기본적인 가공방법

공작기계에서 절삭 또는 연삭 가공을 하기 위해서는 바이트와 공작물이 서로 접촉하는 상태에서 얼마간의 상대적인 운동을 시키지 않으면 안된다. 그 운동 중 기본적인 것에는 ①주(主) 운동(절삭 . 연삭) ②이송 운동 ③위치결정운동의 세가지가 있다. 여기서는 기본적인 가공방법에 대하여 개략적으로 설명하겠지만, 최근에는 자동화와 생산효율을 추구하는 과정에서, 머시닝 센터와 터닝센터 등의 복합가공기가 발전 하고 있는 추세이다. 이로 인해 실제의 가공현장에서는 개개의 전용가공기와 복합가공기의 병용이나, 복합가공기가 대부분의 가공을 수행하는 경우가 많아지고 있다.

선삭가공

선삭가공은 바이트(선삭용 공구)에 의한 가공 중 [그림]처럼 회전절삭운동과 직선이송운동이 조합된 것으로 직선 이송운동이 회전중심과 평행한 경우에는 [그림]의 (a)와 같이 원통형 형상을 깎을 수 있다. 또한 이송운동의 방향을 기울이면 (b)처럼 끝이 가늘어지는 테이퍼(TAPER)를 깎을 수 있다. 주로 이러한 종류의 운동을 하는 것이 선반이다. 이송운동 방향이 회전 중심에 대해 직각인 경우에는 (c)와 같이 공작물의 측면을 깎을 수 있다. 이 방법을 단면절삭, 또는 정면절삭이라 하고, 정면선반 이나 수직선반이 이용된다. 같은 원리로 (d)와 같이 원통형의 내면을 깎을 수도 있다. 이것은 미리 드릴 등으로 뚫은 구멍을 더 크게 하는 가공으로 척 또는 면판에 공작물을 부착하여 가공한다. 폭이 좁은 절단 바이트에 수직방향의 이송을 주어 공작물을 절단하는 것이 (e)의 절단 가공이다. 또 복잡한 형상을 다수 가공할 때 선반에 단 모방장치, 또는 모방선반에서 가공품과 같은 형상의 형틀에 따라 바이트를 자동적으로 이송하여 필요한 형상을 가공하는 것이 (f)의 모방(윤곽)절삭이다.

[선삭가공]

평삭가공

바이트를 이용한 가공으로 직선절삭운동과 직선이송운동이 조합된 평면절삭가공이다. [그림]의 경우, 직선절삭운동은 당연히 왕복운동이 된다. 비교적 소형 공작물에는 바이트를 직선절삭이송을 시키는 형삭기(슬로터), 또한 큰 형상의 공작물인 경우에는 공작물에 직접 절삭이송을 주는 평삭기(플레이너)가 이용된다.

[평삭가공]

드릴링가공

[그림]과 같이 공작물을 고정하고 드릴, 리이머, 탭 등의 공구에 회전절삭운동과 회전축 방향의 직선이송운동을 시키면서, 공작물의 원형 구멍 뚫기, 자리내기, 나사가공등을 하는 가공법이다. 이 작업을 하는 기계에는 드릴링기와 탭핑기외에 머시닝센터도 많이 이용되고 있다. 드릴 지름의 4배 이상의 깊은 구멍을 낼 경우에는 칩배출이 문제이기 때문에 드릴을 반복 하여 전진 후진하는(스텝 피드) 방식을 취하고 있다. 또한 깊은 구멍을 내는 전용 건드릴을 사용한 건드릴 머신이 사용되고 있다.

[드릴링가공]

밀링가공

밀링커터에 회전 절삭 운동을 주고, 공작물에 이송운동을 주어 평면이나 홈 등, 여러 종류의 형상을 깎아내는 방식으로 기본적 으로는 밀링기가 이용되지만 최근에는 머시닝센터나 터닝센터가 많이 이용되고 있다. 기본적으로 평면밀링커터에 의한 밀링 가공(평밀링가공)과 페이스밀링커터에 의한 밀링 가공(정면 밀링 가공)의 두가지 방식으로 나뉜다. 홈 등의 총형 형상을 절삭 하는 경우에는 평면 밀링커터에 의한 평밀링가공이 유리하며 평면을 절삭하는 경우에는 평면밀링커터로도 가능하지만, 페이스밀링커터 쪽이 보다 효율적이다. [그림]은 그 기본 방식이다. 특히 밀링가공의 평면밀링커터에 의한 가공시 문제가 되는 것이 상향절삭과 하향절삭이다. 상향절삭은 밀링커터의 회전방향과 절삭의 방향이 가공물의 이송방향과 반대방향인 경우 를 말하고, 밀링커터 회전과 공작물의 이송이 같은 방향인 경우를 하향절삭이라고 한다. 이전에는 상향절삭이 일반적이었지만, 현재는 밀링머신이 테이블 이송 기구에 백러시 제거장치가 붙어 있으므로, 기계수명, 공작물 고정 등에서 유리한 하향절삭이 대부분이다. 게다가 많은 절삭날을 가진 페이스 밀링 커터에서는 한절삭날이 하향절삭 공정에 들어갔을 때 다른 절삭날이 상향절삭의 위치에 있어, 서로 영향을 상쇄시키므로 상향절삭, 하향절삭의 문제는 일어나지 않는다.

