머시닝 센터(machining center, MC)는 금형 제작이나 금속 부품 제작에 사용되는 공작기계입니다. 다양한 공구를 자동으로 구분하여 사용하는 기능을 가진 NC(Numerical Control: 수치제어) 공작기계로 크기 등에 따라 여러 종류로 구분되어 있습니다. 이번에는 머시닝 센터가 무엇인지, 특징과 장점에 대해 설명하겠습니다.
목차
머시닝 센터(MC)의 정의
머시닝 센터란 자동 공구 교환 기능을 가진 공작 기계로, 절삭이나 연삭 등의 기계 가공을 할 수 있는 기계입니다. 안쪽 드릴, 밀링 절삭, 홀 뚫기, 나사꽂이, 리머 마감 등 여러 종류의 가공을 연속으로 실시할 수 있는 NC공작기계라고 정의되어 있습니다.
범용 밀링 가공과 같은 오래된 공작 기계에서는 가공 내용에 맞춰 작업자가 칼을 교체해야 합니다. 예를 들어 원통에 나사 구멍을 자를 때는 먼저 드릴로 홀을 낸 다음 칼을 탭으로 교체하여 나사를 자릅니다. 또한 칼날을 진행하는 양과 가공축의 회전수 등도 수동으로 컨트롤하지 않으면 안 됩니다. 그러나 머시닝 센터를 이용하면 드릴에서 탭으로의 칼날 교환이나 절삭량 등의 컨트롤도 모두 자동으로 이루어집니다. 따라서 복잡한 형상에서도 작업자의 공수가 적게 생기거나 연속 가공을 할 수 있는 등 다양한 장점이 있습니다.
머시닝 센터는 수지 사출 성형이나 프레스 가공, 고무 가공에 사용하는 금형을 깎거나 다양한 형상의 기계 부품을 깎는 데 사용됩니다.
또 최근에는 3D CAD 데이터를 도입해, 가공용의 NC 프로그램을 작성하는 애플리케이션(CAM)에 의해, 복잡한 형상에서도 자동으로 가공을 할 수 있는 기종도 증가하고 있습니다.
일반적으로 머시닝 센터에 칼을 세팅할 때는 매우 고도의 숙련 기술이 필요합니다. 그러나 최근에는 칼 세팅을 보조하는 도구도 많이 나와 있어 보다 쉽게 사용할 수 있도록 진화가 계속되고 있습니다.
머시닝 센터의 특징
자동 공구 교환에 의한 다공정 연속 가공
머시닝 센터는 공구를 자동 교환하고 여러 공정을 연속으로 실행할 수 있습니다. 기존에는 공구 교환을 일손으로 실시했지만, MC는 툴 매거진과 체인지 암으로 자동화하여 작업 시간을 대폭 단축합니다. 예를 들어 하나의 워크에 대해 드릴로 밑 홀을 뚫은 후 탭으로 나사를 자르는 등 여러 가공을 연속 자동 실행할 수 있으므 무인화, 생력화에 의한 제조 비용 절감으로 이어집니다.
NC제어에 의한 고정밀・복잡한 가공
머시닝 센터는 컴퓨터에 의한 수치 제어(CNC) 기술로 동작해, 프로그램 된 궤도를 정확하게 재현합니다. 그 결과 수동 가공으로는 어렵고 높은 가공 정밀도를 안정적으로 실현 가능합니다. 또한 여러 축의 동시 제어에 대응하며, 3차원 곡면의 절삭 등 복잡한 형상으로도 한 번의 셋업으로 가공 완료할 수 있습니다. 표준적인 머시닝 센터는 X·Y·Z의 3축 제어이지만, 기종에 따라서는 회전축을 가한 4축 제어, 공구나 워크를 경사시키는 5축 제어까지 갖춘 것도 있습니다.
한번의 셋업에 의한 다면 가공
머시닝 센터는 한 번의 절차(워크 고정)로 여러 면의 가공이 가능합니다. 특히 회전, 경사축을 가진 5축 머시닝 센터에서는 상면, 측면, 대각선으로 접근할 수 있기 때문에 지그 변경이나 워크 교체 없이 복잡한 형상을 한 번에 가공할 수 있습니다. 이를 통해 단 교체시 발생할 수 있는 위치 결정 오차를 방지하고 전체 가공 정밀도의 향상으로 이어집니다. 부품의 일체화나 언더컷 형상의 설계 등, 지금까지 어려웠던 형상이라도 머시닝 센터를 활용하면 실현할 수 있는 가능성이 넓어질 것입니다.
머시닝 센터의 용도
드릴링
드릴로 재료에 홀을 뚫는 기본적인 절삭 가공입니다. 주로 볼트나 나사로 부품을 고정하기 위한 밑홀 가공에 사용됩니다. 머시닝 센터는 직경이 다른 여러 개의 홀을 프로그램 하나로 정확하게 가공하여 리머에 의한 정밀 마감까지 자동으로 수행합니다. ATC 기능으로 공구를 자동 교환하기 때문에 계단 교체가 필요 없으며, 다양한 홀을 효율적으로 연속 가공할 수 있습니다.
