[NC개요] 1.1 NC 개요

[소마]

1.1 NC 개요

대부분의 발명은 필요에 의해 만들어진다.

즉, 다른 방법이 없거나 또는 기존의 방법이 불편하고 품질, 비용 측면에서 불리해 개선이 필요한 분야에서 새로운 발명이 이루어지는 경우가 대부분이다.

이런 측면에서, 곡면 가공이 많아 개발 과정에 긴 기간과 많은 비용이 소요되며, 높은 신뢰성이 요구되는 항공기 부품 기계 가공 분야에서 NC 가공 기술이 먼저 개발 검토되기 시작한 것은 당연하다고 할 수 있다.

NC는 수치 제어(Numerical Control)의 약자로 제어 장치에 의한 공구 경로 제어를 의미한다.

기존의 범용 공작기계에서는 공구 경로 제어가 일반적으로 작업자의 핸들 조작에 의해 이루어지며, 할 수 있는 작업에 한계가 있다.

예를 들면, 기존의 범용 선반에서는 단순한 면취 작업도 복식 공구대가 있는 선반에서 공구대를 45° 만큼 경사지게 한 상태에서 가공하거나, 총형 공구를 사용해야 된다.

물론, 숙달된 작업자인 경우 축방향과 원주 방향 이송 핸들을 동시에 같은 속도로 돌려서 작업할 수도 있지만, 라운딩일 경우는 작업자의 기능만으로는 어렵다.

일반 보링 작업에서도 한 구멍 가공후 다음 가공할 구멍 위치로 공구를 빠르고 정확하게 이동시키는 것은 숙달된 기능을 필요로 한다.

더우기, 기존의 범용 밀링 작업에서 공구 경로가 곡선을 따라가게 해야 될 경우, 작업자의 핸들 조작만으로는 거의 불가능하며 모방 작업을 필요로 한다.

그러나, 모방 작업은 템플리트(Template) 제작을 필요로 하므로, 긴 개발 기간과 많은 비용이 소요되며, 과다한 준비 교체 시간으로 생산성도 저하된다.

 사례 ) 곡면 가공이 가능한 Copy-Milling 공정 개발 적용 사례 (미국)

      - 항공기(B747) 날개 골격 부품 (Inspar Wing-Rib F-Chord) 윤곽면 모방 가공시 템플리트의 바닥면

        높이로 공구축 틸팅 각도를 제어 (엔드밀이 곡선 경로를 따라가며 동시에 틸팅이 가능하도록 함)

      - 템플리트 제작 및 검증에 긴 기간과 많은 비용 소요

      - 현재는 5축 NC 가공으로 대체되어 있음.

초기에는 NC 가공 기술 적용 효과가 큰 선삭, 밀링 가공 분야에 주로 적용되었으나, 점차 수작업으로도 제작이 별로 어렵지 않은 알루미늄 Sheet 라우팅, 리벳팅 등의 공정에도 응용 범위가 확대되고 있다.

앞으로도 생산성 향상 요구, 3D 작업 기피 등의 문제로 NC 가공 기술 적용 분야는 더욱 확대될 것으로 생각된다.

1.1.1 NC의 개발

① 1940년대 말 John T. Parsons 기본 아이디어 제시

    : 천공 카드로 입력된 위치 정보에 따라 공구 경로를 제어할 수 있는 방법 제안

② 1949년 미공군이 MIT Servo-Mechanism Lab.과 NC 개발 용역 계약

    : 초기 정보 전달 매체로 천공 카드가 제안되었으나, 개발 과정에서 천공 테이프로 변경되었으며

      아직도 천공 테이프는 일부 사용되고 있음.

③ 1950년대 말 실지 생산에 사용되기 시작.

④ 1962년 APT 발표

    : 항공 분야에의 적용을 위해서는 곡면 가공이 필수적이고, NC 공작기계 개발만으로는 곡면 가공

     적용에 한계가 있어, 컴퓨터를 이용한 NC 프로그램 작성 언어 개발이 MIT에서 같이 진행되었음.

미국은 60년대에 이미 5축 NC 가공 장비까지도 개발 적용하기 시작하는 등, 초기 NC 가공 기술 개발을 주도하였다.

국내에서는 70년대에 실험 목적으로 NC 공작기계를 개발한 사례가 있으나, 실지 생산에 사용할 수 있는 NC 공작기계가 개발된 것은 1980년대 초 무렵이다.

1) NC와 CNC

기계 제어 장치 (MCU : Machine Control Unit)의 각 기능들이 단순히 전자 회로에 의해 수행되면 NC, 컴퓨터에 의해 수행되면 CNC라고 구분할 수 있다.

그러나 60년대 이후 제작되는 거의 모든 NC 공작기계는 컴퓨터(마이크로 프로세서 : Micro-Processor)를 사용하고 있어, 종래 개념의 NC는 없어졌다고 보아도 무방하다.

