기계공작의 개요

[한찬희]

기계 공작법의 분류

1. 기계 공작법의 범위

① 절삭가공: 절삭 공구를 사용하여 칩(chip)을 발생시키면서 필요로하는 모양으로 가공하는 방법을 말하며, 공구에 의한 절삭과 입자에 의한 절삭이 있다.

② 비절삭가공: 소재와 제품의 형태는 변하여도 체적이 심하게 변하지 않는 가공을 좁은 의미에서 소성가공이라 부르며, 주조, 용접 등이 있다.

2. 기계 제작의 공정

① 목형 공장: 주물에 필요한 목형을 만드는 공장이다.

② 주물 공장: 주형을 만들고 쇳물을 부어 주물을 만드는 공장이다.

③ 단조 공장: 재료를 가열하여 수공 혹은 기계의 힘으로 필요한 소재 또는 제품을 만든다.

④ 열처리 공장: 기계가공된 부분품의 기계적 성질을 조절하기 위한 열처리를 한다.

⑤ 다듬질 공장: 소재를 수가공 또는 기계적으로 다듬질하는 과정이다.

⑥ 조립 공장: 완성된 부분품을 조립하여 완성하는 공장이다.

⑦ 검사 및 시험실: 부품 및 제품의 검사 및 시험을 한다.

3. 기계 제작에 이용되는 금속의 성질

① 융해성(fusibility): 금속을 고온도로 가열할 때 녹아서 액체로 되는 성질로서, 유동성으로 표시되는 점성이 중요하다.

② 전연성(malleability): 금속을 타격하여 유동하게 하든가 또는 압연하여 두께가 감소되고 연신되는 등의 성질이다.

③ 접합성(weldability): 금속의 융해성을 이용하여 금속 일부분에 열을 가하고 용액의 친화력에 의하여 두 부분을 연접하는 것을 말한다.

④ 절삭성(machinability): 절삭 공구를 사용하여 가공할 때 관계되는 성질로서 절삭 공구, 가공물, 절삭 조건 등에 따라 영향을 미친다.

< 절삭 및 연삭 가공 방식 >

4. 기계공작의 분류 

① 공구와 일감의 상대적인 운동에 따른 분류

 - 회전 운동과 직선 운동의 결합 : 선반, 밀링머신, 드릴링머신 등

 - 직선 운동과 직선 운동의 결합 : 셰이퍼, 플레이너 등

 - 회전 운동과 회전 운동의 결합 : 연삭기, 호빙머신, 기어절삭기 등

② 가공 방법에 따른 분류

 - 절삭 가공, 고정 입자에 의한 가공, 유리 입자에 의한 가공 등

5. 공작 기계

① 가공 능률에 따른 분류

 - 범용 공작 기계 : 가공할 수 있는 기능이 다양하고절삭 및 이송 속도의 범위가 크다.

 - 전용 공작 기계 : 특정한 모양이나 치수의 제품을 대량 생산하는데 적합하도록 만든 공작 기계이다.

 - 단능 공작 기계 : 한 가지의 가공만을 할 수 있는 기계를 말한다.

 - 만능 공작 기계 : 다양한 가공을 할 수 있도록 제작된 공작기계이다.

② 가공 방법에 따른 분류

 - 절삭 가공 기계, 비절삭 가공 기계, 연삭 가공 기계 등

제 2 절 공작 기계의 기본 운동과 절삭 조건

1. 공작 기계의 기본 운동

① 절삭 운동: 절삭할 때 칩의 길이 방향으로 절삭 공구가 움직이는 운동을 말한다.

② 이송 운동: 절삭 공구 또는 가공물을 절삭 방향으로 이송하는 운동이며, 절삭 단면을 알맞게 조절하기 위한 목적으로 진행되는 운동이다.

③ 위치 조정 운동: 공작물과 공구간의 절삭 조건에 따른 깊이 조정을 말한다.

2. 절삭 조건

① 절삭 속도: 가공물이 단위 시간에 공구의 인선을 통과하는 속도로 표시하며, 절삭 속도(V=m/min)는 다음 식과 같다.  

   v = πDN/1000  단 D: 가공물의 지름(mm), N: 회전수(rpm), V: 절삭속도(m/min)이다.

② 이송 속도: 이송 운동의 속도를 말하며 선반의 경우 1회전 마다의 이송으로 표시한다.

③ 절삭 깊이: 공구의 절삭 깊이를 말하며 보통 mm로 표시한다.

