마스터캠 2021를 활용한 언더컷 형태 곡면 3D 가공경로 생성 방법중 한가지 예..-1

 

 

 

 이번에는 네이버카페 마캠뽀개기(마뽀)에서 올라온 질문글에 대한 설명입니다.

 마캠뽀개기 원본 게시물
https://cafe.naver.com/mcampokegi/159239

가공방식?! 문의 드립니다

 

 

 먼저 해당 가공물 도면을 보면 다음과 같습니다.

 특이사항은 해당 경사홀이 120Ø 규격의 원기둥이 경사 다각도로 관통되어 있는 구조입니다.

* 그러므로 해당 관통홀 부분에 언더컷((Undercut) 역경사면 : 수직으로 공구가 진입할 수 없는 영역) 부분이 발생합니다.

 

 우선 관통홀 3개를 제외하면 다른 가공형태는 단순한 형태이라 패스하고 진행하겠습니다.

 

 먼저 관통홀 가공 방법을 생각해 볼 때(3축 장비 적용 한정으로) 크게 2가지 방법이 있습니다.

1. 각 홀의 경사각에 맞춤한 지그(Zig)를 제작하여 각 홀을 각각 일반적인 2D 가공정의를 통하여 가공합니다.

2. 언더컷이 가능한 형태의 공구를 적용하여 3D 가공경로를 적용하여 소재 평면 체결상태에서 가공합니다.

 이러한 방법에 대하여 각각 장단점이 존재합니다.

 

경사 각도 지그적용 방식

장점 : 가공에 필요한 특별한 공구(일반적인 절삭공구)가 필요가 없습니다.
        적용할 가공경로가 단순 2D 가공경로 적용이 가능합니다.
        비교적 3D 가공공정에 비하여 가공시간이 빠르고 가공 결과물에 대한 만족도가 높습니다.

단점 : 경사 지그제작에 무척 많은 시간과 자재가 필요합니다.
        각 홀마다 개별적인 지그와 세팅에 많은 요령과 수고가 필요합니다.

 

언더컷 공구를 적용한 방식

장점 : 일반적인 소재 평행체결(바이스 물림) 상태에서 가공이 가능합니다.
         별도의 지그가 필요 없어 다양한 경사각도 형태(한계는 있습니다.)의 제품도 바로 적용이 가능합니다.

단점 : 별도의 특이한 언더컷 지원 공구(보통 일반적인 형태가 아닌)가 필수로 필요하며 이에 따른 진행에 문제가 발생할 수 있습니다.
        절삭날의 일부만 적용하여 가공이 되는 형태(3D가공)이라 일반적인 2D 가공공정에 비하여 가공시간이 몇 배 차이가 발생합니다.
        가공면의 조도가 경우에 따라 일반적인 2D 가공면에 비하여 떨어지는 경우가 있습니다.
        해당 가공경로(캠작업)가 비숙련자에게는 어려움이 있습니다.

* 해당 가공물의 경우 지그제작 적용공정시 지그제작가 해당 가공물의 난이도 보다 높은 경향이 있어 가능한 별다른 문제(조도, 가공공차등)가 없는 경우 3D 가공정의를 적용하는 것을 권장하지만....

 해당 언더컷 공구의 수급에 어려움이 있어(특히 아래 설명시 다시 애기 하지만 아예 주문생산 공구를 적용해야 하는 경우가 많습니다.) 사전에 미리 준비하지 않으면 적용 가능한 공구를 구하지 못하여 작업 자체가 불가능할 수도 있습니다.

 

 그래서 우선 2번 언더컷 공구 활용한 3D 가공경로를 적용한 방법을 알아보겠습니다.

 우선 2D 가공경로에서 는 언더컷 공구 자체를 지원하지 않습니다.
* 그렇다고 2D 가공경로에서 언더컷을 사용 못 한다는 것 이 아니고(작업자가 적절히 체인작업을 하면....) 가공정의 자체가 자동적으로 지원(경로 생성) 하지 않는다는 의미입니다. 

* 여기서 말하는 것은 사실상 3D 곡면자체를 2D 가공정의가 인식하지 못하기 때문에 지원하지 않는다는 것이지 2D 가공경로에 언더컷 공구를 사용하지 못한다는 의미가 아닙니다.

