[제조 길잡이] CNC 가공, 3축과 5축 어떤 걸 선택할까

'CNC(Computerized numerical control)' 공작기계는 사전에 컴퓨터로 계산한 수치에 따라 다양한 재료를 정밀하게 깎아내면서 가공하는 기계를 말합니다. 강철, 알루미늄, 구리 및 티타늄 등 대부분의 금속을 비롯해 플라스틱, 나일론, ABS, 폴리카보네이트, 목재에 이르기까지 대부분의 재료를 가공할 수 있습니다.

흔히 CNC 가공에 대해 얘기할 때면 3축이니, 5축이니 하는 얘기를 들어보셨을 텐데요, 오늘은 3축 가공과 5축 가공의 특징과 차이점에 대해 알아보겠습니다.

기본은 3축···비용 저렴, 한번 세팅에 단면 하나만 작업

CNC 가공에서 말하는 축은 기본적으로 위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 기계가 움직이는 방향을 의미합니다. 가장 일반적인 CNC 공작기계는 3축(X·Y·Z)으로 이뤄지는데요, 재료를 가공하기 위해 절삭 공구가 좌우(X축), 전후(Y축), 상하(Z축)로 움직이게 됩니다.

3축 CNC의 가장 큰 장점은 '세팅'이 간단하고 상대적으로 비용이 저렴하다는 점입니다. 사실, 3개의 축만으로도 대부분의 제품을 제조할 수 있습니다. 다만 한 번 기계를 세팅하면 절삭공구가 마주보고 있는 하나의 표면만 처리할 수 있기 때문에 입체적인 가공이 필요할 때는 기계를 멈추고 재료의 위치를 이동시킨 뒤 다시 기계를 가동해야 합니다. 복잡한 제품을 가공할 때는 시간이 오래 소요될 수밖에 없고, 이 때문에 상대적으로 간단한 형상의 부품을 생산할 때 적합합니다.

아래 그림은 3축 CNC 공작기계를 이용해 '밀링' 작업을 하는 전형적인 사례입니다. 가공할 재료(가공물)를 단단히 고정시킨 뒤, 스핀들에 장착된 고속으로 회전하는 날카로운 툴(엔드밀)을 3개의 축을 따라 이리저리 움직여가며 형상을 제조합니다. 이런 방식만으로도 날카로운 모서리 조형, 구멍 뚫기, 단차 생성 등이 가능하지만, 한번 기계를 세팅하면 하나의 표면만 처리할 수 있다는 점을 명심해야 합니다.

흔히 CNC 조각기로 불리는 라우터도 대표적인 3축 가공 방식의 CNC 공작기계입니다. 기본적인 원리는 밀링과 비슷하지만 가공 능력에 차이가 있습니다. 밀링은 각종 금속을 가공할 수 있지만 라우터는 목재, 아크릴, 알루미늄 등 상대적으로 부드러운 재료를 가공하는 데 적합합니다. 한 마디로 다소 힘이 약한 밀링이라고 볼 수 있습니다.

5축, 복잡한 형상도 가공 가능

5축은 기본적인 3축(X·Y·Z)에 2개의 축을 추가한 가공 방식입니다. 여기서 새롭게 추가되는 축은 보통 절삭공구가 아닌, 고정된 가공물을 움직이는 축을 의미합니다. 일반적으로 선반처럼 가공물을 360도 회전시키는 A축과 가공물을 앞뒤로 회전시키는 C축을 추가함으로써 3축 가공에서는 어려운, 측면을 파고들어가는 가공 등이 가능해집니다.

이처럼 3축 가공과 비교할 때 5축 가공의 가장 큰 차이점은 특정 면만 가공하는 데 국한되지 않고 여러 방향에서 가공이 가능하기 때문에 보다 입체적인 형상을 만들어낼 수 있다는 점입니다. 특히 가공물의 측면으로 절삭공구를 이동해 소재의 안쪽을 가공한다거나 매끄러운 곡선 등 보다 다채로운 형상을 가공하는 것도 가능합니다.

