2.1 공구에 의한 가공 1

[소마]

절삭 가공 분류

2.1 공구에 의한 가공 1
2.1.1 선삭 (Turning)

선반 가공은 회전하는 공작물을 돌지 않는 공구가 이송하며 불필요한 부분을 깍아내는 가공이다.

따라서 공작물의 축방향에 직각인 단면 형상은 특별한 경우를 제외하고는 항상 원형이다.

선반 가공은 외경 가공, 내경 가공, 나사 가공, 홈 가공, 절단 가공 등으로 구분된다.

선반 가공시 이송률은 일반적으로 주축 1회전당 공구 이동거리(mm/rev)로 지정한다.

뒤의 NC 선반 가공과 어느 정도 중복이 되므로 자세한 설명은 생략한다.

2.1.2 밀링 (Milling)

밀링 가공은 고정되어 있는 공작물을 회전하는 공구가 이송하며 불필요한 부분을 깍아내는 가공이다.

밀링 가공시 이송률은 일반적으로 분당 공구 이동거리(mm/min)로 지정한다.

밀링 장비 크기는 보통 아래표와 갈이 최대 행정으로 구분한다.

                                                                                      단위 : inch

호칭 번호	1	2	3	4	5	6
최대 행정(stroke)	22	28	34	42	50	60

뒤의 MCT 가공과 어느 정도 중복이 되므로 자세한 설명은 생략한다.

2.1.3 구멍 가공 (드릴링, 보오링, 리이밍 : Drilling, Boring, Reaming)

공구를 이용한 구멍 가공 방법은 드릴링, 보링, 리이밍으로 구분할 수 있다.

1) 드릴링

보오링과 리이밍은 이미 뚫려있는 구멍을 확공하는 가공인데 비해 드릴링은 일반적으로 구멍이 없는 상태에서 구멍을 가공하는 방법이다.

드릴링 작업은 레이디얼 드릴, 탁상 드릴, 건 드릴 등 전용 기계에서도 수행되지만, 선반, 밀링 등 일반 공작 기계 작업에서도 큰 비중을 차지하는 가공이다.

2) 보오링

보링은 이미 뚫려있는 구멍을 정밀 공차로 확공하는 가공이다.

일반적으로 보오링 장비(Boring Machine)는 일반 공작 기계에 비해 정밀도가 높고 강성이 크며, 미세 이송이 가능한 구조로 되어 있으며, 수평형과 수직형으로 구분된다.

수직형은 대형으로 제작되는 경우가 많으며, 특히 측정기 수준의 높은 정밀도로 제작된 수직형 보오링 기계를 지그 보오링(Jig Borer)이라고 한다.

3) 리이밍

리이밍도 보링과 마찬가지로 이미 뚫려있는 구멍을 정밀 공차로 다듬질하는 가공이다.

리이밍 작업은 일반적으로 별도의 전용 기계가 아닌 일반 공작기계에서 수행된다.

뒤의 '가공 작업별 공구 분류' 절에서 자세히 설명이 되므로 여기서는 생략한다.

2.1.4 평삭 (Planing)

평삭은 바이트와 공작물의 상대 직선 운동으로 면을 가공하는 작업으로, 쉐이퍼(Shaper), 플레이너(Planer), 슬로터(Slotter) 등의 장비를 사용한 가공을 말한다.

밀링 가공과 유사하지만, 직선 운동을 이용한 가공이라는 점에서 차이가 있다.

1) 쉐이퍼(Shaper)

바이트가 직선 절삭 운동을 하고, 공작물이 직선 이송 운동을 하는 형태의 가공으로, 주로 소형 공작물에 적용된다.

2) 플레이너(Planer)

공작물이 설치된 테이블이 직선 절삭 운동을 하고, 바이트가 직선 이송 운동을 하는 형태의 가공으로, 주로 대형 공작물에 적용된다.

주로, 공작 기계의 베드, 칼럼 등의 표면 가공에 이용된다.

100m/분 수준의 고속 절삭이 가능한 장비도 있지만, 유사한 형태의 밀링 장비인 플라노 밀러(Plano-miller) 등의 장비를 이용한 밀링 가공에 비해서는 작업 능률이 떨어진다.

3) 슬로터(Slotter)

상하 방향으로 직선 운동을 하는 램에 공구를 부착하여, 공작물의 수직면을 가공한다.