 3D 가공정의는 해당 가공물의 형태(언더컷 형태 가공대상 곡면에 따라 경로 생성)에 따라 또는 지정된 언더컷 공구(주로 롤리팝형태, 티커터(슬롯밀) 형태 공구를 지칭) 형태에 따라 해당 가공경로를 생성하는데, 주요한 점은 해당 공구가 해당 공작물 형태에 맞게 진입/복귀, 공구 충돌 방지를 해준다는 의미가 됩니다.

 

 먼저 선택한 가공정의는 등고선 가공경로(구형 곡면가공정의)로 선택하였습니다.

 일단 해당 등고선 가공정의 정삭 파라미터 항목의 보면 언더컷 검출(Detect undercuts)은 언더컷 가능 공구가 선택된 상태에서 활성화됩니다.

* 언더컷 형태 가공물(곡면)을 선택했다고 활성화되는 것이 아니고 언더컷 공구가 선택되어야 해당 언더컷 검출 기능이 활성화될 수 있습니다.

* 언더컷 공구나 언더컷 형태 가공물이 선택되어 있어도 "언더컷 검출" 기능이 활성화되어야 해당 가공경로가 언더컷 형태 경로가 생성됩니다.

 

 그럼 먼저 해당 가공물(곡면)에 대한 예제로서 등고선 가공정의를 생성하겠습니다.

 먼저 적용할 공구(언더컷 공구 : 슬롯밀, 도브테일, 롤리팝만 활성화 가능)를 선택하여야 합니다.

 일단 고정된 각도의 도보테일은 부적합하고(안되는 것은 아니지만 도브테일의 끝날(날카로운)만 실제 가공면에 접촉할 확률이 높아 부적합) 롤리팝 공구와 티커터 형태(슬롯밀) 공구를 선택 가능한데.....

 

  문제는 현재 언더컷 부분 거리값이 좀 큽니다.

 측정된 거리값이 9.15(여유포함 최소 10.0)이므로 공구 싱크(공구 자루 직경)에서 공구 절삭날 끝까지 10.0 이상이어야 할 언더컷 공구이어야 한다는 점이 됩니다.

*실제 접촉위험 또는 최종 절삭 접촉면까지의 거리값을 고려하면 좀 더 긴 거리값이 필요합니다.

 

 

 이것도 문제가...... 마스터캠에서 가공경로가 생성될 수 있는 형상의 공구가..... 흔하지 않다는 문제가 있습니다.
* 앞서 측정한 것과 같이 최소 공구축 직경에서 공구 절삭날까지 거리가 최소 10.0 정도 필요 합니다....

 

 예로서 제이제이톨스 공구에서 찾아본다면.....

 

 초경 공구라 그런지 대구경이 없습니다.

* 물론 인서트 타입 공구는 있고 이쪽 공구 사용을 권장합니다.

 

 다른 국내 업체를 찾아보아도 비슷한 정도입니다.

 

그럼 저렴하게 하이스(HSS) 소재의 공구로 찾아보았습니다.

* 우선적으로 라운딩 티커터 공구가 안보이므로 대충 구매 후 연마작업으로 라운딩 한다고 전제하고 보면 38 Ø(TS01H1-38) 6T 공구로 가능해 보입니다.

(6T 상하로 3R씩 라운딩 했다고 전제합니다.
정확하게는 저 싱크 20 Ø 외 목경의 길이값도 검토해야 합니다.
가공 깊이가 대략 15.0 정도 생각되므로 해당 목경의 접촉여부도 계산해야 합니다.)

 

 그럼 일단 이 38 Ø 티커터 공구를 사용하는 것으로 전제하며.. 만일 롤리팝의 경우는 실제 가공 너비보다 훨씬 큰 직경의 공구가 필요합니다.

 위 같이 티커터의 경우는 어느 정도 직경값만 나오면 언더컷 부분 충돌 없이 가공이 가능하나 롤리팝 공구의 경우 공구 접촉면이 롤리팝 공구의 상단 쪽에 집중되어 상당히 큰 직경의 공구가 필요하게 되어 사실상 적용이 어렵습니다.