현재는 NC와 CNC가 용어상 구분 없이 거의 같은 의미로 사용되고 있으며, 여기서도 구분하지 않고 같이 사용하기로 한다.

1.1.2 NC가 기계 가공 분야에 가져온 변화

NC가 기계 가공 분야에 가져온 변화는 기능적인 요소 업무와 기술적인 요소 업무로 나누어서 생각해 볼 필요가 있다.

두 요소 업무를 명확하게 구분하기는 어렵지만 대략 아래와 같이 구분할 수 있다.

1) 기능적인 요소 업무

기능적인 요소 업무는 개발 업무의 성격보다 반복 훈련에 의해 향상될 수 있는 숙련도의 성격이 강한 요소 업무로 구분한다.

예를 들면, 보링 기계에서 한 구멍 가공후 다음 가공할 구멍 위치로 공구를 빠르고 정확하게 이동하는 작업 등이다.

이외에도 도면 해독 능력, 가공한 부품의 각 부위 칫수 측정 및 보정, 가공 상태 감시중 이상 상태 감지 및 공구 교환 시기 판단 능력 등을 기능적인 요소 업무로 볼 수 있다.

NC 가공 기술 발전은 주로 기능적인 요소 업무를 자동화하는 방향으로 진행되어 왔다.

지금은 NC 장치가 숙련 기능공이 하던 일 중 많은 부분을 대신하고 있다.

무인화된 FMS의 경우, 작업자는 주로 소재나 공구를 장착하고 탈착하는 기능만을 수행하게 된다.

(사례)

국내에 NC가 보급되기 시작한 70년대 후반 무렵, 숙련된 보링기계 작업자가 MCT 도입으로 자신의 기능을 NC가 충분히 대신할 수 있음을 보고 아직은 자기의 기능을 필요로 하는 다른 회사로 전직한 사례도 있었다.

기능적인 요소가 강한 업무에서 컴퓨터와 경쟁해서 이기기는 어렵지만, NC로의 대응에 한계가 있는 기술적인 요소 업무에서 충분히 자신의 경험과 능력을 발휘할 수도 있었고, 그러는 것이 본인이나 회사의 NC 가공 기술 발전을 위해 좀 더 나은 선택이 아니었을까 생각된다.

2) 기술적인 요소 업무

기술적인 요소 업무는 어느 정도 창조적인 업무의 성격이 강한 요소 업무로 구분할 수 있다.

예를 들면 가공할 공작물의 형상, 재질, 생산량 등을 고려한 가공 장비, 가공 순서 및 절삭 공구의 선정, 정삭 여유 및 절삭 조건의 결정 등을 말한다.

이외에도 제품 위치 결정 및 고정 방법 결정, 공구 수명과 작업 환경을 고려한 절삭유제 선정 등을 기술적인 요소 업무로 볼 수 있다.

즉, 기술적인 요소 업무는 최선의 가공 방법을 찾기 위해 노력하는 과정이라고 할 수 있다.

가장 경제적이고 효율적인 최적의 가공 방법을 찾기 위해서는 많은 경험과 지식도 필요하지만 관련 신기술 정보 수집 및 응용도 중요하다.

실지로, 최적의 가공 방법을 찾는 데는 한계가 있지만, 현 시점에서 공장 여건을 고려한 가장 최선에 가깝다고 생각되는 방법을 찾기 위해 계속해서 노력할 필요가 있다.

기술적인 요소 업무는 NC가 사람을 대신해 수행하기 어렵고 한계가 있다.

3) 기술적인 요소 업무의 표준화

NC가 보급되기 이전에는 기능적인 요소 업무와 기술적인 요소 업무 모두가 현장의 경험 많은 작업자에 의해 현장에서 바로 결정되는 경우가 대부분이었으며, 이런 영향으로 NC 보급 초기에는 현장의 경험 많은 작업자가 기술적인 요소 업무를 수행하는 경우가 많았다.

즉, 현장 경험이 많은 작업자가 현장에서 직접 파트 프로그램을 작성하거나, 그 사람들이 주축이 되어 NC 엔지니어링 업무를 담당하는 경우가 대부분이었다.

그러나, NC 보급 확대로 기능과 기술을 모두 갖춘 현장 작업자가 점점 줄어들면서, 기술적인 요소 업무는 점차 현장 경험이 별로 없는 NC 전문 엔지니어가 담당하는 추세로 변화하고 있으며, 이 과정에서 현장 출신의 경험 많은 엔지니어와 상대적으로 고학력이지만 현장 경험이 별로 없는 NC 전문 엔지니어 사이의 갈등이 나타나는 경우도 많다.