주로, 내면 키이홈 가공 등에 사용된다.

2.1.5 기어 가공

기어 가공 방법은 절삭에 의한 방법 외에도 주조, 성형, 전조 등 여러 가지가 있으나 여기서는 절삭 가공 방법에 대해서만 설명하기로 한다.

일반적인 기어 절삭 가공 방법은 아래와 같이 구분할 수 있다.

 

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 셰이퍼 등의 테이블에 기어 윤곽 형상으로 만든 형판과 기어    소재를 설치하고 모방 가공 - 가공 정도는 낮지만, 다른 방법으로는 가공이 어려운 경우    에 주로 적용
총형 공구 이용		- 총형 공구를 이용해 1피치씩 회전시키며 차례로 절삭 - 총형 바이트 또는 총형 밀링 공구 이용
창성 기어 절삭	호브	- 회전하는 호브를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정도가 높은 기어를 능률적으로 생산 가능 - 단치차나 내치차 가공 불가
	랙형 공구	- 수개의 이를 가진 랙형의 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 비교적 정밀한 기어를 가공할 수 있으나 생산성 낮음 - 헬리컬 기어 가공은 용이하나 내치차 가공은 불가	형삭법
	피니언형 공구	- 피니언형 공구를 이용한 기어 창성 가공 - 기어 셰이퍼를 사용해 능률적인 가공이 가능 - 주로 자동차 공업 등 대량 생산이 필요한 분야에 적용 - 단치차, 내치차, 헬리컬 기어 등 가공 가능	형삭법

 주기) 1. 기타 브로우치형 공구를 이용한 기어 절삭 가공이 있으나 브로우칭의 범주로 볼 수

             있으므로 여기서는 생략함.

          2. 베벨 기어는 일반 다른 기어와 제작 방법이 좀 다르므로 따로 구분해 설명함.

1) 형판 모방 가공

셰이퍼(Shaper) 등의 테이블 위에 치형 곡선 윤곽을 가진 형판(Template)과 가공할 기어 소재를 설치하고 바이트로 형판을 따라 모방 가공하는 방법이다.

정도가 높은 치형을 절삭하기 어렵고, 이를 한 개씩 차례로 절삭해야 되므로 생산 능률도 별로 높지 않다.

주로, 다른 방법으로 가공하기 어려운 기어 제작에 이용된다.

2) 총형 공구에 의한 치형 절삭

기어 이 한 개의 치형 홈 윤곽 형상을 가진 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)나 총형 바이트 등 총형 공구를 사용하여 가공할 기어 소재를 한 피치씩 회전시키며 차례로 절삭을 한다.

① 총형 밀링 커터를 이용한 가공 (밀링 가공)

일반 밀링 장비에서 총형 밀링 커터(Formed Milling Cutter)를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

창성법에 비해 정도와 능률 면에서 부족하지만, 특별한 기계를 필요로 하지 않는 장점이 있어, 극소수의 기어를 제작하는 경우나 사이클로이드 기어 제작 등에 사용된다.

② 총형 바이트를 이용한 가공 (셰이퍼, 플레이너)

셰이퍼, 플레이너에서 총형 바이트를 이용해 기어를 가공하는 방법을 말한다.

일반 기어보다는 대형 기어나 대형 내치차의 제작에 주로 적용된다.

3) 창성법 (Generating Gearing)

창성법에 의한 기어 절삭은 피니언 커터(Pinion Cutter), 또는 랙형 커터(Rack Cutter)를 사용하는 형삭법(Gear Shaping)과 회전하는 호브(Hob)를 사용하는 호빙법으로 구분할 수 있다.

총형 공구를 이용하는 방법에 비해 정도와 능률 면에서 훨씬 우수해, 고급 기어 가공은 거의 모두 창성법에 의해 제작된다.

① 호브에 의한 가공

호브는 외경에 치형 곡선 윤곽으로 된 나선홈을 가진 회전 공구를 말한다.

즉, 원통에 치형 곡선 윤곽 형태의 외경 나사를 판 형태의 공구라고 할 수 있으며, 나선홈의 위치는 호브가 1회전할 때 1줄 나사이면 1피치만큼, 2줄 나사이면 2피치만큼 이동한다.

인볼루우트 치형일 경우 호브의 단면 형상은 직선형의 랙과 동일 형상이다.

