센서와 스마트 기능이 도입된 클램핑 기술

금속가공 과정에서 공작물을 안정적으로 고정할 수 없다면 아무것도 진행할 수 없을 것이다. 공작물 고정 방식은 바이스에서 5축 가공을 위한 디지털 클램핑 장치까지 다양하다. 여기에서 클램핑 기술의 발전 과정을 살펴보자.

페터 쾨니히스로이터(Peter Königsreuther)

핵심 내용

  • 정밀한 기계와 예리한 공구가 공작물 가공 과정의 전부는 아니다. 성능을 제대로 발휘하기 위해서는 부품을 견고하게 클램핑할 수 있어야 한다.
  • 공작기계의 절삭 가공에 적합한 새로운 유형의 클램핑 시스템이 있다. 이 시스템은 기존의 바이스와 어떤 면에서 비슷하지만 ‘그 자체만으로’ 적합성을 인정받고 있다.
  • 이제 센서와 스마트 기능이 도입된 클램핑 기술의 최신 동향을 살펴보자.

절삭 과정에서 재료에 관계없이 우수한 정밀성을 달성하려면, 가공 공정에서 공작물을 안정성 있게 고정할 ‘견고한 클램핑 시스템’이 필요하다. 이 과정에서 공작물이 조금이라도 떨리거나 풀리면 물거품으로 돌아갈 수 있으며, 매우 위험해질 수도 있다. 클램핑 블록에서 바이스로 이어진 클램핑 기술이 이제 하이테크 기술에 이르렀다. 클램핑 시스템 제조사들은 코로나 위기에도 불구하고 여전히 기술 개발을 멈추지 않고 있다. (유감스럽게도 완전히 보여줄 수는 없지만) 몇몇 선도적인 기업들이 가시화하고 있는 결과를 한 번 알아보자.

스마트 기능을 지원하는 Roemheld 클램프 부품

Hilma의 콤팩트한 MC-P 클램핑 시스템이 이에 속한다. Roemheld에 따르면 이 클램핑 시스템은 짧은 표준 공구를 사용할 수 있고, 절삭공구가 간섭 없이 작동할 수 있도록 보장함에 따라 5축 가공에 적합하다. 또한 내구성에 있어 절삭칩과 오염물의 침투로부터 보호하여, 장기간 사용할 수 있다. 작동 방식은 바이스 중앙에 부품을 고정할 수 있는 콘센트릭(Concentrick) 방식과 한쪽 고정 조 방향으로 클램핑할 수 있는 고정 조(jaw) 클램핑 방식 두 가지가 있다. OP10과 OP20을 하나의 팔레트에서 클램핑하는 것도 가능하다. 따라서 서로 다른 공정의 부품 가공을 위해 치구  셋팅을 교체하지 않고 가공할 수 있다. 세 번째 버전으로 ‘MC-P balance’ 제품을 사용하여 복잡한 하우징과 곡선형의 긴 공작물을 위치를 비틀림 없이 플렉시블(Flexible) 하게 클램핑할 수 있다. MC-P 시리즈의 바이스는 다양한 사이즈와 사양 옵션을 이용하여 여러 어플리케이션에 사용할 수 있다. 표준 사양으로 8 ~ 35kN의 클램핑력과 6 ~ 400mm의 클램핑 범위를 제공한다. 이러한 유형의 스텝 조, 펜듈럼 조, 프리즘 조 외에 톱니형의 그립(Grip) 인써트와 금속 코팅(58 HRC 또는 80 HRC)된 다양한 교체형 인서트들이 표준 액세서리로 사용 가능하다.

Roemheld의 Hilma VarioLine 클램핑 시스템은 공작물을 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로 고정할 수 있으며, 이 클램핑 시스템은 많은 매개변수 설정 옵션이 있어, 클램핑 범위나 공작물의 소재 및 형상, 공작기계 및 가공 공정과 관련하여 클램핑 시스템을 최적화할 수 있다.

Roemheld에 따르면 Hilma Varioline 시리즈는 공작기계 머신 테이블에 최적화하여 구성할 수 있는 바이스라고 한다. 이 시리즈는 다양한 크기의 공작물을 신속하고 간단하게 클램핑 및 포지셔닝하기 위해 고안되어 수평 방향과 수직 방향으로 사용할 수 있다. 수많은 매개변수를 통해 각각의 이동 경로, 작업 공간, 클램핑 면, 가공 목적에 맞게 시스템을 조정할 수 있다. 또한 옵션 사양(자석 베이스 조(jaw))을 통해 다양한 표준 조가 영구 자석을 이용하여 셋팅되고, 수 초 만에 교체할 수도 있다. 또한 클램핑력 디스플레이를 통해 클램핑력을 단계 없이 세밀하고 정확하게 적용하고 제어할 수 있다.