현장 경험이 별로 없는 NC 전문 엔지니어의 경우, 직접 해보지 않은 것(Not Invented Here)에 대한 거부감이 상대적으로 약하고, 경험 부족을 극복하기 위한 기술적인 요소 업무 표준화의 필요성을 좀 더 강하게 느끼게 된다.

NC 엔지니어의 능력이나 취향에 따라 제품의 품질, 생산성, 개발 소요 기간 등이 어느 정도는 좌우될 수밖에 없지만, 사전에 예측이 불가능할 정도로 너무 차이가 심하면 많은 문제가 발생한다.

이런 측면에서, 예측 가능한 공정 계획을 수립할 수 있도록 하기 위한 가공 기술 표준화의 필요성이 NC의 보급 확대와 더불어 증대되었다고 할 수 있다.

우리보다 NC를 일찍부터 사용하기 시작한 미국, 유럽 등 다른 나라에서도 업종별로 약간 차이는 있지만 비슷한 과정이 있었던 경우가 많다.

다만, 미국과 유럽의 경우, 현장 작업자 수준 차이 등의 요인으로 NC 발달 과정이나 표준화 방향에 약간 차이가 있는 것으로 보인다.

미국의 경우 초보자도 할 수 있도록 상세한 작업 지침을 제공하고, 표준화에 좀 더 많은 노력을 기울이려는 경향이 강하다.

NC 가공 기술 개발 측면에서도 파트 프로그램 작성 관련 시스템 구축에 많은 비용이 소요되지만, 작업시 특수 공구를 덜 사용해도 되는 5축 NC 가공 장비를 60년대에 이미 개발 적용하기 시작했다.

반면에 유럽은 작업 지시서가 간결하고 현장 작업자가 판단, 결정할 수 있는 부분은 생략하는 경우가 많으며, NC 가공 기술 개발 측면에서는 주로 고속 NC 가공 장비 위주로 개발이 진행이 되었다.

4) 공정 계획 체계화

NC 가공 공정 설계는 관련된 새로운 기술 정보의 조사 및 응용, 기존의 방법에 대한 개선, 새로운 방법의 개발 등 개발 업무의 성격이 강하다.

하지만, 예측이 가능한 공정 계획이 수립될 수 있도록 하기 위해서는 어느 정도의 기준 제시가 필요하며, 이를 위해 GT(Group Technology), CAPP(Computer Automated Process Planning) 등이 활용된다.

일종의 전문가 시스템(Expert System)으로, 공작물의 재질, 형상등을 고려한 공정 계획을 수립할 수 있도록 지원해 주는 시스템이라고 할 수 있다.

다만, 현재 싯점에서 가장 앞선 기술과 가장 우수한 엔지니어의 경험을 바탕으로 전문가 시스템을 만들어도, 모든 사용 현장에 맞는 시스템을 만드는 것은 거의 불가능에 가깝다.

그래도 공정 계획에 대한 기준 제시는 아주 중요하며, 자기 공장에 맞는 시스템을 구축하고 지속적으로 개선해 나갈 필요가 있다.

제품 기술, 가공 기술의 개발, 새로운 장비 도입 등 공장내에서 일어나는 변화에 대응해 표준 공정 계획도 변해야 하며 지속적인 관리가 필요하다.

또한, 보다 효율적인 공정 계획을 위해서는 설계 단계에서 제조를 고려한 설계 (DFM : Design For Manufacturing)가 될 수 있도록 사전 계획이 필요하다.

실지로, 보유 기계 가공 장비 특성은 공정 계획 뿐만 아니라 부품 설계에도 많은 영향을 미친다.

예를 들어, 유사한 기능을 가진 부품이라도, 형상이나 관련 규격은 보유하고 있는 장비 특성에 따라 많은 차이가 있다.

(사례)

록히드 마틴사의 F-16 부품과 BAe사의 Hawk 부품의 포켓 플랜지 안벽 형상 설계 비교

 ◆ 5축 NC 장비를 보유한 록히드 마틴사의 F-16 부품은 포켓 플랜지 안벽 형상을 Ruled Surface 등

   으로 된 곡면 형상 바깥 플랜지에서 Offset된 형상으로 설계

   - 포켓 안벽도 5축 가공을 하고, 플랜지 두께가  균일하도록 설계

 ◆ 5축 NC 장비가 없는 BAe사의 Hawk 부품은 테이퍼 엔드밀로 포켓 플랜지 안벽을 가공할 수 있도록

   포켓 플랜지 안벽 각도를 구간별로 나누어 일정하게 규제

   - 일반적으로 바깥벽은 통모양 공구(barrel cutter)를 사용하여 Ruled Surface로 가공하므로, 안벽과

     각도도 다르고 플랜지 두께도 위쪽과 아래쪽이 다름

출처 : 엠사이트넷