따라서, 호브가 회전 운동을 하고, 기어 소재가 호브와 이론적인 맞물림 운동을 할 수 있도록 회전 운동을 하면 기어가 가공된다.

즉, 호브는 무한히 긴 랙에 해당한다고 할 수 있다.

이 상태에서 호브를 기어 축방향으로 직선 이송시켜 폭의 전장을 가공한다.

랙형 공구 사용시처럼 기어 이를 한 개 가공할 때마다 원위치로 되돌릴 필요가 없으므로 능률적인 기어 가공이 가능하다.

또한, 한날의 치형 오차나 피치 오차가 가공한 소재의 치형에 미치는 영향이 피니언 커터에 비하면 훨씬 작아 정도가 우수한 기어를 만들 수 있으므로 일반적으로 많이 사용되는 방식이다.

평치차, 헬리컬 기어, 웜 기어 등의 제작에 주로 이용되며, 응용 범위가 넓다.

단, 단치차나 내치차는 가공할 수 없는 단점이 있다.

◆ 호브

호브 재질은 보통 몰리브덴계 고속도강이나 초경 합금이 사용되며, 티타늄 화합물(Ti N, TiC 등)을 코팅하여 사용하는 경우가 많다.

호브 축방향의 홈은 보통 나선형으로 제작되지만, 한줄 나사 호브인 경우는 일반적으로 직선홈(straight gash)으로 제작된다.

절삭날은 보통 상면 경사각 없이 제작되지만, 경사각이 있는 상태로 제작되는 경우도 있다.

일반적으로, 기어의 정삭 가공에는 한줄나사 호브가 사용되며, 거친 절삭에는 여러줄 나사 호브가 사용된다.

여러줄 나사 호브는 줄 수가 많을수록 가공 시간을 단축시킬 수 있다.

② 랙형 공구에 의한 가공

수개의 이를 가진 랙형의 공구와 가공할 기어 소재가 각각의 피치선과 피치원이 구름 접촉으로 운동을 전달하는 랙과 피니언과 동일한 직선 왕복 운동을 하며 인볼루우트 치형을 창성하는 가공을 말한다.

랙 커터의 잇수를 무한히 많게 할 수는 없으므로, 보통은 1개의 이를 창성할 때마다 랙 커터를 시작점으로 되돌려 보내고 다음 이를 절삭하는 방식을 사용한다.

◆ 랙형 공구를 이용하는 기어 셰이퍼 구분

- Maag 사 방식

이 방식의 기어 셰이퍼는 랙의 직선 운동은 소재 쪽에서 행하고, 랙형 커터는 절삭 운동만을 행하는 구조로 되어 있다.

즉, 랙형 커터는 왕복 직선 운동만 하고, 기어 소재가 회전 운동과 직선 운동을 한다.

커터의 날이 직선만으로 되어 있고, 기어의 이를 한 개마다 되돌려가며 가공하므로 커터 오차 보정이 어느 정도 가능해 비교적 정도가 높은 장점이 있으나, 생산 능률이 낮고 내치차 절삭이 불가능하다.

헬리컬 기어는 비교적 용이하게 가공이 가능하다.

- 선더랜드 사 방식

랙 커터의 왕복 및 전후 직선 운동과 기어 소재의 회전 운동으로 기어를 창성하는 방식이다.

더블 헬리컬 기어를 가공할 수 있다.

◆ 랙형 공구에 의한 가공시의 언더컷

랙형 공구에 의한 가공시 언더컷(under-cut) 방지를 위해서는 가공할 기어의 최소 잇수를 아래 기준 이상으로 할 필요가 있다.

<랙형 공구에 의한 가공 가능한 기어 잇수 기준>

압력각	가공할 기어 잇수 기준	비고
14.5°	Z ≥ 32	Z  : 가공할 기어 잇수
20°	Z ≥ 17

③ 피니언형 공구에 의한 가공

미국의 펠로우스(Fellows) 사에서 발전시킨 방법으로 전용 장비인 기어 셰이퍼(Gear Shaping M/C)에서 피니언 커터를 사용해 기어를 가공한다.

절삭 행정에서는 공구와 소재의 회전 운동이 없고, 복귀 행정에서 창성 운동이 이루어지는 구조로 되어 있으며, 절삭은 보통 3회 정도로 나누어 행해진다.

단치차(Stepped Gear), 내치차, 헬리컬 기어 등의 가공이 가능하다.

