다축 CNC 가공 실무

다축에서는 "경로"가 곧 "자세"입니다

3축 CAM에서 경로를 고른다는 건 공구가 어디를 지나갈지를 고르는 일이었어요. 다축에서는 여기에 매 순간의 공구 자세가 따라붙습니다. 같은 면을 깎아도 어떻게 기울이느냐에 따라 유효 절삭속도, 진동, 충돌 여부, 표면이 전부 달라져요.

그래서 다축 CAM은 "예쁜 곡면을 만드는 기술"이 아니라 부하와 자세를 통제하는 기술입니다.

1. 황삭 → 중삭 → 정삭 → 잔삭, 각 단계의 목적이 다릅니다

> 중삭을 건너뛰는 것이 가장 흔한 생산성 손실입니다. "황삭 → 바로 정삭"으로 짜면 정삭 공구가 어떤 데서는 0.05mm, 어떤 데서는 0.6mm를 만나요. 공구 처짐이 위치마다 달라져 형상이 미묘하게 틀립니다. 원인을 못 찾고 정삭 조건만 계속 낮추게 돼요.

2. 공구 부하 일정화 — 적응형 황삭

전통 등고선 황삭은 코너에서 포위각(공구가 소재에 물리는 각도) 이 급증합니다. 부하가 튀는 지점이 여기예요.

[ 전통 등고선 황삭 ]
  직선 구간 : 포위각 30도 정도
  안쪽 코너 : 포위각 180도 가까이  ← 부하 급증
  → 공구가 여기서 부러진다

[ 적응형(Adaptive / Dynamic) 황삭 ]
  포위각을 일정하게 유지하도록 경로를 계산
  → 절삭 폭(ae)은 작게, 절입 깊이(ap)는 크게

φ12 초경 엔드밀 (날장 40mm) 로 SM45C 황삭

전통 방식   ap 3mm  × ae 8mm  × F 500
  제거율 = 3 × 8 × 500 / 1000 = 12 cm³/min
  날 길이의 아래 3mm 만 계속 씀 → 그 부분만 마모

적응형     ap 30mm × ae 1.2mm × F 3,000
  제거율 = 30 × 1.2 × 3000 / 1000 = 108 cm³/min
  날 길이 전체를 씀 → 마모가 분산되고 열도 분산

• 날 길이 전체를 쓰는 것이 적응형의 숨은 이득입니다. 공구 수명이 크게 늘어요.
• 다만 기계의 이송 가감속(look-ahead) 성능이 받쳐줘야 합니다. 오래된 제어기에서는 경로가 잘게 쪼개져 오히려 느려져요. 도입 전에 시험 절삭으로 실제 사이클타임을 재보세요.
• 5축에서는 여기에 회전축 이송 속도 한계가 추가됩니다. XYZ는 빨리 갈 수 있어도 A·C축이 못 따라가면 전체 이송이 끌려 내려가요.

3. 다축 전용 경로 전략

스월로 가공의 이득은 큽니다. 볼엔드밀로 등고선을 수십 패스 도는 대신 공구 옆면으로 한 번에 훑으니 사이클타임이 크게 줄고 벽면에 스텝 자국이 없어요.

> 단, 벽면이 직선규제면이어야 합니다. 뒤틀린 면에 억지로 스월로를 걸면 가운데가 과절삭(언더컷) 됩니다. CAM이 오차를 표시해주니 반드시 확인하세요. 겉보기엔 성공한 것 같은데 측정하면 중앙부가 파여 있는, 원인 찾기 어려운 불량이 여기서 나옵니다.

4. 리드각과 틸트각 — 볼엔드밀은 세워서 쓰면 안 됩니다

• 리드각(lead) — 진행 방향으로 앞뒤로 기울이는 각
• 틸트각(tilt) — 진행 방향의 옆으로 기울이는 각

왜 기울여야 하는지 숫자로 보면 명확합니다.

