[MCT]NC 프로그램 작성

3.3 NC 프로그램 작성

 

일반적으로 MCT에서 수행하는 작업은 크게 구멍 가공, 면삭, 엔드밀을 이용한 윤곽면이나 포켓 가공, 볼 엔드밀 등을 이용한 곡면 가공 등으로 구분할 수 있다.

 

담당자에 따른 차이를 최소화하고, 가공 시간이나 품질 수준에 대한 예측이 가능하도록 하기 위해서는 어느 수준까지는 각 공장 현실에 맞는 NC 프로그램 작성 기준에 대한 표준화가 필요하며, 지속적인 유지 관리 및 개선 활동이 이루어져야 된다.

 

NC 프로그램 작성 패턴은 NC 장치에 따라 약간씩 차이가 있으므로, 여기서는 NC 프로그램 작성시 일반적으로 참고로 할 사항과 위의 작업 분류에 따른 NC 프로그램 작성 예를 설명하기로 한다.

 

3.3.1 가공 시작점 위치 및 좌표계 원점 설정

1) 가공 시작점 위치 및 좌표계 원점 설정

보통, 가공 시작점 위치는 준비 기능(G 코드)의 좌표계 설정 명령을 이용해 설정한다.

이 위치는 작업자가 인디게이터와 필러 게이지 등으로 찾아야 되므로 설정하기 쉬운 위치로 한다.

 

예) G92 X0 Y0 Z150.0  

 

원점 위치는 보통 첫번째 공구를 기준 공구로 하여 설정한다.

 

5축 수평형 장비 등의 경우는 기계 좌표계 좌표값으로 바로 NC 프로그램을 작성하는 경우가 많으며, 이 경우는 좌표계 설정이 필요 없다.

 

2) 공작물 좌표계(Work Coordinate System)

주기적으로 로트 단위 생산을 반복되는 경우, 이전 로트 가공 작업시 설정했던 좌표계 원점 위치가 NC 장치에 기억되어 있고, Milling Fixture 등을 사용하여 동일한 위치에 공작물을 설치할 수 있다면 다시 원점을 설정하는 과정을 반복할 필요가 없으므로 준비 교체 시간을 단축할 수 있는 유리한 점이 있다.

공작물 좌표계는 이런 목적으로 주로 사용되며, NC 장치에 따라 서로 다르므로 여기서는 FANUC 시스템을 기준으로 설명하기로 한다. 

G54	공작물 좌표계 #1
G55	공작물 좌표계 #2
G56	공작물 좌표계 #3
G57	공작물 좌표계 #4
G58	공작물 좌표계 #5
G59	공작물 좌표계 #6

 

① 'G10' 을 이용한 설정 (MDI 또는 메모리 자동 운전 모드) 

예) 공작물 좌표계 #2(G55)에 (-350.0, -150.0, -200.0)을 입력할 경우

: G10 L2 P2 X-350.0 Y-150.0 Z-200.0

② 기능 메뉴키를 이용한 입력

기능 메뉴키를 이용하여 절대좌표값이나 증분값으로 입력한다..

 

3) 좌표값 입력 방식 지정

좌표값 입력 방식은 주로 절대 좌표 방식(G90)을 사용한다.

증분 좌표 방식(G91)을 사용하면 프로그램 길이를 줄일 수 있는 장점은 있으나, 실수할 우려가 많고 현재 공구 위치 확인이 어려워 별로 많이 사용하지 않는다.

NC 프로그램 앞부분에 지정해 준다.

예) G90

 

3.3.2 접근 여유

접근 여유 위치에서 실지 절삭을 시작할 때까지는 보통 절삭 이송률로 움직이게 되므로 실지 가공 시간에 큰 영향을 미친다.

이 영향은 공작물의 형상이 복잡할수록 더 커지며, Air-cut 으로 인한 낭비를 최소화할 수 있도록 어느 정도 표준화시켜 사용하는 것이 유리하다.

 

원소재 상태에서의 접근 여유는 소재 상태나 크기 등에 따른 차이 등을 고려하여 결정할 필요가 있다 (보통 5 mm 정도를 기준으로 하고 상태에 따라 가감).

