기계가공

기계가공

기계가공(mechanical working, 機械加工)은 기계를 이용하여 물품을 가공하는 일이다. 기계가공은 공작기계에 절삭 공구를 부착하고 공작물에서 불필요한 부분을 절삭공구를 이용하여 제거하여 공작물을 요구되는 치수, 형상으로 가공하는 것이다.

개요

기계가공은 공작기계를 사용하여 작업하는 절삭가공과 연삭가공 등을 포함한다. 기계가공은 소재에서 불필요한 부분을 제거하여 제품을 제작하는 제거가공(material removal process)의 분야를 총칭한다. 기계가공은 가공 대상인 공작물과 공구를 공작기계에 의해 양자의 위치 유지와 상대운동을 줌으로써 공구와 공작물 사이의 상호 간섭(相互千涉)을 일으켜, 공작물의 불필요한 부분을 공구에 의해 제거하며 소요의 형상, 치수, 정밀도를 얻는 공정이다.

엔진은 자동차의 전체 작업공정 가운데 가장 많은 부품이 결집돼 하나의 부품을 형성하게 된다. 실린더 블록과 같은 복잡한 형상의 부품에는 30~40개의 가공 공정을 가지고 있다. 완성된 엔진으로 만들어지기까지 과정을 간략히 소개하면 소재입고, 기계가공, 단품 조립, 워싱(Washing), 엔진 조립 등 다섯가지 공정으로 나뉘어진다. 기계가공은 소재를 가공하는 공정으로 엔진의 정밀도를 위해 첨단 기술로 가공하며 측정 및 검수를 거쳐 조립에 임하게 된다. 각각의 가공라인은 정밀하고 완벽한 부품을 생산하기 위해 자기진단 기능, 자동검사 기능, 자체 검출기능, 공구 교환시기 정보기능 등을 갖추고 있다. 기계가공 설비는 어떤 특정 부품의 특정 가공을 위한 전용기, 일정구역내에서 가공, 검측, 세정, 자세 교환 등을 자동적으로 수행하는 트랜스퍼머신, NC공작기계 및 자동차화 장치, 자동계측기 등으로 이루어져 있다. 기계가공을 마친 부품은 단품 조립과정을 밟게 되는데 단품 조립이란 엔진을 구성하는 작은 조립품을 말한다. 이렇게 단품 조립과정까지 마치면 워싱(Washing)공정에 이르게 되는데 워싱은 완전한 엔진을 조립하기 전 단계로 각 공정을 거치는 동안 부품에 묻은 이물질이나 먼지를 깨끗하게 씻어내는 공정이다. 워싱공정을 거친 각 부품들(실린더 블록, 실린더 헤더, 커넥팅로드 등)은 마지막 공정인 엔진 조립공정에 이르러 엔진의 구동에 필요한 단품들이 장착되면서 비로소 완성차에 탑재될 엔진 본체가 완성된다.

공작기계

공작기계(工作機械)는 각종 기계를 만드는 기계이다. 영어로 Mother Machine이라 칭하며 직역으로 엄마 기계라고 한다. 기계의 중요한 부분은 절삭, 소성가공, 전기적 가공법 등으로 만들어 내는데 이와 같은 가공을 하는 기계는 모두 공작기계라고 부를 수 있으나 대체로 금속 절삭 공작기계만을 공작기계라 부르는 경우가 많다. 이 경우 소성가공 공작기계는 금속가공기계라고 부른다. 또 공작기계에 의해 가공되는 물건을 공작물이라 한다. 공작기계의 종류는 금속기계와 목공기계로 구분되는데 일반적으로 금속기계를 지칭한다. 기계를 만든다는 것은 먼저 기계의 부품을 만든다는 것이다.

