절삭 가공이란

1. 공작 기계란

기계에 의한 공작이란, 설계도를 바탕으로 그 사양에 맞게 재료를 가공하는 것입니다. 공작 기계는 그런 작업을 위해 반드시 필요한 장치라고 할 수 있습니다. 공작 기계는 기계를 만들어 내는 기계, 나아가 공작 기계 자체를 만들어 내는 기계로서 매우 중요합니다.

공작 기계의 디지털화가 진행된 지금은 어떤 메이커든지 공작 기계를 도입하기만 하면 고정도의 제조가 가능하다고 생각하기 쉽지만, 실제로 반드시 그렇지는 않습니다. 공작 기계를 도입할 뿐만 아니라 각각의 업체가 직접 공작 기계의 활용 방법을 고안하고 바이트 등의 공구나 지그를 직접 제작하면서 고유의 기술을 갈고닦아 왔습니다. 이는 NC(수치 제어)화, CNC(컴퓨터 수치 제어)화가 비약적으로 발달한 현재에도 반드시 필요한 대책입니다.

제조 현장에서는 최첨단 공작 기계라도 「기종마다 개성이 있다.」는 이야기를 종종 듣습니다. 오퍼레이터는 공작 기계의 개성에 맞춰 파라미터를 미묘하게 조정하여 항상 고정도의 가공을 실현하고 있습니다. 다시 말해 기계 공작을 사용하려면 담당하는 기계의 특성을 숙지하는 동시에 그 개성까지 이해한 다음 완벽하게 사용할 수 있도록 연구를 거듭해야 합니다.
단순히 공작 기계를 아는 것만으로는 정말로 뛰어난 기술자가 되기 힘듭니다. 공작 기계의 원점으로 돌아가 금긋기나 절단, 굽힘 가공, 줄 처리 등 수작업 마무리에 대해 알아야 더 좋은 작업을 할 수 있게 됩니다.

  • 「1호기는 미묘하게 운동 오차가 생긴다.」
  • 「2호기는 최고의 상태!」
  • 「3호기는 연삭이 치밀하지 못하다.」
공작 기계의 기능이나 성능 외에 그 특징까지 완전히 파악하면 더 좋은 가공으로 이어진다.
공작 기계의 기능이나 성능과 더불어
그 특징까지 완전히 파악하면 더 좋은 가공으로 이어진다.

2. 가공 정도에 영향을 미치는 힘

【1】강성

물체는 힘을 가하면 변형하려고 하는 반면, 변형에 저항하려는 힘도 발생시킵니다. 그 성질을 「강성」이라고 합니다. 공작 기계의 경우, 원하는 정도로 가공하려면 공작 기계의 강성이 문제가 됩니다. 현재의 공작 기계는 강성에 대한 대응이 상당히 많이 발달했지만, 미크론 단위의 정도로 가공할 경우, 강성에 대한 이해가 필요합니다.

강성에는 정적인 힘(정강성)과 동적인 힘(동강성)이 있습니다. 정강성이란 간단히 말하면 작용하는 힘의 방향과 크기가 항상 일정한 상태입니다. 공작 기계의 경우, 작업반 위에 가동부가 정지된 채 놓여 있는 상태라고 할 수 있습니다. 이 경우에는 엄밀히 말하면 가동부만큼 중력의 영향을 받아 작업반이 변형된다고 볼 수 있습니다. 실제 영향은 아주 미미하지만 경우에 따라서는 가공 정도가 저하될 가능성이 있습니다.
동강성은 작용하는 힘의 방향이나 크기가 변화하는 상태를 말합니다. 공작 기계로 예를 들면, 스위치를 켜서 가동시켰을 때 진동이 발생합니다. 이 진동으로 인해 공작 기계는 경우에 따라 채터 진동 등의 증상이 발생하여 가공 정도에 영향을 미칠 수 있습니다. 공작물에 대해 절삭 등의 가공을 할 때는 반드시 정적 강성, 동적 강성 모두를 고려해야 합니다.

【2】열 변형

물체는 온도 상승과 함께 팽창합니다. 이것은 금속의 경우에도 예외가 아니며 길이를 정밀하게 측정하려면 온도가 철저히 관리되는 측정실에서 측정해야 합니다.
가공의 경우에는 특히 열로 인한 물체의 변형에 주의를 기울여야 합니다. 공작 기계를 가동시키면 각 부품이 발열하는 동시에, 절삭 등을 할 때 공작 대상 물체의 온도가 상승하기 때문입니다. 그리고 공작 기계의 가동 시간이 길어질수록 열 변형을 반드시 고려해야 합니다. 따라서 얼마 동안의 가공 시간에 어느 정도의 온도까지 도달하는지를 아는 것은 정밀 가공에서 매우 중요합니다.