3. 절삭 저항

① 절삭 저항의 3분력: 절삭 운동 방향의 분력인 주분력, 이송 방향에 평행한 분력인 이송분력, 절삭 깊이 방향의 분력인 배분력이 있다.

② 절삭 저항을 변화시키는 요소: 가공물의 재질, 공구 날끝의 모양, 절삭 면적, 절삭 속도 등이 절삭 저항에 영향을 미친다.

③ 절삭 저항의 크기 순서는 주분력 > 배분력 > 이송분력의 순으로 나타난다.

4. 칩의 발생

(1) 칩의 형성

① 유동형 칩: 가장 양호한 칩의 형태로, 공작물의 재질이 연하고 인성이 많을 때, 윗면 경사각이 클 때, 절삭 깊이가 적을 때, 고속 절삭할 때 등의 경우에 발생한다.

② 전단형 칩: 재질이 연한 재료를 작은 윗면 경사각으로 저속할 때 발생하며, 가공면 거칠기는 유동형보다 못하다.

③ 열단형 칩: 공작물의 재질이 공구에 점착하기 쉬운 때, 윗면 경사각이 작을 때, 절삭 깊이가 클 때 등에 칩이 흘러나가지 못하고 압축되어 균열과 전단으로 칩이 분리되는 모양이다.

④ 균열형 칩: 주철과 같은 메진 재료를 저속으로 절삭할 때 순간적으로 균열이 발생하는 칩의 형태이다.

(2) 절삭 조건에 따른 칩의 형태

가공물은 연강으로 절삭 속도를 일정하게 하였을 때 절삭 깊이를 작게 하고 경사각을 크게 하면 유동형 칩이 형성된다.

5. 구성인선(built-up edge)  

① 구성인선의 발생: 연한 재료의 절삭에서 국부적인 고온, 고압에 의하여 절삭날 부근에 공작물의 미소한 입자가 압착 또는 용착되어 나타난다.
   그 주기는 발생→성장→최대→분열→탈락으로 이루어진다.

② 구성인선의 방지

 - 절삭 깊이를 작게 할 것.

 - 경사각을 크게 하고 절삭 속도를 되도록 크게 할 것.

 - 윤활성이 있는 절삭제를 사용하고 이송을 크게 할 것.

 - 공구의 경사면을 매끄럽게 할 것.

 <구성인선의 발생주기>

6. 칩 브레이커(chip breaker)

- 연속칩이 생겨 작업의 방해 및 가공물의 표면 손상 등을 방지하기 위하여 칩이 짧게 끊어지도록 바이트에 칩브레이커를 만드는 것이다.

- 초경 바이트의 경우 바이트의 일부를 손실하거나 연삭의 시간과 숫돌의 소모가 있으며, 이송 범위가 한정되는 결점이 있기 때문에 일반적으로 클램프형 바이트가 널리 사용된다.

7. 공구의 수명

(1) 공구의 수명

① 공구의 수명은 마멸이 가장 중요한 원인이며 열도 그 원인이다.

② 절삭날이 마멸되면  절삭성이  저하될 뿐만 아니라 가공 치수의 정밀도가  떨어지고, 표면 거칠기가 나빠지며, 소요 절삭 동력이 증가하게 된다.

(2) 공구 인선의 파손

① 크레이터링(cratering): 절삭 공구의 경사면상을  슬라이드할 때 마찰력에 의하여 공구상면에 오목파진 부분이 생기게 되는 것이다.

② 플랭크 마모(flank wear): 플랭크(공구 측면)와 절삭면과의 마찰에 의해서 일어나며, 가공면은 공구 측면의 마멸로 인하여 거칠어 진다.

③ 치핑(chipping): 공구 인선의 일부가 파괴되어 탈락되는 것으로, 밀링이나 평삭 등에서 절삭날이 충격을 받는 경우에 일어난다.

(3) 공구의 수명식과 판정

① 공구의 수명식: 공구의 수명과 절삭속도의 관계는 다음과 같이 표시할 수 있다.  

   VTn=C  단 V: 절삭속도, T: 공구수명, n: 상수, C: 공구 수명이 1min일 때의 절삭속도

② 공구의 수명 판정

- 가공 표면에 광택이 있는 색조(무늬) 또는 반점이 생길 때

- 공구인선의 마모가 일정량에 달하였을 때

- 주분력은 변하지 않더라도 배분력 또는 이송분력이 급격히 증가하였을 때

(4) 공구의 수명에 영향을 주는 바이트 각도

① 공구의 수명과 경사각: 고속도강과 같이 열에 민감한 절삭 공구에는 경사각의 증가와 더불어 절삭온도는 감소하므로 경사각은 공구 수명에 크게 영향을 미친다.