ISO국제규격에선 공작기계를 한 운동원에 의해서 작동하고 물리적 화학적 또는 기타의 방법으로 성형해서 공작물을 생산하는 수작업을 하지 않는 기계로 정의하고 있으며 미국에서는 금속가공기계를 절삭기계와 성형기계로 분류하여 이 둘을 합한 것을 공작기계라고 칭한다. 한국산업규격에서는 주로 금속 공작물을 절삭, 연삭 등에 의하여 불필요한 부분을 제거해 내어 필요한 형상을 만드는 기계로 공장기계를 정의하고 있다. 우리나라의 기계 관련 분야에서 공작기계는 일반적으로 이러한 KS의 정의에 따르고 그중에서도 특히 금속절삭기계를 가리키는 것이 일반적이다.

성능과 진보

좋은 제품은 형상, 치수가 정확하고 표면의 요철이 적은 것을 말한다. 실린더의 구멍이 부정확하면 피스톤의 형태가 정확한 원일지라도 조립했을 때 틈새가 생겨 성능이 불량해진다. 또한 실린더가 정확한 원일지라도 길이의 방향으로 직경이 고르지 못하고 호리병박 같은 형상을 하고 있어도 곤란하다. 둥글어야 할 것은 둥글게 똑바라야 할 것은 똑바르게 가공되지 않아서는 성능이 좋을 리 없다. 그러므로 공작기계 자체의 운동이 정확하게 진행되지 않아서는 안 된다. 그러나 공작기계도 부분품의 조립으로 이루어진 것인 이상 완전한 것일 수는 없으며, 조금씩 개량하면서 일보 일보 끈기 있게 완전한 원이라든가 직선적인 것을 만들 수 있는 단계로 발전을 계속해 왔다. 오늘에 와서는 0.001mm(마이크론) 단위로 제품의 양부(良否)를 논하는 단계에까지 이르게 되었다.

생산 속도를 높이기 위해서는 공작기계가 일정 시간 안에 처리하는 공작물의 수를 늘리지 않으면 안 된다. 우선 동일 시간 내에 될수록 많이 절삭(切削)할 수 있도록 해야 하며 그러기 위해서는 고속화하기도 하고, 한번에 많은 양을 깎아낼 수 있도록 강력한 것으로 한다. 고속화하면 다듬질면(面)이 고와지는 효과도 있다. 또한 공작물이나 공구를 붙이고 떼는 조작을 짧은 시간 내에 할 수 있도록 하고 기계의 조작에서 실수가 생기지 않도록 간편하게 해 준다. 동일 종류의 공작물을 계속해서 가공할 때에는 공작물이라든가 공구를 이리저리 움직이는 일과 공구를 부착하고 떼어내는 조작을 자동화한다. 이처럼 능률을 높이는 여러 가지 조건에 맞추어 만들어진 튼튼하고 좋은 장비의 공작기계는 당연히 값이 비싸지만 가격이 높은 기계를 사용하더라도 능률이 향상되고 좋은 질의 제품을 생산해 낼 수만 있다면 도리어 유리한 것이다. 한마디로 공작물이라고 하지만 큰 것과 작은 것, 생김새가 간단한 것과 복잡한 것, 한 종류의 것을 몇 개밖에 만들지 않는 것과 대량으로 만들 필요가 있는 것 등 여러 가지가 있다. 자동차라든가 전화처럼 동일 부품을 수만 개나 만들 경우에는 부품 전용의 공작기계를 사용이 경제적이고 능률적이다. 이를 전용 공작기계라고 하는데 이와는 반대로 다종 소량생산을 하기에 알맞은 용도가 넓은 공작기계는 범용 공작기계라고 한다.

전용 공작기계는 작업 내용이 정해져 있으므로 자동화하기 쉽고, 또 자동화해서 능률을 올리는 편이 유리하다. 범용 공작기계로 다루는 공작물은 자주 변동되므로 자동화하기는 어려우며, 숙련 작업자의 솜씨 여하에 따라 공작물의 질과 가공시간이 좌우된다. 그러나 최근에는 전자 장치를 도입하여 기계를 지령대로 가동(稼動)시킬 수 있는 수치제어 방식이 실현되었다. 이것을 이용하면 다종 소량생산이라도 지령 테이프를 바꾸는 것만으로써 각종 작업을 자동적으로 하게 되므로 작업자는 미숙련자라도 차질이 없게 되었다.

