[일반기계기사] 기계제작법 (후반부)

5장. 절삭이론

전단변형 -> 칩의 형성

***유동형칩: 연성재료 (연강, 구리, 알루미늄) ***고속절삭시, 윗면경사각이 클 때, 절삭깊이가 작을 때, 유동성 있는 절삭유 -> 연속적인 칩, 가장 이상적인 칩

*칩브레이커: 유동형 칩과 같은 연속적인 칩을 짧게 끊어주는 안전장치

***구성인선 (built up edge): 연성재료를 절삭 시 칩이 고온, 고압으로 공구인선에 응착 -> ***방지법: 이상적인 칩 (고속절삭, 윗면 경사각 크게, 절삭깊이 작게, 유동성 있는 절삭유)

절삭저항의 3분력: 주분력 ($F_c$) tangential > 배분력 ($F_t$) normal > 횡분력 (이송분력) ($F_s$) axial

*절삭역학: 절삭속도 $V=\frac{\pi dn}{1000} (m/min), \: d: 공작물의 지름 (mm), n: 주축의 회전수 (rpm)$

절삭동력 $L=\frac{FV}{60\eta} (kW), \: F: 주분력 (kN), V: 절삭속도 (m/min) or L=\frac{FV}{75\cdot 60\eta} (PS)=\frac{FV}{102\cdot 60\eta} (kW), \: F: 주분력 (kg_f), V: 절삭속도 (m/min)$

 절삭온도의 측정법: 칩의 색깔, 열량계, 열전대 (thermocouple), 복사고온계, 공구와 공작물간 열전대접촉, 시온도료, Pbs 광전지 크레이터마모: 공구와 칩의 접촉, 공구의 표면층 일부가 움푹하게 파여 절삭도중 떨어져 나감플랭크마모: 공구와 새롭게 절삭된 공작물표면의 접촉으로 여유면이 절삭면에 평행하게 마멸치빙 (결손): 절삭날의 강도가 절삭저항에 견디지 못하고 날끝이 탈락 

***공구수명 (테일러 식): $VT^n=C, V: 절삭속도 (m/min), T: 공구수명 (min) <-절삭속도, n: 공구와 공작물에 의한 지수, C: 공구수명상수$ (절삭속도, 절삭온도, 경사각 모두 영향이 있음)

***절삭유의 역할: 공작물의 냉각, 표면조도 향상, 마찰감소, 수명 연장, 칩 처리, 고속절삭 시 낮은 점도로 소음방지, 저속절삭 시 높은 정도 사용

절삭공구의 종류: 탄소공구강 -> 고속도강 -> 초경합금 -> CBN

탄소공구강 (STC): 줄, 쇠톱날, 정, 펀치

합금공구강 (STS): 탄소공구강 + 한가지 이상의 원소 첨가 

고속도강 (SKH or HSS): 표준형 0.8% C+W(18%)-Cr(4%)-V(1%) 18-4-1 -> 예열 (800~900도 풀림) -> 담금질 (1260~1300도 1차 경화) -> 뜨임 (550~580 2차 경화)

초경합금: 금속탄화물 (WC, TiC, TaC) 분말에 Co나 Ni 분말을 결합하여 가압 성형 후 소결

주조경질합금 (스텔라이트): W-Co-Cr-C-Fe

서멧: $Al_2O_3 분말 70% + TiC or TiN 분말 30%

 

6장. 선반가공

선반가공: 주축 고정 공작물 회전운동 + 공구대 설치 바이트 직선운동 

*선반의 크기 표시법: 베드위의 스윙 (d1), 왕복대위의 스윙 (d2), 주축대의 회전센터와 심압대의 심압축 사이의 최대거리 (l1), 베드의 길이 (l2) 

선반의 구조: 주축대, 심압대, 왕복대, 베드, ***척 (단동척: Jaw 4개, 개별, 불규칙 / 연동척: Jaw 3개, 동시, 규칙), 면판, 방진구, 센터, 맨드릴 (심봉)

윗면경사각: 칩의 흐름을 좋게, 클수록 절삭성 좋음, 표면이 깨끗, 공작물 경도가 높을수록 작게하며 음의 값을 갖도록 함

앞면경사각: 공작물과 마찰을 피하기 위한 각, 클수록 날이 약해짐

절삭속도 $V=\frac{\pi dN}{1000} (m/min)$,

***절삭시간 $T=\frac{l}{NS} (min)$, $l: 가공길이 (mm), N: 주축의 회전수 (rpm), S=f: 이송 (mm/rev)$,

절삭동력 $H=\frac{PV}{60} (kW)$, 절삭면적 $A=S\cdot t (mm^2), S: 이송 (mm/rev), t: 절삭깊이 (mm)$,

절삭율 $MRR=V\cdot S\cdot t (mm^3/min)$

 

