5축 CNC 머시닝이란? 그 작동 원리에 대해 설명

무엇인가 5 axis cnc machine 그리고 전통적인 방법과 어떻게 다른가?

의 개념 이해하기 5 axis cnc machine

5축 CNC 가공은 5개의 서로 다른 축(X, Y, Z의 직선 3축과 A, B의 회전 2축)을 동시에 움직이며 작동합니다. 즉, 절삭 공구가 작업물을 손으로 옮기거나 다시 위치시킬 필요 없이 모든 부분에 접근할 수 있습니다. 번거로운 재배치 작업이 더 이상 필요하지 않기 때문에 시간을 절약하고 작업 전체의 정확도를 향상시킵니다. 기계는 최소 0.005mm의 엄격한 공차를 유지할 수 있기 때문에 항공기 엔진 블레이드나 인체 내부에 삽입되는 소형 의료기기와 같이 복잡한 부품 제작에 매우 적합합니다. 회전 운동이 적용되면 제조업체는 다양한 복잡한 형상과 접근이 어려운 영역까지 완전히 접근할 수 있게 됩니다. 정밀도가 가장 중요한 산업에서는 이러한 기술이 공장 현장에서 가능성을 완전히 바꾸어 놓았습니다.

3축 및 5축 CNC 머신의 주요 차이점

표준 3축 머신은 X, Y, Z 방향으로 직선 이동하면서 작동하므로 복잡한 형태나 여러 면에 걸친 특징을 처리하는 데 어려움이 있으며, 여러 번 정지하고 재설정하지 않으면 작업이 불가능합니다. 매번 기계를 위치 조정할 때마다 틀어짐 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 추가 단계로 인해 제조업계 2023년 SME 보고서에 따르면 40~70% 더 많은 시간이 소요될 수 있습니다. 반면, 5축 시스템은 A축과 B축이라는 추가 회전 축을 사용하여 공구 또는 작업물 자체가 각도를 변경하면서 계속해서 가공이 가능합니다. 결과적으로 복잡한 내부 공간과 각도가 있는 표면을 가진 부품도 작업을 중단하지 않고 완성할 수 있으며, 항공기 부품 제작 시 여러 면을 동시에 가공해야 하는 경우 제조 시간을 약 절반가량 절약할 수 있습니다.

다축 가공 기술의 발전과 장점

5축 기술의 뿌리는 1980년대까지 거슬러 올라가며, 당시는 티타늄 소재의 항공우주 및 방위 산업 부품 가공에 처음 사용되었습니다. 그러나 2010년경부터 CNC 제어 기술과 CAM 소프트웨어의 발전으로 인해 상황이 상당 부분 변화하였습니다. 실제로 이는 기계들이 5개의 축을 동시에 이동할 수 있다는 것을 의미하며, 이로 인해 작업장 현장에서도 실질적인 차이를 만들어내고 있습니다. 수치적으로도 그 변화를 엿볼 수 있는데, 2022년 'Journal of Manufacturing Systems'의 연구에 따르면, 작업장에서는 약 절반에 가까운 퓨처(fixtures)만 필요로 하게 되었고, 표면 가공 결과가 전체적으로 35% 더 매끄러워졌으며, 도구가 더 좋은 각도에서 절삭이 이루어지기 때문에 수명이 약 30% 더 길어졌습니다. 정밀도가 특히 중요한 의료기기, 항공기 부품 및 에너지 장비 제조업계에서는 이러한 기술을 적극적으로 받아들였습니다. 실제로 5축 시스템으로 전환한 후 많은 사례에서 불량률이 최소한 4분의 1 이상 감소하기도 했습니다.

