선반 개요 구성요소 부품별명칭 절삭도구 테이퍼절삭 복식공구대 심압대

기계분류

공작기계/선반/보통선반

한글제목

선반

영문제목

Lathe

소제목

1.개요
2.구성요소
베드
왕복대
심압대
주축대
3.부품별명칭
4.선반용 절삭도구
바이트의 형상
바이트의 중요각도
바이트의 종류
바이트 홀더의형식
바이트의 설치
5.테이퍼 절삭방법
복식공구대에 의한 방법
심압대 편위에 의한 방법
테이퍼절삭 장치에 의한 방법
6.나사 절삭방법
나사절삭의 원리
변환기어 계산법
나사 절삭작업요령

내 용

공작기계 중에서 가장 역사가 오래 되며, 많이 사용되고 있는 대표적인 것이다. H.모즐리가 근대적인 미끄럼공구대가 붙은 선반을 1877년 완성한 후, 바이트를 사용하는 작업을 사람의 손으로부터 기계로 할 수 있게 되었다. 또한 기계동력으로 선반을 운전하면서, 변환기어 등을 사용하여 나사 깎는 작업은 물론 각종 기계부품을 정밀하게 가공할 수 있게 되었다. 선반의 주요 구성요소는 베드·주축대·심압대·왕복대·공구대 및 이송장치로 되어 있다. 주축대와 심압대 사이에 가공물을 고정시키고, 회전운동을 주축대로부터 받도록 설계되어 있다. 그러나 수직선반이나 터릿선반처럼 심압대 없이 주축대만으로 가공품을 유지하는 것도 있다. 절삭공구는 왕복대에 장치되어 있는 공구대에 유지하고, 공구대를 전후좌우로 움직여서 적당한 절삭길이를 주어 칩의 발생과 함께 가공물을 절삭해간다. 공구대는 베드의 전면에 있는 이송봉(移送棒)과 리드스크루를 따라 움직이게 된다. 이송봉이나 리드스크루의 회전을 위하여 주축의 회전운동을 이용한 기어 장치가 널리 쓰이고, 이송속도 변환장치 역시 그 속도를 적당히 변화를 줄 수 있도록 되어 있다. 그리고 나사를 절삭할 때는 주축의 회전과 이송기구를 이용하게 된다. 베드는 주축대·심압대·공구대 등 선반의 본체를 구성하는 주요부분을 싣고 있으므로 견고한 구조로 되어 있다. 베드의 상부는 왕복대가 좌우로 미끄러져서 그것을 안내하는 부분이므로, 정밀한 다듬질을 통하여 높은 정밀도를 유지하게 되어 있다.

◎ 베드(bed) 베드(bed)는 주축대, 심압대 및 왕복대 등의 선반 각부를 총체적으로 지지하는 역할을 한다. 베드는 이들 각 구조부의 자중과 공작물의 무게 및 절삭시에 발생하는 절삭력 등에 의하여 힘을 받으며, 이들 힘은 굽힘변형과 비틀림변형을 일으키기 때문에 베드의 성능은 제품의 정밀도에 아주 큰 영향을 미친다. 따라서, 베드는 절삭력에 의한 변형이나 진동 등이 발생하지 않도록 충분한 강성을 가지는 구조로 만들어야 한다. 베드는 보통 주철, 펄라이트주철 혹은 특수주철 등을 사용하여 주물로 만들어지나 안내면에는 마모를 적게 하기 위하여 고주파 열처리나 화염 등으로 표면경화처리를 하기도 하고 열처리 강판(steel band)을 마찰면에 볼트로 고정하여 사용하기도 한다. 또 강성을 높이기 위하여 강판에 의한 용접구조도 사용되고 있다. 베드 안내면의 형상은 수평형과 산형(mountine type)의 두 종류로 나눌 수 있으며 일반적으로 수평형이 사용되나 최근에는 두 형태를 조합한 것과 삼각형 안내면을 사용하기도 한다. 베드의 설계시 변형을 최소화함과 아울러 칩(chip)의 처리나 절삭유의 회수 등도 고려하여야 한다.