가공 정도에 영향을 미치는 진동이나 열
이를 방지하려면 설계 단계에서의 연구가 필요
가공 정도에 영향을 미치는 진동이나 열 이를 방지하려면 설계 단계에서의 연구가 필요
A
B
진동

3. 절삭의 기본

【1】절삭의 동작

절삭이란 공구를 이용하여 공작 대상 물체에서 그 일부를 깎아내는 것입니다. 이 경우, 크게 「절삭」과 「이송」이라는 두 가지 동작이 필요합니다.
절삭은 대상 물체에서 일부를 깎아내는 동작으로, 기본적으로는 바이트와 같은 공구가 일직선상으로 이동하면서 이루어집니다.
이송은 공구를 이동시켜 다른 부분을 절삭하는 동작입니다. 예를 들어, 어느 일직선상에서 절삭을 한 후 공구를 절삭 방향의 수직 방향으로 이송하면 새로운 면을 절삭할 수 있게 되고, 이를 반복하면 평면을 만들어낼 수 있습니다.

【2】가공과 저항

가공에서는 공구와 공작 대상 물체가 접촉하면서 서로의 힘을 간섭하기 때문에 저항이 발생합니다. 공구에 따라 발생하는 저항의 힘이 다르다는 점을 고려할 필요가 있습니다.
한 예로, 바이트에 의한 절삭에서는 대상 물체의 재질이나 절삭 면적, 바이트의 종류 등에 따라 다릅니다. 특히 절삭 면적은 저항과 큰 관련이 있기 때문에 가공 시 주의해야 합니다.
또한, 드릴을 이용한 구멍 뚫기 가공에서는 토크와 이송에 대해 저항을 고려할 필요가 있습니다. 토크란 비틀리는 강도를 말하며, 「비틀림 모멘트」등의 명칭으로도 불립니다. 한편, 이송은 드릴을 밀어 넣는 방향의 동작입니다.

구멍 뚫기 가공에서는 대상 물체의 재질을 비롯하여 드릴의 종류(날 끝의 형상), 드릴의 회전 속도, 이송 속도에 따라 저항의 값이 달라집니다.
가공 현장에서는 저항에 따른 영향을 고려하면서 가공을 검토하면 품질이나 효율, 공구의 내구성을 추구할 수 있습니다.

【3】가공과 속도

가공 현장에서는 품질 관리와 함께 작업 효율이 중요한 과제입니다. 기계 가공에서는 가공의 속도를 높이면 효율이 향상됩니다.
그러나 기계의 속도를 무조건 빠르게 한다고 되는 것은 아닙니다. 속도가 빨라지면 저항이 강해져 열 변형이 발생하는 등 부작용이 나타날 우려가 있습니다. 또한, 가공 속도를 높이면 바이트의 수명이 짧아지는 경우도 있습니다. 그렇게 되면 바이트의 교환 빈도가 늘어나 가공 단위당 비용이 높아질 수도 있습니다. 따라서 가공 시에는 속도와 정도, 그리고 공구의 수명을 고려하는 것이 중요합니다.

【4】가공과 온도

저항이나 속도에 관한 설명에서 다루었듯이, 절삭 등의 가공을 하면 공작 대상 물체와 공구가 서로 접촉하여 열이 발생합니다. 이로 인해 대상 물체 내의 온도가 상승하여 가공 정도나 공구의 내구성에 영향을 미치기도 합니다.
특히 문제가 되는 것은 앞서 말한 가공 시의 속도와 가공 면적입니다. 가공 속도가 빠를수록 열이 발생하고 가공 면적이 넓을수록 마찰이 커져 온도가 상승합니다. 기계 가공에서는 온도의 변화에 항상 주의하면서 작업을 진행해야 합니다.

기계 가공의 온도 관리에서 중요한 역할을 하는 것이 절삭유(절삭제)입니다. 공작 대상 물체와 공구의 마찰을 줄이는 역할을 합니다. 또한, 가공 시 발생한 열을 식혀주고 가공 시의 절삭분을 씻어내는 용도로도 꼭 필요합니다.
과거에는 기름 성분의 절삭유가 주로 사용되었지만 환경 보호에 대한 의식이 높아지면서 현재는 수용성 제품이 주류를 이루고 있습니다. 또한, 기계 가공에서는 절삭유를 대량으로 사용하기 때문에 순환 장치를 통해 한 번 사용한 것을 여과하여 재사용하는 경우가 대부분입니다.

기계 공작에서는 속도와 품질의 균형이 중요
기계 공작에서는 속도와 품질의 균형이 중요