KR101467344B1 - 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법 - Google Patents

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강재관
이경부
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경남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 제품 형상인 3D 모델로부터 공구 경로를 추출하고 CNC 제어 방식을 이용하여 점진 성형하는 방법에 관한 것으로서, 임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계, 상기 5축 CNC 머신의 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계, 상기 5축 CNC 머신의 공구와 서포터의 사이에 제품 성형을 위한 모재를 장착하는 단계, 및 상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계를 포함하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 5축 머시닝센터, 산업용 로봇, 그리고 병렬형 공작기계 등을 이용하여 복잡한 형상의 점진 성형이 가능하도록 하고, 성형된 복잡한 형상의 제품을 서포터에서 쉽게 분리하기 위해 형상에 따른 서포터의 다단 분리 방식을 적용하며, 기존의 볼형 타입에서 필렛형 타입으로 공구 변경으로 성형 품질을 향상시킬 수 있음은 물론, 나아가 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우에는 공구 접근이 불가능한 영역을 적절히 분할하여 점진성형의 완성도를 높일 수 있는 효과적인 기술이다.

Description

5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법{INCREMENTAL FORMING METHOD USING 5-AXIS CNC}
본 발명은 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 5축 씨앤씨 머신, 산업용 로봇 또는 병렬형 공작기계 등을 이용하여 다양한 공구자세를 취할 수 있도록 함으로써 일반 점진 성형에서는 불가능한 복잡한 형상의 점진 성형을 가능하게 하고, 성형된 제품의 형상에 따라 서포터를 다단 분리 가능하도록 함으로써 성형된 복잡한 형상의 제품을 서포터로부터 용이하게 분리할 수 있고, 기존의 볼형 타입에서 필렛형 타입의 공구로 변경함으로써 커섭의 양을 줄여 성형 품질을 향상시키고, 나아가 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우, 공구 접근이 불가능한 영역을 적절히 분할한 다음 중첩되게 점진성형함으로써 점진성형의 완성도를 대폭 증대시킬 수 있는 점진 성형방법에 관한 것이다.
일반적으로, 점진 성형기술(Incremental Forming Technology)은 금속 판재물을 금형이라는 특수 공구를 직선 왕복 운동하여 단번에 성형하는 기존의 프레스 금형을 대신한다.
이와 같은 점진 성형기술은 제품 형상인 3D 모델로부터 점진 성형에 관한 정보, 즉 공구 경로를 추출하고 CNC 제어 방식을 이용하여 점진적으로 성형하는 가공기술이다.
예를 들면, 점진 성형기술은 펀치와 다이가 필요한 통상의 성형가공 공정과는 다르게, 기본적으로 CAD 데이터와 프로그램을 이용하는 수치제어 방식으로 CNC선반이나 머시닝센터와 같은 기계로 제품을 성형하게 된다.
또한, 점진 성형기술은 소재의 연신율 한계를 극복할 수 있어 난성형재에도 적용이 가능하여 마이크로 부품의 제조에 유용하게 응용될 수 있다.
특히, 이러한 점진 성형기술은 금형을 제작하기 힘든 초대형 부품의 제조에도 적합할 뿐만 아니라, 그 외에 다양한 분야에 널리 적용될 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 점진 성형기술은 기존의 3축 CNC 머신을 활용하는 것을 기반으로 하는 것으로써, 서포터 상의 제품 형상이 복잡한 경우, 공구를 접근시킬 수 없어 성형이 불가능한 문제점이 있다.
즉, 도 1에 된 바와 같이, 종래의 점진 성형기술(1)은 서포터(10) 상의 제품(20) 형상이 복잡한 경우, 공구(30)를 접근시키지 못하는 영역이 발생하게 된다.
따라서, 기존의 3축 CNC 머신을 활용하여서는 복잡한 형상을 가진 완성품의 제작이 사실상 어려웠다.