◎ 왕복대 왕복대는 베드 윗면에서 주축대와 심압대 사이를 미끄러지면서 운 동 하는 부분으로, 공구대가 설치되는 새들(saddle)과 자동이동장 치 등의 조작장치를 가지고 있는 에이프런(apron)으로 구성된다. 왕복대의 기본 구조는 새들의 윗 면에 공구대를 전후 방향으로, 즉 베드와 직각 방향으로 이동하게 하는 전후 이송대가 있으며, 그 위 에 수직축 둘레로 선회하는 선회대(swivel)가 있는데 선회대 위에 는 상부 이송대가 있다. 이 상부 이송대에는 공구대가 있어서 공구 를 고정하는데, 공구는 임의의 위치도 고정가능하며 선회대를 이용 하여 특정 각도만큼 회전시켜 놓으면 공구에 경사 방향으로 수동이 송을 줄 수 있어 짧은 테이퍼 절삭이나 나사절삭, 모따기 등을 할수 있다. 이와 같은 선회대, 상부 이송대 및 공구대를 총칭하여 복식 공구대 (compound tool rest)라고 한다. 에이프런은 왕복대의 새들에 베드 전면으로 설치되어 있는 구조로, 리드나사(lead screw)와 이송봉(feed rod)에 연결되는 좌우이송, 전후이송 및 나사절삭 이송장치가 있다. 좌우 및 전후 이송은 수동 과 자동모두 가능하다.

◎ 심압대 심압대는 베드 위에서 주축의 센터와 더불어 공작물의 오른쪽 끝을 센터(center)로 지지하는 역할을 한다. 심압대의 왼쪽 끝은 테이퍼 구멍으로 되어 센터를 부착할 수 있도록 되어 있으며 센터는 오른쪽의 센터 이송나사 핸들의 회전에 의하여 전후 이동이 가능하다. 또한, 센터 대신에 드릴이나 리머 등을 끼워 구멍뚫기작업도 할 수 있다. 심압대는 베드 안내면을 따라 이동하여 공작물의 길이에 따라 적당한 위치에 고정된다. 이때 소형선반은 손으로 이동시키고, 중형은 왕복대의 이송용 랙(rack)과 맞물리는 피니언 축이 있어 이것을 크랭크 핸들로 회전시켜 이송한다. 대형은 전동기에 의한 이송방법이 사용된다. 심압대를 베드에 고정시키는 방법은 소형선반에서는 편심캠을 이용하며 중형 및 대형의 경우 볼트를 이용하여 앵커(ancar)를 베드 안내면의 아랫면에 부착하여 고정한다. 심압대가 정확하고도 강력하게 고정되지 않으면 가공정밀도에 큰 영향을 준다. 심압대는 일반적으로 주축대의 주축중심과 정확히 일직선상에 있도록 한다. 심압대의 상부는 조정나사에 의하여 축선과 편위시켜 테이퍼 절삭을 할 수 있어야 한다.

◎ 주축대 주축의 회전수와 절삭속도를 선정하고 절삭 깊이와 이송을 정하여 거친절삭을 하며 공작물의 좌우를 뒤바꾸어 남은 부분을 깎으며, 다듬질 바이트로 필요한 치수에 맞도록 마무리 작업을 한다.

[ 부 품 별  명 칭 ]

⊙ 바이트의 형상

- 바이트는 선반의 공구대에 지지되는 자루(shank)와 날 부분으로 되어 있으며, 날 부분은 경사면과 여유면에 의해 절삭날을 형성하고
  있다.
  절삭날은 주절인과 측면절인으로 되어 있고, 이것을 연결하는 것을 각(angle) 또는 둥근 부분을 노즈(nose)라 한다.
  바이트의 규격은 일반적으로 폭 높이 길이로 나타낸다.

