금형 가공에서의 5축 가공 응용과 장점

자동차 부품 금형 제조 과정에서는 CAD 시스템이 설계의 핵심을 담당하고, 역설계 및 다양한 시험을 통해 검증이 이루어진다. 복잡한 곡면 가공 프로그램은 CAM 소프트웨어를 통해 작성되며, 설계와 가공의 정밀도를 보장하기 위해서는 무엇보다도 CNC 가공 기술이 필요하다. 본 글에서는 5축 가공 시스템이 금형 가공에서 어떻게 활용되고, 금형 품질과 어떤 연관성을 가지는지 살펴본다.

1. 3축 가공과 5축 가공의 비교

3축 가공 센터에서 깊은 캐비티를 가공할 경우, 긴 공구와 공구대가 필요하다(그림 1). 하지만 이 경우 진동과 강성 부족으로 인해 가공 품질이 떨어지며, 공구 파손 위험도 높다. 반면, 5축 가공 센터는 작업대나 주축의 회전 및 기울임을 통해 최적의 절삭 조건을 만들 수 있다. 이로써 공구 길이를 단축할 수 있고, 공구대와 캐비티 벽의 간섭을 피할 수 있어 표면 품질, 가공 효율, 공구 수명을 크게 향상시킨다(그림 2).

그림-1

그림-2

2. 복잡 곡면 가공의 장점

3축 가공 센터에서 곡면을 정밀 가공할 때는 보통 볼 엔드밀을 사용한다. 그러나 볼 엔드밀의 중심부는 선속도가 0에 가까워 가공 시 표면 품질이 불균일하고 공구 손상이 심각하다.(그림 3）
반면, 5축 가공 센터는 공구와 공작물의 각도를 조절하여 공구와 공작물 사이의 상대 속도를 높일 수 있다. 이렇게 하면 표면 품질은 더욱 향상되고, 동시에 공구 수명도 늘어난다.

그림-3

3. 금형 측벽 가공의 개선

3축 가공에서 깊은 측벽을 가공할 경우, 공구 길이는 측벽 깊이보다 길어야 하며, 길이가 길어질수록 강성은 약해지고 절삭 품질이 불안정해진다. 특히 공구 길이가 직경의 3배 이상일 경우 현저히 품질 저하가 발생한다(그림 3).
5축 가공 센터에서는 공작물이나 주축을 기울여 공구를 측벽에 수직으로 위치시킨 후 평면 엔드밀을 사용해 절삭하면, 가공 품질을 안정적으로 확보할 수 있고 공구 수명도 늘릴 수 있다.

4. 경사면 및 경사 구멍 가공

경사면에 구멍을 가공할 때, 3축 장비는 복잡한 보정 운동이 필요하다. 하지만 5축 가공 센터에서는 주축을 경사면에 수직으로 기울인 후 단순 선형 운동만으로도 고정밀 구멍 가공이 가능하다. 이는 구멍 가공의 정밀도를 크게 향상시키며 가공 시간을 단축한다.

5. 5축 가공 시스템의 추가 장점

최근 자동차 금형은 표면 품질과 절삭 속도에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있다. 5축 가공은 이러한 요구를 충족시키며 다음과 같은 강점을 제공한다:

1. 최적의 절삭 조건 유지
   공구 자세를 실시간으로 조정해 공구 끝이 항상 최적의 절삭 상태를 유지한다.

2. 절삭 경로 최적화
   복잡 곡면 가공 시 공구와 공작물의 상대 위치를 지속적으로 최적화하여 계단 현상을 줄이고, 매끄러운 곡면을 얻을 수 있다.

3. 공구 수명 연장
   절삭력 방향이 합리적으로 분산되므로 공구의 국부적 마모가 줄어든다.

4. 높은 가공 유연성
   불규칙 형상이나 복잡 캐비티 가공 시, 셋업 횟수를 줄이고 정밀도를 보장한다.

결론

3축 가공은 여전히 일부 단순 가공에 적합하지만, 깊은 캐비티, 복잡 곡면, 경사 구멍 및 고정밀 가공에서는 5축 가공이 압도적인 우위를 가진다. 5축 가공은 표면 품질을 향상시키고, 가공 정밀도를 보장하며, 공구 수명을 연장하고, 효율까지 높여 현대 금형 제조의 핵심 기술로 자리잡고 있다.