또한 Roemheld는 진정한 의미의 클램핑 부품을 개발하였다. 이 클램핑 부품은 전체 스트로크 범위를 1/10mm 단위로 측정할 수 있는 센서를 가지고 있어 다양한 공작물 높이를 스스로 감지할 수 있으며, 이렇게 획득한 정보를 기계 컨트롤러에 전송한다. 편심 보어 클램프 역시 중요한 부품이다. Roemheld는 작업자가 공작물에 쉽게 접근할 수 있도록 슬림하게 제작되는 모델 시리즈를 개발하였다. 이렇게 개발된 시리즈는 공작물에 상대적으로 가까이 배치할 수 있고, 클램핑 부싱을 교체할 수 있어 다양한 보어 직경에 쉽게 적용할 수 있다. 다양한 탐지 옵션이 자동화 절삭 작업에서 안전한 프로세스 진행을 보장한다. 이 시리즈를 이용하여 공작물이 클램핑되어 있는지 아니면 풀려 있는지 바로 확인할 수 있으며, 공작물이 올바르게 위치해 있는지 또는 클램핑 핀이 제대로 기능하는지도 알 수 있다.

셋업 시간을 단축하는 Allmatic-Jakob Spann systeme의 Workbuddy

Allmatic의 ‘Workbuddy’는 전자 클램핑 보조 장치로서 인간공학적으로 관절을 보호하는 방식으로 툼스톤의 로드 공정을 끌어 올린다. 이제 토크 렌치 또는 크랭크 작업은 옛말이 되었다.

제조 기업들은 작업 중단이 오랫동안 지속된다면 감당할 수 없게 된다. Allmatic-Jakob Spann systeme는 생산 준비 부서에 새로운 희소식을 전했다. 이른바 ‘Workbuddy’라는 아이템으로, 이 제품은 클램핑 보조 요소로 생산 준비 단계에서 툼스톤 로드를 원활하게 한다. ‘Workbuddy’를 사용하면 인간 공학적으로 관절에 부담 없이 클램핑 작업을 진행할 수 있다. 이 클램핑 보조 요소를 통해 머리보다 높은 위치에서 힘들게 토크 렌치를 사용하는 경우나 수동 크랭크 또는 잘못 적용한 조임 토크로 인한 위험 요소를 배제할 수 있다.

Allmatic은 Workbuddy를 이미 오래전에 시장에 출시했다고 설명했다. 이 시스템은 간단히 조작할 수 있는 서포트 암으로 공작 기계나 셋업 스테이션에 설치할 수 있다. 이때 단계 구분 없이 조정 가능한 전기 토크 렌치가 주요한 역할을 한다. 이 토크 렌치는 20 ~ 40Nm의 토크를 형성하며, Allmatic 파워 증폭기는 툼스톤에서 타입에 따라 최대 80kN을 달성할 수 있는 클램핑 힘을 형성한다. 이 시스템을 시작하려면 로커 스위치를 가볍게 누르기만 하면 되고, 이 부분도 디지털화되어 정확한 클램핑 힘이 클램프 모델에 따라 USB 인터페이스를 통해 한 번에 적용되며, 클램핑하는 동안 불러올 수 있다. 이는 모든 공작물에 대해 클램핑 힘 형성에 올바른 토크를 보장한다. 이 시스템은 최대 허용 10mm/s의 개방 속도 또는 클램핑 속도로 상대적으로 빠르며, 이는 추가의 작업이나 보호 조치 없이 얻을 수 있는 또 다른 시간 절감 요소이다. 모든 티타늄- 1-/LC-/TC-/NC8 시리즈와 DUO 시리즈 스핀들이 적용된 툼스톤을 이 시스템으로 조작할 수 있다.