 

일단 한번 가공한 면은 위치를 신뢰할 수 있으므로, 1 mm 수준까지 접근 여유를 줄여도 된다.

 

3.3.3 정삭 여유

표면 조도와 정밀한 치수 공차가 요구되는 부위는 정삭 가공(Finishing)을 필요로 한다.

 

보통, 정삭 여유(Finishing Allowance)는 0.2 mm 정도면 적당하지만, 금형 가공시 등은 최종 정삭 여유를 아주 작게 하는 경우도 있다.

특히, 수작업 사상 작업 없이 대형 금형을 완성시키기 위해서는 최정 정삭을 공구 교환 없이 한번에 가공할 필요가 있으며, 이를 위해서는 최종 정삭 여유를 0.02mm 수준으로 하고 CBN 공구를 사용하는 것이 유리하다.

 

수량이 아주 많거나, 우수한 표면 조도가 요구되는 부위, 또는 가공 시간을 단축시킬 필요가 있을 경우, 정삭 공구는 고온 경도와 내마모성이 우수한 세라믹, 서멧, CBN, 다이아몬드(비철 금속 재료일 경우) 등의 사용을 고려해 볼 필요가 있다.

 

일반 공차가 적용되는 부위는 가공 시간 단축을 위해 황삭과 정삭 구분없이 가공하도록 한다.

 

3.3.4 절삭 조건 결정

1) 절삭 속도

MCT에서는 일반적으로 절삭 속도를 주축 회전수(rpm)로 지정해 사용한다.

 

주축 회전수는 아래와 같이 계산한다.

         N = 1000 *V /π D

         단, N : 주축 회전수 (rpm),

              V : 절삭 속도(m/min)

              D : 공구 직경(mm)

 

예) 직경 32mm 엔드밀로 절삭 속도 25m/min으로 가공시 주축 회전 명령은 ?

     N = 1000*25/(3.14*32) = 249 rpm

       S250 M03  : 주축 250 rpm으로 정회전

 

실지 적용하는 절삭 조건에 대해서는 앞에서 부분적으로 설명이 되었으므로 여기서는 생략한다.

다만, 철계 재료 가공시 고속도강 공구는 25 m/min, 초경 공구는 80~150 m/min 수준으로 적용한다.

 

2) 이송률

MCT에서는 일반적으로 이송률을 분당 이동거리(m/min)로 지정해 사용한다.

기타 5축 가공 등 특수한 경우 이송률을 시간의 역수(Inverse Time)로 지정하는 경우도 있다.

 

날당 이송률은 표면 거칠기에 직접적인 영향을 미치므로, 도면 요구 조건을 보고 결정한다.

 

절삭 이송률 아래와 같이 계산한다.

         F(m/min) = 날당 이송률* 주축 회전수 * 날수

 

예) 주축 회전수 250 rpm, 직경 32mm 두날 엔드밀, 날당 이송률 0.15mm/날.회전 으로 가공시 이송률은?

  F = 날당 이송률* 주축 회전수 * 날수

     = 0.15 * 250 * 2 = 75 (m/min)

 

3.3.5 구멍 가공

1) 정밀 공차 구멍 보링 가공

일반적으로 보링 바는 리머로 가공하기 어려운 직경이 큰 정밀 공차 구멍의 가공에 사용된다.

 

마이크로 보링바로 구멍 가공시는 툴 프리세터로 직경을 어느정도 맞춘 상태에서 우선 실린더 게이지로 측정 가능한 깊이(약 4 mm)까지만 가공 후 측정하고, 차이량을 미세 조정한 후 최종 깊이까지 가공해야 된다.

일단 한번 맞춰진 상태에서는 동일 공구로 동일 조건에서 가공하면 가공 구멍의 칫수는 거의 일정하게 유지되므로, 두번째 부품부터는 위의 미세 조정 과정을 생략할 수 있도록 NC 프로그램 작성시 선택적 블록 건너뛰기(Optional Block Skip) 기능을 이용한다.