다섯 축 설명: X, Y, Z, A, 그리고 B 5축 CNC 머신

선형 축(X, Y, Z)과 공구 위치 결정에서의 역할

CNC 가공에서 X, Y, Z 축은 3차원 공간을 통해 절삭 공구의 이동을 제어합니다. 구체적으로 살펴보면, X축은 머신 테이블 상에서 좌우 방향의 이동을 담당하며, 페이스 밀링 작업이 가능하게 합니다. Y축은 전후 방향의 위치 조절을 담당하며, 사이드 밀링이나 홈 가공 시 중요한 역할을 합니다. Z축은 드릴 홀가공 및 보링 작업에 필요한 상하 방향의 동작을 제어합니다. 세 축가 정상적으로 작동할 경우, 2022년 ISO 기준에 따라 ±0.005mm 이내의 정확도로 공구를 위치시킬 수 있습니다. 이러한 수준의 정밀도는 제조업체가 반복적으로 일관된 부품을 제작할 수 있게 해줍니다.

회전 축(A 및 B)와 작업물 방향 조절에 미치는 영향

기계 축에 대해 설명할 때, A축은 기본적으로 작업물 또는 스핀들을 우리가 X축 방향이라고 부르는 방향을 중심으로 회전시킵니다. 한편, B축은 Y축을 따라 회전을 담당합니다. 이는 실제로 복잡한 복합각도에 접근할 때마다 다시 고정하지 않아도 된다는 점에서 유리합니다. 예를 들어 제트 엔진 제작 과정에서 B축이 45도 기울어지면 가공자가 터빈 밴에 있는 각도가 있는 구멍을 높은 정확도로 드릴할 수 있습니다. 여기서 진정한 이점은 번거롭고 시간이 많이 소요되는 수동 조정 작업을 제거할 수 있다는 것입니다. 제조업체는 이제 복잡한 언더컷 및 이전에는 여러 번의 세팅과 전용 장비가 필요했던 복잡한 곡면 형태까지도 가공할 수 있습니다.

5축 동기화 운동의 역학 (X, Y, Z, A, B/C축)

실제 5축 가공은 모든 5개의 축을 동시에 조정하여 작동하는데, 선형 이동뿐만 아니라 회전 운동도 포함되며 이는 고도의 모션 제어 소프트웨어를 통해 가능해집니다. 모든 것이 정확하게 맞춰질 경우, 절삭 공구는 전체 가공 과정에서 작업물에 대해 일정한 각도를 유지하게 됩니다. 즉 복잡한 형상에서도 균일하게 재료를 제거할 수 있으며 일관되지 않은 결과 없이 품질이 일정하게 유지됩니다. 실제 적용 사례로는 항공기 제작에 사용되는 티타늄과 같은 강도 높은 소재로 제작된 부품이 있으며, 이 경우 표면 거칠기가 Ra 0.8 마이크론 이하로까지도 구현할 수 있습니다. 이러한 결과는 정밀도가 특히 중요한 고성능 부품에 대해 산업 표준이 요구하는 수준을 충족하는 것입니다.

절삭 경로 및 공구 각도 제어가 정밀도를 향상시키는 방식 5축 시스템

공구 각도의 최적화는 5축 시스템의 핵심적인 장점입니다. 공구의 각도를 작업물에 대해 조정함으로써:

• 절삭력이 공구의 가장 견고한 축과 일치하여 휨 현상을 최대 40%까지 줄일 수 있습니다.
• 곡면에서도 유효 절단 지름이 일정하게 유지됩니다.
• 더 짧고 강성이 높은 공구를 최적의 각도에서 사용할 수 있습니다.

이러한 요소들은 함께 작용하여 의료 임플란트의 0.2mm 반경 필렛과 같은 미세 특징을 마이크론 이하의 반복 정밀도로 가공할 수 있게 합니다.

유형 및 구성 5축 CNC 머신 : 헤드/헤드, 테이블/헤드, 테이블/테이블

5축 머시닝 센터의 경우 현재 크게 두 가지 주요 구성 방식이 있습니다. 첫 번째 옵션은 작업 테이블이 회전하는 트러니언 형 기계로, 상자 형태의 부품 가공에 적합하여 여러 각도에서 접근이 용이하나, 처리 가능한 중량에 다소 제한이 있습니다. 다른 일반적인 구조는 스위블 로테이트 형 설계로, 스핀들이 자체적으로 회전 축을 포함하고 있어 복잡한 형태의 가공이 가능하게 해줍니다. 두 유형 모두 가공 중 여러 축을 동시에 조정할 수 있는 기능이 있어 작업 중 부품을 멈추고 재배치하는 횟수가 줄어들어 특히 다양한 특징을 가진 복잡한 부품 작업 시 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

