본문내용
1. 기계제작법
1.1. 주조
주형에서 모형이 잘 빠져나오도록 주형에 구배(Draft)를 만든다. 소모성 주형에서는 모형이, 영구 주형에서는 제품이 잘 빠져나오도록 한다. 주물사는 성형성, 내열성, 통기성, 내화성, 내압성, 복용성, 신축성(가축성), 경제성이 있어야 하며, 열전도율이 불량하고(보온성) 주물표면에서 이탈이 용이해야 한다. 주물사의 시험법으로는 강도시험법, 점착력시험법, 입도시험법, 통기도시험법, 내화도시험법이 있다.
주물사의 입도는 메시(Mesh)로 표시되며, 통기도(K)는 공기가 주형을 통과하여 빠져나가는 정도를 나타낸다. 이때 입도가 크고 둥근 것이 좋다. 탕구계는 쇳물받이 -> 탕구 -> 탕도 -> 주입구 순으로 구성되며, 탕구계 설계 시 단위시간 당 주입량, 응고속도, 주입속도, 공기 배출 등을 고려해야 한다. 탕구비(S:R:G)는 탕구, 탕도, 주입구의 단면적 비를 나타낸다.
쇳물의 주입시간(T)은 주물두께에 따른 계수와 주물의 중량으로 계산할 수 있다. 덧쇳물(Riser, 압탕)은 용융금속이 응고 시 수축되므로 이로 인한 쇳물의 보충을 위해 설치되며, 압상력에 의해 윗 주형틀이 들리게 되므로 중추를 올려놓는다.
금속의 용해법으로는 큐폴라, 도가니로, 전로, 전기로, 평로, 반사로, 용광로 등이 있으며, 원심주조법과 다이캐스팅법 등이 있다.
주물의 결함으로는 기공(기포), 수축공, 균열, 편석 등이 있으며, 이를 방지하기 위한 다양한 방법이 있다.
1.2. 소성가공
1.2.1. 응력-변형률 선도
실제로 소성가공이 이루어지는 구간은 "항복구간"이다. 응력-변형률 선도를 나타내는 유동응력식에 영향을 주는 인자는 재료의 종류, 변형률 속도, 가공온도이다.
바우싱거 효과는 금속재료에 처음 한 방향으로 하중을 가하고, 다음에 반대 방향으로 하중을 가하였을 때, 전자보다는 후자의 경우가 탄성한도나 항복점이 저하되는 현상이다.
가공경화(변형경화)는 재결정온도 이하에서 가공(냉간가공) 시 내부응력이 증가하여 단단해지는 현상이다. 강도와 경도는 증가하고, 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다. 이를 해소하려면 풀림처리 또는 재결정 온도 이상에서 가공하면 된다.
냉간가공은 재결정온도 이하에서 가공하는 것으로, 가공면이 깨끗하고 아름다우며 치수정밀도가 높다. 가공경화가 일어나 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도가 증가하지만 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
열간가공은 재결정온도 이상에서 가공하는 것으로, 작은 동력으로 큰 변형이 가능하고 재질의 균일화가 이루어진다. 가공도가 커서 거친가공에 적합하지만 치수변화가 많아 정밀가공이 곤란하다. 가공경화가 발생하지 않으며 연신률, 단면수축률, 인성이 증가한다.
이와 같이 응력-변형률 선도는 재료의 소성가공 특성을 잘 나타내며, 가공온도, 변형률 속도, 재료의 종류 등에 따라 응력-변형률 관계가 달라진다. 이를 고려하여 적절한 소성가공 방법을 선택할 수 있다.
1.2.2. 가공경화
재료를 (냉간가공)할 경우 내부 응력이 증가하여 단단해지는 현상을 가공경화 또는 변형경화라고 한다. 이로 인해 강도와 경도는 증가하지만 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
가공경화가 발생하는 이유는 재결정온도 이하에서 소성변형이 일어나 재료 내부의 전위 밀도가 증가하기 때문이다. 이러한 전위 밀도 증가는 변형저항력을 증가시켜 재료를 더 강하게 만든다.
가공경화의 대표적인 예로 철사를 반복하여 구부리면 결국 구부린 부분이 부러지는 현상을 들 수 있다. 처음에는 소성변형이 일어나 가공경화되어 강해지지만, 변형이 계속되면서 결국 취성이 증가하여 부러지게 되는 것이다.
가공경화를 제거하려면 재결정온도 이상에서 가공하거나 풀림처리를 하여 전위 밀도를 낮출 수 있다. 이를 통해 연성을 회복시킬 수 있다. 따라서 가공경화는 재료의 강도와 경도를 높이는 데 유용하지만, 연성과 인성을 저하시킬 수 있는 단점이 있다.