밀링 가공
회전 공구(엔드밀 등)로 재료를 깎아 평면이나 홈, 단차 등을 성형하는 가공법입니다. NC 제어를 통해 공구를 설계대로 고정밀로 움직여 평탄한 면에서 복잡한 윤곽까지 정확하게 절삭합니다. 타공 등 다른 공정과 한 대로 조합되기 때문에 생산성이 매우 높고 복잡한 부품도 효율적으로 제작할 수 있는 것이 머시닝 센터의 특징입니다.
탭 가공
드릴로 뚫은 밑홀에 공구(탭)를 나사하여 암나사 더미를 형성하는 가공입니다. 부품 체결에 필수적인 나사 홀을 만듭니다. 머시닝 센터에서는 홀 가공 직후 자동으로 탭 가공으로 이행하여 나사의 피치 및 깊이를 정확하게 관리할 수 있습니다. 수작업에 비해 품질이 안정적이며, 여러 개의 나사 홀도 일괄적으로 가공할 수 있어 시간 단축과 품질 향상에 기여합니다.
볼링 가공
드릴로 뚫은 홀을 전용 공구로 안쪽에서 깎아 고 정밀도로 확대 및 마감하는 가공입니다. 베어링을 압입하는 구멍 등 높은 접합 정밀도가 요구되는 곳에 필수적으로 μm 단위의 치수로 조정할 수 있습니다. 머시닝 센터는 홀 가공부터 마감까지 동일한 절차로 연속 가공할 수 있기 때문에 기준으로부터의 동축도를 매우 높게 유지할 수 있는 것이 큰 이점입니다.
윤곽 가공
공구를 여러 축으로 동시에 움직여 설계 도면대로의 자유로운 윤곽 형상을 깎아내는 가공법입니다. 제품의 외주나 내부의 포켓, 리브 등의 성형에 사용됩니다. 머시닝 센터는 CAD/CAM 데이터를 기반으로 여러 축을 고속, 고정밀로 동시 제어할 수 있기 때문에 금형 곡면 등 복잡한 3차원 형상에서도 설계자의 의도를 충실하게 재현할 수 있습니다.
머시닝 센터의 주요 종
머시닝 센터에는 매우 많은 종류가 있으며 공구를 유지하는 축의 굵기나 축의 방향 등에 따라 분류됩니다. 여기에서는 머시닝 센터의 형상을 기본으로 입형, 가로형, 문형, 5축의 4종류에 대해 해설합니다.
입형 머시닝 센터
기준 상태에서 날붙이나 공구가 수직 방향으로 세팅되는 것이 입형 머시닝 센터입니다. 일반적인 움직임으로는 워크를 실은 테이블이 수평 방향(X축, Y축)으로 움직이고 칼이 수직(Z축) 방향으로 움직여 가공합니다. 테이블 위에 고정된 워크를 위에서부터 깎아 가기 때문에 가공 상황을 확인하기 쉽고, 무거운 워크나 긴 워크에서도 높은 정밀도로 가공할 수 있는 것이 특징입니다. 한편으로 절분이 워크 위에 머물러 버리기 쉽고, 배출을 위해 절삭유의 분사량을 늘리는 등의 궁리가 필요한 경우도 있습니다. 또한 워크를 자동으로 반입, 반출하는 구조의 도입이 어려운 경우도 많습니다. 입형 머시닝 센터에서는 XYZ의 3축 방향 제어를 통한 3차원 형상 절삭이 가능합니다.
머시닝 센터는 컴팩트한 것이 많아 가공면이 윗면 1면에 집중되어 있는 경우나 소량 다품종 생산에 적합합니다.
가로형 머시닝 센터
가로형 머시닝 센터는 기준 상태에서 칼이나 공구가 가로로 세팅되는 것입니다. 가로로 워크를 세팅하기 때문에 절분이 배출되기 쉬운 것이 장점입니다. 또, 워크의 측면을 포함한 다면의 가공이 많은 경우에는, 워크를 다시 세팅하지 않고 연속으로 가공할 수 있고, 게다가 자동 반입, 반출에도 대응하기 쉬운 형상을 하고 있기 때문에, 연속 가공에 적합합니다.
한편 크고 무거운 워크의 경우 워크 자체의 무게로 굴곡이 발생할 가능성이 있습니다. 그 때문에 소형으로 정밀도가 높고, 대량 생산을 실시하는 부품의 가공에 적합합니다. 가로형 머시닝 센터에서는 XYZ의 3축 방향과 더불어 워크를 고정한 테이블을 회전시키는 4축 제어를 할 수 있는 것도 있습니다.
입형에 비해 가로 방향으로 크고, 전유 면적을 많이 취하는 것이 대부분입니다.