공작기계 종류

공작기계는 공작물과 공구 사이에 상대운동 부여함으로써, 공작물을 원하는 형상과 치수로 만들어 내는데, 운동은 기본적으로는 직선운동과 회전운동의 조합으로써 이뤄졌다. 가령 원통형으로 깎는 선반의 경우 공작물을 회전시키면서 바이트를 가져다 대면 둥글게 깎인다. 바이트를 회전축에 평행인 방향으로 이동해 가면 원통으로 깎여진다. 직경을 바꾸려면 바이트를 공작물의 반경 방향으로 직진시키면 된다. 바이트 대신에 숫돌바퀴를 사용하면 원통형 연삭(硏削)이 가능하다. 이것이 롤 연삭기인데 선반의 운동에 원형 연삭숫돌의 회전운동이 첨가된 것이다. 절삭 운동을 주운동으로 하고 절삭 위치를 조금씩 이동하는 절삭 이송 운동과, 파고 들어가는 위치를 바꾸는 이송운동을 종운동이라 한다면, 이것들에 대하여 직진, 회전 중의 어느 것을 부여하느냐에 따라서 여러 가지 공작기계가 생산된다. 금속절삭기계는 구체적으로 선반, 밀링기, 머시닝센터, 드릴링기, 보링기, 연삭기, 기어가공기, 특수 가공기, 기타 절삭기계 등으로 나눈다.

범용 공작기계의 종류

공작기계 명	주운동	종(從)운동	종운동	공작물의 기본 형상
보통선반	회전(공작물)	직진(바이트)	직진(바이트)	원통
수평형밀링머신	회전(커터)	직진(테이블)	직진(새들니)	평면
직립드릴링머신	회전(송곳)	직진(쿠일)	직진(테이블)	원통구멍
속파기밀링머신	회전(송곳·커터)	직진(쿠일)	직진(테이블새들)	원통구멍·평면
평삭기	직진(테이블)	직진(새들)	직진(슬라이드)	평면
롤연삭기	회전(숫돌바퀴)	회전(공작물)	직진(테이블)	원통
각(角)테이블 평면연삭기	회전(숫돌바퀴)	직진(테이블)	직진(새들헤드)	평면
호브(hob)반	회전(커터)	회전(테이블)	직진(호브새들)·테이블새들	평톱니바퀴
톱니바퀴형삭기(피니온형)	직진(커터)	회전(테이블)	직진(새들니)	평톱니바퀴

공작기계 주요부 명칭

• 스핀들(Main spindle) : 공작물 또는 공구를 부착해 회전시키는 축.
• 스핀들 헤드(Spindle Head) : 공구의 회전하는 스핀들을 구비하고 있는 부분.
• 공구대(Tool Rest) : 바이트, 랙 커터 등을 고정하는 대.
• 테이블(Table) : 공작물을 직접 또는 각종 부착장치를 사용하여 고정하는 대.
• 새들(Saddle) : 베드, 이 등의 안내면 위에 올려 놓여 이동하는 대.
• 램(Ram) : 스핀들을 내장하거나 또는 공구대를 가지고 안내면을 따라 이동하는 이송대.
• 니(Knee) : 테이블, 새들 등을 얹고 칼럼의 안내면을 따라 상하하는 대.
• 베드(Bed) : 기계의 몸체를 구성하는 대.
• 칼럼(Column) : 베드 또는 베이스 위에 수직으로 설치돼 기계의 몸체를 구성하는 기둥.
• 베이스(Base) : 바닥면에 설치되어 기계를 고정하는 대.

가공 방법

절입에 의한 가공(cutting by tool edge)

선삭(turning)

바이트를 사용하여 가공하는 작업 중에서 회전 절삭 운동과 직선적 피드를 조합한 것으로 외경 절삭, 테이퍼 절삭(taper cutting), 정면 절삭, 내면 절삭 등의 각종 목적에 사용된다. 주로 이와 같은 목적에 사용되는 공작 기계를 선반(lathe ; Drebank)이라고 한다.