Allmatic의 ‘Workbuddy’는 실질적으로 전동 토크 드라이버로 작업한다. 서포트 암 덕분에 공작 기계나 셋업 위치에 설치할 수 있다

변환 가능한 SCHUNK 툼스톤과 클램핑 피라미드

공작물 클램핑에 선도하는 또 다른 기업, 독일의 SCHUNK가 있다. SCHUNK는 4축 및 5축 머시닝 센터에 유연한 툼스톤과 클램핑 피라미드를 사용할 것을 권장한다. 이 시스템은 기계 내에 배치할 수 있는 공작물 수를 늘려 비생산 시간을 줄이고 무인 절삭을 촉진한다. SCHUNK는 두 개의 클램핑 타입에서 이 시스템이 기계의 클램핑 면을 3차원을 통해 사실상 확장시키는 것이 핵심이라고 설명한다. 이 시스템을 현명하게 계획하고 실행하면, 작업자 개입 없이 며칠 동안 절삭 작업을 실행할 수 있다. 적합한 자동 디스크 스토리지가 전체를 지원한다면 작업이 더욱 원활하게 돌아갈 수 있다. 셋업은 공작물 별로 설정 계획을 기반으로 하며, 이상적으로는 기계 챔버 외부의 기계 자체 셋업 스테이션이나 외부 셋업 스테이션에서 이루어지며, 자체 이송 시스템 혹은 크레인이나 로봇을 통해, 기계에 툼스톤 또는 클램핑 피라미드가 로드된다. 툼스톤과 피라미드를 이용하면 교체 클램핑, 정렬 또는 영점 측정과 같은 비생산 시간이 배제된다. SCHUNK의 제로 클램핑 시스템 VERO-S는 툼스톤 또는 피라미드 수가 충분하지 않은 곳에서 공작물 교체, 클램핑 교체 또는 팔레트 교체 시간을 단축한다.

5축 기계 상에서 스위블 테이블, 영점 클램핑 시스템 그리고 클램핑 피라미드로 이루어진 조합. 이를 통해 작은 생산단위도 효율적으로 생산할 수 있다.

SCHUNK는 툼스톤과 관련하여 KONTEC 제품 시리즈를 선보였다. 이 시리즈는 진동 감쇠되는 안정적인 중공 구조를 가지고 있으며, 회주철 EN-GJL-250을 사용하여 모노 블록으로 제조된다. DIN 55 201과 JIS 6337-1908에 따른 통상적인 모든 표준 기계 팔레트에 맞는 툼스톤이 있다. 또한 SCHUNK는 개별 인터페이스를 구현하여, 정밀하게 밀링된 표면(Ra = 1.6)이 클램핑 수단과 공작물을 정확하게 포지셔닝할 수 있다. SCHUNK 툼스톤 또는 피라미드 포트폴리오는 5가지 기본 포트폴리오를 포함한다. 클램핑 면이 2개인 더블 앵글, 클램핑 면이 3개인 트라이앵글, 클램핑 면이 4개인 큐브 또는 크로스 그리고 클램핑 면이 8개인 8각도 있다. 클램핑 면은 4가지 변형 중에서 선택할 수 있다. 50mm 보어 그리드는 유연하고 다양한 클램핑 장치에 맞추어 조정 가능하며, 오래된 클램핑 클로에도 적합하다. 이 2가지 경우에 그리드 보어에는 경화 피팅 부시와 아연 도금 나사형부시가 장착된다. 피팅 나사를 사용하여 이들 부시를 툼스톤에 직접 배치하고 고정할 수 있다. 3번째 버전은 미가공 클램핑 면으로, 각각의 요건에 맞게 사용자가 개별적으로 조정할 수 있으며, 4번째 버전은 SCHUNK VERO-S NSE-T 139 제로 클램핑 모듈을 장착하여 가장 큰 유연성을 제공한다.

이들은 퀵 체인지 시스템으로 기능하고, 번거로운 나사 없이 수 초 내에 정밀하게 클램핑 장치를 교체할 수 있다. 통일된 VERO-S 클램핑 핀을 사용하여 제로 클램핑 모듈을 SCHUNK 표준 프로그램의 다양한 클램핑 장치와 조합할 수 있다. 자유롭게 구성 가능한 이러한 모듈 프로그램 외에, 많은 수의 사전 구성된 툼스톤도 프로그램에 있으며, 클램핑 장치를 포함하여 토털 시스템으로 제공된다. 그 가운데는 TANDEM KSF-plus 타입의 스프링 작동식 클램핑 포스 블록이 있으며, 이 제품은 매우 콤팩트하며 매체를 공급하지 않도록 안전한 클램핑을 가능하게 하고, 스토리지 시스템에 사용하기에 이상적이다.

광물 주물 소재의 SCHUNK 툼스톤은 회주철 버전(좌측 그래프)에 비해 약 6 ~7배 정도 우수하게 진동을 감쇠한다.

여기에서 하이브리드 기술의 SCHUNK 툼스톤을 언급하고자 한다. 이 툼스톤은 광물 주물 코어를 스틸 재킷 또는 알루미늄 재킷과 조합한 것이다. 이 제품은 자체 무게가 적어 클램핑 장치 및 공작물의 무게와 관련하여 많은 여지를 열어준다. 또한 댐핑 능력이 기존 회주철 보다 6 ~ 7배 정도 높다. SCHUNK에 따르면 공구 마모 진행이 더디게 이뤄지는 동시에 표면 품질이 개선되며 절삭 성능도 향상된다고 한다. 또한 툼스톤은 열전달이 느리고, 화학적 부식 및 마모 매체에 대한 내성을 가지고 있다.