 

 그럼 우선 기타 다른 가공공정은 완료되었다고 전제하고 가공물 세팅을 합니다.

 우선적으로 황삭목적으로 해당 가공영역을 가공해 줍니다.

 앞뒤 언더컷이 있는 형태 이므로 앞뒤 뒤집어 1,2차 황삭 공정를 생성하여야 합니다.

 먼저 가운데 공통적으로 관통되는 영역을 선택하여 간단하게 2D 포켓 가공으로 처리합니다.

* 가운데 공통 관통되는 영역을 솔리드 모델링의 윤곽을 커브 기능(커브 한끝단)으로 생성된 윤곽선을 편집하여 가운데 부분만 남기고 중앙에 점요소를 생성하여 점체인 형식으로 일반적인 포켓 가공경로를 생성하였습니다.

 

* 실제 가공 시에는 소재 밑부분 받침과 떨림(진동) 방지용 클림프 작업을 해주어야 합니다.

 

 그런데 언더컷 반대쪽(상부에 노출된 부분)도 황삭처리 해주어야 하므로 그 부분만 등고선 곡면 가공경로를 생성해 줍니다.

* 언더컷 반대쪽(경사면)을 사전에 황삭 해주어야 하는 이유는 위와 같이 미절삭면이 남아 있으면 해당 공구의 밑날부의 절삭이 이루어지는데 해당 공구 특성상 이는 바람직하지 않은 현상이라 가능한 피해야 합니다.

 또는 이것 아니더라도 가급적 정삭가공전 에는 해당면을 적절한 가공여유값만 남기고 정삭공정에 들어가는 것을 권장합니다.

 그래서 일단 먼저 해당 언더컷 부분 곡면을 가공 대상곡면으로 선택하고 주변 평면부는 공구 충동 방지를 위하여 체크곡면으로 선택하며 언더컷 반대쪽(노출되는 경사면)의 외곽선만 생성하여 공구 중심영역체인(열린 체인)으로 선택합니다.

 

* 먼저 해당 1차 황삭공정에서 미절삭된 부분을 확인한 후 먼저 곡면 등고선 가공경로를 선택한 후 언더컷 부분을 선택합니다.

* 그리고 공구 중심영역 체인(가공 불가영역) 역할을 할 체크곡면을 선택한 다음 가공영역의 지정이 될 공구 중심영역 체인을 열린 체인 형태로 선택합니다.

* 그러면 다음과 같이 필요한 부분에만 등고선 가공경로가 생성됩니다.
(약간의 가공여유값을 주어야 합니다.)

 그러면 모의가공 시 다음과 같은 형상으로 1차 황삭 가공공정이 끝나고 이를 반대로(반전) 하여 동일한 등고선 가공경로(반대쪽)를 생성하여 황삭공정을 마칩니다.

 

 

 이후 정삭 공정을 진행합니다.

 

 정삭 가공경로는 등고선 가공경로으로 선택합니다.

 우선 해당 모델링(솔리드)의 형상에서 가공면(경사면 부분)을 가공 대상곡면(드라이브 : Drive)으로 선택하고 솔리드의 상면부 평면을 체크곡면(언더컷 공구 목경(공구의 싱크축 직경) 접촉 방지용)으로 선택하였습니다.

 

 그다음 미리 모델링(솔리드)에서 먼저 커브기능(커브 한끝단)으로 생성된 상하 윤곽선의 편집 도형요소를 공구 중심영역 체인(공구 이송 영역 제한)으로 선택하며 일단적으로 해당 가공경로가 생성됩니다.

 이때 몇 가지 주의 사항이 필요합니다.
* 이것은 언더컷 가공형태 나 해당 공구 형태에 따른 특이 사항입니다.

 

 우선 가공경로 깊이범위 와 공구 중심영역 설정 문제입니다.

 해당 곡면 등고선 가공정의 파라미터값은 아래와 같습니다.

* 언더컷 검출 항목이 활성화된 것 이외는 일반적인 설정입니다.

 

 그런데 위 파라미터 값으로 해당 등고선 가공경로를 생성해 보면 우선적으로(겉보기에는) 좋아 보입니다.

 그러나 모의 가공을 해보니깐...
다음과 같은 미절삭 범위가 발생합니다.

