CNC 가공 입문: 3D 설계에서 완성 부품까지

3D 모델을 쓸 수 있는 부품으로 만드세요. 가공 방식을 고르고, 공구 경로를 준비하고, 장비를 설정한 뒤 재료를 절삭하고 결과를 확인합니다.

CNC는 컴퓨터 수치 제어를 뜻합니다. 기계 가공에서는 컴퓨터가 절삭 공구를 움직여 **소재(스톡)**에서 재료를 제거합니다. 모델은 최종 형상을 나타낼 뿐입니다. 고정 방법, 각 형상에 공구가 접근하는 방법, 정확히 가공하는 방법은 별도로 결정해야 합니다.

과정은 CAD 모델 → CAM 공구 경로 → 장비에 맞는 G 코드 → 설치와 절삭 → 검사입니다. 작은 장착 플레이트를 예로 살펴보겠습니다.

1. 부품에 맞는 공정 고르기

3축 밀링 장비나 라우터에서는 X와 Y가 테이블 평면을, Z가 높이를 담당합니다. 2.5D 가공은 정해진 깊이에 평평한 바닥과 벽을 만듭니다. 3D 가공은 절삭 중 깊이를 바꾸며 곡면을 따라갑니다. 둘 다 같은 3축 장비를 사용할 수 있습니다. 회전축을 추가하면 더 많은 면에 접근할 수 있지만, 많은 부품은 뒤집고 위치를 다시 잡는 것으로 충분합니다.

첫 프로젝트는 얕은 포켓과 관통 구멍이 있는 평판이 좋습니다. 가공용 왁스는 연습에, 아세탈은 여러 실용 플라스틱 부품에, 6061 알루미늄은 장비가 지원할 때 금속 부품에 적합합니다. 장비 능력뿐 아니라 부품의 하중, 온도, 사용 환경을 고려해 재료를 고르세요.

2. 가공 가능한 모델 만들기

CAD, 즉 컴퓨터 지원 설계에서 솔리드 모델을 만듭니다. CAD와 CAM이 같은 프로그램이면 원래 형식을 유지하고, 그렇지 않으면 솔리드 형상을 STEP으로 내보냅니다. STL은 삼각형 메시입니다. CAM 과정에서 지원할 때만 사용하고 곡선을 보존할 만큼 충분한 해상도를 확보하세요. 가져온 뒤 단위와 전체 치수를 확인합니다.

• **둥근 공구가 들어갈 공간을 남기세요.**수직 내부 모서리에는 반지름이 남습니다. 6 mm 공구로는 반지름 3 mm보다 작은 모서리를 만들 수 없습니다. 설계 반지름을 조금 더 크게 하면 공구가 회전할 여유가 생깁니다. 직각 모서리의 상대 부품이 끼워져야 한다면 도그본 같은 여유 홈을 만드세요.
• **형상에 접근할 수 있게 하세요.**깊고 좁은 포켓에는 길고 잘 휘는 공구가 필요합니다. 언더컷에는 다른 셋업이나 특수 공구가 필요합니다.
• **잡을 곳을 남기세요.**바이스, 클램프, 탭을 위한 여분의 소재를 두세요. 마지막 절삭 중에도 부품을 고정할 방법을 계획합니다.
• **맞물리는 조건을 명시하세요.**재료, 중요 치수, 공차, 구멍 위치, 나사산을 도면에 표시합니다. 공차는 허용되는 치수 변화이며, 엄격할수록 가공과 검사에 더 많은 노력이 듭니다.

예제는 60 × 40 × 8 mm 장착 플레이트입니다. 30 × 20 mm, 깊이 2 mm 포켓, 4 mm 내부 모서리 반지름, M4 나사를 통과시키는 4.5 mm 관통 구멍 네 개가 있습니다. 구멍 중심은 인접한 바깥 가장자리에서 각각 7 mm 떨어져 있습니다. 이는 설계 치수 예시이며 절삭 설정값이 아닙니다.

3. 형상에 맞는 공구 선택하기

플레이트의 포켓과 외곽에는 평엔드밀, 구멍에는 트위스트 드릴, 날카로운 가장자리에는 모따기 밀이나 수동 디버링 공구를 사용합니다. 볼엔드밀은 자유곡면에 유용합니다. 스핀들과 장비가 지원하면 페이스밀로 넓은 표면을 평탄하게 만들 수 있습니다.

정밀 구멍은 드릴링 후 보링으로 지름을 수정하거나, 정확히 준비한 구멍을 리밍으로 마무리할 수 있습니다. 탭이나 나사 밀은 암나사를 만들며, 나사 통과용 여유 구멍에는 나사산이 없습니다.