또한, 종래의 3축 점진 성형기술(1)에서는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 볼형 타입의 공구(30a)를 사용하기 때문에, 성형후 공구 경로 흔적, 즉 커섭(cusp)(40)이 쉽게 발생하여 제품(20)의 표면 결이 좋지 못하고, 표면 품질이 불량한 문제점도 발생하였다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위한 것으로서, 기존의 5축 CNC 머시닝 센터, 산업용 로봇 또는 병렬형 공작기계를 이용하여 공구 접근 자세의 동작 자유도를 높임으로써, 복잡한 형상의 점진 성형이 가능한 점진 성형방법을 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 기존의 볼 타입의 공구외에도 필렛형 공구의 사용을 도입함으로써 성형후 공구 경로 흔적, 즉 커섭(cusp)이 발생하는 것을 방지하여 제품의 표면 품질을 우수하게 확보할 수 있는 점진 성형방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 완성된 제품 형상에 따라서 서포터를 다단 분리가능하도록 구성함으로써 성형된 복잡한 형상의 제품을 서포터로부터 쉽게 분리할 수 있는 점진 성형방법을 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 5축 CNC 머시닝센터, 산업용 로봇 또는 병렬형 공작기계를 이용하되, 단일 공구 셋업자세에서 성형이 완성되지 않을 경우, 예컨대 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우에는 공구 접근이 불가능한 영역을 적절히 분할한 다음 중첩되게 점진성형함으로써, 점진 성형의 완성도를 높일 수 있는 점진 성형방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제품 형상인 3D 모델로부터 공구 경로를 추출하고 CNC 제어 방식을 이용하여 점진 성형하는 방법에 있어서,
임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계;
상기 5축 CNC 머신의 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계;
상기 5축 CNC 머신의 공구와 서포터의 사이에 제품 성형을 위한 모재를 장착하는 단계; 및
상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계;를 포함하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계는, 상기 공구 접근 불가능 영역을 적절히 분할 한 뒤, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성하여 점진 성형하는 것을 포함함으로써 제품상에 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우, 또는 어떠한 공구의 자세로도 단번에 점진 성형이 불가능한 제품을 점진 성형할 수 있는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 서포터를 준비하는 단계는, 제품 형상에 따라 서포터를 다단으로 분리시켜 준비함으로써 서포터로부터 제품을 분리할 경우, 복잡한 형상의 제품이 서포터에 끼여 분리되지 않는 현상을 방지하도록 구성된 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 5축 CNC 머신은 필렛형 공구를 장착할 수 있도록 구성됨으로써, 우수한 표면 거칠기를 요구하는 제품 부위에서 커섭(cusp) 발생을 방지하도록 구성된 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계는, 상기 5축 공구경로의 생성이 가능한 산업용 로봇, 또는 병렬형 공작기계의 사용을 포함하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 이용하여 제품 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형함으로써, 연구개발 목적인 시제품 생산 및 다품종 소량생산을 가능하게 한다.
둘째, 5축 CNC 머신을 활용하여 다양한 형상의 제품의 생산이 가능하며, 서포터의 다단분리로 복잡한 형상의 제품을 서포터로부터 쉽게 분리할 수 있어서 사용하기 편리하다.
세째, 볼형 타입의 공구에서 필렛형 타입의 공구로 변경할 수 있기에, 표면 거칠기의 품질을 향상시킬 수 있고, 그 결과 제품의 표면을 미려하게 가공하기 힘든 난성형제 제품의 생산이 가능하다.
네째, 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우, 공구 접근이 불가능한 영역을 적절히 분할한 다음 중첩되게 점진성형함으로써 점진성형의 완성도를 높일 수 있다.
다섯째, 기존의 프레스 성형을 대체할 수 있음으로써 기존의 금형설계와 개발비용에 비해 대략 1/10 수준의 비용으로 시제품을 생산할 수 있고, 그 결과 단기간에 걸친 소량생산 또는 시제품 제작에 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 점진 성형기술을 사용하는 경우, 서포터 상의 제품 가공 영역에 공구를 접근시키지 못하는 영역이 발생하는 상황을 도시한 설명도이다.
도 2a는 종래의 3축 점진 성형기술에서, 볼형 타입의 공구를 사용하는 경우, 커섭(cusp)이 가공면에 발생하여 표면 품질이 불량하게 되는 문제점을 도시한 설명도이다.
도 2b는 도 2a와는 대조적으로, 본 발명의 5축 점진 성형기술에서, 필렛형 타입의 공구를 사용함으로써, 커섭(cusp)이 가공면에 발생하는 것을 방지하는 상황을 도시한 설명도이다.
도 3은 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법의 공정 순서를 단계적으로 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법에서, 5축 CNC 머신의 5축 공구경로를 활용하여 제품의 어느 영역이나 공구를 쉽게 접근시킬 수 있는 상황을 도시한 설명도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법에서, 공구 접근이 불가능한 제품의 가공 영역을 적절히 분할한 뒤, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성하여 점진 성형하는 공정을 차례로 도시한 설명도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법에서, 서포터를 2단 또는 4단의 다단 부품으로 분리시키고, 복잡한 형상으로 가공된 제품을 서포터로부터 쉽게 분리시키는 것을 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 5축 CNC 머신을 이용하여 복잡한 형상의 제품을 점진 성형이 가능하도록 하고, 성형된 복잡한 형상의 제품을 서포터에서 쉽게 분리할 수 있는 기술이다.