5축 CNC 머신 구성 개요 (트러니언 형, 스위블 로테이트 형)

트러니언 방식의 기계는 경사 테이블을 중심으로 작업물을 X축을 기준으로 회전시켜 작동합니다. 이러한 방식은 상자 형태의 부품을 다룰 때 여러 면을 쉽게 접근할 수 있기 때문에 꽤 효과적입니다. 하지만 단점이 하나 있는데, 바로 크기가 크거나 무거운 부품의 경우 이러한 기계들은 그러한 하중을 효과적으로 견딜 수 있도록 설계되어 있지 않습니다. 한편, 스위블 회전 방식은 완전히 다른 접근 방법을 사용합니다. 전체 테이블을 움직이는 대신, 회전 축이 스핀들 헤드 자체에 내장되어 있습니다. 이를 통해 공구가 -30도에서 최대 120도에 이르는 다양한 각도로 위치할 수 있습니다. 특히 정밀도가 가장 중요한 복잡한 자유 곡면 작업 시 이 방식의 진정한 장점이 드러납니다. 항공우주 및 의료기기 분야 제조업체들은 이러한 기계들이 0.0001인치의 오차 범위 내에서 매우 엄격한 허용오차를 유지할 수 있다는 점을 특히 중요하게 여깁니다. 이는 미세한 오차조차 문제가 될 수 있는 핵심 응용 분야에서 없어서는 안 될 필수적인 특성입니다.

Head/Head 대 Table/Head 대 Table/Table: 성능 및 적용 분야의 장단점

Head/Head 구성에서는 공작물이 고정된 상태에서 스핀들이 회전하여 대형 항공우주 부품 작업 시 보다 안정적인 가공이 가능하다. 또 다른 방식으로는 회전 테이블과 틸팅 스핀들이 결합된 Table/Head 하이브리드 방식이 있다. 이 방식은 금형이나 의료 장비와 같이 다양한 형상의 부품을 처리하면서도 충분한 가공 범위를 유지해야 하는 작업에 적합하다. Table/Table 방식의 경우, 공작물 자체를 회전시켜 가공한다. 이 방식은 매우 정밀한 언더컷 가공이 가능하지만 작업 공간의 크기는 상대적으로 작을 수밖에 없다. 제조사가 어떤 시스템을 선택할지 결정할 때는 부품의 복잡성, 생산량, 그리고 표준 설정으로는 처리하기 어려운 특수한 형상이 설계에 포함되어 있는지를 고려해야 한다.

구성	정밀도 안정성	작업 공간	속도	최적의 사용 사례
스피들/스피들	⭐⭐⭐⭐⭐	큰	중간	터빈 블레이드, 동체
테이블/스피들	⭐⭐⭐⭐✩	중간	높은	의료 임플란트, 금형
테이블/테이블	⭐⭐⭐⭐✩	작은	낮은	주얼리, 치과 보철물

터빈 블레이드와 같은 고도로 복잡한 형상의 경우에는 연속 5축 가공이 비용 및 품질 측면에서 우수한 이점을 제공합니다. 보다 단순한 다면체 부품의 경우에는 인덱싱(3+2) 방식이 충분히 적용 가능합니다.

어떻게 5 axis cnc machine W orks: CAD/CAM 프로그래밍부터 실행까지

5축 CNC 머시닝 센터 작동 원리: 단계별 설명

먼저, 엔지니어는 제작해야 할 부품의 3D 설계도를 만들기 위해 CAD 모델링을 사용합니다. 이 디지털 모델이 준비되면 CAM 소프트웨어에 입력되어 머신을 위한 구체적인 지시사항, 즉 공구 경로 및 G코드 등의 데이터로 변환됩니다. 다음 단계에서는 가공할 재료를 회전 테이블에 고정하고 올바른 절삭 공구를 장착하는 것입니다. 모든 준비가 완료되면 이들 고급 시스템은 X, Y, Z축의 직선 이동과 더불어 A 및 B축의 회전 동작을 조정하여 여러 번의 설치 없이도 복잡한 형상을 정밀하게 가공할 수 있습니다. 가동 중에는 센서가 지속적으로 위치 정확도와 절삭력 수준을 측정하여 약 0.0005인치 또는 그 이하의 허용오차 범위 내에서 정밀도를 유지합니다. 이러한 수준의 제어 기능 덕분에 작업자가 직접 개입하여 조정할 필요성이 크게 줄어듭니다.

