수직형 머시닝센터

1. 수직형 머시닝센터는 무엇인가?

수직형 머시닝센터는 주축이 수직으로 배치된 머시닝센터이다. 여기서 주축은 면삭주축을 의미한다. 면삭주축은 공구를 장착하고 회전하는 주축입니다. 이는 공작물을 장착하고 회전하는 선삭주축과 구분된다.

아래 사진은 가장 전형적인 수직형 머시닝센터의 모습이다. 디엔솔루션즈의 DNM 5700입니다. 사진은 안전문이 열린상태이며, 공작물을 장착할 수 있는 테이블이 있고, 그 위쪽에 면삭주축의 모습을 볼 수 있다.

2. 수직형 머시닝센터의 구성요소

2.1 면삭주축

면삭주축은 최고회전수, 테이퍼 크기, 베어링 직경이 중요한 요소이다.

공작기계 기술력은 동일 조건에서 어느 제조업체가 최고의 성능을 발휘하는가의 문제이다. 주축성능 비교의 전제조건은 베어링 직경이다. 베어링 직경이 동일하다는 전제조건 하에, '어느 브랜드가 가장 높은 주축회전수를 가장 저렴한 가격에 공급할 수 있는가?'가 경쟁력이다.

상품화된 제품은 기술력보다는 수요에 따라 시방이 결정된다. 물론 기술력이 높은 제조업체가 다양한 시방으로 제품을 공급할 수 있다.

2.1.1 주축테이퍼

선택가능한 주축테이퍼는 다음과 같다.

2.2.2 면삭주축 동력전달방식

2.3 구조물

2.3.1 더블컬럼형(double column)

하나의 베드와 좌우 2개의 컬럼이 구조물을 형성하고, 컬럼상부에 X축을 구성하여 좌우로 이송하고, X축 위에 Z축이 배치되고, 베드 위에 테이블이 배치되어 Y축을 형성한다. 문형과 다른 점은 X축과 Y축의 배치위치가 다르다는 것이다.

2.3.2 문형(portal)

하나의 베드와 좌우 2개의 컬럼이 구조물을 형성하고, 컬럼상부에 Y축을 구성하여 좌우로 이송하고, Y축 위에 Z축이 배치되고, 베드 위에 테이블이 배치되어 X축을 형성한다. 더블컬럼형과 다른 점은 X축과 Y축의 배치위치가 다르다는 것이다.

X축 구동방식은 축의 길이에 따라 다르다. 일반적으로 X축이 6미터 미만인 경우 볼스크류구동 방식을 채용하고, 6미터 이상인 경우 랙과 피니온(rack & pinion) 방식을 적용한다.

2.3.3 Z축 크로스레일 문형(portal structure with z-axis cross-rail)

하나의 베드와 좌우 2개의 컬럼이 구조물을 형성하고, 크로스레일이 Z축을 구성하고, 크로스레일 상부에 Y축을 구성하여 좌우로 이송하고, 베드 위에 테이블이 배치되어 X축을 형성한다.

출처: Pinnacle DU1412

출처: Mikron MILL P 1400 U

2.3.4 컬럼이동문형(gantry)

XYZ 3개의 이송축이 기계구조물의 상부에 배치된다.

X축 구동방식은 축의 길이에 따라 다르다. 일반적으로 X축이 6미터 미만인 경우 볼스크류구동 방식을 채용하고, 6미터 이상인 경우 랙과 피니온(rack & pinion) 방식을 적용합니다. Y축의 경우에도 동일하다.

컬럼이동문형은 기계가 길어져도 가동부의 중량이 증가하지 않기 때문에 대형화에 유리하다. 컬럼이동문형은 여러가지 호칭이 혼재한다. 브릿지형(Bridge type)이 많이 혼용되는 편이다.

2.3.5 하이컬럼이동문형(gantry)

하이컬럼이동문형은 기본적으로 컬럼이동문형의 구조와 동일하며, X축이 기계상부에 구성된다.

2.3.6 소형갠트리(small gantry)

XYZ 3개의 이송축이 기계구조물의 상부에 배치되는 점은 컬럼이동문형(gantry)과 같지만, X축이 좌우로 이동하는 점이 다르다.

2.3.7 컬럼이동형(moving column)

하나의 컬럼이 XYZ 3개의 이송축을 형성한다.

출처: Bumotec s191V

2.3.8 플레이너형

베드 위에서 테이블이 X축 방향으로 이동하고, 컬럼이 YZ축 방향으로 이동한다.

출처: C.B.Ferrari ML 45

출처: Matsuura MX-850

2.3.9 XZ 테이블이송형

베드 위에서 테이블이 XZ축 방향으로 이동하고, 컬럼이 Y축 방향으로 이동한다.

출처: starrag LX 251

2.3.10 역T 타입

베드 위에서 테이블이 Y축 방향으로 이동하고, 컬럼이 XZ축 방향으로 이동한다.

출처: ENSHU SV130

2.4 테이블

2.4.1 테이블 형상

2.4.1.1 사각형

3축 수직 머시닝센터의 테이블은 대부분 직사각형이다.

제4축 또는 제5축을 구성하는 일부 로터리테이블은 정사각형 또는 직사각형 형상의 테이블을 가진 경우가 있다.

2.4.1.2 원형

제4축 또는 제5축을 구성하는 로터리테이블은 원형의 형상을 가진 경우가 많다.

2.4.1.3 두개의 변을 가진 원형

로터리테이블은 2개의 평행하는 양변을 가진 원형의 형상을 가진 경우가 있다.

