3축, 4축, 5축 가공의 차이점

축 가공 유형과 그 핵심 기능 이해하기

3축, 4축, 5축 가공 – 각각을 사용해야 할 시기

1. 3축 가공: 간단하고 비용 효율적인 제작의 기초

3축 가공 시스템은 절삭 공구를 3차원 공간 내에서 세 개의 직선 축을 따라— X축(좌/우) , Y축(전진/후진) , 그리고 Z축(상/하) —움직이게 하여 작동합니다. 이러한 직선 운동만으로 이루어지는 방식은 브래킷, 플레이트 또는 기본 몰드와 같이 단순하고 평면적이거나 얕은 3D 부품을 형성하는 데 이상적입니다.

그 핵심 이점은 비용 효율성 : 기계의 복잡성이 낮아 설정 시간이 최소화되며 운영 부담을 줄여, 단순한 부품의 대량 생산 시 수익 마진을 모두 증대시킨다는 점에 있습니다. 예를 들어, 전자기기용 알루미늄 장착 플레이트 제조는 주로 3축 가공에 의존하는데, 이 부품은 선반 가공(상면 평탄화), 에지 프로파일링(플레이트 외곽 모양 형성), 드릴링(고정장치용 구멍 추가)이라는 세 가지 핵심 공정만 필요로 하며, 이러한 공정은 모두 직선 축 이동으로 쉽게 완료할 수 있습니다.

2. 4축 가공: 원통형 및 곡면 특성을 위한 회전

4축 가공은 한 개의 회전축 (일반적으로 X축을 중심으로 회전하는 A축)을 추가함으로써 3축 가공 구조를 확장합니다. 이 추가된 축을 통해 공작물이 회전하면서 공구가 직선 이동할 수 있게 되어 수동 재위치가 필요하지 않게 되며, 감긴 형태나 곡면 특성을 가진 부품 제작이 가능해집니다.

밸브 스템의 슬롯, 곡면을 따라 배치된 각도가 있는 구멍, 풀리의 그루브와 같이 특징이 원통형 모양을 따르는 부품 가공에 탁월합니다. 2023년 제조업 보고서는 다음과 같은 중요한 이점을 강조했습니다. 원통형 부품에 4축 가공을 사용하는 공장은 다중 재설정이 필요한 3축 시스템 대비 설정 시간이 28% 감소 했다고 합니다. 작업물의 수동 뒤집기나 재고정을 피함으로써 4축 가공은 정확성과 일관성도 향상시켜 인간 요인에 의한 오류를 줄일 수 있습니다.

3. 5축 가공: 복잡하고 다면적인 정밀 부품을 위한 유연성

5축 가공은 고도로 곡면이 형성되고 여러 면을 가공해야 하는 부품의 표준 기술입니다. 이 방식은 세 개의 직선 축에 더해 두 개의 회전 축 (일반적으로 X축을 중심으로 회전하는 A축과 Z축을 중심으로 회전하는 C축)을 추가하여 절삭 공구가 거의 모든 각도에서 작업물에 접근할 수 있도록 합니다.

이러한 다용도성은 부품에 정교한 형상과 극도로 엄격한 공차가 요구되는 항공우주 및 의료 산업에서 없어서는 안 될 요소입니다. 예시로는 티타늄 터빈 블레이드(곡선형 에어포일과 내부 냉각 채널 포함), 고관절 임플란트(인체 해부학적 구조와 일치), 항공기 구조 부품 등이 있습니다. 3축 또는 4축 시스템과 달리, 5축 가공은 복잡한 부품을 한 번의 세팅으로 완성할 수 있습니다. 단일 설치 : 예를 들어, 터빈 블레이드는 재고정 없이도 전면적으로 가공이 가능하며, ±0.005mm라는 매우 엄격한 공차와 우수한 표면 마감 품질을 달성할 수 있습니다.

3축 대비 4축 가공: 효율성과 적용 범위

아래 표는 3축 및 4축 가공의 핵심 기능을 비교하여 각각의 활용 사례를 명확히 설명합니다.

