제 1 장 기계 공작 일반

1.공작 기계의 분류

(1)   범용 공작 기계(General Purpose Machine Tool)

일반적으로 널리 사용되고 있는 공작기계로 드릴링 머신, 선반, 밀링머신, 세이퍼, 플레이너, 슬로터 등이 있다. 이러한 기계들은 일감의 크기, 재질 등에 따라 여러가지의 가공을 할 수 있으며 가공할 수 있는 공정의 종류도 많고, 절삭 및 이송속도의 범위도 크다.

(2)   전용 공작 기계(Special Purpose Machine Tool)
같은 종류의 제품을 대량생산하기 위한 공작 기계로서, 절삭속도와 이송속도가 일정하게 제한되어 있다. 또, 기계의 크기도 일감에 따라 알맞게 하고, 구조가 간단하며 조작하기 쉽도록 되어 있다.

(3)   단능 공작 기계(Single Purpose Machine Tool)
한 공정의 가공만을 할 수 있는 구조로, 같은 종류를 대량 생산하는데 적합하지만, 다른 종류의 것을 가공하는데에는 융통성이 없다.

(4)  만능 공작 기계(Universal Purpose Machine Tool)
선반, 드릴링머신, 밀링머신 등의 기능을 조합하여 한 대의 기계로 제작한 것이다. 이와 같은 기계는 대량 생산 체제에는 적합하지 않으나, 소규모의 공장이나 보수를 목적으로 하는 공작실, 금형 공장 등에서 사용된다. 최근에는 생산성과 정밀도를 높이기 위하여 수치 제어 공작 기계와 로봇 등이 사용되고 있다.

2. 공작 기계의 구비 조건

① 절식 가공 능력이 좋을 것.
② 조작이 용이하고 안정성이 좋을 것
③ 제품의 치수 정밀도가 좋을 것
④ 동력 손실이 적을 것
⑤ 기계의 강성이 높을 것

3. 공작 기계의 기본 운동

(1)   절삭 운동
절삭공구와 일감이 접촉하여 칩을 내기 위한 운동으로 회전운동 또는 직선운동이 있다. 공구선반은 보통선반과 같으나 정밀한 형식으로 되어 있으며 테이퍼 깍기 장치, 릴리이밍 장치가 부속되어 있고, 공구선반은 고정밀도의 가공을 목적으로 각종 공구 종류나 테이퍼 게이지, 나사게이지등을 만들기 위한 선반이다.

※ 절삭운동에 의한 분류

① 공구는 공정하고 가공물에 절삭운동을 주는 기계: 선반, 플레이너
② 가공물을 고정하고 공구에 절삭운동을 주는 기계: 밀링, 드릴링 머신, 브로우칭 머신
③  가공물과 공구를 동시에 절삭운동을 주는 기계: 연삭기, 호빙 머신, 래핑 머신 

(2)   이송 운동
절삭위치를 바꾸는 운동으로 절삭공구나 일감을 이동시킨다.

(3)   조정 운동
공구의 고정, 일가의 설치, 제거, 절삭 깊이를 조정하는 것으로 절삭 작업 중에는 하지 않는다.

4. 절삭 가공

기계를 제작할 때 주조품이나 단조품을 이를 필요한 치수와 모양으로 가공하기 위해 절삭공구를 사용하여 칩(chip)을 내면서 깍는 가공을 절삭가공이라 한다.

(1) 칩(chip)의 종류와 형태
칩이 발생하는 모양은 절삭공구의 모양, 일가므이 재질, 절삭속도와 깊이, 절삭유의 사용유무 등에 따라 달라지며 그 형태와 발생 원인은 다음과 같다.

① 유동형 칩
공구가 진행함에 따라 일감이 미세한 간격으로 계속적으로 미끄럼 변형을 하여 칩이 생기며 연속적으로 공구 윗면을 흘러 나가는 모양의 칩이며 다음과 같은 경우에 발생한다.

A. 가공재료가 연상하고 인성이 클 때
B. 윗면 경사각이 클 때
C. 절삭깊이가 작을 때
D. 절삭속도가 클 때

유동형 칩이 생기면 다듬면이 깨끗하며 절삭저항이 적다.

② 전단형 칩
유동형 칩이 생기는 것과 같은 재료를 작은 윗면 경사각으로 깎을 때 생기며, 일정간격으로 전단되어 나오는 형태의 칩이다. 가공면은 그다지 좋지 못하다.