[ 그림 ] 바이트 형상

⊙ 바이트의 중요 각도

① 전방경사각(front rake angle) : α - 바이트 절인의 선단에서 바이트 밑면에 그은 수평면과 경사면이 이루는 각도
② 측면경사각(side rake angle) : α′ - 직각된 면 내에서 측정한 밑변에 평행한 평면과 경사면과 형성하는 각도
③ 전방여유각(front clearance angle) : γ - 바이트의 선단에서 그은 수직선과 여유면과의 사이의 각도
④ 측면여유각(side ciearance angle) : γ′ - 측면 여유면과 밑면에 직각된 직선이 형성하는 각도
⑤ 측면절인각(side cutting edge angle) : Φ′ - 주절인과 바이트 중심선과의 각도
⑥ 전방절인각(front cutting edge angle) : Φ - 부절인과 바이트의 중심선에 직각된 각도

[ 그림 ] 초경 바이트의 각도 표시법

(1) 바이트의 구조에 따른 종류

 ① 일체형 바이트 (solid tool)
     - 날 부분과 자루 부분을 같은 재질로 만든 것

② 팁 바이트 (welded tool) :
    - 자루의 날 부분에만 초경합금 등의 공구재료로 된 팁(tip)을 용접하여 만든 것 

③ 클램프 바이트 (clamped tool) :
    - 공구재료의 팁을 바이트 자루에 용접을 하지 않고 나사를 이용하여 기계적으로 고정한 것

(a) 일체형 바이트                             (b) 팁 바이트                                  (c) 클램프 바이트

[그림 ] 바이트 구조상 분류

(2) 바이트의 사용목적에 따른 종류

- 그림은 바이트의 사용목적에 따른 각 용도별 종류를 나타낸 것이다.

[ 그림 ] 바이트의 용도별 종류

(3) 재질에 의한 바이트의 분류

[ 그림 ] 재질에 의한 바이트의 분류

(4) 모양에 의한 바이트의 분류

[ 그림 ] 모양에 의한 바이트 분류

(5) 인서트(insert) 팁의 규격

 

[그림] 인서트 팁의 규격

⊙ 바이트 홀더의 형식

- 단체 바이트는 날 부분과 자루 부분이 모두 공구 재료로 되어 있으므로 재료를 절약하고 바이트 제작을 용이하게 하는 목적으로 자루 부분을 바이트 홀더(bite holder)로 만들어 여기에다 짧고 작은 소형의 바이트를 고정시켜서 사용하는 것이다.

[ 그림 ] 바이트 홀더의 형식

또한 클램프 바이트의 일종으로 스로 어웨이 바이트(throw away bite)가 최근에 많이 사용되고 있다. 스로 어웨이 바이트는 팁을 재연삭하지 않고 새로운 팁(tip)과 교환하는 형식으로 가공 능률이 향상되며 공구비가 절감된다.

⊙ 바이트의 설치

  - 선반 공구대에 바이트를 설치할 때의 요령은 다음과 같다.

 ① 바이트의 날 끝의 높이를 센터 높이와 일치하도록 받침판을 가감해서 설치한다.
 ② 바이트를 가능하면 길게 나오지 않도록 살치하며, 보통 고속도강 바이트일 때는 자루 높이의 2배, 초경 바이트에서는 1.5배 이내로 돌출길이를 잡는 것이 좋다.
 ③ 받침판을 공작물의 중심과 바이트의 높이를 일치시키려고 바이트의 높이를 조절하는 것으로서 가능하면 적은 개수를 사용하고 공구  대에서 받침판이 길게 나오지 않도록 설치한다.
 ④ 바이트의 고정 볼트는 밑면이 평평해야 하며 필히 2개 이상으로 평균되게 조이며, 규정 공구대 핸들을 사용해야 하고, 조임을 2∼3회로 나누어 볼트를 조금씩 조인다.

 

그림은 바이트의 설치 높이와 날 끝 각도를 표시한 것으로 (b)와 같이 날 끝이 높을 때 경사각 α는 커지며, 여유각 β는 작아지므로 깎이는 느낌은 조금 양호하지만 날 끝이 공작물에 파고드는 경향이 있다. (c)와 같을 때는 반대 현상이 된다.

 [그림] 바이트 높이와 날 끝 각도

 이와 같이 바이트의 높이는 원칙으로 공작물의 중심 놓이와 일치되도록 하여야 하며, 또는 그림과 같이 심압대 센터와 바이트의 날 끝  높이가 일치되게 할 수도 있다.

[ 그림 ] 심압대 센터와 바이트날 설치

 ☞ 테이퍼를 절삭하는 방법에는 다음과 같은 방식이 있다.