기능	3축 가공	4축 가공
축 구성	X, Y, Z (선형 축만)	X, Y, Z (선형) + 1회전축 (A/C)
가장 좋은	단순한 평면/3D 부품 (브라켓, 플레이트 등)	주변부에 특징이 있는 원통형 부품 (밸브 스템, 풀리 등)
설치 시간	짧음 (표준 부품 기준 10~30분)	중간 정도 (20–45분, 단일 설정)
소재 다기능성	대부분의 금속/플라스틱과 호환되지만 부품 형태에 따라 제한됨	동일한 재료; 곡면/원통형 작업물에 최적화됨
허용오차 범위	±0.01–0.05mm	±0.008–0.03mm

주요 제한 사항 및 장점

• 3축 가공은 언더컷이 있거나 곡면에 각도가 있는 구멍이나 래핑된 특징을 가진 부품에서 어려움을 겪습니다. 이러한 경우 여러 번의 설정이 필요하여 시간과 오류 위험이 증가합니다.
• 4축 가공은 원통형 부품의 경우 이를 해결합니다. 예를 들어, 강철 샤프트에 45° 간격으로 구멍을 뚫는 작업은 3배 더 빠르게 4축 가공에서는 샤프트가 회전하여 각 구멍 위치를 맞추므로 가능하지만, 3축 가공에서는 수동으로 재배치해야 합니다.
• 그러나 4축 가공은 비원통형 다면체 부품(예: 세 면에 각도가 있는 구멍이 뚫린 정육면체)에는 적합하지 않으며, 부품을 재정렬하면 효율성이 상실됩니다.

4축 대비 5축 가공: 정밀도와 복잡성의 상충 관계

4축 가공은 복잡성 측면에서 '중간 지점' 역할을 하지만, 비대칭적이거나 여러 면이 있는 부품을 다루는 5축의 능력에는 미치지 못합니다. 다음은 두 방식의 비교입니다:

1. 부품 복잡성 처리 능력

5축의 이중 회전 축은 공구가 작업물 주위를 '감싸는' 움직임을 가능하게 하며, 곡선 엣지, 내부 경량화 홀, 여섯 면 모두에 위치한 각도가 있는 부착 포인트를 가진 탄소섬유 항공기 날개 리브와 같은 부품 제작에 필수적입니다. 주요 항공우주 제조업체의 보고에 따르면:

• 5축 가공은 4축 대비 생산 시간이 42% 더 빠름
• 폐기율이 8%에서 2%로 감소 (단일 세팅으로 정렬 오류 제거)

2. 정밀도 및 표면 마감 품질

5축 시스템은 동적 인덱싱 을 사용하여 공구가 절삭면에 항상 수직을 유지하도록 하여 공구 마모를 줄이고 표면 품질을 향상시킵니다. 생체적합성이 매끄러움에 의존하는 의료용 임플란트(예: 무릎 관절 치환용 임플란트)의 경우:

• 5축 가공은 Ra 0.4μm 표면 마감을 달성합니다.
• 4축은 다음까지만 도달합니다 Ra 0.8μm .

3. 비용 및 프로그래밍

5축이 필요로 하는 사항:

• 충돌을 방지하기 위해 시뮬레이션 도구가 포함된 고급 CAM 소프트웨어.
• 초기 투자 비용이 더 높음.

 

• 이는 단순하거나 소량 생산 부품의 경우 비용 효율성이 떨어지지만, 복잡하고 정밀도가 요구되는 부품에는 매우 중요한 가치를 제공합니다.

축 가공 방식을 재료, 형상 및 산업별 요구사항에 맞추기

1. 가공물의 재질 및 경도에 따른 축 선택

재료의 경도는 축 선택에 직접적인 영향을 미치며, 더 단단한 재료일수록 더 많은 열이 발생하고 열 왜곡 위험이 있습니다.

재료 유형	권장되는 축 유형	이유
부드러운 재료 (알루미늄 6061-T6, ABS 플라스틱)	3 축	절삭이 용이하며, 직선 이동만으로도 원하는 마감 품질을 달성할 수 있습니다.
단단한 재료 (스테인리스 스틸 316L, 티타늄 Ti-6Al-4V)	4/5축	설정 빈도를 줄여줍니다(4축) 또는 열 축적을 최소화합니다(5축).

에 따르면 2022 ASM International 절삭 가공 가이드라인 :

• 경도가 30 HRC 이상인 재료(예: 경화 강철)의 경우, 5축 가공은 공구 수명을 35%3축 대비 연장시킵니다.
• 예: 경화된 강철 기어 블랭크를 5축 가공할 때 나선형 공구 경로를 사용하면 힘과 열이 고르게 분포되어 초경 인서트 수명이 3축의 고강도 직선 절삭 대비 50% 연장됩니다.

2. 산업별 축 요구사항

다양한 산업 분야는 각각 고유한 요구사항을 가지고 있으며, 이는 축 선택에 영향을 미칩니다.