드릴링(drilling) 및 보링(boring)

드릴링은 드릴(drill)을 사용하여 회전 절삭 운동과 회전 중심 방향에 직선적인 이송 운동을 주면서 가공물에 구멍을 뚫는 것으로, 드릴링 머신(drilling machine)으로 가공한다. 보링 작업은 보링봉(boring bar)에 공구를 고정하고, 이것으로 원통형의 내면가공을 하는 것이다. 보링에는 수평식 보링 머신(horizontal boring machine)과 수직식 보링 머신(vertical boring machine)이 있다.

평삭(planing)

바이트를 사용한 가공법 중에서 직선 왕복운동과 직선 이송 운동을 하면서 가공하는 것을 평삭이라고 한다. 가공법으로 직선운동에는 절삭행정(cutting stroke)과 귀환행정(return stroke)이 필요하며, 귀환행정에서는 절삭하지 않는다. 이송(feed)운동은 절삭 행정의 종단에서 진행하게 된다. 비교적 작은 가공물을 가공할 때 바이트의 직선 절삭 운동에는 셰이퍼(shaper)가 사용되고, 대형 가공물에는 가공물에 직선 왕복운동을 주는 플래너(planer)가 사용된다. 바이트의 직선 절삭 운동을 수직 방향으로 할 때에는 슬로터(slotter)를 사용한다.

밀링(milling)

원주에 많은 절삭 인선을 가진 공구를 회전 절삭 운동시키면서 가공물에는 직선 이송 운동을 시켜 평면을 깎는 형식의 작업을 밀링(milling)이라고 한다. 회전 공구의 원주면을 사용하는 플레인 밀링(plain milling) 가공 방식은 수평축을 가진 밀링 머신(horizontal milling machine)으로 가공할 때 사용되고, 회전 공구의 단면을 사용하는 페이스 밀(face mill) 가공 또는 엔드 밀(end mill) 가공 방식은 수직축을 가진 수직식 밀링 머신(vertical milling machine)에 의한 가공에 사용된다. 그리고 밀링 머신의 특수한 가공 중에는 기어가공, 나사절삭, 모형의 모방 가공 등의 목적에 사용되는 것도 있다.

입자에 의한 가공(cutting by abrasive)

연삭숫돌을 사용한 가공

경한 입자들을 적당한 결합제를 사용하여 결합한 입자공구의 예리한 첨단으로 가공물 표면에서 칩을 깎아내는 작용을 하면서 가공하는 방식으로서, 주로 정밀도가 큰 표면 완성가공에 사용한다.

• 연삭(grinding) : 연삭숫돌(grinding stone)에 회전운동을 주어 고속도에서 절삭작용을 하는 가공 방식으로 연삭 작업에 사용되는 기계를 연삭기(grinding machine)라고 하며, 연삭숫돌과 가공물의 상대적인 운동에 따라 다음과 같은 각종 연삭기들이 생산되고 있다.
  • 원통연삭(cylindrical grinding) : 바깥지름을 절삭하기 위하여 연삭숫돌의 회전운동과 가공물의 회전 중심선 방향의 직선 이송운동을 결합한 것으로, 이것을 주목적으로 하는 기계에는 원통연삭기(cylindrical grinding machine)가 있다.
  • 내면연삭(internal grinding) : 연삭숫돌의 회전운동과 가공물의 직선 이송운동을 조합하여 내면을 연삭가공하는 방식으로서, 이것에 속하는 것에는 내면 연삭기(internal grinding machine)가 있다.
  • 평면연삭(surface grinding) : 평면의 연삭가공을 하기 위한 방식으로 연삭숫돌의 원주면을 사용하여 가공하는 것과, 단면 또는 측면을 사용한 것이 있다. 그리고 가공물의 피드 운동은 회전운동을 시키는 것과 직선운동을 시키는 것 등이 있다.

