공작기계의 분류

 3. 공작기계의 분류방법

 공작기계를 구조, 용도, 기능 등 여러 가지 각도에서 분류하고 있으며 대표적인 분류 방법은 다음과 같다.

 

 가. 용도에 따른 공작기계의 분류

1) 표준 공작기계(standard machine)

 가공할 제품이 정해지지 않고 넓은 용도로 사용되며, 일반 공작기계로 분류하여, 대량생산보다는 가공하는 일감이 소량인 경우에 적합하다.

 

 2) 전용 공작기계(special machine)

 가공할 제품을 미리 정하여 능률이 좋고 편리하게 제작됨으로서 구조가 간단하고, 조작이 편리하다.

 

 나. 가공능률에 따른 분류

 1) 범용 공작기계(general purpose machine)

 가공할 수 있는 기능이 다양하고, 절삭 및 이송 속도의 범위도 크기 때문에, 제품에 맞추어 절삭조건을 선정하여 가공할 수 있다. 부속장치를 사용하면 가공범위를 더욱 넓게 사용할 수 있다.

 

 2) 전용 공작기계(special machine)

 특정한 제품을 대량생산할 때 적합한 공작기계로서 소량생산에는 적합하지 않고, 사용범위가 한정되고, 기계의 크기도 

가공물에 적합한 크기에 되어 있으며, 구조가 간단하고, 조작이 편리하다.

 

 3) 단능 공작기계(single purpose machine)

 단순한 기능의 공작기계로서 한 가지 공정만이 가능하여, 생산성과 능률은 매우 높으나, 융통이 적다.

 

 4) 만능 공작기계(universal purpose machine)

 여러 가지 종류의 공작기계에서 할 수 있는 가공을 1대의 공작기계에서 가능하도록 제작한 공작기계이다.

 예를 들면 선반, 밀링, 드릴링머신의 기능을 한 대의 공작기계로 가능하도록 하였으나 대량생산이나 높은 정밀도의 제품을

가공하는 데는 적합하지 않다.

 공작기계를 설치할 공간이 좁거나, 여러 가지 기능은 필요하나 가공이 많지 않은 선박의 정비실 등에서 사용하면 매우

편리하다.

 

 4. 공작기계의 구성

 공작기계는 절삭운동, 절삭공구, 또는 가공물의 이송(feed), 절삭속도 조정의 세 가지 요소가 정확히 이루어지도록

구성되어야 한다. 공작기계를 구성하는 공통적이고 가장 기본적인 구성요소 및 구동방식은 다음과 같다.

 

 가. 공작기계의 구성요소

 1) 공작기계의 몸체(body)

 몸체는 기계를 형성하는 기초가 되며, 골격이 되는 대형부품을 통칭하여 몸체라 한다.

 선반(lathe)의 베드(bed), 밀링의 컬럼(column), 플레이너 하우징(housing)을 예로 들 수 있다.

 몸체는 자중(自重), 가공물의 중량, 절삭력 등의 외력을 견딜 수 있는 강성(rigidity)이 있어야 하며, 진동을 흡수할 수 있는 

구조가 되어야 한다.

 몸체의 재료는 반강 주철(semi steel casting), 합금 주철(alloyed cast iron) 및 미하나이트 주철(meehanite cast iron)등

인장강도가 245~393 N/㎟ 이상의 고급 주철이 사용된다.

 주철은 주로 응력에 의하여 변형이 발생하기 쉬우므로 시즈닝(seasoning)하여 사용 한다.

 

 2) 안내면(slide way)

 공작기계의 각 운동 부분에는 기하학적으로 정확한 운동을 전달하기 위해 여러 가지 형상의 안내면(guide surface or slide way)이 있다.

 안내면으로는 산형, 평형, 더브테일(dovetail)형, 원형 등이 있다.

 안내면에는 직선운동을 수는 안내면, 회전운동을 주는 안내면으로 구분되며, 매우 중요한 부분이다.

 안내면은 가공이 쉽고, 슬라이딩 부분에 마모(wear)가 적게 발생하도록 하고 안정성을 높여야 한다.

 정확한 운동과 정밀도를 오래 유지하기 위해서는 안내면 사이에 틈새(clearance)를 가능한 적게 하고, 조정할 수 있도록

하는 것이 좋다.