1.2.3. 냉간가공과 열간가공
냉간가공은 재결정온도 이하에서 가공하는 것이다. 특징으로는 가공면이 깨끗하고 아름답고, 치수정밀도가 높으며, 기계적 성질 개선이 가능하다. 그러나 가공경화로 인해 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도가 증가하고 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
열간가공은 재결정온도 이상에서 가공하는 것이다. 특징으로는 작은 동력으로 큰 변형을 줄 수 있고, 재질의 균일화가 이루어지며, 거친가공에 적합하나 치수변화가 많아 정밀가공이 곤란하다. 또한 가공경화가 생기지 않으므로 연신률, 단면수축률, 인성이 증가한다.
이와 같이 냉간가공은 부품의 강도 향상에 유리하고, 열간가공은 부품의 인성 및 연성 향상에 유리하다. 각각의 특성을 고려하여 적절한 가공법을 선택해야 한다.
1.3. 절삭이론
1.3.1. 칩의 종류와 형태
유동형칩은 연성재료(연강, 구리, 알루미늄)를 고속절삭 시, 윗면경사각이 클 때, 절삭깊이가 작을 때, 유동성 있는 절삭유 사용 시 발생한다. 이는 연속적인 칩으로 가장 이상적인 칩의 형태이다.
전단형칩은 연성재료를 저속 절삭 시, 윗면경사각이 작을 때, 절삭깊이가 클 때 발생한다.
균열형칩은 주철과 같은 취성재료를 저속 절삭 시, 진동 때문에 날 끝에 작은 파손이 생겨 발생한다. 이 경우 채터가 발생할 확률이 크다.
열단형칩(경작형)은 점성재료 절삭 시 칩브레이커에 의해 유동형 칩과 같은 연속적인 칩을 짧게 끊어준다. 종류로는 평행형, 각도형, 홈달린형이 있다.
구성인선(빌트업에지)은 연성재료를 절삭 시 칩이 고온, 고압으로 공구인선에 응착하여 실제의 절삭날의 역할을 하는 것이다. 이는 공구에 진동을 일으키고 가공면을 거칠게 하며, 공구수명을 단축시킨다. 이를 방지하기 위해 윗면 경사각, 절삭속도를 크게 하고, 절삭깊이를 작게 하며, 유동성 있는 절삭유를 사용하는 등의 방법을 사용한다.
1.3.2. 절삭저항력
절삭저항력은 공작물 재질, 절삭속도, 공구형상 등에 따라 달라지는 것이다. 경질재료일수록 절삭저항력이 증가하고, 고속절삭일수록 절삭저항력이 감소한다. 또한 공구의 날끝각과 경사각이 클수록 절삭저항력이 감소하며, 절삭면적이 클수록 절삭저항력이 증가한다. 이와 같은 절삭저항력의 영향 요소들은 절삭가공 시 중요하게 고려되어야 할 변수들이다. 절삭저항력은 절삭동력과 절삭비 계산에 활용되며, 공구의 수명과 절삭면 품질에도 큰 영향을 미치는 요소이다. 절삭저항력을 잘 파악하고 조절함으로써 효율적이고 안정적인 절삭가공을 할 수 있다.
1.3.3. 절삭온도
절삭 과정에서 발생하는 열은 공구 및 공작물의 내구성에 큰 영향을 미친다. 따라서 절삭온도를 적절하게 유지하는 것이 매우 중요하다.
절삭온도는 주로 재료의 강도, 절삭속도, 절삭깊이, 이송속도 등의 요인에 의해 결정된다. 일반적으로 경질 재료일수록, 절삭속도가 높을수록, 절삭깊이가 깊을수록, 이송속도가 빠를수록 절삭온도가 높아진다. 이는 경질 재료의 절삭저항력이 크고, 절삭속도가 높을수록 단위 시간당 제거되는 재료량이 많기 때문이다.
절삭온도를 정확히 측정하고 제어하는 것은 매우 중요하다. 높은 절삭온도로 인해 공구가 빨리 마모되거나 공작물이 손상될 수 있기 때문이다. 이를 방지하기 위해 절삭유를 사용하거나 공구의 재질을 변경하는 등 다양한 방법이 사용된다. 예를 들어 절삭유는 절삭열을 감소시키고 윤활 효과를 제공하여 공구 마멸을 줄일 수 있다.