 

예) (50,100,0)인 위치에 있는 직경 100mm 구멍 보링 가공

      N005 S250 M03              : 절삭 속도 80 m/min , 주축 정회전

      G00 X50.0 Y100.0 M08    : 가공 시작점 이동(X, Y 축 방향)

      G43 Z20.0 H05               : 공구 길이 보정 및 Z축 가공 시작점 이동

      /G86 Z-5.0 R2.0 F25.0    : 측정 가능한 깊이까지 가공, Optional Block Skip 적용

      /G80 G00 Z300.0 M09     : 측정을 위한 공구 후퇴, Optional Block Skip 적용

      /M00                            : 기계 정지, Optional Block Skip 적용1

      G86 Z-50.0 R2.0 F25.0    : 최종 깊이까지 정삭

 

첫번째 공작물 가공시는 "/"로 시작하는 블록 명령을 실행하도록 선택한 상태에서, "N005"부터 "/M00" 까지만 반복하며 구멍 칫수 공차를 맞춘다.

두번째 공작물 부터는 "/"로 시작하는 블록 명령을 건너 뛰도록 선택한 상태에서 가공한다.

 

보링바 복귀시 가공면에 공구 자국이 생기는 것을 막기 위해서는 보랑 가공 후 주축을 일정 방향 정지(Spindle Orientation Stop) 기능으로 세운 후, 보링바 날과 반대 방향으로 일정 거리만큼 이동시킨 상태에서 복귀시키는 방법을 사용한다 (G76).

 

2) 드릴 가공

① 깊은 구멍 드릴링

드릴 가공시 구멍 깊이가 직경의 3배를 넘는 부근부터 급격히 공구 수명이 짧아진다.

따라서, 깊은 구멍 가공시는 스텝 가공(일정 깊이 가공 후 공구를 구멍 밖으로 꺼내 칩 배출과 절삭유 공급 후 다시 가공 반복)으로 공구 수명을 연장시킬 수 있도록 한다.

드릴 사이클 기능을 활용하면 NC 프로그램 길이를 줄일 수 있는 장점이 있다.

예) 지름 20mm 드릴로 깊이 90mm 가공

       S400 M03                                                       : 절삭 속도 25m/min 주축 정회전

       G83 G99 X50.0 Y100.0 Z-90.0 R2.0 Q30.0 F120.  : 심공 드릴 사이클

 

② 이송률

드릴 가공시 이송률은 보통 0.3 mm/rev를 기준으로 하고 피삭재 재질이나, 드릴 직경에 따라 약간씩 조절한다.

 

③ 센터 드릴 가공

직경이 작은 드릴이나 길이가 긴 드릴 사용시, 또는 위치 공차 등이 요구되는 정밀 구멍 가공시는 드릴의 편심 방지를 위한 센터 가공을 해주는 것이 좋다.

특히, 직경 12mm 이하 드릴은 센터 드릴 가공 후에 드릴 가공을 하는 것이 좋다.

 

④ 초경 인서트 드릴

직경 20mm 이상인 구멍 가공시는 초경 인서트를 사용한 드릴 사용을 검토해 볼 필요가 있다.

고속도강 드릴의 경우 철계 재료 가공시 절삭 속도를 25m/min 이상으로 하기 어렵지만, 초경 인서트 드릴은 100m/min 정도까지 절삭 속도를 올릴 수 있으며, 이송률은 일반 고속도강 드릴과 비슷한 수준에서 사용이 가능하므로 생산성을 많이 향상시킬 수 있다.

 

⑤ 아주 큰 직경의 구멍 드릴 가공

가공할 구멍의 지름이 아주 클 경우 중앙에 자리잡기를 위한 센터 드릴이 부착된 파일럿 붙이형 초경 인서트 드릴을 사용한다,

지름 100mm 이상인 구멍도 가공이 가능하며, 보링 바를 이용한 중삭을 생략할 수 있어 가공 시간을 단축할 수 있다.

(사례)

대형 프레스 금형의 가이드 포스트(Guide Post) 구멍 가공 - 지름 60mm, 80mm, 100mm 등

 - 기존 공정 : 지름 50mm 고속도강 드릴로 구멍 가공 후 중삭 보링 및 정삭 보링 가공

                    드릴 가공 절삭 속도 25m/min, 이송률 0.3mm/rev

                    여러개의 중삭 보링바 사용으로 가공 소요 시간 증가

 - 개선 공정 : 보링 가공 여유 1.5mm 만 남기고 파일럿 붙이 초경 인서트 드릴로 가공 후 보링 가공

                    공구는 가공 구멍 직경과 깊이를 고려해 특수 주문 제작

                    절삭 조건은 절삭 속도 80 m/min, 이송률 0.25 mm/rev 적용

                    예상보다 안정적으로 가공됨.

