IT기술의 진보에 따라 제조업의 현장에서도 업무의 효율화를 목표로 IT화와 자동화가 진행되고 있습니다. 그 중에서도 가공 작업 자체를 자동화하는 방법이 「CNC(컴퓨터 수치 제어)」입니다. CNC를 탑재한 공작 기계는 「CNC 공작 기계」라고 불리며, 산업용 부품 제조 등에 활용되고 있습니다. 안정적인 품질의 제품을 대량 생산할 수 있는 점이 CNC의 장점입니다.
이번 기사에서는 CNC의 개요와 용도, CNC의 장점과 단점, CNC로 할 수 있는 가공 방법 등을 설명합니다.
목차
CNC란?
CNC는 Computer Numerical Control 또는 Computerized Numerical Control의 약자로 컴퓨터를 사용하여 공작 기계를 수치 제어하는 것입니다. 공작기계의 움직임(이동속도, 이동방향이나 가공량 등)을 프로그래밍에 의해 자동화함으로써 고품질의 제품을 안전하고 효율적으로 생산할 수 있습니다.
한때 밀링 머신이나 선반과 같은 공작 기계의 조작은 장인이 모두 수작업으로 하고 있었습니다. 그러나 이 방법에서는, 「장인의 마무리작업에는 불균일이 나온다」 「복잡한 형상의 가공을 할 수 없다」 「작업을 효율화할 수 없다」라고 하는 문제가 발생합니다. 수치 제어에 의해 공작기계의 움직임을 자동화하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.
현재는 수많은 공작 기계에 컴퓨터 수치 제어가 도입되고 있습니다. 또한 CNC 공작기계를 CAD나 CAM과 조합하면 설계에서 가공까지 모두 컴퓨터 내에서 처리가 가능합니다.
CNC 공작 기계의 용도
수치 제어로 동작하는 공작 기계는 자동차나 의료기기, 항공기 등의 부품을 만들 때나 금형을 가공할 때 등 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 자유 곡면 가공이나 3차원 형상의 가공이라고 하는, 범용 공작 기계(수치 제어가 아닌 수동의 공작 기계)에서는 어려운 정밀한 가공을 실시하는 경우는 특히 편리합니다. 또한 공작 기계에 따라 금속뿐만 아니라 플라스틱이나 목재 등의 가공도 가능합니다.
CNC와 NC의 차이
CNC와 비슷한 용어로 NC가 있습니다. NC는 「Numerical Control(수치 제어)」의 약칭으로, CNC와 달리 「Computer(컴퓨터)」라는 단어를 포함하지 않습니다. 이것들은 무엇이 다른가?
NC는 트랜지스터나 연산 회로와 같은 하드웨어만을 사용하여 공작 기계의 동작을 제어하는 방법입니다. 1950년대에 개발이 진행된 기술로, 데이터 읽기용 기판, 연산용 기판, 서보 제어용 기판과 같은 복수의 기판을 조합하여 제어하는 것이 일반적이었습니다.
그러나 CNC는 NC의 제어 내부구조를 컴퓨터로 대체 한 것입니다. 전용 프로그래밍 언어를 사용하여 공작 기계의 동작을 소프트웨어적으로 제어합니다. 그러나 최근에는 NC 장치에도 컴퓨터가 탑재되는 경우가 많아 NC와 CNC의 구별은 없어지고 있습니다.
CNC 사용법
CNC로 재료를 가공하는 경우, 대략 다음과 같은 순서로 작업이 진행됩니다.
- 3D CAD를 사용하여 제품의 3D 데이터 생성
- CAM에서 NC 프로그램 데이터 생성
- 필요한 공구를 준비하고 공구를 칼날대에 고정
- 재료를 가공대에 배치
- 가공 시작
CAD는 3D 데이터를 작성하는 툴인 반면, CAM은 CAD 등으로 만들어진 3D 데이터를 바탕으로 NC 프로그램을 작성하는 어플리케이션입니다. NC 프로그램이란, 칼날의 회전수나 종류, 공구의 교환 타이밍, 공구의 거리도 등이 프로그램의 형태가 된 것입니다. CAM을 사용하여 공구와 가공 조건을 입력하면 자동으로 NC 프로그램이 생성됩니다. 프로그래밍 지식 등이 없어도 CAM을 사용하여 NC 프로그램을 작성할 수 있어 CNC 가공이 가능합니다.
CNC의 특징
이어 CNC의 장점과 단점을 설명합니다.
CNC의 장점
품질이 안정
장인이 수동으로 공작 기계를 조작하는 경우 제품의 완성도에 변동이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 장인의 기술이나 숙련도에 따라 제품의 크기와 상태가 변화하거나 장인이 기계를 조작 실수하여 폐기품이 나오는 경우를 생각할 수 있습니다.
CNC 공작기계에서는 프로그램에 따라 자동으로 가공이 이루어지므로 제품의 품질을 비교적 안정시킬 수 있습니다.
대량 생산에 적합하며 비용 절감으로 이어진다.
CNC 공작 기계는 수치 제어에 의해 자동으로 가공을 실시하기에, 쓸데없는 움직임이 적고, 통상은 장인의 수작업보다 빨리 가공이 완료합니다. 1개당 가공 시간이 짧고, 동일한 제품을 효율적으로 양산할 수 있다는 점이 장점입니다.
또한 CNC 공작 기계가 작동하는 동안 기계를 모니터링하는 것만으로 좋으며 한 명의 장인이 여러 대의 기계를 담당 할 수 있습니다. 게다가 감시조차 필요 없이 완전히 무인으로 운전할 수 있는 경우도 있습니다. 적은 수로 많은 제품을 만들 수 있으므로 생산성 향상과 인건비 절감이 가능합니다.