본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법(100)은, 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계(110)를 포함한다.
상기 5축 공구경로를 생성하는 단계(110)는, 제품 형상인 3D 모델(105)로부터 정보를 받아서 공구경로를 설계한다.
이와 같이 본 발명은 임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 이용하거나, 상용기계를 제작하여 복잡한 형상의 점진 성형에 적용한다.
즉, 본 발명에서 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하게 되면, 예를 들면 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 3축 CNC 머신을 사용하는 3축 공구경로에서는 해결하지 못한 공구 자세를 쉽게 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 사용되는 5축 CNC 머신의 5축 공구경로는 서포터(10)상의 제품(20)의 어느 영역이나 공구(30)를 쉽게 접근시킬 수 있어서 복잡한 형상의 제품 성형이 가능하게 된다.
한편, 이와 같이 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계(110)는, 공구 접근이 불가능한 제품의 가공 영역을 적절히 분할한 뒤, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성(112)하여 점진 성형하는 것을 포함한다.
이와 같이 제품(20)의 가공 영역을 적절히 분할하고, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성(112)하는 것은, 제품(20) 상에 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우, 또는 어떠한 공구의 자세로도 단번에 점진 성형이 불가능한 제품 영역을 점진 성형하는 데에 특히 유용하다.
예를 들면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제품(20)상에 복잡한 형상을 가공하되, 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 경우, 또는 어떠한 공구의 자세로도 단번에 점진 성형이 불가능한 제품 영역을 포함하는 경우가 있을 수 있다.
이와 같은 경우에는 도 5b에서 점선으로 도시된 바와 같이, 제품의 영역을 분할하여 공구가 각각의 분할 영역(114a,114b)에서 점진 성형(116a,116b)을 실행하도록 공구경로를 설계한다.
이와 같이 공구가 각각의 분할 영역(114a,114b)에서 점진 성형(116a,116b)을 각각 실행하게 되면, 도 5c에 도시된 바와 같이, 하나의 제품(20)상에서 원하는 복잡한 형상을 성형할 수 있게 되고, 이러한 점진 성형(116a,116b)에는 일부 중첩 구간(overlay area)(116c)이 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 분할 영역(114a,114b)에서 점진 성형(116a,116b)을 각각 실행하게 되면, 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있는 제품(20)이나, 또는 어떠한 공구의 자세로도 단번에 점진 성형이 불가능한 제품(20)에서 원하는 점진 성형을 완벽하게 실행할 수 있다.
한편, 본 발명의 점진 성형방법(100)에서 사용되는 5축 CNC 머신은 다른 형태의 기계장치, 예를 들면 5축 공구경로의 생성이 가능한 산업용 로봇, 또는 병렬형 공작기계 등으로 대체가능하며, 본 발명은 이들을 모두 포함한다.
그리고, 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법(100)은, 상기 5축 CNC 머신의 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계(130)를 포함한다.
이와 같이 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계(130)는, 5축 CNC 머신을 이용하여 서포터(10)를 제작하되, 5축 CNC 머신의 공구(30)가 이동하는 경로에 맞춰서 서포터(10)가 배치되도록 제작한다.
이와 같은 서포터 준비 단계(130)는, 필요한 경우, 제품 형상에 따라 서포터(10)를 다단으로 분리시켜 준비하게 된다.
만일, 본 발명에서 5축 CNC 머신을 활용하여 복잡한 형상의 제품을 성형한 경우, 제품 형상에 따라서 제품(20)이 서포터(10)에 끼여 분리되지 않을 수 있다.
이와 같은 경우에는, 서포터(10)를 다단으로 분리시켜서 준비한다.
예를 들면, 도 6a에 도시된 바와 같이, 서포터(10)를 2단 부품(10a,10b)으로 분리시키게 되는데, 이와 같이 2단 부품(10a,10b)으로 분리시켜서 서포터(10)를 제작하면, 복잡한 형상으로 가공된 제품(20)을 서포터(10)로부터 쉽게 분리시킬 수 있다.