 이것은 어떻게 보면 당연한 것인데...

 공구 형태상 절삭위치가 공구 끝날(제일 낮은 부분)이 아니고 언더컷 형태가 되다 보니 절삭 가능한 부분(공구 파라미터의 두께값 : 여기서는 6T 티커터 이므로 높이 6.0H의 범위) 전체를 사용하다 보니 좀 더 낮은 범위까지 가공경로 깊이제한 값을 설정해 주어야 합니다.

 

* 이러한 형태(가공 깊이값을 Z-10.0까지 한정한 경우) 위 이미지처럼 미절삭 부분이 발생하게 됩니다.

 

 그래서 일단 깊이제한 항목에 절댓값 깊이기준으로 최소 깊이는 +0.1, 최대깊이값은 -15.5으로 정의하였습니다.

* 최소깊이값을 +0.1으로 한 이유는 초기 진입 시 공구부하를 고려하여 Z 축 절입량을 0.05 정도로 (약간 절삭간격값에 따라 차이남)시작하도록 설정(Z축 최대 절삭간격값이 0.15이므로 Z+0.1에서 시작하면 처음 경로 진입높이가 0.05정도로 가공경로가 생성) 합니다.

 그리고 소재 두께가 0.0~-10.0이고 절삭공구(티커터)의 공구날 두께가 6.0이므로 약간의 상단 오프셋값(0.5)을 고려하여 Z-15.5으로 임시적으로 설정하였습니다.

 그러면 뭔가 아까 보다 더 잘생긴(?) 가공경로가 생성되었습니다.

 

 그래서 모의가공을 실행하여 언더컷 경사면 단면을 살펴보았습니다.

잘(?) 살펴보면 끝까지 잘 가공된 것 같아 흐뭇한 가공이 될 것 같은 기분이 듭니다......

 

 그런데 왠지 모른 불안감에 혹시 몰라 원본(모델링)과 모의 가공 결과를 비교확인하는 모의가공의 "비교" 기능으로 확인해 보았습니다.

 그러자 언더컷 제일 깊은 곳이 0.02~0.04 정도 미절삭된 것을 확인 가능하였습니다.

 그래서 가공깊이값이 부족한가 해서 최대 16.0(소재 두께 10.0 + 언더컷 날두께 6.0)에 가깝게 Z-16.0까지 공구를 내렸지만 여전히 미절삭 부분은 그대로 남아있습니다.

 그렇지만 자세히 보니 계속적으로 경사면을 따라 내려와야 하는 가공경로가 갑자기 수직으로 떨어지는 부분을 발견하였습니다.

 

 그렇습니다. 언더컷 공구의 특성상(절삭 끝이 라운딩 된 형태) 제대로 절삭면(곡면)과 접촉하려면 상부의 R부분이 좀 더 위로 올라가(접점이 안쪽으로 들어오는 : 접점 위치가 공구경(38.0)내로 들어오는) 사실상 공구의 외곽이 좀더 바깥으로 나아가야 하는데 딱 맞게 지정된 공구 중심영역 체인에 막혀서 진출을 못하여 그대로 수직으로 떨어져서 경로가 생성된 것입니다.

 

* 그렇지만 이번 경우에는(가공물 형태에 따라) 공구중심영역 체인을 선택하지 않는 것이 더 좋은 가공경로가 발생할수 있습니다.

(당연히 가공영역 제한이 없으므로 공구가 미도달하는 경우가 없으므로....)

 

 그렇지만 이렇게 언더컷 가공경로중 소재 밑으로 낮게 이송될 수 있는경우 가공영역을 벗어나는 것을 방지할 목적으로 사용하는것도 적절합니다. 

(공구 목경(싱크) 충돌을 사전에 방지용, 만일 공구 중심영역체인으로 가공영역을 한정하지 않으면 마스터캠은 가능한 공구 축면과 소재간 간격을 근접하게 가공영역을 확장 합니다.)