인덱싱(3+2) 대 연속 5축 머시닝 기술

기술	운동 유형	이상적인 응용 분야	주기 시간 영향
인덱싱(3+2)	3축 가공 전에 회전축이 잠김	다면 프리즘 형 부품	대량 생산 시 15~20% 더 빠름
연속적인	절삭 중 동시 5축 운동	유기적 곡면(예: 터빈 블레이드, 의료 임플란트)	다중 세팅 대비 최대 40% 감소

인덱싱 가공은 각도가 고정된 특징을 가진 부품에 효율적이지만, 매끄럽고 복잡한 표면 가공에는 손작업 마감이 필요할 수 있으므로 연속 5축 운동이 필수적이다.

복잡한 공구 경로 프로그래밍에서 CAD/CAM 소프트웨어의 역할

CAM 소프트웨어는 5축 프로그래밍 작업에서 필수적인 도구가 되었으며, 공구 위치 결정, 진입 각도, 가공 작업 중 충돌 회피와 관련된 복잡한 계산을 처리합니다. 소프트웨어의 알고리즘은 다양한 공구 길이에 따라 필요한 조정을 수행하고, 작업물의 이동을 보정하며, 기계가 실제로 움직이는 방식을 반영합니다. 이는 깊은 캐비티(deep pockets)나 언더컷(undercut) 영역과 같은 복잡한 형상 작업 시 특히 중요합니다. 이러한 계획이 완료되면 포스트 프로세서가 작동하여 계산된 경로를 각각의 CNC 기계에서 실행할 수 있는 특정 G코드 명령어로 변환합니다. 2023년 말 기준의 최근 업계 자료에 따르면, 디지털 워크플로우로 전환한 제조업체들은 기존의 수작업 방식에 비해 약 70~75%의 프로그래밍 오류 감소를 경험했다고 보고하고 있습니다.

연속 5축 가공이 필요한 경우와 과도한 경우는 언제인가? 실용적 고려사항

다축 가공은 복잡한 형상 또는 까다로운 각도를 다룰 때 진가를 발휘합니다. 예를 들어 항공기 엔진 지지대나 척추에 이식되는 의료기기와 같은 제품이 있습니다. 그러나 설치 브래킷이나 직각 구조가 단순한 하우징 유닛과 같은 기본적인 부품의 경우, 인덱싱 3+2 방식 또는 단순한 3축 가공으로도 충분히 작업할 수 있습니다. 이러한 대체 방식은 프로그래밍 난이도를 줄여주며, 연속적인 5축 가공에 비해 일반적으로 작업 속도를 약 3분의 1 정도 빠르게 해줍니다. 제조사 입장에서 장비 선택을 고려할 때, 비용이 많이 드는 장비를 구입하기 전에 실제로 제작해야 할 제품이 무엇인지 검토하는 것이 합리적입니다. 진정한 효율성은 전통적인 세팅 방식으로는 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 독특한 형상의 제품을 제작할 때 발휘됩니다.

장점 및 활용 분야 5축 CNC 가공 산업에서

5축 머시닝센터의 향상된 정밀도, 표면 마감 품질 및 세팅 횟수 감소

절삭 작업 중 공구가 적절히 가공에 관여하고 있으면 5축 CNC 머신은 16마이크로 인치 Ra 이하의 표면 마감을 구현할 수 있으며, 여러 번의 세팅으로 인해 발생하는 성가신 오차 누적을 제거할 수 있습니다. 결정적인 장점은 무엇일까요? 세팅 시간이 최대 40~60%까지 감소한다는 점입니다. 이는 터빈 블레이드나 의료용 임플란트와 같이 중요한 부품 작업 시 큰 차이를 만듭니다. 결국 표면 품질은 단지 외관상의 문제가 아니라, 해당 부품들이 의도된 용도로 작동하는 데 실제 영향을 미치기 때문입니다.