[밀링가공]

연삭가공

연삭가공은 가공물의 표면을 조금씩 깎아내어 가공하는 방식이다. 주로 정도를 필요로 하는 마무리 가공에 이용된다. 숫돌에 고속의 회전운동을 주어 절삭을 하고 숫돌과 공작물의 사이에 적당한 이송운동을 하게 한다. 이송운동과 가공물의 형상에 의해 기본적인 연삭가공 방식으로는 (a)의 원통연삭, (b)의 내면연삭, (c)의 평면연삭이 있고, 각각의 방식별로 연삭기가 만들어져 있다.

[연삭가공]

전기광에너지를 응용한 가공

단단한 금속이나 광물 대신 전기 에너지와 광에너지를 절삭공구로 활용하고, 이것을 NC장치로 제어하는 자동 가공법이다. 그 예로 [그림]의 방전가공과 레이저가공 등이 있다. 방전가공은 등유나 물 등의 절연액 속에 전극과 공작물을 몇 미크론에서 수십 미크론의 간격을 두고 방전시켜 전류를 흘린 아크방전을 반복함으로써 금속을 가공 하는 방식이다. 레이저 가공은 파장과 위상이 동일한 폐구광속이기 때문에 집광성능이 높다는 레이저의 특색을 응용한 가공법이다. 광에너지의 정도는 1㎠ 당 108W 이상의 고파워 밀도를 쉽게 얻을 수 있으므로 비틀림 없는 고속가공이 가능해지고, 또한 비접촉가공이기 때문에 원격조작이나 자동화에도 적당하다. 탄소가스 레이저가공과 YAG(Yttrium Aluminium Garnet) 레이저 가공이 있고, 스폿 가공이나 미세가공 등 응용 범위가 넓다. 이외에 전기적 가공법에는 전자 빔 가공 등도 있다.

[전기광에너지를 응용한 가공]

적층가공(additive manufacturing)

레이저/전자빔 등의 에너지를 이용하여 금속 분말을 한 층씩 쌓아서 제조 메탈 적층 제조기술은 레이저/전자빔 등의 에너지를 이용하여 입자상태의 메탈분말을 일부 또는 전부녹이거나, 저융점 결합제를 녹여 결합하는 방식으로 한층씩 쌓아 3차원의 복잡 형상제품을 제조하는 기술이다 이러한 메탈 적층제조 기술의 특징은 제품의 내부설계와 복합소재 적용이 가능하여 열교환기와 금형 냉각채널과 같은복잡한 형상의 제품제작이 가능하며, 기존 메탈제품의 추가적인 기능 부가 및 보수 등이 가능한 제조기술이다 메탈 적층기술은 메탈을 한층씩 쌓아서 복잡한 형상의 정밀부품을 제작하는 적층제조기술(Additive Manufacturing)과, 기존의 재료를 절단(cutting)이나 천공(drilling)을 통해 부품을 제거하면서 가공하는 기술(Subtractive Manufacturing)이 병행되어야 하는 공정의 특징이 있다. 현재 자동차, 금형, 의료 및 항공부품 등 많은 제조분야에 적용되고 있으며, 기존의 RP 공정과 유사하게 시작품 개발에서 시장진입 기간의 단축 및 수명향상 등 다양한 산업분야에 큰 영향을 끼치고 있다. 기존 적층 제조공정의 고효율/대형화 및 기계가공 등 후공정 연계를 통해 자동차/항공/금형 등 주력 산업분야에 대응한 Ti/W/Mo 등 고부가가치 특수합금 소재의 제품화 기술 및 이를 위한 핵심공정 기술개발이 요구되고 있다.

[ Powder bed fusion형 메탈 적층제조 장치 개념도 ]