 그러면 해결책은 간단하게 공구 중심영역체인으로 선택한 도형요소를 확장(오프셋)시키면 되지만 경우에 따라 다른 가공 대상 곡면 쪽에서는 사실상 접점이 없어서 경로를 이탈할 경우가 있으므로 해당 공구 중심영역체인은 그대로 두고 등고선 곡면 파라미터 항목에서 공구 중심영역 내측 + 추가적인 오프셋값 -0.5(외곽으로 0.5 확장)을 주어 공구 중심영역을 등고선 가공정의에서 확장합니다.

* 다만 경우에 따라 언더컷 깊이값(9.15(10.0))이 확장되어 적용되어야 하므로 절삭날 직경과 목경(싱크) 거리값이 작은 경우 이것에 공구 접촉(싱크부)이 발생하여 가공경로가 확장이 안 되는 경우도 있으므로 항상 공구 제원은 여유를 잡고 생각하셔야 합니다. 

* 위 이미지처럼 생성된 가공경로가 언더컷 제일 깊은 곳으로 이송 시 경로가 일부 깎인 것처럼 보이는 구간이 있습니다.

 그렇지만 경로확인에서 공구를 배치하면 제대로 공구 중심영역에 맞게 생성된 것을 알 수 있습니다.


 그래서 공구 중심영역을 2.0만큼 오프셋 하고 다시 가공 최대깊이값은 -15.5으로 지정하였습니다.

* 공구 중심영역을 너무 많이 확장하면 해당 가공경로가 왜곡될 수 있으므로 최소한으로.....

* 이렇게 하지 않고 공구 중심영역 선택한 체인요소(도형요소) 자체를 오프셋 시키는 방법도 거의 동일한 효과를 봅니다.

 그 결과 위 이미지처럼 제대로 언더컷 끝부분까지 제대로 가공경로가 생성되었습니다.

 이러한 과정을 거치어 모의가공을 해보면 거의 완벽하게 가공되었음 을 알 수 있습니다.

 

 일단 가공은 무사히(?) 마칠 수 있었습니다....

 

 여기서 한 가지 보충을 한다면...

 진입복귀 문제인데... 현재 등고선 정삭 파라미터 항목에서 이송형태에서 "형상형태 이송"으로 되어서 작업이 되어 있습니다.

 그래서 표현되는 이송형태가 아래와 같은데...

 

 동영상을 살펴보면 3가지 문제점(?)을 볼 수 있습니다.

1. 진입 시 바로 수직적으로 진입하여 실제 절삭 이송경로로 이송합니다.

 즉 해당 소재에 밑날 절삭이 불편한 공구가 바로 소재에 공구밑날이 먼저 수직으로 접촉한다는 것이 문제입니다.

* 실제로는 날끝이 라운딩되어 있는 공구의 경우 라운딩 형태 때문에 수직으로 접촉한다해도 실제로는 날끝 라운딩 부분이 닿기 때문에 다소 절삭 부하가 적습니다.
(그래서 앞서 황삭과정에서 경사면에 대한 별도의 황삭공정을 추가하길 권장합니다.)

 그렇지만 경우에 따라 Z 축 절삭간격값이 크거나 롤리팝공구 같이 최밑날이 절삭이 불리한 경우 에는 가능하면 일반 2D윤곽 가공경로 처리 진입 되길 바랄 것입니다.

 

2. 가공경로가 종료된 경우 종료위치(복귀위치)가 언더컷이나 가공형태 위치상 가공이 끝난 면에서 근접한 위치에서 수직 복귀를 하게 됩니다.

 

 이경우 언더컷 부분에서 이송이 되면 뒤로 후퇴 후 이송되지만 사실상 거의 정삭면에 접촉하는 것이 됩니다.

 이러한 과정으로 인해서 가능한 경로 진입/복귀 시 2D 윤곽 가공경로처럼 확실히 가공면 앞에서 떨어진 위치에서 수평진입 후 절삭이송 하거나 경로종료 후 뒤로 후퇴하여 수직복귀 하는 것을 원하게 됩니다.

 

3. 현재 등고선 특성상 Z 축 절삭간격별로 경로가 생성되는데 경로 간 이송형태가 "형상형태 이송"과 같이 바로 Z축 방향으로 이송되어 다음 가공경로 으로 진입하는데 이경우 공구 진입자국이 발생할수 있어 가능한 경로간 이송경로가 없는 나선형으로 이송되길 원하게 됩니다.