복잡한 형상과 정교한 윤곽을 효율적으로 가공

5축 동시 가공은 단일 공정에서 임펠러 블레이드, 인공 뼈 지지대, 금형과 같은 고도로 복잡한 형상을 제작할 수 있게 합니다. 이러한 기능을 통해 여러 부품과 조립 작업의 필요성을 줄여 부품 수를 최대 30%까지 감소시키고, 결합 부위를 제거함으로써 구조적 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

최적화된 공구 각도를 통해 공구 수명과 드릴링 효율 향상

공구가 축을 중심으로 회전할 때, 최대 효율을 발휘할 수 있는 적절한 각도로 재료에 접촉합니다. 이를 통해 공구와 재료 간의 접촉이 중심부보다는 측면을 따라 일정하게 유지되므로 마모가 빠르게 진행되는 중심부의 손상을 방지할 수 있습니다. 마모가 절삭 날에 고르게 분산되기 때문에 공구는 더 오래 사용할 수 있고 교체 주기를 늦출 수 있습니다. 또한, 이 방식은 가공 중 열이 과도하게 쌓이는 것을 막는 우수한 칩 배출 성능도 제공합니다. 이러한 구조의 또 다른 장점은 곡면에 가공할 때도 드릴이 일관된 직선 진입을 유지할 수 있다는 점입니다. 결과적으로 깨끗한 절단면과 정확한 치수의 구멍을 반복적으로 가공할 수 있어 정밀 제조 환경에서 매우 유용합니다.

높은 초기 투자 비용 대비 장기적인 ROI(투자 수익률): 5축 CNC 머시닝 기술 도입에 대한 평가

5축 머시닝 센터는 초기 비용이 더 들지만, 대부분의 업체에서는 장기적으로 비용을 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다. 한 항공우주 회사를 예로 들 수 있습니다. 이 회사는 매우 복잡한 부품들의 가공 시간을 기존 18시간에서 단 5시간으로 단축시켰습니다. 이는 약 70% 이상의 개선율을 보이는 것입니다. 업체들이 불필요한 설치 과정을 제거하고 인력에 대한 의존도를 줄이게 되면 생산 속도는 크게 향상됩니다. 이로 인해 기계 가공 업체는 시장에서 더 높은 가격을 형성할 수 있는 보다 정밀한 작업을 처리할 수 있게 됩니다. 또한, 빠른 납기 덕분에 초기 투자 비용을 예상보다 빠르게 회수할 수 있습니다.

항공우주, 의료, 에너지 분야의 핵심 응용 분야

5축 가공의 게임 체인저적인 특성은 규제가 엄격하고 성능이 절대적으로 요구되는 분야에서 특히 두드러집니다. 예를 들어 항공우주 분야의 기업들은 날개 리브(rib) 및 엔진 마운트와 같이 극도로 정밀한 치수와 탁월한 공기역학적 특성이 요구되는 부품을 제조하기 위해 이 기술에 의존하고 있습니다. 의료 분야 역시 이러한 장비의 혜택을 크게 받고 있습니다. 외과 의사들은 이제 각 환자의 고유한 해부학적 구조에 맞춤화된 티타늄 척추 케이지 및 두개골 임플란트를 제작할 수 있게 되었습니다. 에너지 업계 역시 뒤처지지 않았습니다. 5 axis cnc machine 터빈 노즐 및 펌프 임펠러와 같은 복잡한 부품을 제작하는 데 활용하고 있습니다. 이러한 모든 과정이 인상적인 이유는 작업 흐름 개선을 통해 시간과 비용을 얼마나 절약할 수 있는지에 있습니다. 심장 모니터 산업을 예로 들면, 과거에는 15단계의 설정 과정이 필요했던 프로토타입 제작이 이제는 단 3단계만으로 완료됩니다. 이러한 감소 폭은 제조 시간뿐만 아니라 오류 발생 가능성까지 크게 줄일 수 있습니다.