 안내면은 내마모성이 크고, 미끄럼(sliding)이 원활해야 한다.

 따라서 안내면에는 필라이트 주철, 특수 주철, 미하나이트 주철 등 품질이 좋은 고급 주철을 사용한다.

 안내면은 미끄럼운동에 의해 마모가 많이 발생하기 때문에 내마모성을 높이기 위하여, 화염 경화법(flame harding), 

고주파 경화법(induction harding)으로 표면을 경화시켜 사용한다.

 

 3) 주축(spindle)

 주축은 공작기계에서 절삭력을 전달하는 가장 중요한 구성요소이다.

 가공물의 중량과 절삭저항이 작용하고, 절삭운동에 필요한 구동동력과 토크(torque)의 전달, 강성 및 정밀도를 유지해야 한다. 일반적으로 주축의 성능이 기계의 성능을 결정하는 중요한 요소이므로 다음과 같은 구비조건을 만족하여야 한다.

① 정밀한 회전운동과 축의 중심이 잘 맞는 정밀도

② 절삭력, 구동력, 절삭저항 등의 외력에 충분히 견딜 수 있는 강성

③ 사용 회전수변화에 따른 정밀도 및 성능을 유지하는 안전성 등이 구비되어야 한다.

 

 4) 베어링(bearing)

 베어링은 주축의 자중에 의한 처짐과 비틀림 응력을 많이 받는다.

 축의 반지름 방향으로 하중을 받는 경우에는 볼 베어링(ball bearing), 축의 방향과 축의 반지름 방향의 하중을 동시에 받는 경우에는 테이퍼 롤러베어링(taper roller bearing), 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing) 등을 사용한다.

 공작기계의 주축을 지지하는 베어링이 2개인 2점지지 방식과 굽힘이나 진동을 방지하기 위하여 3개의 베어링을 지지하는

3점지지 방식이 있다.

 

 5) 공작기계의 구동장치

 공작기계는 전동기의 회전운동을 주축의 회전운동이나 이송운동으로 전달하는 장치 및 절삭조건에 적합한 회전수로 변속시키기 위한 변속장치 등이 필요하다.

㉮ 주축의 속도열

     절삭속도(cutting speed)는 가공물 재질, 절삭공구의 재질과 여러 가지 절삭조건에 따라 가장 적합하게 조정할 수 있고,

    연속적인 변속이 이상적이다. 하지만 무단변속장치는 구조가 복잡하고, 고가이므로 특별한 경우에만 사용하고,

    일반적으로는 제한된 속도비로 사용하는 것이 보통이다.

    회전 속도열에는

    ⓐ 등비급수 속도열(geometric progression)

    ⓑ 등차급수 속도열(arithmetic progression)

    ⓒ 대수급수 속도열(logarithmic progression)

    ⓓ 복합 등비급수 속도열(combined geometric progression) 등이 있다.

 

㉯ 계단식 구동장치

    한정된 계단식으로 배열하고, 규정의 속도비로 구동되는 장치를 계단식 구동장치라 한다.

    계단식 구동장치에는 단차식과 기어식이 있으며, 큰 회전력을 정확하게 전달할 수 있는 기어식 구동장치가 많이 쓰인다.

 

㉰ 무단 구동장치

    변속이 가능한 회전속도 범위 안에서 변속을 무단으로 자유롭게 구동하는 장치를 무단 구동장치라 하며, 작업이 매우 

    효율적이다.

    무단 구동장치의 종류로는

    ⓐ 기계적 방법

    ⓑ 전기적 방법

    ⓒ 유압을 이용한 방법 등이 있다.

 

 5. 기계제작 공정

 기계제작에 따른 일반적인 공정으로는

 

 1) 목형(pattern) 공정

 모형은 일반적으로 목재로 되어 있으므로, 목형(木型)이라 한다.

 목재 외에도 금속, 플라스틱, 왁스, 콘크리트, 수지, 기타 재료도 포함하며, 경제성을 고려하여 선정한다.

 

 2) 주물(foundry)

 금속은 가열하면 용융 된다. 용융된 금속을 목형(pattern)을 이용하여 제작한 주형(mould)에 주입하여 냉각시키면 주물이 된다.