 

3) 탭 가공

MCT에서 안정적으로 탭 가공을 수행하기는 어렵다.

주축은 정회전하며 탭 가공을 하고, 역회전하며 복귀한 후 다시 정회전을 한다.

단, 주축이 완전히 멈추거나, 회전을 시작한 후 정상 속도가 될 때까지는 어느 정도 시간이 필요하므로, 공구 축 방향으로 어느 정도 움직일 수 있는 기능이 있는 홀더를 사용해야 된다.

 

NC 프로그램 작성시는 보통 탭 가공 고정 사이클을 적용한다.

예) M12 X P1.5 나사 가공

      S320 M03                                              : 절삭 속도 12 m/min 적용

      G84 G99 X10.0 Y20.0 Z-30.0 R5.0 F480.    : 탭 가공, 이송률은 (320 x 1.5)로 계산

 

왼나사는 오른 나사와 반대로 주축이 역회전하며 탭가공을 한다.

 

태퍼 척은 보통 탭 콜릿(Tap Collet)을 연결해 사용하며, 파손을 막고 안정적으로 가공이 되도록 하기 위해 여러가지 기능들이 보강된 제품들이 개발되어 있으므로 신중하게 검토한 후 선택하도록 한다.

 예) Floating 기능, 자동 깊이 조정 기능, 자동 역회전 기능 등

 

탭 홀더를 사용하지 않고 탭 가공을 할 수 있도록, 주축 회전과 축 이송을 동기시킬 수 있도록 한 장비도 있다.

.

4) 기타

기타 리머 가공, 자리파기, 면취 등의 가공은 앞에서 어느 정도 설명이 되었으므로 여기서는 생략한다.

 

3.3.6 엔드밀을 이용한 가공

1) 윤곽 가공

엔드밀을 이용한 윤곽면 가공시는 항상 하향 절삭(Climbing Cut)하는 것을 원칙으로 한다.

상향 절삭에서는 일반적으로 과절삭(Overcut) 이 되는 경향이 있어, 제품 품질에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.

단, 주물 소재의 표피 제거시 등은 예외로 상향 절삭을 적용한다.

 

윤곽 정삭시 공구나 공작물의 변형 문제 등으로 위쪽과 아래쪽의 칫수가 다르거나, 약간 두껍게 가공되는 경우가 많다.

특히, 엔드밀의 길이가 길거나, 공작물 가공 부위의 강성이 약할 경우 발생하기 쉬우며, 이럴 경우 최종 정삭 치수로 가공을 한번 더 하는 방법을 적용하면 어느 정도 안정적인 치수 공차 관리가 가능하다.

 

 

2) 포켓 가공

① 가공 순서

주위가 막힌 포켓 가공시는 내부에서 외부로 가공해 나오도록 한다.

포켓 내부에 섬 모양의 제거할 부위가 남도록 하는 것은 가능한 피하는 것이 좋다.

한쪽면이 터진 포켓일 경우, 터진 부위부터 가공을 시작하고, 이때도 마찬가지로 가운데에서 밖으로 가공해 나오도록 한다.

 

가공 순서는 아래와 같은 방법을 적용하는 것이 일반적이다.

① 포켓 내부 황삭 : 바닥면과 플랜지 벽면을 정삭 여유 약 0.2mm 남기고 황삭 및 중삭

② 포켓 바닥면 정삭 : 플랜지 벽면에 접촉하지 않은 상태에서 바닥면 정삭

③ 플랜지 벽면 정삭 : 크게 문제가 되지 않는다면 바닥면에서 0.02mm 정도 띄운 상태에서

                                플랜지 벽면을 정삭하는 것이 좋다.

 

② 포켓 진입 방법

주위가 막힌 포켓일 경우, 엔드 커팅이 가능한 엔드밀을 사용하고, 처음 포켓 내부 진입시 엔드밀을 30° 정도 경사 방향으로 진입시키도록 한다.