볼엔드밀 φ10 (R5), 정삭 절입 ap = 0.3mm, 주축 8,000rpm

[ 공구를 세운 상태 ]
  유효지름 D_eff = 2 × √( ap × (D − ap) )
                = 2 × √( 0.3 × 9.7 )
                = 2 × 1.706 = 3.41mm
  실제 Vc = π × 3.41 × 8000 / 1000 = 85.7 m/min

  카탈로그를 φ10 으로 계산했다면
       Vc = π × 10 × 8000 / 1000 = 251 m/min
  → 실제로는 그 1/3 속도로 문지르고 있는 셈
  → 게다가 회전 중심은 속도 0 (깎는 게 아니라 눌러 밀고 있음)

[ 리드각 15도를 준 상태 ]  ※ 근사 계산

  접촉 구간의 각도(볼 중심 기준)
    세운 상태 :  0도 ~ arccos( (5 − 0.3) / 5 ) = 19.9도
    리드 15도 : 15도 ~ 약 35도

  유효지름 = 2 × R × sin(접촉 최대각)
    세운 상태 : 2 × 5 × sin(19.9도) = 3.41mm
    리드 15도 : 2 × 5 × sin(35도)  = 5.73mm

  → 유효지름 약 1.7배, 절삭속도도 같은 비율로 상승
  → 회전 중심이 절삭에서 빠져 면조도 개선

실무 기준

• 정삭 리드/틸트는 보통 10~20도 범위에서 시작합니다. 소재·형상에 따라 조정하세요.
• 각을 너무 크게 주면 홀더나 헤드가 소재에 가까워져 충돌 위험이 올라갑니다. 얻는 것과 잃는 것이 맞바뀌는 지점이 있어요.
• 3+2로 각도를 고정해 정삭하는 것도 훌륭한 선택입니다. 회전축이 잠겨 있어 동시 5축보다 강성이 높고 면이 더 잘 나오는 경우가 많아요.

5. 특이점(싱귤래리티)과 회전축 리밋

다축 CAM에서 초보가 반드시 한 번은 겪는 문제입니다.

트러니언형(A + C) 기계에서
공구축이 C축과 거의 나란해지는 순간
  → C축이 "어느 방향이든 상관없는" 상태가 됨
  → 경로가 조금만 흔들려도 C축이 수백 도를 급회전
  → 표면에 자국, 심하면 축 리밋 알람 또는 충돌

> CAM 기본값 그대로 쓰면 이 값들이 안 들어가 있습니다. 기계 1대마다 리밋과 회피 각도를 넣은 전용 머신 정의를 만들어 두세요. 이건 한 번 해두면 계속 씁니다.

6. 충돌 검증 — 다축에서는 선택이 아닙니다

> CAM 화면에서 안 부딪혔다고 안전한 게 아닙니다. CAM은 자기가 만든 툴패스를 보여줄 뿐, 포스트가 뱉은 G코드를 실행해본 게 아니에요. 3축은 여기서 사고 나도 공구가 부러지고 끝나지만, 5축은 스핀들이 깨지고 회전축 기하정밀도까지 다시 잡아야 합니다. G코드 기반 검증 도입 비용이 헤드 한 번 깨지는 비용보다 쌉니다.

검증이 거짓말이 되는 조건 — 여기가 진짜 함정입니다

시뮬레이션의 신뢰도는 입력한 3D 모델의 완성도를 절대 넘지 못합니다.

7. 포스트프로세서

> 기계 1대 = 포스트 1개로 관리하세요. 같은 제조사 같은 모델이라도 옵션(RTCP 유무, 회전축 리밋, 쿨런트)이 다르면 다른 포스트입니다. 포스트를 급하게 손보고 검증 없이 돌리는 것이 다축 사고 1순위예요. 수정했으면 시험 부품으로 한 번 돌리고 이력을 남기세요.

8. 현장에 넘길 때

NC 파일만 던지면 사고 납니다. 다축은 특히 더요.

• 작업원점 위치와 방향(각도 기준) 을 그림으로
• 공구 리스트 — T번호 / 공구 / 홀더 종류 / 돌출 길이 / 보정번호
• 고정 방법과 클램프 높이(각도를 돌렸을 때 간섭하는지)
• 각도 변경 지점과 그때의 안전높이
• 예상 사이클타임, 첫 개 측정 항목

체크리스트

• 중삭(준정삭) 공정이 들어 있어 정삭 여유가 균일하다
• 잔삭 공정이 들어 있다
• 정삭에 리드/틸트각을 줘 볼 중심 절삭을 피했다
• 스월로 가공 대상 면이 직선규제면인지 확인했다
• CAM 머신 정의에 회전축 리밋·특이점 회피 각도가 들어 있다
• 공구 길이가 프리셋터 실측값과 동기화되어 있다
• 홀더·고정구·척까지 3D 모델로 넣고 시뮬레이션했다
• G코드 기반 검증을 거쳤다 (고가 부품·동시 5축이면 필수)
• 포스트가 이 호기 전용이고 최근 수정 이력이 검증되어 있다
• 셋업 시트를 함께 전달했다