5축 가공은 '분할 5축 가공'과 '동시 5축 가공'으로 구분되기도 합니다. 분할 5축 가공은 흔히 '3+2축' 가공으로도 부르는데요, 3축(X·Y·Z)과 2축이 동시에 움직이지는 못합니다. 즉, 가공하고자 하는 단면의 방향을 바꾸고자 할 때는 절삭공구가 잠시 쉬어줘야 하는 겁니다. 이에 비해 연속 5축 가공은 3축과 2축이 동시에 움직이는 것이 가능하기 때문에 작업 속도가 훨씬 빨라집니다.

3축 가공과 5축 가공의 경우 구조상 가공할 수 있는 형상에 차이가 있지만 분할 5축과 연속 5축은 가공 방식에 있어서는 거의 차이가 없다고 보면 됩니다. 속도의 차이일 뿐이죠. 다만, 임펠러처럼 미세한 조정을 통해 복잡한 형상의 곡선을 만들어내야 하는 제품을 가공할 때는 동시 5축 가공이 거의 전적으로 사용됩니다. 방향을 조정하기 위해 수시로 기계를 멈출 수는 없기 때문입니다.

대다수 제품 3축으로 가공, 블리스크 등은 5축에 국한

위에서 3축과 5축 가공의 특징을 살펴봤습니다. 5축 가공을 채택하면 거의 CNC를 이용한 거의 모든 가공이 가능하기 때문에 5축이 만능이라고 생각할 수 있습니다. 하지만 전문가들은 무턱대고 5축을 선택하지 말라고 조언합니다.

어떤 가공 방식을 선택할 것이냐에 앞서 가공물과 가공 방식의 '핏'부터 맞춰야 합니다. 제 아무리 좋은 옷일지라도 몸에 잘 맞지 않으면 말짱 도루묵이 됩니다.

우선적으로 고려할 것은 제품의 복잡한 정도입니다. 부품 모양이 평면에 가까운 2D이거나 약간의 입체감이 더해진 2.5D라면 3축으로도 충분히 작업이 가능하기 때문입니다. 실제로 산업계에서 사용되는 부품 대부분은 3축 CNC 가공을 통해 탄생합니다. 합리적인 비용으로 대량 생산이 가능하기 때문입니다.

3축에 적합한 부품군을 따로 떼어놓을 수 없을 정도로 활용 범위가 넓습니다. 완성차 업계에서 쓰이는 각종 자동차 부품류가 대표적입니다. 이들 제품에 5축을 적용하는 건 '오버' 테크놀로지일 수 있습니다.

이와 달리 얇은 유선형의 형상이 연속적으로 배열되는 블리스크(블레이드와 디스크의 합성어)나 임펠러(원심 펌프류의 부품) 등을 3축으로 가공하는 것은 무리입니다. 우주항공 분야처럼 한치의 오차도 허용하지 않는 초정밀 분야도 마찬가지입니다. 또 가공물의 표면 뿐만 아니라 내부까지 공구가 들어가야 한다면 고민 없이 5축을 채택해야 합니다.

MCT는 무조건 5축이다?

3축, 5축과 함께 CNC를 논할 때 자주 등장하는 용어가 '머시닝센터'입니다. 보통 약자로 MCT라고 부르는데, 정식 명칭은 Machining Center Tool입니다.

CNC 가공에는 가공하려는 형상에 따라 다양한 절삭 공구가 사용됩니다. 이 때문에 공구를 교체할 때마다 기계를 멈추고 새로운 공구로 갈아 끼워야 합니다. 머시닝센터란 자동 공구 교환 장치(ATC) 기능을 갖춤으로써 수십 개의 공구를 자동으로 교체할 수 있는 CNC 공작기계를 말합니다. 수동으로 이뤄지는 공구 교체 작업을 자동화한 것이죠.

머시닝센터 하면 가장 최신의 CNC 기술을 떠올리기 때문에 머시닝센터는 기본적으로 5축이라고 생각하기 쉽지만, 사실 머시닝센터와 축의 갯수는 상관이 없습니다. 사전에 프로그래밍을 해두면 알아서 기계가 필요한 공구를 찾아 작업을 마무리하기 때문에 작업 속도가 훨씬 빨라지고 작업의 효율이 높아집니다.

이상으로 CNC 가공에서 흔히 사용되는 3축과 5축의 개념과 특징을 정리해 봤습니다. 정리가 되셨나요?

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