산업	3축 사용 사례	4축 사용 사례	5축 사용 사례
자동차	엔진 브래킷, 센서 하우징	드ライブ 샤프트, 연료 인젝터	고성능 레이싱 실린더 헤드
항공우주	단순한 구조용 브래킷	기본 원통형 부품	터빈 블레이드, 항공기 프레임, 위성 (2023년 보고서 기준 터빈 블레이드 제조업체의 91%가 5축 가공 사용)
의료	플라스틱 공구 하우징	수술용 기기 샤프트	티타늄 고관절 임플란트, 척추 로드
소비재	플라스틱 휴대폰 케이스, 알루미늄 조리기구	병 마개 (나사산 목부)	고급 시계 케이스 (희귀함)

흔한 다축 가공 실수 피하기

1. 생산량에 맞지 않는 축 수 선택 실수

• 5축 과도 사용 : 소량 생산 및 단순 부품의 경우(예: 알루미늄 브래킷 50개), 3축 가공은 5축 대비 시간당 비용이 60% 저렴함(5축 시간당 요금: $150–$300; 3축: $50–$100).
• 5축 미사용 : 대량 생산되는 복잡한 부품의 경우(예: 터빈 블레이드 1,000개), 4축 가공은 5축 대비 설정 시간이 3배 더 소요되어 인건비 증가와 지연을 유발함.
• 형상 무시 : 언더컷 구조 부품(예: 플라스틱 하우징의 오목 슬롯)은 5축 가공이 필요함. 3축은 정렬 오류 발생, 4축은 비원통형 언더컷에 도달할 수 없음. 2023년 연구에 따르면 3/4축 폐기 부품의 68%가 이러한 오류에서 기인함.

2. 프로그래밍 및 설정 최적화 방법

3 축

• 선형 이동에는 기본 G코드를 사용하십시오.
• 퀵체인지 고정판을 활용하여 설정 시간을 줄이세요(부품 교체당 10~15분 소요).
• 항상 드라이 테스트(재료 없이)를 수행하여 공구와 고정장치 간 충돌을 방지하세요(3축 공구는 크기가 크고 충돌 위험이 높음).

4 축

• 4축 시뮬레이션 기능이 있는 CAM 소프트웨어를 사용하여 회전을 시각화하십시오.
• A/C 축 중심에 작업물을 정렬하십시오 (0.1mm의 오프셋이 치수 오차를 유발할 수 있음).
• 동심도를 확보하기 위해 척/콜릿을 사용해 원통형 부품을 고정하십시오 — 한 자동차 부품 공급업체는 올바른 중심 정렬로 오류를 40% 줄였습니다.

5축

• 충돌 감지 기능이 있는 고성능 CAM 소프트웨어(예: Mastercam, SolidWorks CAM)에 투자하십시오.
• 작업물을 고정하기 위해 5축 트런니언 테이블을 사용하십시오 (재설정 없이 완전한 회전이 가능함).
• 선각각 제어(리드 각도 제어)에 대한 프로그래머 교육을 실시하십시오 (공구 각도 조정으로 마감 품질 및 공구 수명 향상) — 항공우주 업체들은 이를 통해 최초 가공 성공률 95%를 달성합니다.

축 가공 방식 선택을 위한 단계별 절차

산업용 응용 분야에 적합한 축 유형을 선택하기 위해 다음 프레임워크를 따르십시오:

1. 부품부터 시작: 형상, 공차, 재료

• 기하학 : 평면 = 3축; 원통형/둘러싸인 특징 = 4축; 다면체/곡면 형상 = 5축.
  • 예: 평면 알루미늄 판재(3축); 헬리컬 슬롯이 있는 강철 샤프트(4축); 티타늄 터빈 블레이드(5축).
• 공차 : ±0.005mm 이하 또는 그보다 엄격한 경우 = 5축; ±0.05mm = 3/4축.
• 재질 : 연삭 가공 = 3축; 경삭 가공 = 4/5축.

2023년 정밀 가공 보고서에 따르면, 부품을 사전 분석하는 공장은 축 선택 오류를 55% 줄일 수 있다.

2. 생산량 및 비용 목표와 일치시키기

생산량	단순 부품	복잡한 부품
높음 (>1,000개)	3축 (저비용)	4/5축 (설정 시간 단축)
낮음(1–100단위)	3축(경제적)	5축(불필요한 설치 시간 회피)

2024년 산업용 가공 가이드에 따르면, '비용-수량 분석'(축과 수량 연결)을 통해 전체 비용을 22% 절감할 수 있습니다.

3. 작업장 자원 평가

• 기계 가용성 : 4/5축 기계가 없을 경우 단순 부품에는 3축을 사용하고, 복잡한 작업은 소량일 때 외주를 활용하세요.
• 프로그래머 숙련도 : 팀의 5축 경험 부족 시 중간 수준의 복잡성이라면 4축에서 시작하세요.
• 고정구/공구 : 축 유형을 선택하기 전에 특수 공구(예: 5축용 트런니언 테이블) 접근성을 확보하세요.