단, 포켓 깊이가 너무 깊어 경사 방향으로 진입시키기 어려울 경우, 드릴로 먼저 구멍을 가공한 후, 그 위치에서 엔드밀이 진입하도록 하는 방법을 사용한다.

 

③ 플랜지 벽면 정삭

주위가 막힌 포켓일 경우, 플랜지 벽면 정삭시 플랜지 벽면에 엔드밀을 붙일 때 벽면에 직각인 방향으로 바로 붙이면 공구 자국이 남게 되므로, 공구 직경보다 약간 큰 직경의 벽면에 접하는 원호를 따라 공구가 이동하도록 하고, 빠져 나올 때도 마찬가지로 벽면에 접하는 원호를 따라 나오도록 한다.

 

④ 기타

포켓 바닥면 두께가 얇을 경우, 가공중 들림 방지를 위해 진공 클램프를 사용한다.

 

3.3.7 면삭

페이스 밀링 커터를 이용한 면삭은 앞의 절삭 공구와 절삭 가공 일반에서 어느 정도 설명이 되었으므로 여기서는 생략한다.

 

3.3.8 곡면 가공

① 가공 방향

볼 엔드밀을 이용한 곡면 가공시 가공 방향은 아래쪽에서 위로 올라오도록 한다.

주축 회전수가 빨라도 공구 중심부의 절삭 속도는 아주 느리며, 중심축선에서는 거의 "영"에 가깝다.

따라서, 공구 중심부는 가능한 공작물과 접촉하지 않도록 하는 것이 좋으며, 그러기 위해서는 아래에서 위로 가공해 올라오는 것이 유리하다.

 

또한, 위로 가공해 올라오면 가공중 발생한 칩에 의한 영향도 줄일 수 있는 장점이 있다.

 

3.3.9 공구 보정

1) 공구경 보정

NC 프로그램 작성시는 일반적으로 공구 위치 기준을 공구 중심선 끝점으로 한다.

사용하는 공구의 직경이 항상 일정하다면, 공구경 보정 기능을 사용하지 않아도, 프로그램 작성시 약간 계산 과정이 늘어지만, 실지 가공에 크게 불편한 점은 없다

더우기 CAM 시스템을 사용하면, 이런 계산 과정도 컴퓨터가 대신해준다.

실지로 주축이 여러개 있는 장비나 5축 장비에서는 공구경 보정 기능을 사용하지 않는 경우가 많다.

 

하지만, 엔드밀 등의 공구는 어느 수준까지 계속 재연마하여 사용하는 것이 일반적이며 이로 인해 공구 직경이 공작물 칫수에 영향을 미칠 정도로 작아지면, NC 프로그램 수정이 불가피해진다.

이럴 경우, 공구경 보정 기능을 사용하면, NC 프로그램 수정없이 옾셋값 변경 만으로 바로 가공 작업이 가능하다.

또한, 수작업으로 NC 프로그램을 작성할 경우, 프로그램 작성시 계산 과정을 줄일 수 있는 장점도 있다.

 

(가공 경로 기준 공구 위치 지정)

G 코드	공구 위치	비고
G41	가공 경로의 왼쪽 (하향 절삭)	오른손 좌표계 기준
G42	가공 경로의 오른쪽 (상향 절삭)
G40	공구경 보정 취소

 

 예) (0,0), (20,0), (20,10), (0,10) 의 네점을 연결하는 사각 형상의 윤곽면 가공

      - 사용 공구 : 지름 20mm 초경 엔드밀

      - 모든 모서리 R2 적용, 가공 깊이 20mm (Z축 원점 : 바닥면)

 