② 공구 수명과 여유각: 공작물의 재질 경도에 대하여는 경도가 큰 금속은 여유각을 작게 하고 연한 금속은 크게 한다.

(5) 절삭 조건과 공구 수명과의 관계

- 절삭 속도가 50% 증가하면 공구 수명은 90%가 감소된다.

- 이송 속도가 50% 증가하면 공구 수명은 60%가 감소된다.

- 절삭 깊이를 50% 증가하면 공구 수명은 15%가 감소된다.

- 공구 수명에서 경제적인 절삭을 위해서는 가능한 절삭 깊이를 크게 한다.

8. 절삭 온도와 절삭제

(1) 절삭 온도(cutting temperature)

- 일반적으로 가공물의 경도가 높을수록 절삭 온도는 높아지며, 절삭 온도가 높아지면 공구의 날끝 온도가 올라가 공구의 마모가 빨라지게 된다.

- 공구 재료가 발전함에 따라 절삭 속도는 비약적으로 높아지고 있다.

(2) 절삭속도와 절삭공구의 온도

- 절삭속도의 한계는 공구의 온도가 절삭속도의 증가와 함께 상승하는 범위 내에서 있을 수 있다.

- 절삭온도가 어떤 범위를 넘으면 공구의 온도는 오히려 저하되는 현상이 일어난다.

(3) 절삭제

① 절삭제의 사용 목적

- 공구 인선을 냉각시켜 공구 온도 상승에 따르는 경도 저하를 막는다.

- 가공물을 냉각시키고 가공온도 상승에 의한 가공 정밀도가 저하되는 것을 방지한다.

- 공구의 마모를 적게 하며 윤활 및 방청 작용을 하여 가공 표면을 양호하게 한다.

- 칩의 제거 작용을 하여 절삭 작업을 용이하게 한다.

② 절삭제의 종류

- 수용성 절삭유: 원액에 물을 타서 사용하는 것으로 냉각성이 크다.

- 유화유: 광유에 비눗물을 첨가하여 유화한 것으로 냉각 작용도 비교적 양호하고 값도 싸다.

- 광유: 윤활 작용은 다소 좋으나 냉각 작용은 비교적 약하므로 경절삭에 주로 사용된다.

- 동식물유: 윤활 작용은 강력하나 냉각 작용은 좋은편이 아니며, 완성가공, 저속절삭, 나사절삭, 기타 마모를 방지할 필요가 있을 때 사용된다.

- 석유: 고속 절삭에 쓰이며 니켈, 스테인레스강, 단조강 등을 절삭하는데 사용된다.

- 첨가제: 칩과 공구 사이의 마찰은 지극히 고압 및 고온 상태의 마찰이므로 각종 첨가제를 사용하여 우수한 윤활 효과를 얻을 수 있도록 한다.

(4) 윤활제

- 윤활제의 목적은 마찰부의 발열, 마찰 및 마모 상태가 공작기계의 사용상 지장이 없도록 감소시키는 데 있다.

- 핸드 오일링: 급유가 불완전하고 윤활유의 소모가 많으며 간단한 전동 장치에 사용된다.

- 적하 급유법: 저속 및 중속 축의 급유에 주로 사용된다.

- 오일링 급유법: 고속 주축의 급유를 균등히 할 목적에 주로 사용된다.

- 분무 급유법: 분무 상태의 기름을 함유하고 있는 압축 공기를 공급하여 윤활하는 방법이다.

9. 절삭 공구 재료

(1) 공구 재료의 구비 조건

- 가공 재료보다 경도가 클 것.

- 고온에서도 경도가 감소되지 않아야 한다.

- 인장강도와 내마모성이 클 것.

- 쉽게 원하는 모양으로 만들 수 있을 것.

- 사용상 취급이 편리하고 가격이 싸며 경제적이어야 한다.

(2) 공구 재료의 종류

- 탄소 공구강: 탄소 함유량 0.9-1.3%의 탄소강을 담금질하여 뜨임 열처리를 하면 높은 경도와 강도 그리고 강성을 가지게 되므로 절삭 공구로 사용되고 있다.

- 합금 공구강: 탄소공구강 보다는 절삭성이 양호하고 내마멸성과 고온 경도가 높아 저속 절삭용 및 총형 공구용으로 주로 사용되고 있다.

- 고속도강: 고속도강은 내열성과 내마모성이 커서 고속절삭이 가능하며 온도가 600℃까지는 열을 주어도 연화하지 않는 특징이 있다. 대표적인 것으로 텅스텐 18%, 크롬 4%, 바나듐 1%인 18-4-1형이 있다.