재료에 적합하고 필요한 절삭 길이를 갖춘 공구를 선택하세요. 칩 배출 홈이 적으면 플라스틱과 알루미늄에서 칩이 머물 공간을 더 확보할 수 있는 경우가 많습니다. 제조업체의 용도별 지침을 따르세요.

콜릿이란?

콜릿은 스핀들이나 공구 홀더 안에 있는 홈이 갈라진 슬리브로, 공구의 매끄러운 원통 부분인 생크를 잡습니다. 콜릿 너트를 조이면 슬리브가 생크를 조여 회전 중에도 공구를 단단하고 중심에 맞게 유지합니다.

콜릿 규격은 홀더에, 허용 고정 범위는 생크 지름에 맞춰야 합니다. 예를 들어 절삭 끝이 1 mm인 공구도 생크는 3.175 mm(⅛인치)일 수 있으므로 생크에 맞는 콜릿을 고릅니다. 매끄러운 생크를 잡고 접촉면을 깨끗하게 유지하며 삽입 깊이와 조임 지침을 따르세요. 홀더 밖으로 나오는 공구 돌출 길이를 작업에 필요한 최소한으로 줄이면 휨과 진동을 줄일 수 있습니다.

4. CAM 셋업과 공구 경로 만들기

CAM, 즉 컴퓨터 지원 제조는 공구의 이동 경로를 계산합니다. Autodesk Fusion 같은 프로그램에서 실제 소재, 모델, 고정구, 공구, **작업 좌표계(WCS)**를 정의합니다. 소재 모서리나 구멍 중심처럼 실제로 찾을 수 있는 원점을 고르고, Z 양의 방향은 윗면에서 멀어지는 방향으로 설정합니다. 이동 높이는 클램프와 소재를 피하도록 정합니다. Autodesk 셋업 참고 자료에서 각 요소를 설명합니다.

일반적인 작업은 역할이 서로 다릅니다.

황삭은 대부분의 재료를 제거하고 약간의 여유량을 남깁니다. 정삭은 그 여유량을 제거해 치수를 맞추고 표면을 개선합니다. 적절한 경우 경사 또는 나선 진입을 사용하세요. 수직으로 내려가는 절삭에는 적합한 공구와 절삭 데이터가 필요합니다. 작은 공구로 큰 공구가 닿지 못한 모서리의 잔삭 가공을 할 수 있습니다. Autodesk 가공 개요에서 황삭과 정삭 전략을 설명합니다.

하향 절삭에서는 공구에 대한 소재의 이송 방향이 접촉점에서 절삭날이 움직이는 방향과 같습니다. 상향 절삭은 그 반대입니다. 하향 절삭은 강성이 높고 백래시가 관리되는 CNC에서 흔하지만, 장비와 고정 방식이 지원하는 전략을 사용하세요.

회전수, 이송, 깊이를 함께 설정하기

• 스핀들 회전수(RPM): 공구가 회전하는 속도.
• 이송 속도: 전진 속도이며 보통 mm/min 또는 인치/min으로 표시합니다.
• 층별 절입 깊이: 층마다 더해지는 깊이. 측면 간격: 패스 사이의 옆 방향 거리 또는 물림량.
• 날당 이송량: 절삭날 하나당 이송량. 너무 작으면 마찰과 과열이, 너무 크면 공구 과부하가 생길 수 있습니다.

일반적인 엔드밀에서는 이송 속도 = RPM × 날 수 × 날당 이송량입니다. 예를 들어 10,000 RPM × 2날 × 0.03 mm/날 = 600 mm/min입니다. 이는 계산 예시이지 해당 장비에 바로 쓸 설정이 아닙니다. 재료, 지름, 작업에 대한 공구 제조업체의 데이터를 출발점으로 삼고 강성, 물림량, 칩 배출을 고려하세요. Sandvik 밀링 공식에 이 관계가 정의되어 있습니다.

5. 절삭 전에 고정 계획 세우기

블록에는 바이스가, 판재에는 희생판 위의 클램프가 적합합니다. 소프트 죠나 위치 결정 핀은 뒤집은 후 위치를 반복해서 잡는 데 도움이 됩니다. 고정은 절삭력을 견디면서 부품을 휘게 하지 않아야 합니다.

예제에서는 이미 평평하고 두께가 8 mm임을 확인한 더 큰 소재를 사용할 수 있습니다. 주변 재료를 희생판에 고정하고 모든 공구 및 홀더 경로에서 클램프를 벗어나게 합니다. 소재가 온전할 때 구멍과 포켓을 가공하고, 외곽은 마지막에 탭을 남기며 절단합니다. 드릴 끝과 외곽 절삭이 희생판에는 들어가되 장비 테이블에는 닿지 않도록 합니다.