③ 열단형 칩
칩이 경사면에 점착하여 흘러나가지 못하고 공구의 전진에 따라 압축되어 균열이 일어나면서 절삭되는 형태로 다듬면이 거칠어 좋지 않다. 열단형 칩이 생기는 경우는 다음과 같다.

A. 일감이 점성이 있고 점착하기 쉬울 때
B. 공구 윗면 경사각이 작을 때
C. 절삭 깊이가 클 때 생기면 발갈이형 이라고도 한다.

④ 균일형 칩
주철과 같은 메진 재료를 저속으로 절삭할 때 순간적으로 균열이 발생하며 공작물에서 분리되는 형태로 다듬면은 거칠며 좋지 않다.

(2) 구성인선(Built-up Edge)
절삭영영에서 국부적인 고온, 고압에 의하여 공구의 절삭날 부분에 일감의 미소한 입자가 공구와의 친화력에 의해 조금씩 응착하여 대단히 단단해지고 이것이 실제 절삭나르이 역할을 하면서 절삭하게 되는데 이를 구성인선이라 하며 발생, 성장, 분열, 탈락을 1/10~1/200초 간격으로 반복한다.

※ 방지법

① 절삭깊이를 작게 할 것
② 경사각을 크게 할 것
③ 절삭속도를 크게 할 것
④ 윤활성 있는 절삭유를 사용할 것

5. 공작기계의 속도변환 방식

(1) 벨트전동
벨트플리에 벨트를 걸어 축을 돌리는 방법으로 축의 진동이 적고 원활한 전동이 된다.

(2) 기어전동(현재 가장 널리 사용)
기어에 의해 공작기계의 속도를 변환한 것으로 클러치 전동, 미끄럼 기어전동, 다축전동 등이 있다.

(3) 전기식 속도변환
1대의 직류전동기와 2대의 직류 발전기를 사용하여 전동기의 전압을 바꾸어 회전수를 변동시킨다.(최근의 수치제어 공작기계에 사용)

(4)  유체에 의한 속도변화
연삭기, 밀링머신에 쓰인다.

 6. 절삭공구 재료

(1) 공규재료 구비조건
① 피절삭보다 굳고 인성이 있을 것
② 내마멸성이 높을 것
③ 값이 쌀 것
④ 절삭각공 중 온도상승에 따른 경도저하가 적을 것
⑤ 쉽게 원하는 모양으로 만들 수 있을 것

(2) 공구재료

① 탄소공구강(STC)
탄소 0.6~1.5%함유한 것으로 줄이나 핀치, 점 등에 쓰인다.

② 합금공구강(STS)
탄소강에 W,Cr,V,Mo등이 우너소를 첨가하여 담금질 효과 및 고온경도 등을 개선한 것으로 바이트, 다이스, 탭, 띠톱 등에 쓰인다.

③ 고속도강(SKH, 일명 HSS라 불름)
W(18)-Cr(4)-V(1)이 대표적으로 쓰이며 600°C 부근에서 경도저하가 생기며 바이트나 밀링 커터, 드릴 등에 쓰인다.

④ 주조 경질합금(스텔라이트)
Co-Cr-W-C를 주성분으로 열처리가 필요하다.

⑤ 초경함금(소결합금)
금속탄수화물(WC,TiC,TaC)을 프레스로 성형 소결시킨 합금으로 최근 고속절삭에 널리 쓰인다.(고속도강의 4배의 절삭속도)

⑥ 세라믹(주성분Al₂₀₃)
무기질의 비금속 재료를 고온에서 성형한 것으로 다음과 같은 특징이 있다.
A. 경도는 1200°C까지 거의 변화가 없다.
B. 철과 친화력이 없이 구성인선이 생기지 않는다.
C. 내마모성은 높으나 내열 충격에 약하다.

⑦ 다이아몬드 공구
주로 비철금속의 정밀선삭에 사용경도가 가장 높고, 내마멸성도 크며 또 절삭속도가 가장 크고 능률적이다.

7. 절삭유

(1) 절삭유의 작용
① 냉각작용 : 공구와 공작물의 온도 상승방지
② 세척작용 : 칩을 씻어버리는 작용
③ 윤활작용 : 공구윗면과 칩 사이의 마찰감소

(2) 절삭유의 구비조건
① 칩과 분리가 용이하며 회수가 쉬어야 한다.
② 화확적으로 안정되어야 한다.
③ 각작용이 우수해야 한다.
④ 인화점, 발화점이 높아야 한다.
⑤ 가격이 저렴하고 구하기 쉬울 것