- 소결 초경합금: 탄화 텅스텐, 탄화 티타늄 등의 분말에 코발트 분말을 결합제로 하여 혼합한 다음 가압 성형한 것을 소결한 후에 수소 기류 중에서 소결시키는 분말야금법으로 만들어진다.

- 주조 경질합금: 대표적인 것으로 스텔라이트가  있으며, 단조 및 열처리가 되지 않는 특징이 있고,  고온 경도와 내마모성이 크므로 고속 절삭공구로서 특수 용도에 사용된다.

- 세라믹 합금: 산화 알루미늄이 주원료로 소결합금이며 고온에서 경도가 높고 내마멸성이 좋으나, 인성이 적고 취성이 있어 충격 및 진동에 약하다.

제 3 절 공작 기계의 구성

1. 구성 요소

(1) 공작 기계의 몸체

① 기계 전체를 형성하는 골격으로서, 공작 기계에 따라 컬럼, 테이블 등으로 불리는 구조물이다.

② 각 부품의 무게, 절삭력 등을 지지할 수 있는 강성과 진동을 흡수할 수 잇는 구조로 되어 있다.

③ 몸체의 주 재료는 주철로 만들어진다.

④ 몸체의 벽 내부는 보강을 위하여 리브를 붙여 강성을 높이고 있다.

 <공작 기계의 몸체(구조물)의 보기(선반 베드)>

(2) 안내면

 

<공작기계 안내면 종류>

① 공작 기계의 각 운동 부분에는 운동을 원할히 할 수 있는 안내면(guide plate)이 있으며, 안내면은 주로 직선 운동과 회전 운동을 할 수 있도록 되어 있다.

② 안내면의 단면은 위의 그림과 같이 각을 이루는 산형, 평탄형, 더브테일(dovetail)형, 원형 등이 있다.

③ 안내면은 내마멸성을 높이기 위하여 표면경화를 하고 있으며, 주로 화염 경화법이나 고주파 경화법이 주로 사용되고 있다.

(3) 주축과 베어링

① 주축은 공작 기계의 절삭력을 전달하는 가장 중요한 부분으로서, 자중, 절삭 저항, 회전력 등의 영향을 받는다.

② 일감의 정밀도를 높이기 위해서는 주축의 설계, 베어링의 위치와 구조, 주축과 베어링의 끼워맞춤, 진동 등에 유의하여야 한다.

③ 축의 반지름 방향으로 힘을 받는 곳에는 볼 베어링,  원통 롤러 베어링 등이 사용되며,  축과 반지름 방향으로  동시에 힘을 받는 곳에는 테이퍼롤러 베어링과 앵귤러 볼 베어링 등이 사용된다.

④ 아래 그림은 주 베어링으로 테이퍼 롤러 베어링을 사용한 선반의 주축을 나타낸 것이다.

 <선반의 주축>

2. 구동 장치

(1) 주축의 속도열

① 공작 기계는 일감과 공구의 재질, 그리고 가공 조건에 따라 가장 적합한 절삭 속도로 조정할 수 있어야 하며, 변속은 연속적으로 할 수 있는 것이 바람직하다.

② 공작 기계의 속도열은 주로 등비 급수 속도열을 쓰고 있으며, 아래 그림은 등비 급수 속도열 선도이다.
 

 <등비 급수 속도열 선도>

(2) 계단식 구동 장치

① 한정된 계단으로 배열되어 규정의 속도비로 구동되는 장치를 계단식 구동 장치라 한다.

② 전동기의 회전 속도가 일정할 때에는 규정된 속도열에서 최고에서 최저까지 변속이 된다.

③ 계단식 구동 장치에는 단차식과 기어식이 있으며, 기어식 구동 장치는 단차식보다 큰 회전력을 확실하게 전달할 수 있다.

          <원판과 롤러에 의한 구동 장치>  

 

                                           <전기적 구동 장치(워드-레너드 방식)>    

- 기계적 무단 구동 장치 : 마찰차, 벨트, 체인 등을 사용하여 기계적으로 변속하는 장치이다.

- 전기적 무단 구동 장치 : 전동기의 회전수를 변화시키는 데에는 직류 발전기의 전압을 변화하는 방법과, 교류 발전기의 주파수를 변화시키는 방법이 있다.

- 유체 무단 구동 장치 : 유압을 이용한 구동 장치는 속도의 조절이 용이하고 확실하며, 운전이 원할하고 진동이 적다.

 

[(주) 포졸]

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