2.4.1.4 고정형 사각형 테이블과 원형 로터리 테이블을 각각 보유

4축 또는 5축 수직형 머시닝센터의 경우, 고정형 사각형 테이블과 원형 로터리 테이블을 병렬로 배치하는 경우가 있다.

출처: C.B.Ferrari D230

2.4.1.5 원형 로터리 테이블을 내장한 고정형 사각형 테이블

4축 또는 5축 수직형 머시닝센터의 경우, 고정형 사각형 테이블에 원형테이블을 내장한 경우가 있다. 이때 고정테이블과 원형테이블의 표면은 동일 평면에 놓인다.

출처: C.B.Ferrari D230

2.4.1.6 고정형 사각형 테이블과 그 위에 놓인 원형 로터리 테이블

4축 또는 5축 수직형 머시닝센터의 경우, 고정형 사각형 테이블 상면에, 사각형 테이블 상면에 원형 로터리 테이블이 설치되는 경우가 있다.

2.4.1.7 2개의 로터리테이블(고정형 1축 로터리테이블 + 이동형 2축 로터리테이블)

5축 수직형 머시닝센터에서 2개의 로터리 테이블을 탑재할 수 있다. 활용도를 높이기 위해 하나는 1축 로터리테이블, 또다른 하나는 2축 로터리테이블로 구성할 수 있다. 하나의 로터리테이블은 이동형으로 하는 것이 활용도를 높일 수 있다.

출처: C.B.Ferrari A236

3 이송축의 수량

수직머시닝센터는 이송축의 수량에 따라 3축, 4축, 5축 수직머시닝센터로 분류할 수 있다. 이때 중복되는 방향의 이송축은 제외된다. 예를 들어 문형머시닝센터에 크로스레일이 장착되어 있을 경우 Z축 방향으로 Z축과 W축이 존재하지만, 이것은 하나의 축으로 계산한다.

5축 머시닝센터의 테이블에 선삭주축기능을 부여한 경우 5축밀턴 수직머시닝센터로 분류한다.

3.1 3축 수직머시닝센터

3축 수직머시닝센터는 3개의 직선이송축(X, Y, Z)으로 구성되는 경우가 대부분이다.

3.2 4축 수직머시닝센터

4축 수직머시닝센터는 3개의 직선이송축(X, Y, Z)과 하나의 회전이송축(A, B, C중에서 하나)으로 구성된다. 회전이송축이 주축이나 테이블의 어느 쪽에 위치는가에 따라 기계의 특성은 크게 달라진다.

3.3 5축 수직머시닝센터

5축 수직머시닝센터는 3개의 직선이송축(X, Y, Z)과 두개의 회전이송축(A, B, C중에서 두개)으로 구성된다. 회전이송축이 주축이나 테이블의 어느 쪽에 위치는가에 따라 기계의 특성은 크게 달라진다.

3.4 5축밀턴 수직머시닝센터

5축 밀턴 수직머시닝센터는 3개의 직선이송축(X, Y, Z)과 두개의 회전이송축(A, B, C중에서 두개)으로 구성된다. 테이블에는 선삭주축기능이 부여되어있다.

4 기계구성

위에서 설명한 기능을 모두 통합하여 보겠습니다. 다음 그림을 볼까요?

H1: 면삭주축#1(Milling spindle #1)
H2: 면삭주축#2(Milling spindle #2)
R1: 램#1(Ram #1)
R2: 램#2(Ram #2)
RT1: 로터리테이블#1 Rotary table #1
RT2: 로터리테이블#2 Rotary table #2
T1: 공구대#1 Tool post #1
T2: 공구대#2 Tool post #2
T3: 공구대#3 Tool post #3
T4: 공구대#4 Tool post #4
TB1: 테이블#1(Table#1)
TB2: 테이블#2(Table#2)
XYZABC: 면삭주축 또는 테이블의 이송축(Axes on Milling spindle or Table
F: 기계구조 Frame
CR: 크로스레일 Cross Rail

이것은 수직형 머시닝센터의 컨셉도인데, 좀 복잡해 보이긴 하지만, 이것이 현대 수직형 머시닝센터의 모습입니다. 이 개념만 이해하면, 현재 시장에서 구할 수 있는 대부분의 기계를 구분할 수 있다.

5 분류

5.1 범용 수직 밀링머신

핸드휠의 수동조작으로 운전하는 밀링머신이다.

5.1 세미NC 수직 밀링머신

범용 밀링에 CNC장치가 장착된 기계이며, 수동조작, 반수동조작, CNC제어 형태로 기계운전이 가능하다.

그림출처: Fryer MB-14Q

5.1 3축 수직 NC밀링머신

3축 수직형머시닝센터에서 ATC(공구교환장치)가 없는 기계이다. 공구교환은 수동으로 수행한다.

그림출처: DMTG XD-40A

5.2 3축 수직머시닝센터

5.2.1 터렛형 3축 수직머시닝센터

터렛형 3축 수직머시닝센터는 면삭주축과 공구교환장치가 결합된 방식이다. 터렛을 부착한 터닝센터와 같이 터렛의 분할에 의해 공구교환이 이루어진다.

출처: SUGINO V6

5.2.2 C형 3축 수직머시닝센터

5.3 5축 수직머시닝센터

5.3.1 C형 5축 수직머시닝센터

5.3.1.1 헤드[B] 테이블[C]

5.3.2 컬럼이동형 5축 수직머시닝센터

5.3.3 소형갠트리형 5축 수직머시닝센터

5.3.4 문형 5축 수직머시닝센터

5.3.5 갠트리형 5축 수직머시닝센터

5.4 5축밀턴 수직머시닝센터

5.4.1 컬럼이동형 5축밀턴 수직머시닝센터

출처: C.B.Ferrari A236