       N005 G92 X0 Y0 Z300.0

       S1600 M03                                    : 절삭 속도 100 m/min 적용, 주축 정회전

       G00 G90 X-12.0 Y-12.0 M09

       G43 Z24.0 H05                               : 공구 길이 보정하며 Z축 이동

       G01 Z-20.0 F1500.                          : 가공 시작 위치 이동

       G41 X0  D05 F400.                          : 좌측 윤곽면에 붙임, 이송률 0.25mm/rev

             Y8.0                                        : 좌측 윤곽면 하향 절삭, 원호 가공 시작점까지 이동

       G02 X2.0 Y10.0 R2.0                       : R2 라운딩 가공, G17은 생략

       G01 X18.0

       G02 X20.0 Y8.0 R2.0

       G01 Y2.0

       G02 X18.0 Y0 R2.0

       G01 X2.0

       G02 X0 Y2.0 R2.0

       G40 G01 X-12.0 Y-12.0 F1500. M09  : 공구경 보정 취소

       G00 Z24.0 M05

       G44 X0 Y0 Z300.0 M01                   : 공구 길이 보정 취소

 

2) 공구 길이 보정

NC 프로그램 담당자는 NC 공정도를 통해 공구 홀더와 공구 규격, 공구 돌출 길이 등을 공구실 담당자나 작업자에게 알려, 공구 설치를 할 수 있도록 한다.

공구 설치 길이는 일반적으로 주축 게이지 라인부터의 길이를 기준으로 한다.

공구 설치 길이를 정확하게 맞출 필요가  있는 5축 장비나 주축이 여러개 있는 장비에서는 홀더 내부에 로케이터 기능을 하는 세트 스크류 등이 있는 구조로 된 공구 홀더를 주로 사용한다.

그러나, 일반 밀링 척 등으로 공구 설치 길이를 예를 들면 0.05mm 수준까지 정확하게 맞추기는 쉽지 않다.

 

따라서, 일반 MCT에서는 공구 돌출 길이 기준으로 공구를 설치하고, 공구 설치 길이를 측정한 후 NC 장치의 공구 길이 보정 기능으로 보정해 주는 방법을 주로 사용한다.

 

G 코드	기 능	비고
G43	공구 길이 보정	NC 장치에 따라 다를 수 있음
G44	공구 길이 보정 취소

 

 

3.3.10 고정 사이클 (Fixed Cycle)

보통, 고정 사이클은 NC 프로그램 작성 시간을 줄이고, 프로그램 길이를 짧게하기 위해 사용한다.

일반적으로 MCT에서는 NC 선반의 경우보다 고정 사이클이 좀 더 유용하게 사용되는 경우가 많다.

 

고정 사이클은 NC 장치에 따라 약간씩 차이가 있으므로, 해당 NC 장치 설명서를 자세히 검토한 후 사용해야 된다.

위에서 일부 설명이 되었으므로 여기서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.

 

G 코드	기 능	비고
G73	깊은 구멍 드릴 사이클 (Deep Hole Peck Drilling)	칩 절단
G80	고정 사이클 취소
G81	드릴 사이클, 급속 후퇴(Rapid Out)
G82	드릴 사이클, 급속 후퇴(Rapid Out), 잠시 이송 정지(Dwell)
G83	깊은 구멍 드릴 사이클 (Deep Hole Peck Drilling)	구멍 밖까지 후퇴
G84	오른 나사 탭핑 사이클 (Right-hand Tapping)
G85	보링 사이클, 이송 속도 복귀 (Feed Out)
G86	보링 사이클, 주축 정지, 급속 후퇴
G87	보링 사이클, 수작업 복귀 (Manual Retraction)
G88	보링 사이클, 주축 정지, 수작업 복귀
G89	보링 사이클, 이송 속도 복귀, 잠시 이송 정지

 

3.3.11 기타

1) 날카로운 모서리 제거

"면취하지 말 것" 등의 주기가 도면상에 따로 지정되어 있지 않은 모든 모서리는 도면에 별다른 지시가 없어도 반드시 면취나 라운딩 처리를 한다.

날카로운 모서리가 있는 부품은 취급이 어렵고, 안전 사고의 위험도 있다.

 

2) 중간 공차 적용

NC 프로그램 작성시는 중간 공차를 적용하고 누적 공차가 생기지 않는지 사전에 전체 칫수를 검토할 필요가 있다.

NC 공정도를 작성할 경우에는 반드시 중간 공차로 계산한 값을 기록해 준다.

현장에서 작업자가 측정을 위해 계산을 하도록 할 경우, 실수할 우려가 있으며 가동률에도 영향을 미칠 수 있다.