 

 3) 단조(forging)

 금속을 적당한 온도로 가열하여 압축력이나 충격력으로 필요한 모양과 치수로 완성 하면서, 동시에 조직이나 기계적

성질을 개선하며, 소성가공방법 중에서 가장 오래된 방법 중 한가지이다.

 

 4) 열처리(heat treatment)

 금속을 적당한 온도로 가열 및 냉각시켜 목적하는 성질을 부여하므로 금속재료의 사용 목적에 따른 기능을 충분히

발휘하도록 하는 것을 열처리라 한다.

 

 5) 다듬질(finishing)

 재료를 필요한 치수, 정밀도, 표면 거칠기, 기하학적 형상으로 다듬질 하는 과정으로 수기가공과 기계가공으로 나눈다.

 

 6) 조립(assembly and fitting)

 각종 기계를 이용하여 완성한 부품들을 조립하여 기계나 제품으로 완성하는 단계를 조립공정이라 한다.

 

 7) 검사 및 시험실(inspection and testing room)

 각종 부품 및 제품의 검사와 시험을 통해 불량품의 선별, 생산능률의 향상과 우수한 제품을 생산하기 위한 공정관리 및 

품질관리를 통한 상호협조가 필요하다.

 

 6. 기계제작에 이용되는 금속의 기계적 성질

 

 금속재료를 가공하는데 있어서 가가의 금속 및 합금의 물리적인 여러 가지 성질을 이용하여 그 성질에 적합한 가공방법을

선택해야 효율적인 가공을 할 수 있다. 

 기계제작에 이용되는 금속의 기계적 성질은 다음과 같다.

 

 가. 융해성(fusibility)

 금속을 용융온도 이상으로 가열하면 용융되어 액체로 변하는 성질이다.

 용융할 때, 빠르게 액화되는 금속과 느리게 액화되는 금속이 있다.

 유동성(fluidity)은 용융되어 액체상태에서 금속이 표시하는 점성(viscosity)에 관한 성질로서 가공성이 좋고 나쁨을

표시한다. 융해성을 이용한 가공 방법에는 주조(casting)와 용접(welding)등이 있다.

 

 나. 소성(plasicity)

 재료에 외력을 가하여 영구적으로 변형시키는 성질로서, 재료를 필요한 형태로 가공함과 동시에 지 재료의 기계적 성질을

개선하는 방법이다.

 소성을 이용한 가공방법은 단조(forging), 압출(extrusion), 압연(rolling), 인발(drawing), 전조(form rolling), 

프레스가공(press working) 등이 있다.

 

 1)전성(malleability)

 금속 재료에 압력이나 타격을 가할 때, 종이처럼 얇게 잘 펴지는 성질이다. 전성이 좋은 금속은 Au, Ag, Cu 등이다.

 

 2) 연성(ducility)

 선(wire)을 뽑을 때 , 끊어지지 않고 길이 방향으로 잘 늘어나는 성질이다.

 연성이 좋은 금속으로는 Au, Pt, Ag, Fe, Cu, Al 등을 들 수 있다.

 일반적으로 순금속은 합금에 비하여 연성과 전성이 크다.

 

 다. 접합성 (weldability)

 금속의 융해성을 이용하여, 접합할 부분에 열을 가하고 부분적으로 융해시켜 용액의 친화력에 의하여 일체로 접합되는 성질을 용접성이라 한다.

 금속의 종류에 따라 친화력이 다르며, 압착력도 재료의 종류에 따라 강도가 다르므로 제한을 받는다.

 접합성을 이용한 용접 방법에는 융접(fusion welding), 압접(pressure welding), 납접(soldering) 등이 있다.

 

 라. 절삭성(machinability)

 절삭공구를 사용하여 재료를 가공할 때, 결함 없이 잘 절삭되는 척도를 절삭성이라 한다.

 절삭성에 영향을 주는 요소는 절삭 공구, 가공물 재질, 기타 절삭 조건 등이 있다.

 절삭성을 이용한 가공방법으로는 선삭, 밀링, 형삭, 드릴링 등이 있다.

 

 마. 연삭성(grindingability)

 고정 숫돌 또는 분말입자에 의해 연삭되는 난이도를 나타내는 성질의 척도이며 연삭방법으로는 고정입자를 이용하는

연삭, 호닝, 슈퍼피니싱 등이 있고, 분말입자를 이용하는 방법으로는 래핑, 액체호닝 등이 있다.