절삭온도를 측정하는 대표적인 방법으로는 열전대를 이용하는 방법, 복사고온계를 이용하는 방법, 열량계를 이용하는 방법 등이 있다. 이를 통해 측정된 절삭온도 데이터는 절삭 공정을 개선하고 최적화하는 데 활용된다.
결과적으로 절삭온도는 절삭 가공 시 매우 중요한 변수이며, 적절한 관리와 제어를 통해 공구 수명 및 공작물 품질을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 다양한 측정 기법과 절삭조건 최적화 노력이 필요하다.
1.3.4. 공구마멸
공구마멸의 종류
크레이터마모는 공구와 칩의 접촉으로 인하여 형성되며, 공구의 표면층의 일부가 움푹하게 파여지며 절삭도중에 떨어져 나가는 현상이다. 플랭크마모는 공구와 새롭게 절삭된 공작물 표면의 접촉으로 인하여 형성되며 플랭크면(여유면)이 절삭면에 평행하게 마멸되는 현상이다. 치핑(결손)은 절삭날의 강도가 절삭저항에 견디지 못하고 날 끝이 탈락하는 현상으로, 공구의 재료적 결함이나 미세한 균열이 잠재적 원인이 된다. 확산마모는 공구의 구성원자가 고온, 고압하에서 밀착된 칩 또는 공작물로 이동하여 발생하는 마모이다. 용착마모(응착마모)는 칩이 공구면상을 미끄러질 때, 고온, 고압상태에서 금속사이의 친화력이 증대하여 칩의 일부가 공구에 부착되었다가 떨어져 나갈 때 생기는 마모이다. 고온소성마모는 고속절삭에서 공구와 공작물 사이에 발생하는 고열에 의한 마모이다. 이 외에도 미소파괴, 기계적 마모, 표면피로 마모 등이 있다.
1.4. 선반가공
1.4.1. 선반의 종류
선반은 회전운동을 하는 작업물에 절삭공구를 사용하여 절삭가공을 수행하는 공작기계이다. 선반은 그 구조에 따라 다양한 종류로 분류된다.
보통선반은 가장 널리 사용되는 선반으로, 대부분의 기계 부품 가공에 활용된다. 탁상선반은 소형 계기나 시계 부품 등의 소형 부품 절삭에 사용된다. 정면선반은 길이가 짧고 직경이 큰 공작물의 절삭에 적합하다. 수직선반은 대형 공작물이나 불규칙한 형상의 공작물 가공에 사용된다. 터릿선반은 여러 개의 절삭공구를 한번에 부착하고 차례로 공작물을 절삭할 수 있다. 다인선반은 공구대에 여러 개의 바이트가 설치되어 동시에 절삭가공이 가능하다. 자동선반은 재료의 공급만으로도 부품이 자동으로 가공되어 대량생산에 적합하다. 모방선반은 모형이나 형판에 따라 바이트를 이동시켜 절삭하는 선반이다. NC선반은 수치제어를 통해 자동으로 각 부위를 조작하여 가공하는 선반이다. 차축선반은 철도차량의 차축을 절삭하는 선반으로 특수한 구조를 가진다.
이처럼 선반은 다양한 구조와 특징을 가지고 있어, 공작물의 형상, 재질, 가공 목적 등에 따라 적절한 선반을 선택하여 사용할 수 있다.
1.4.2. 선반의 구조
선반은 공작물을 회전시키면서 각종 절삭 작업을 수행하는 공작 기계이다. 선반의 주요 구조는 다음과 같다.
주축대는 공작물을 지지하면서 회전을 주는 부분이다. 주축대는 중공 구조로 되어 있는데, 이는 긴 공작물의 가공을 편리하게 하고 중량을 감소시켜 굽힘 및 비틀림 응력을 감소시키기 위함이다.
심압대는 공작물을 지지하는 부분으로, 공작물이 주축대에 의해 회전할 때 이를 받쳐주는 역할을 한다.
왕복대는 베드 위에서 바이트에 가로 및 세로 이송을 주는 장치이다. 왕복대 내부에는 자동 이송장치가 설치되어 있다.
베드는 주축대, 심압대, 왕복대를 받쳐주는 역할을 한다. 베드의 재질과 설계는 선반의 강성 및 정밀도에 큰 영향을 미친다.
이와 같은 선반의 주요 구조 요소들은 공작물의 회전 및 절삭 작업을 가능하게 하는 핵심 부품들이다. 선반의 구조는 작업의 정밀도와 효율성을 높이기 위해 설계 및 제작되고 있다.
1.4.3. 선반 부속장치
선반은 공작물을 고정시키고 회전시키는 기능을 수행하는데, 이를 위해 다양한 부속장치들이 사용된다. 이러한 부속장치들은...
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