 

 

 다시 설명을 하게 된다면...

 1,2번 경로 진입/복귀 문제는 우선 일단 곡면 가공경로 특성상... 점체인을 통한 진입점/복귀점 적용이 안됩니다.

* 해당 가공정의 가공경로/곡면 선택창에 있는 근접 시작점은 어디까지나 진입점의 위치(방향)를 근접하게 지정해 주는 것이지 점체인을 활용한 진입점/복귀점 사용은 불가능합니다.

 그리고 해당 등고선 정삭 파라미터의 이송형태를 "부드럽게", "스탭"등의 이송형태로 지정 시 "진입/복귀/원호/직선"항목이 활성화되어 마치 2D 윤곽 가공경로 진입/복귀처럼 활용이 되는가 하지만 이경우 해당 가공경로(Z 축 별로 구분된)의 이송형태에 적용되는 것이라 처음진입/최종복귀만 적용하는 것은 안됩니다.

 위 와 같이 이송형태 선택에 따라 경로 간 이송경로가 바뀌지만 우리가 원하는 최초 진입/최종 복귀만 저러한 형태의 이송경로가 생성되지 않습니다.

 

 이것을 앞서 애기한 2D 윤곽 가공경로 진입/복귀처럼 생성하려면 등고선 곡면 파라미터의 진입/복귀 항목을 활성화하여 설정해야 합니다.

 

 위 "진입/복귀" 항목에 대한 설명은 아래 링크를 참조 바랍니다.
https://momoman83.tistory.com/561

마스터캠 2021를 활용한 기존 곡면 가공경로 공통 파라미터 항목에 대하여-3

 

 

 적용방법은 우선 해당 가공경로를 생성합니다.
* 진입/복귀 위치를 파악하기 위한 조치입니다.

 생성된 가공경로의 진입점/복귀점 위치를 보면 진입/복귀 방향이 대충 1시 반 방향(45도)이 적당할 것 같습니다.

* 현재 한 개 가공정의에 3군데 가공영역이 선택 되어 있지만 한개 가공정의 이므로 진입/복귀 방향이 하나만 정의가 가능합니다.

 그래서 45도 방향에서 진입/복귀하는 것으로 정의하고 거리값(진입/복귀 거리값이 아니고 45도를 정의하기 위한 사각형의 가로세로값..)을 7.0(대충 진입 거리값이 9.89 정도 됩니다.)을 정의합니다.

* 실제로는 해당 진입/복귀점의 가공경로의 진행방향을 기준으로 정의되기 때문에 위의 45도 예는 예로서...... 끝입니다.

 

 그럼 해당 등고선 곡면 파라미터의 진입/복귀 버턴의 체크박스를 체크하여(활성화) 진입/복귀 항목을 보면..

진입 항목의 벡터값은 가공경로 진행방향 기준으로 볼 때 X-방향에서 진입하므로 X-값을 가집니다.

복귀 항목의 벡터값은 가공경로 진행방향 기준으로 볼때 X+방향으로 복귀하므로 X+값을 가집니다.

 

* 즉 가공방향 기준(적용기준 "가공방향" 선택 시)으로 X, Y, Z방향이 정해집니다.

 그 가공방향 기준으로 진입 시 방향 X-쪽에서 들어오므로 "X-"값 거리값 7.0으로 X방향 -7.0를 입력합니다.
복귀 시는 방향 X+ 쪽으로 나가므로 "X+"값 거리값 7.0으로 X방향 +7.0를 입력합니다.

* 현 작업화면상 또는 WCS 축 방향이 아니고 가공경로 진행방향 기준으로 정의됩니다.

 이것은 가공경로 방향 기준으로 안 하면 진입/복귀 위치에 따라 다른 방향으로 정의될 가능성이 있어 이렇게 정의됩니다.

만일 앞서 이미지는 가공경로를 식별하게 싶도록 Z 축 절삭간격값을 "1.0"으로 할 때와 "0.15"할 때 각 진입점/복귀점 위치가 달라지게 됩니다.

 

* 진입점/복귀점 위치가 바뀌어도 진입/복귀하는 방향은 동일하게 유지하기 위한 설정입니다.