갠트리형 머시닝 센터
워크를 실은 테이블이 고정되어 헤드가 X, Y, Z로 움직이는 것이 갠트리형 머시닝 센터입니다. 입형과 비슷하지만, 주축을 받치는 부분이 탁자 위를 건넌 문처럼 되어 있는 것이 특징입니다. 크고 긴 테이블이 문 안을 뚫고 들어가는 구조이기 때문에 대형 부품 가공에 사용됩니다. 가공축이 한손잡이가 아니기 때문에 정밀도가 높은 가공이 가능한 것도 특징입니다.
문형 머시닝 센터는 다른 종류에 비해 매우 큰 것이 많아 거물 전용 공작 기계로 사용됩니다. 입형과 마찬가지로 XYZ의 3축 방향 제어를 통한 3차원 형상 절삭이 가능합니다. 문형으로 헤드가 2축 방향으로 회전하여 다방면에서 가공할 수 있는 타입을 「5면 가공기」라고 합니다.
5축 머시닝 센터
5축 가공이란 기존의 3축 방향 제어와 더불어 워크와 날붙이를 기울여 대각선으로 가공할 수 있는 등 매우 복잡한 3차원 형상의 가공을 할 수 있는 가공입니다. 회전 방향의 제어가 가해지기 때문에, 워크를 다시 세팅하지 않고 복수의 가공면을 연속으로 가공할 수 있거나 복잡한 곡면의 가공이 가능하게 됩니다.
한편, 동시에 여러 축을 제어하기 때문에 프로그램이 어렵고, 많은 노하우를 필요로 하는 것이 단점입니다.
5축 가공을 가능하게 하는 테이블이나 칼날을 움직이는 방법에는 여러 종류가 있으며, 기종에 따라 회전 방법이 다릅니다. 머시닝 센터의 형상으로는 입형이나 가로형이 많아 가공 목적에 맞게 구분하여 사용하고 있습니다. 5축 가공이 가능한 머시닝 센터에서는 제트 엔진의 터빈처럼 복잡한 형상을 깎아낼 수 있습니다.
머시닝 센터 도입의 장점과 주의점
머시닝 센터는 자동 공구 교환 기능을 가진 NC 가공기입니다. 그 종류에 관계없이 수동 선반이나 밀링 머신 등과 비교하여 다음과 같은 장점이 있습니다.
정밀도가 높은 가공이 가능
수치 제어로 공구의 위치를 정확하게 컨트롤하기 때문에 수작업에 비해 마무리가 안정적이며 고정밀 가공을 실현합니다. 여러 축을 동시에 제어하여 3차원 곡면 등의 복잡한 형상도 한 번의 절차로 효율적으로 제작할 수 있습니다.
다만, 고정밀도를 유지하기 위해서는 기계를 설치하는 환경에 대한 배려가 필수적입니다. 공장 내 온도·습도의 변화나, 외부로부터의 진동은 가공 정밀도에 직접 영향을 미치기 때문에, 항온 설비의 도입이나 방진 대책이라고 하는 환경 정비를 계획적으로 실시하는 것이 중요합니다.
비용 절감
공구 교환을 자동화할 수 있기 때문에 작업자의 부담이 줄어 인건비와 교육 비용을 절감할 수 있습니다. 야간 무인 운전도 가능해져 생산성이 향상됩니다.
한편, 도입에는 기계 본체나 부대 설비 등 고액의 초기 투자가 수반됩니다. 전력소비·소모품·정기유지보수와 같은 운용 비용도 지속적으로 발생하기 때문에 장기적인 관점에서의 비용대비 효과를 평가해야 합니다. 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 CAD/CAM을 다룰 수 있는 전문인력 확보나 육성도 계획에 포함해야 합니다.
작업자의 안전을 지킬 수 있음
중량이 있고 예리한 공구의 교환이 자동화되므로 작업자가 위험한 작업에 종사하는 빈도를 줄이고 부상 위험을 줄일 수 있습니다.
다만 기계는 고속으로 작동하기 때문에 운전 중 사고 위험은 여전히 존재합니다. 방호 커버나 안전 장치의 정기 점검은 빼놓을 수 없습니다. 무인 운전을 하는 경우는 화재 감지기나 자동 소화 설비의 도입이 필수적입니다. 칩의 퇴적이나 절삭유의 열화는 화재나 가공 불량의 원인이 되기 때문에 일상적인 유지보수로 안전한 가동환경을 유지하는 것이 요구됩니다.
정리
머시닝 센터는 자동으로 날을 교환하고 절삭 및 연삭 등의 기계 가공을 통해 다양한 형상을 절삭하는 NC 공작 기계입니다. 입형, 가로형, 갠트리형 등의 형태가 있으며, 가공물과 워크의 각도를 바꿀 수 있는 5축 가공기도 있습니다. 수동 가공기에 비해 정밀도가 높은 가공을 할 수 있고, 인건비 등을 절감할 수 있으며, 보다 안전하게 작업할 수 있게 됩니다.