7장. 밀링머신

밀링머신의 부속품: 아버 (밀링커터 고정), 밀링바이스, 원형테이블, 분할대 

- ***상향절삭 (올려깎기): 밀링커터의 회전방향과 공작물의 이송방향 반대

장점: 기계 무리 X -> 날 부러질 염려 X, 칩이 날을 방해 X, 절삭열에 의한 치수정밀도 변화 작음, 백래시 제거 장치 필요 X

 단점: 공작물 고정 불안정으로 떨림 -> 동력손실 많음, 커터 마멸이 심하여 수명 짧음, 가공면 거침

- ***하향절삭 (내려깎기): 밀링커터의 회전방향과 공작물의 이송방향 동일

장점: 커터 마멸 작음, 수명 김, 공작물의 고정이 안정, 동력손실 적음, 가공면 깨끗, 가공할 면이 잘보여서 시야가 좋음

단점: 기계에 무리, 날이 부러짐, 칩이 절삭을 방해, 절삭열에 의한 치수정밀도 변화 큼, 백래시 발생

1분간 테이블의 이동량 (테이블 이송속도) $f=f_znZ (mm/min), \: f_z: 밀링커터의 날 1개 마다의 이송 (mm), Z: 커터의 날수$

(각도분할법) 분할 크랭크 회전수 $n=\frac{D^{\circ}}{9}, \: D: 분할하고자 하는 각도$

(단식분할법) 크랭크축 1회전시 주축은 1/40 회전 -> 분할크랭크의 회전수 $n=\frac{40}{N}$

ex)  이 수가 28개 No2 21구멍 분할 크랭크의 회전수와 구멍수는? 40/28=1 3/7=1 9/21 (1회전 9구멍)

칩의 평균 두께 $t_m=f_z\sqrt{\frac{t}{d}}$

기어절삭가공:

***창성법 - 호빙머신에서 절삭공구와 일감을 상대운동 시켜 치형을 절삭하여 인벌류트치형곡선을 널리 사용 (랙커터를 사용 / 피니언 커터를 사용 / 호브를 사용하여 스피기어, 헬리컬기어 깎을 수 있음)

 

8장. 드릴링머신과 보링머신

드릴링: 구멍 뚫기 / 리밍: 구멍 다듬기 / 태핑: 탭 이용 -> 암나사 가공 / 보링: 구멍 넓히기 / 스폿페이싱: 볼트 너트 고정 시 안정되도록 자리 만들기 / 카운터보링: 나사, 둥근 머리 볼트 머리부 묻히게 구멍 뚫기 / 카운터싱킹: 접시머리나사 머리부 묻히게 원뿔자리 만들기

드릴 각부 명칭: 웨브 (홈과 홈사이의 두께), 마진 (홈을 따라 나타나 있는 좁은면), 시닝 (웨브의 두께를 적게 하여 절삭력 향상), 탱 (드릴의 회전력 전달을 위한 생크부의 납작한 부분)

***지그보링머신: 테이블의 상대위치에 대한 정밀한 구멍가공, 정밀측정장치로 온도에 영향을 받지 않도록 항온항습실에 설치

 

9장. 연삭가공

연삭 = 공구 대신 숫돌바퀴 회전으로 극소량씩 깎아냄
원통연삭기, 내면연삭기, 평면연삭기, ***센터리스연삭기, 공구연삭기, 특수연삭기

센터리스 연삭기: 장점 (센터구멍 뚫을 필요 X, 연속작업 대량생산, 연삭여유 작아도 됨, 숫돌 마멸 적고 수명 김, 작업자의 숙련도 필요없음, 외경과 내경 연삭 모두 가능) / 단점 (긴 홈이 있는 일감은 연삭 불가능, 대형중량물 불가능)

***연삭숫돌: WA (숫돌입자) 60 (입도) K (결합도) m (조직) V (결합체)

*숫돌입자

Al2O3계: A (갈색), WA (백색) - 합금강, 고속도강

SiC계: C (암자색), GC (녹색) - 초경합금

*결합도

구    분	결합도가 높은 숫돌	결합도가 낮은 숫돌
재   료	연한 재료	단단한 재료
속   도	느릴 때	빠를 때
깊   이	얕을 때	깊을 때
면   적	작을 때	클 때
거칠기	표면이 거칠 때	표면이 치밀할 때

*결합체 종류
비트리파이드 V – 점토, 열에 강하고 연삭액에 안전. 다공질성. 충격에 약함 / 실리케이트 S – 대형. 발열 피할 수 있음 / 고무 R / 레지노이드 B – 합성수지 (절단, 정밀연삭) / 셸락 E / 비닐 PVA / 메탈 M

*연삭작업 중 떨림의 원인 = 숫돌 불균형. 숫돌 진원 X. 편심! 센터 및 방진구 부적당. 숫돌 측면 무리한 압력 (결합도와 관계 없음)

*연삭크랙(연삭균열) = 표면 연삭내부응력 > 재료강도 -> 표면에 균열, 응력 완화, (방지책) 연삭액 사용, 충분히 냉각, 결합도 연한 숫돌, 연삭 깊이 ↓ 

10장. 셰이퍼, 슬로터, 플레이너 (생략)

11장. NC 공작기계와 자동화

서보기구의 종류

- 개방회로방식: 펄스전동기 이용.  검출기나 피드백회로 없음 (구조간단). 펄스전동기 회전정밀도와 볼나사 정밀도에 직접적 영향 O -> 볼 스크류 (백래쉬 오차 줄임)

- 반폐쇄회로 방식: 로터리엔코더에서 위치 정보 피드백하고 타코/펄스제너레이터에서 전류를 피드백하여 속도 검출 -> 회전각도 검출, 고정밀도의 볼나사 생산 ㄸ는 백래쉬 보정 및 피치오차 보정 가능 -> 대부분 CNC공작기계에서 사용

- 폐쇄회로 방식: 속도를 제어하고 위치정보를 피드백, 기계의 테이블 등에 스케일 부착 -> 대형기계의 정밀도 해결로 사용.