호닝(honing)

주로 구멍 또는 내면 완성가공에 사용되는 방법으로, 연삭숫돌과는 다른 각형 봉상 숫돌인 혼(hone)을 적당한 고정 장치에 설치하여, 회전 절삭 운동과 함께 회전축의 방향에 왕복 이송운동을 가하면서 가공하는 방식이다.

슈퍼피니싱(superfinishing)

비교적 작은 압력으로 특수 숫돌이 가공물의 표면을 가압하고 숫돌을 진동시키면서 가공물에 회전 이송운동을 주어, 가공물의 표면을 초정밀 가공하는 방식이다. 가공에 의한 변질층이 극히 적고 방향성이 생기지 않으며, 짧은 시간 내에 비교적 아름다운 면으로 가공할 수 있다. 주로 원통면 가공에 이용되나 평면 및 내면에도 사용할 수 있다.

미립자 가공

경한 미립자를 적당한 액체에 혼합한 것을 사용하여 가공물의 표면에서 미량의 칩을 깎아내면서 매끈한 표면을 만드는 가공 방식으로서, 이 방법에는 래핑(lapping), 액체 호닝(liquid honing), 초음파 가공(ultrasonic machining) 등이 있다. 위에서 설명한 각종 기계가공 방식은 중요한 것만 열거한 것이고, 그 밖에도 여러 가지 종류가 있다. 가공 방법, 공구의 종류, 운동 범위 등의 변화에 따라 여러 가지 공작기계의 형식이 조합되고 구성된다. 기계가공의 범위가 확대되면 더욱 복잡한 변화가 필요하게 된다. 그러므로 공작기계도 또한 기본 구조가 더욱 상이한 형태를 갖게 된다.

장점

• 원하는 재료를 사용하여 형상 조립성 및 기능성을 확인할 수 있다.
• 실제 제품과 동일한 크기로 만들 수 있고 공차 변화에 따른 조립성을 검토하기 쉽고 공차에 해당하는 부분을 정밀도가 높게 가공할 수 있다.
• 비결정성 수지의 경우에는 최종 사용자가 원하는 색상을 도장할 수 있다.
• 치공구 비용이 매우 낮다.
• 부품들을 접합할 때 부품을 고정시키는 몇 개의 치구만 만들면 된다.

단점

• 기계가공에 의해 부품 표면에 흠이 발생하여 제품의 외관품질에 대한 요구 사항을 만족시키지 못할 수도 있다.
• 기본 재료의 선택은 최종적인 제품에서 사용될 재료와 동일하지만 소형재로 성형될 제품과 물성치가 다른 경우가 있다.
• 성형된 제품과 비교할 때 질감이 다르다.
• 기계가공을 하면 그 고유의 질감을 느끼게 되고 표면을 연마할 수도 있지만 특수한 질감을 표현하기가 어렵다.
• 성형된 제품과 다른 분자구조를 갖는다 결정성 수지의 영우 이러한 영향을 더욱 받는다.
• 압출 시의 결정화 과정은 사출 성형의 것과는 다른 배향성을 가지게 된다.

참고자료

• 〈공작기계〉, 《위키백과》
• 〈기계 가공〉, 《네이버 지식백과》
• 일상탈출, 〈기계가공 기초〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-29
• m^t&chq, 〈기계가공 개요〉, 《티스토리》, 2021-12-12
• 〈자동차의 생산 공정〉, 《레포트월드》
• 기공사 매니저, 〈공작기계란 무엇인가? 공작기계의 역사〉, 《티스토리》, 2020-09-28
• 이혜원, 〈(아이위키) 공작기계〉, 《산업정보포털 i-DB》, 2018-01-26
• Z국대Z, 〈기계가공의 장점과 단점〉, 《티스토리》, 2020-08-06

같이 보기

• 가공
• 기계
• 물품
• 공구
• 엔진
• 금속
• 자동차

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