또한 다르게는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 서포터(10)를 4단 부품(10a,10b,10c,10d)으로 분리시킬 수 있으며, 이와 같이 4단 부품(10a,10b,10c,10d)으로 분리시켜서 서포터(10)를 제작하면, 더욱 복잡한 형상으로 가공된 제품(10)이라도 서포터(10)로부터 쉽게 분리시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법(100)은, 상기 5축 CNC 머신의 공구(30)와, 서포터(10)의 사이에 제품(20)을 가공하기 위한 모재를 장착하는 단계(140)를 포함한다.
즉, 복잡한 형상의 제품 성형과정에서, 2단 또는 4단 부품으로 제작된 서포터(10)상에 금속 판재로 이루어진 모재를 장착한다.
필요한 경우, 별도의 고정수단(미 도시), 예를 들면 클램프 또는 고정나사 등을 이용할 수 있음은 물론이다.
그리고 다음으로, 본 발명은 상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품(20)을 점진 성형하는 단계(150)를 포함한다.
이때, 상기 5축 CNC 머신에서 사용되는 공구(30)는 기존의 볼형 공구(30a)는 물론, 필렛형 공구(30b)의 사용(118)을 포함한다.
이와 같은 필렛형 공구(30b)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 그 끝단이 편평한 부분으로 이루어져서 제품(20)의 가공 표면에 대해 수직으로 사용되면 커섭(cusp)을 발생시키지 않는다.
따라서, 이와 같은 필렛형 공구(30b)의 사용(118)은 표면 거칠기를 요구하는 중요 부위에 적용하여 커섭(40)을 제거할 수 있고, 표면 거칠기의 품질을 향상시켜서 제품의 표면을 미려하게 가공할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 준비하여 제품 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형함으로써 저가의 비용으로 연구개발 목적인 시제품 생산 및 다품종 소량생산에 쉽게 적용가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 5축 CNC 머신을 활용하여 다양한 형상의 제품의 생산이 가능하며, 서포터의 다단분리로 복잡한 형상의 제품을 서포터로부터 쉽게 분리할 수 있어서 사용하기 매우 편리하다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 설계적인 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
1: 종래의 점진 성형기술 10: 서포터
10a,10b: 2단 부품 10a,10b,10c,10d: 4단 부품
20: 제품 30: 공구
30a: 볼형 타입의 공구 30b: 필렛형 공구
40: 커섭(cusp)
100: 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법
105: 제품 형상인 3D 모델
110: 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계
112: 가공 영역을 적절히 분할한 뒤, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성하는 단계
114a,114b: 분할 영역 116a,116b: 점진 성형
116c: 중첩 구간(overlay area) 118: 필렛형 공구의 사용
130: 5축 CNC 머신의 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계
140: 5축 CNC 머신의 공구와, 서포터의 사이에 제품을 가공하기 위한 모재를 장착하는 단계
150: 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계

Claims (5)

  1. 제품 형상인 3D 모델로부터 공구 경로를 추출하고 CNC 제어 방식을 이용하여 점진 성형하는 방법에 있어서,
    임의의 공구 자세가 쉽게 구현되는 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계;
    상기 5축 CNC 머신의 5축 공구경로에 대응하는 서포터를 준비하는 단계;
    상기 5축 CNC 머신의 공구와 서포터의 사이에 제품 성형을 위한 모재를 장착하는 단계; 및
    상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계;를 포함하고,
    상기 5축 CNC 머신을 준비하여 5축 공구경로를 생성하는 단계는, 상기 공구 접근 불가능 영역을 적절히 분할 한 뒤, 점진 성형 영역이 부분적으로 중첩되도록 5축 공구경로를 생성하여 점진 성형하는 것을 포함함으로써, 제품상에 공구 접근이 불가능한 영역이 넓게 분포되어 있거나 또는 어떠한 공구의 자세로도 단번에 점진 성형이 불가능한 제품을 점진 성형하도록 구성된 것을 특징으로 하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 서포터를 준비하는 단계는 제품 형상에 따라 서포터를 다단으로 분리시켜 준비함으로써 서포터로부터 제품을 분리할 경우, 복잡한 형상의 제품이 서포터에 끼여 분리되지 않는 현상을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 5축 CNC 머신은 필렛형 공구를 장착할 수 있도록 구성됨으로써, 우수한 표면 거칠기를 요구하는 제품 부위에서 커섭(cusp) 발생을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 5축 CNC 머신을 이용하여 모재로부터 성형물인 제품을 점진 성형하는 단계는, 상기 5축 공구경로의 생성이 가능한 산업용 로봇, 또는 병렬형 공작기계의 사용을 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 씨앤씨를 이용한 점진 성형방법.



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