능률적인 생산이 가능해 주로 대량 생산에 적용된다.

◆ 내치차 가공시의 언더컷

잇수가 적은 내치차 가공시는 언더컷(under-cut)이 생길 수 있으므로, 피니언 커터의 잇수를 아래 기준에 따라 조정할 필요가 있다.

<내치차(평치차) 기어 가공 피니언 커터 잇수 기준>

압력각	피니언 커터 잇수 기준	비고
14.5°	Zc ≤ Z - 32.1	Z  : 가공할 내치차 잇수  Zc : 피니언 커터 잇수
20°	Zc ≤ Z - 17.6

◆ 헬리컬 기어 가공

헬리컬 기어 절삭시는 헬리컬 피니언 커터를 사용하고, 절삭 행정에서 직선 운동과 동시에 회전 운동을 해야 된다.

따라서, 임의의 나선각 헬리컬 기어의 가공은 불가능하며, 보통 15°와 32°로 제한된다.

2개의 커터를 교대로 사용하여 더블 헬리컬 기어를 가공하는 기어 셰이퍼도 있다.

◆ 피니언 커터

피니언 커터는 보통 고속도강으로 제작되며, 경사각은 5° 정도로 한다.

모듈이 같은 기어는 하나의 피니언 커터로 가공이 가능한 장점이 있으나, 공구의 피치 오차나 치형 오차가 그대로 가공한 기어에 반영되므로 공구를 정밀하게 제작할 필요가 있다.

4) 베벨 기어(Bevel Gear) 절삭

베벨 기어는 선단으로 갈수록 치형 형상이 작아지므로 일반 평치차와는 가공 방법이 약간 다르다.

베벨 기어의 가공 방법도 일반 기어와 유사하며, 아래와 같이 구분할 수 있다

 

구분		설명	비고
형판 모방 가공		- 형판과 바이트를 이용한 모방 가공 - 바이트가 형판상의 1점과 정점을 잇는 직선을 왕복
총형 공구로 밀링 가공		- 정도가 높은 기어 제작 불가 - 소형 베벨 기어, 양산성이 불필요한 경우 적용
창성 기어 절삭	글리이슨식 Gleason	- 관치차를 이용한 베벨 기어 창성 - 원주에 많은 날이 있는 원판형의 회전 공구로 가공 - 스파이럴 베벨 기어는 링 모양 공구 이용
	라이넥커식 Reinecker	- 원추와 강철띠로 베벨 기어 창성
	클링게른베르그식 Klingeinberg	- 원추형 공구를 이용한 스파이럴 베벨 기어 창성
	기타	- 하이덴라이히(Heidenreich) 식 - 빌그램(Bilgram) 식

◆ 글리이슨식 베벨 기어 창성법

베벨 기어 제작에는 글리이슨식 베벨 기어 창성법이 가장 많이 사용된다.

이 방법에서는 베벨기어의 원추면을 평면으로 전개한 형상의 관치차(Crown Gear)를 이용해 베벨기어를 창성한다.

베벨기어와 관치차의 관계는 평기어와 랙의 상관 관계와 유사한 개념이라고 할 수 있다.

단, 랙의 각 단면은 서로 평행하지만, 관치차는 한점에 모인다.

즉, 관치차와 정점 사이에 가공할 기어 소재를 두면, 바로 베벨 기어 치형을 분할할 수 있다.

① 스트레이트 베벨 기어

스트레이트 베벨 기어는 원판 모양의 회전 공구를 이용하는 기어 절삭기(Gleason Conifix Straight Bevel Gear Generator)로 가공한다.

② 스파이럴 베벨 기어

스파이럴 베벨 기어는 링 형상의 공구를 이용하며, 글리이슨식 스파이럴 베벨 기어 절삭기(Gleason Spiral Bevel Gear Generator)로 가공한다.

링형 공구의 자전과 공전으로 공구날의 궤적은 회전중인 가상 관치차의 하나의 이의 형상을 나타낸다.

기어 소재가 이 가상 관치차와 이론적으로 맞물리도록 회전시키면 원호 모양의 기어 윤곽을 가진 베벨 기어가 창성된다.

이가 1개 창성될 때마다 공구와 기어 소재를 처음 위치로 복귀시키고 다음 이를 창성한다.

이 방식을 이용해 하이포이드(Hypoid) 기어의 치형 절삭이 가능하다.

* 출처 : 엠사이트넷