   ㉮ 복식공구대(compound tool post)를 경사시키는 방법
   ㉯ 심압대(tail stock)를 편위시키는 방법
   ㉰ 테이퍼 절삭 장치(taper cutting attachment)를 사용하는 방법



  ⊙ 테이퍼 가공방법 산정

◎ 복식 공구대를 경사시키는 방법

 - 선반의 센터의 선단이든가 베벨 기어의 소재 등과 같은 테이퍼가 크고 비교적 길이가 짧은 공작물의 테이퍼 절삭에 사용된다.
    이 방법은 수동 이송으로만 가공할 수 있는 단점을 가지고 있다. 복식 공구대의 경사(회전)각도(θ)는 다음과 같은 식으로 구
    할 수 있다.

 

◎ 심압대를 편위시키는 방법

- 양 센터 사이에 공작물을 설치하고 센터를 서로 엇갈리게 하여 선삭할 때 심압대를 편위시키는 방법이다.
   이 방법은 테이퍼 부분이 비교적 길 경우 사용되며 심압대의 편위량은 다음 식으로 구할 수 있다.

◎ 테이퍼 절삭 장치를 사용하는 방법

- 선반 베드의 후면에 장치하며 공구대를 조정한 각도 만큼씩 전후로 자유롭게 이동되며 공작물의 안지름, 바깥지름 테이퍼를 절삭하
  는 장치이다. 공작물의 장치는 양 센터 사이 또는 척에 장치하고 테이퍼 장치(taper attachment)를 사용하면 다음과 같은 장점이 있
  다.
 
  ① 선반의 모든 조절을 변경할 필요가 없다.
  ② 공작물의 센터가 동일 중심선상에 있으므로 센터 구멍이 손상되지 않는다.
  ③ 테이퍼 보링이 바깥지름 선삭과 같이 용이하다.
  ④ 심압대를 편위시키는 방법보다 넓은 범위의 테이퍼를 가공할 수 있다.
  ⑤ 자동이송이 되므로 능률이 좋고 가공면도 양호하다.

⊙ 나사절삭원리

나사 깍는 원리는 공작물이 1회전할 때 나사의 1피치(pitch) 만큼 바이트를 이송시키는 것으로 주축의 회전은 중간축을 거쳐 리드 스크루(read serew)에 전해지며 리드스크루 회전은 에이프런 (apron)의 하프너트(harfnut)에 의해 왕복대를 길이 방향(세로)으로 이동시키면서 나사를 절삭하게 된다. 절삭되는 나사의 피치는 변환 기어의 이수의 비에 의하여 정하여지므로 필요한 속도비를 주는 기어의 이수를 계산으로 구하고 이 값에 맞는 기어를 끼운다. 피치는 나사산 사이에 거리이며, 미터식 나사는 mm, 인치식 나사는 1인치(inch) 마다의 산수(산수/in)로 표시한다.

⊙ 변환 기어 계산법

선반에서 나사를 깍을 때 리드 스크루가 미터식과 인치식의 여부를 확인한다. 미국식 선반의 리드 스크루는 보통 4산/in, 5산/in, 6산/in 등으로 되어 있으며 영국식 선반을 대개 2산/in으로 되어 있다. 변환 기어의 조합 방법은 단식과 복식이 있으며, 기어의 맞물림에서는 치수비가 6보다 크든가 1/6보다 작아지면 동력 전력 효율이 대단히 감소한다. 따라서 선반의 변환 기어도 최소 20매 최대 120매이며 치 수비가 6보다 크거나 1/6보다 적을 경우에는 2단 걸이로 사용할 기어가 없으므로 복식(4단 걸이)으로 하여야 한다.

[그림] 2단 걸이와 4단 걸이

나사 절삭 관계를 식으로 나타내면

A:  주축의 전동기어의 이수     B:  중간축 기어의 이수     B': 중간축 기어의 이수     C:  리드 스크루의 기어 이수
L:  리드 스크루의 1인치당 산수     t:  깍으려고 하는 나사의 1인치당 산수     P:  리드 스크루의 피치      x: 깍으려는 나사의 피치

 

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자료출처:안동대학교(http://cyber.anu.ac.kr)