언더컷 가공을 빠르고 정확하게 측정하는 방법

언더컷 가공이란?

언더컷 가공이란 절삭 가공에서 바이트가 핀각을 깎을 수 없는 경우 모서리 부분에 하는 가공입니다. 언더컷 가공을 하면 가공 비용을 줄이고 가공 시간을 단축할 수 있습니다.
언더컷 가공에는 「이스케이프」라고 하는 가공이있습니다. 언더컷 가공이 핀각 등의 부분적인 가공인데 반해 이스케이프는 광범위한 가공을 의미합니다. 즉, 언더컷 가공은 이스케이프에 포함되어 있으며 언더컷 가공을 이스케이프라고 하는 경우도 있습니다.

언더컷 가공의 예

언더컷 가공이나 이스케이프는 끼워맞춤 공차가 불필요한 부분이나 내치 가공 후의 버 발생을 줄이고 싶은 경우, 핀각 처리의 가공 공수를 줄이고 싶은 경우 등 다양한 상황에서 유효한 설계 기술입니다.

끼워맞춤 공차가 불필요한 부분에서의 언더컷 가공

불필요하게 엄격한 공차를 지정하면 기계 부품의 가공 비용이 증가합니다. 예를 들어 아래의 그림은 베어링을 샤프트에 삽입하는 도면이며, Before의 도면에는 샤프트 전체에 공차가 엄격하게 지정되어 있습니다. 이러한 설계를 하면 샤프트 가공과 베어링 삽입이 모두 어려워져 비용 증가의 원인이 됩니다.

이러한 경우에는 After의 도면과 같이 샤프트와 베어링의 감합 부분에만 엄격한 공차를 지정하고, 다른 부분의 공차에는 폭을 두는 언더컷 가공을 지정합니다. 이렇게 하면 가공도 조립도 용이하게 되어 전체적으로 비용을 절감할 수 있습니다.

포켓 가공 시간을 단축하는 언더컷 가공

공구의 형상을 고려한 설계로 언더컷 가공을 지정하는 경우가 있습니다. 예를 들어 아래 그림과 같은 포켓을 프레이즈 가공할 경우 Before의지시에 따르면 모서리에 반드시 바이트 R이 남습니다. 이 경우 더욱 작은 직경의 공구로 각 R을 작게 가공해야 합니다. 그러나 소경 공구를 이용한 가공에는 시간이 많이 걸리므로 비용 증가의 원인이 됩니다. 또한 감합부 등에서 직각 형상의 포켓 가공이 필요한 경우는 프레이즈 가공 후 추가 가공이 필요하므로 추가적인 비용 증가가 발생합니다.

이 경우 After의 그림과 같이 모서리에 언더컷 가공을 설정하면 가공 시간을 단축할 수 있습니다. 모서리에 언더컷 가공을 설정하면 공구 직경에 따른 각 R을 무시할 수 있으며 가공에 적합한 직경의 공구를 사용할 수 있습니다. 이로 인해 가공 시간을 단축할 수 있으며 직각 형상 제품의 감합부이더라도 추가 가공이 불필요하게 되므로 큰 폭으로 비용을 절감할 수 있습니다.

언더컷 가공 측정의 실제

언더컷 가공을 하면 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 언더컷 가공의 크기와 모양은 설계 도면에 지정된 공차 이내이며, 특히 정밀 가공 부품의 언더컷 가공은 0.5mm 단위 이상의 엄격한 공차가 지시되는 경우가 많습니다. 또한 그 위치는 뒤엉킨 부분의 안쪽에 있어 언더컷 가공이라 해도 형상은 복잡합니다. 이 언더컷 가공을 정확하게 측정하고 설계대로 가공되었는지 확인할 수 있을 때 비로소 비용을 절감할 수 있습니다.
아래 그림은 언더컷 가공 또는 이스케이프를 설정한 도면의 예입니다. 실제로는 이렇게 많은 지시 사항이 있으며, 이 모든 항목이 공차 이내로 들어오는지 확인하기 위해 가공 후의 제품을 측정할 필요가 있습니다.

기존 언더컷 가공의 측정 과제

지금까지 언더컷 가공의 측정은 윤곽 형상 측정기로 실시했습니다.
윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 언더컷 가공 측정 과제

윤곽 형상 측정기에서의 언더컷 가공 측정에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 대상 물체를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업을 진행하는 데에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 수적으로 요구됩니다.
• 깊게 들어간 부분에 언더컷 가공을 한 경우 스타일러스의 프로브가 측정 위치를 통과하기 어렵기 때문에 미묘하게 프로브의 위치가 어긋남으로써 측정값의 편차가 생겨 정확하게 측정할 수 없습니다.
• 원통의 최대 점을 통과하는 프로파일 선을 그리기가 어렵습니다.
• 프로브는 프로브 암의 지점을 중심으로 상하로 원호 운동을 하며 프로브 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.

언더컷 가공 측정에서의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 입체적인 대상 물체·측정 부분을 점이나 선으로 접촉하면서 측정하고 있어 측정값의 신뢰성이 낮다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 복잡한 형상의 작은 언더컷 가공도 측정 가능

광범위한 형상을 「면」으로 측정하여 데이터를 수집. 전체 형상을 파악해 원하는 부분을 측정하기 때문에 바늘을 통과하기 어려운 깊은 부분의 작은 언더컷 가공도 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한 모든 측정 데이터를 저장하고 저장된 데이터를 비교하거나 3D 설계 데이터와 비교할 수 있습니다.

「VR시리즈」라면 기존의 측정기와 달리 지금까지 많은 수고와 시간을 요구했던 프로브가 통과하기 어려운 위치의 언더컷 가공도 정확하게 측정할 수 있습니다.

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장점 2: 측정 결과에 편차가 생기지 않음

스캔하여 취득한 3D 형상 데이터에 PC 화면상의 다양한 보조 툴을 사용함으로써 원통 축을 간단하게 추출할 수 있으므로 프로파일 선이 일정합니다. 임의의 위치에 정확하게 수직인 프로파일 선을 그릴 수 있으므로 측정 결과에 편차가 생기지 않습니다.

「VR 시리즈」라면 기존의 측정기와 달리 지금까지 많은 수고와 시간을 요구했던 형상의 언더컷 가공도 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한 한 번 대상 물체를 스캔해 두면 과거에 측정했을 때와는 다른 부분의 프로파일(단면 형상)을 측정하는 것도 가능합니다. 동일한 샘플을 번거롭게 다시 준비한 후 재측정할 필요가 없습니다. 또한 과거의 데이터를 활용하여 로트나 가공 조건, 재료 등이 다른 동일한 형상의 대상 물체와의 차이를 쉽게 확인할 수 있습니다.

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요약: 측정하기 어려운 언더컷 가공 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정 가능. 깊은 위치의 작은 언더컷 가공의 깊이나 폭 등의 어려운 측정도 최고 속도 1초만에 완료. 기존 측정기의 모든 과제를 해결할 수 있습니다.

• 면으로 측정하므로 복잡한 형상의 언더컷 가공도 간단하게 측정 가능. 최고점·최저점도 측정할 수 있습니다.
• 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적으로 측정할 수 있습니다.
• 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작을 실현. 특정 작업자만 측정 업무를 할 수 있는 문제와 측정값의 편차를 해소합니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.

그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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