커넥터로 구성된다. 판독헤드에는 주파수 24.1GHz로 전자식 신호가 생성된 후 송수신 유닛의 역할을 하는 안테나로 전송된다. 이 신호는 로터측 안테나로 전송되고, 케이블을 통해 공진 장치로 전달된다. 거기서 반사하는 금속성 벽부에 의해 정상파가 생성된다. 공구의 2면 구속은 회전 중에 공진 장치를 조회하여 최종적으로 측정된다. 판독헤드는 측정결과를 기준 값과 비교하고, 오차가 있으면 측정 데이터는 비교기 신호를 통해 파악하고 기계 컨트롤 유닛에 전달한다.

그림 3: 블로잉 에어 세척장치 – 2면 구속에서 흐름도가 분산되어 청소가 균일하게 이루어지지 않는다.

이물질을 배제할 수는 없다

HSK(중공 섕크 테이퍼)가 있는 공구홀더를 클램핑할 경우 위치 결정 정확도와 반복 정밀도는 스핀들과 공구폴더의 접촉면의 접촉 정도에 좌우된다. 공구 접촉면이 이물질로 인한 틈새에 반응하기 때문이다. 칩은 주로 공구를 교체할 때에 유입되거나, 공구 매거진을 통해 접촉면이 오염될 수 있는데, 금속가공유가 말라 붙어서 공구홀더의 접촉면에 오염막을 형성할 수 있다. 현장에서 에어블로우 세척은 공구 교체 중에 이루어진다. 프라운호퍼 연구원이 실시한 노즐 3개를 이용한 블로우 에어세척 시 속도 시뮬레이션은(그림 3) 균일한 세척효과가 제어되지 않는다는 사실을 입증하였다. 아주 작은 이물질이 남아있을 수 있다는 것을 배제할 수 없다. 이는 연속적인 부품제조에 있어서 공정 신뢰성과 크게 배치된다.

그림 4: 이물질이 유입되면 공구가 기울어지고, 상부 축이 오프셋되거나 두 효과가 겹칠 수도 있다.

오류 평가

가공 프로세스의 품질에 있어서 결정적 변수는 공구위치와 툴 센터 포인트(Tool Centre Point, TCP)의 사이의 이물질로 인한 영향이다. 이물질의 크기, 형태, 위치에 따라 공구 접촉 점의 런아웃 오류가 발생하며, 이러한 오류는 공구의 기울어짐과 축 오프셋 때문일 수 있고(그림 4) 접촉면 사이에서 측정 가능한 갭으로 표현된다. 공구위치를 모니터링하기 위해 간격을 측정하는 이 시스템은 형태에 따라 양쪽 접촉면에서 틈 넓이 파악에 이용되거나 2면 구속으로 이용된다.

그림 5: 공구 래디얼 런아웃 오류는 이물질의 두께에 의해 직접적으로 영향을 받는다.

프라운호퍼 IWU의 연구는 시뮬레이션을 기반으로 하는 영향변수 민감도를 분석하였다. 그림 5는 돌출 길이 150mm으로 드릴링 공구 HSK63A를 사용했을 때 2면 구속에서 정해진 이물질 두께와 런아웃 오류의 상관관계를 보여준다. 그림 6은 예시적으로 두께가 50 μm인 이물질에 대한 공구위치 변경을, 그림 7은 2면 구속으로 생기는 틈을 보여준다. 시뮬레이션 평가결과, 공구의 기울어짐은 영향변수와 상관없이 중대한 효과

그림 6: 이물질 두께가 50 μm만 되어도 공구가 기울어지고 래디얼 런아웃 오류가 78 μm가 된다.

로 작용하고, 2면 구속에서 측정 가능한 틈을 통해 TCP의 변위로 표현된다. 연구원들은 이러한 사실을 공구 접촉면에서 공구 위치 모니터링을 위해 간격을 측정하는 센서 장치의 최적의 배치를 결정하는 데에 사용하였다. 프라운호퍼 연구원들은 Planko 시스템을 실제 응용 시나리오에서 경제적이고 기술적으로 평가하였다. 조사의 구성요소는 4기통 가솔린 엔진의 실린더 보어홀 정밀가공을 위한

그림 7: 2면 구속에서 측정 가능한 갭, Planko를 매우 정확하게 파악함

프로세스 체인과 항공기 터빈 축 그리고 터빈 디스크의 전체가공을 위한 프로세스 체인이었다. 모니터링 시스템에 투자한다면 훨씬 경제적인 작업 결과를 도출할 수 있다. 고도로 자동화된 연속제작과 정확도에 대한 요건이 높은 경우에 더욱 효과를 발휘한다. 모니터링 시스템을 사용하는 경우 투자금 회수기간에 대한 예측을 통해 수익성을 확인할 수 있다. 응용 사례와 시스템에 따라 원금 회수기간은 보통 1년 ~ 5년이다. 이러한 시스템에 투자하고 오류부품 2개만 찾아내도 이익으로 돌아올 수 있다. 시장 잠재력에 대한 분석결과를 보면, 항공산업, 자동차, 공구제작 등 전반적인 산업분야의 응용 영역은 매우 넓다.