- 하이브리드 서보방식 : 반페쇄회로(높은 게인)+폐쇄회로(오차 보정) -> 높은 정밀도 요구, 공작기계 중량 大 경우 사용

주소의 의미: 프로그램 번호 (O), 전개번호 (N), 준비기능 (G), 이송기능 (F), 주축기능 (S), 공구기능 (T), 보조기능 (M)

 

12장. 정밀입자가공 및 특수가공 

정밀입자가공

[1] 호닝 : 연삭숫돌 이용한 정밀가공 (구멍 내 회전 및 직선왕복운동 동시 내면 정밀 다듬)

[2] 액체호닝 : 연마제+가공액 혼합 후 압축공기를 노즐로 고속 분사 -> 고운 다듬질면 

[3] ***슈퍼피니싱 : 입도가 적고 연한 숫돌을 작은 압력으로 표면 가압 -> 가공물 이송과 연한 숫돌 좌우로 진동   

[4] 래핑 : 공작물&랩 공구 사이에 윤활유 넣고 공작물을 누르면서 상대운동 -> 매끈한 다듬질면 (표면 정밀도 가장 우수)

특수가공

[1] ***방전가공 (EDM) = 공작물 양극/ 공구 음극, 공구에 열전대 삽입 ->전극&공작물 사이 전압 -> 아크 방전. 
 전극&공작물 간 절삭력X -> 버(burr)X. 복잡한 형상 가능. 전기전도성 우수 재료 가공 가능 -> 표면거칠기↓+소재제거율↑. 재료의 강도, 경도, 인성이 가공에 영향을 주지 않음 / 무인가공이 가능
*방전회로 1. RC회로(가장 기본) 2. TR회로(일반 방전가공기) 3. TR부착 RC회로(요즘多)
*전극재질 : 구리, 청동, 황동, 텅스텐, 흑연 등 (알루미늄 X)
전극재료 조건: 내열성. 방전시 가공전극 소모↓. 전기전도도와 열전도도↑. 융점高. 공작물보다 경도 小. 가공속도↑. 가공정밀도↑

[2] 와이어컷방전가공

[3] ***초음파가공: 전기에너지를 기계적 진동에너지로 변화, 양도체와 부도체 여부에 관계없이 가공 가능 / 용도 : 초경합금, 보석류, 유리 등 비금속 또는 귀금속 (세라믹) 구멍뚫기. 절단. 평면가공. 표면다듬질

[4] 레이저 가공
 렌즈나 반사경 통해 집적 – 공작물에 직접 빛 쐬어 순간적 국부 가열, 용해, 증발. 
 초경합금. 스테인리스강 가공 가능,  유리, 플라스틱 판 절단 가능.

[5] 전해가공

[6] ***전해연마
공작물을 양극(+)에 놓고 전기저항이 적은 Cu,Zn를 음극(-) -> 전해액 속 매달고 통전 -> 금속표면의 미소돌기를 용해하여 매끈하고 광택 O -> 가공변질층 X. 가공면에 방향성 X, 탄소량이 적을수록 좋음, 연마량 적음 (깊은 홈 제거 X), 광택면 쉽게 가공

[7] 전해연삭

[8] 숏피닝: 금속 작은 구를 고속으로 가공면에 분사 -> 피로강도, 표면경화, 기계적성질 향상. 일종 냉간가공법.

[9] 화학연마
[10] 화학가공: 재료의 경도나 강도에 관계없이 가공 가능하며 변형이나 거스러미 등이 나타나지 않으며 가공경화나 표면의 변질층이 생기지 않음 

[11] 배럴가공: 회전하는 상자 = 공작물 + 미디아, 공작액, 콤파운드를 회전 or 진동하여 연삭입자와 충돌해 공작물 표면 요철 없애고 매끈한 가공면 얻음

[12] ***버니싱: 이미 가공되어 있는 구멍의 내면에 내경보다 약간 지름이 큰 버니싱 공구(ball) 압입. 내면에 소성변형 -> 매끈하고 정밀도 높은 면 얻음.

[13] 버핑: 녹제거. 광택내기 (정밀입자)

**극압윤활유: 기계 마찰면에 큰 압력 걸려 미끄럼 마찰로 발열 커지고 유막 파괴 쉬운 윤활상태 방지를 위해 극압첨가제 첨가한 윤활유 (염소, 황, 인)

*연삭입자 사용하는 가공법: 연삭, 호닝, 래핑, 수퍼피니싱, 초음파가공