두께나 아랫면을 가공해야 한다면 더 두꺼운 소재로 시작하고 두 번째 셋업을 계획합니다. 알려진 기준면을 향해 뒤집고, 고정과 위치 결정을 다시 한 뒤 최종 두께로 페이싱합니다. 셋업마다 별도로 확인한 원점이 필요합니다.

6. 시뮬레이션 후 장비 프로그램 생성하기

재료 제거를 포함해 모든 작업을 순서대로 시뮬레이션합니다. 남은 재료, 과도한 절삭, 공구와 홀더 충돌, 고정구 간격, 관통 위치, 지원되는 경우 장비 이동 범위를 확인하세요. 시뮬레이션은 사용자가 제공한 형상과 장비 정보만 알고 있습니다.

G 코드는 장비와 컨트롤러에 맞는 포스트 프로세서로 생성합니다. STEP 파일은 장비 프로그램이 아니고, G 코드도 모든 장비에서 서로 호환되는 것은 아닙니다. 단위, 작업 오프셋, 공구 교환, 스핀들 명령, 후퇴 동작을 확인합니다. 수동 공구 교환 장비는 지원 절차를 따르며, 공구별로 프로그램을 나눠야 할 수도 있습니다. 컨트롤러가 지원하는 방법으로 전송하세요. Autodesk 포스트 처리 안내에서 변환 과정을 설명합니다.

7. 장비를 설정하고 첫 절삭하기

장비 운전 절차를 따르고 프로그램 실행 전에 정지 조작을 익히세요. 눈을 보호하고 머리카락과 헐렁한 옷을 정리하며, 가드를 닫고 재료에 맞는 집진이나 냉각 방식을 사용합니다. 회전하는 기계 근처에서는 절대 장갑을 착용하지 말고, 움직이는 동안 칩을 치우지 마세요. Haas 안전 안내에 기본 주의사항이 있습니다.

1. 장비 원점 복귀를 실행하고, 소재를 고정한 뒤 깨끗하고 적절히 조인 홀더에 올바른 공구를 장착합니다.
2. **작업 원점을 찾습니다.**지원되는 프로브나 에지 검출 방법을 사용합니다. 원점 복귀는 장비 좌표를 정할 뿐 소재 위치를 찾지는 않습니다.
3. **공구 길이 / Z 기준을 설정하고 검증합니다.**컨트롤러 절차를 사용하고 수동 공구 교환 때마다 다시 확인합니다. 실제 작업 오프셋은 CAM과 같아야 합니다. Haas 부품 설정 안내는 작업 및 공구 오프셋을 구분합니다.
4. **프로그램을 검증합니다.**컨트롤러 그래픽과 제조업체의 드라이런 또는 싱글 블록 절차를 사용합니다. 지원된다면 급속 이송 배율을 낮추고 초기 이동과 간격을 확인하세요. 승인된 공중 절삭 절차에서 오프셋을 바꿨다면 실제 절삭 전에 복구하고 확인합니다.
5. **절삭을 감독합니다.**칩 배출, 진동, 고정 상태를 살펴보세요. 예상치 못한 동작, 날카로운 소음, 칩 쌓임, 소재 움직임이 있으면 정지하고 원인을 찾은 뒤 재개합니다.

예제 플레이트의 순서는 포켓 황삭 → 포켓 정삭 → 드릴링 → 탭을 남긴 외곽 가공 → 접근 가능한 가장자리 모따기입니다. 필요하면 처음에 페이싱을 추가하고 제거한 재료 두께를 반영합니다. 전체 과정에서 부품을 확실하게 고정하세요.

8. 마무리, 측정, 조립 확인하기

모든 움직임이 멈춘 뒤 부품을 꺼내고 탭을 잘라 낸 다음 가장자리와 구멍 출구의 버를 제거합니다. 칩을 청소하고 전체 크기, 두께, 포켓 깊이, 구멍 위치를 도면과 비교합니다. 일반적인 확인에는 캘리퍼스를 사용할 수 있지만, 더 엄격한 요구에는 적절한 마이크로미터, 게이지 또는 다른 검사 도구가 필요합니다.

계획한 조립을 시험하세요. 나사가 자유롭게 통과하는지, 상대 부품이 들어맞는지, 플레이트가 평평하게 놓이는지 확인합니다. 부품은 프로그램이 끝났을 때가 아니라 치수와 기능을 만족할 때 완성됩니다.

CAD, 도면, CAM 셋업, 공구 목록, 검증된 절삭 조건, 최종 프로그램을 함께 보관합니다. 측정 결과도 기록하여 다음 부품에서 재현할 수 있게 하세요.

PCB 프로젝트라면 CircuitMill PCB 밀링 안내를 참고하세요. CircuitMill은 기판 제작 데이터를 사용합니다. 일반적인 3D 기계 부품은 솔리드 모델과 해당 가공 작업을 지원하는 CAM 과정이 필요합니다.