안전성이 높음
CNC 공작 기계는 장인이 근처에 없어도 자동으로 가공을 진행 시켜줍니다. 따라서 기계에 휘말리거나 칩이 날아와 부상을 입을 위험이 적은 점이 장점입니다. 그럼에도 불구하고 공작기계의 크기에 맞지 않는 피가공물(공작기계에서 돌출할 정도로 긴 막대 모양의 재료 등)을 사용하면 심각한 부상을 입을 수 있으므로 기계의 동작 조건을 확실히 확인한 후 로 작업하자.
ATC 기능과 조합하여 공구 교환도 자동화 가능
ATC는 Automatic Tool Changer의 약자로 CNC 가공 도중에 자동으로 공구를 교환하는 장치입니다. NC 프로그래밍에 따라 밀링이나 드릴 등 미리 설정된 칼날을 자동으로 교환하여 가공을 합니다. 이러한 장치와 조합하면 기계를 멈추고 사람이 칼날을 교환하거나 공정을 나누어 다른 기계로 가공하지 않아도 자동으로 가공을 계속할 수 있습니다. 또, 칼날의 교환에 수반하는 작업 시간 등을 단축할 수 있어 효율이 좋은 가공을 할 수 있게 됩니다.
CNC의 단점
설비가 높은 가격
CNC 공작 기계에는 실제 가공 작업을 실시하는 부분 외에 수치 제어를 실시하는 컴퓨터나 소프트웨어 등이 탑재되어 있습니다. 그렇기에, 종래의 범용 공작 기계보다 매우 높은 가격이며, 도입 비용이 높아지는 점은 단점입니다. 또한 별도 CAM을 준비해야 하는 경우도 있습니다. 도입 비용을 회수할 전망을 세운 다음에 도입 검토를 진행합시다.
가공 전 준비가 많다
CNC 공작기계로 가공작업을 자동화하는 경우, 「NC 프로그램을 조립하기 위한 지식 습득」 「NC 프로그램의 작성과 입력」 「재료의 위치 결정」 「재료의 테스트 컷」 등 많은 준비가 필요합니다. 기존의 범용 공작 기계보다 준비 항목이 많기 때문에 첫 번째를 가공하는 데 시간이 걸립니다. 자동 가공에 의한 효율화와 사전 준비가 많음을 모두 근거로 한 후, 총 작업 시간을 견적하도록 합시다.
CNC로 할 수 있는 가공
세상에는 다양한 CNC 공작 기계가 존재합니다. CNC 공작 기계는 일단 시작하면 프로그램대로 자동으로 가공을 계속 해줍니다. 장인이 없는 야간이나 이른 아침에도 가공을 진행할 수 있으므로 가동률과 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 또, 수작업으로는 어려운 3차원적인 형상도 높은 정밀도로 가공할 수 있습니다. 대표적인 것을 몇 가지 소개합니다.
CNC 밀링 머신
밀링 머신에 CNC 기능을 탑재한 것이 「CNC 밀링 머신」입니다. CNC 밀링 머신을 사용하면 밀링 가공(고정된 피가공물에 회전시킨 칼날을 맞추고 깎는 방법)을 자동화할 수 있습니다.
CNC 선반
선반 가공(회전시킨 피가공물에 고정한 칼날을 맞추고 깎는 방법)을 자동화한 것이 「CNC 선반」입니다. 단이 있는 축 등이 자동으로 가공할 수 있게 됩니다. 또한 0.001mm 단위로 가공할 수 있는 기계도 존재합니다.
CNC 연삭기
연삭 가공(고속 회전시킨 숫돌을 피가공물에 밀어 깎는 방법)에 사용되는 것이 「CNC 연삭반」입니다. 숫돌을 자동으로 교체하거나 연삭 범위를 자동으로 제어합니다.
머시닝 센터
머시닝 센터도 CNC의 일종입니다. CNC 가공기 중에서도 ATC를 갖추고 「보오링, 밀링, 드릴링, 나사 세팅, 리머 마무리 등 많은 종류의 가공을 연속으로 실시할 수 있다」고 정의되어 있습니다. 크기나 모양, 움직일 수 있는 축의 수 등에 따라 많은 종류가 있습니다.
기타 CNC 가공 기계
빛에너지를 사용하여 피가공물을 녹이는 「CNC 레이저 가공기」나, 물을 고압 분사하여 피가공물을 절단하는 「CNC 워터젯 절단기」도 CNC 공작기계의 일종입니다.
마무리하며
CNC(컴퓨터 수치 제어)는 공작 기계의 동작을 컴퓨터로 자동화하는 것입니다. 이동 방향이나 이동 속도, 가공량 등을 공작 기계에 프로그래밍해 두고, 높은 정밀도로 수치 제어합니다. CNC기능을 탑재한 공작기계는 「CNC공작기계」라고 불리며, 자동차나 의료기기를 비롯하여 제조의 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
CNC 공작 기계를 사용하면 고품질의 제품을 안정적으로 대량 생산할 수 있습니다. 장인이 근처에 있을 필요가 없기 때문에, 부상이나 사고가 줄어드는 점도 장점입니다. 그러나, 장치가 고액인 점이나 가공전의 준비가 많은 점 등은 단점이라고 할 수 있습니다.
업무의 효율화와 안전성 향상에 큰 역할을 하는 CNC 공작 기계. 장점과 단점을 모두 검토한 후, 범용 공작기계와의 구분을 검토합시다.
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