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공작기계의 역사

18세기 증기기관의 발명과 더불어 인류는 도구를 기계적으로 작동시키는 방법을 발견했다.

특히 공작기계는 이전에 손으로 만들었던 상품을 생산하는 기계의 부품들을 만들기 위해 필요하게 되었다. 처음에는 그전까지 사용되었던 목공기계를 개조해서 사용했다. 1797년 영국의 헨리 모슬리가 나사절삭 동력선반을 개발했으며, 그뒤 영국에서 셰이퍼, 단조용 증기 해머 등 많은 공작기계가 개발되었다.

미국에서는 1818년 엘리 휘트니가 밀링 머신을 발명했으며, 1862년 J. R. 브라운이 만능 밀링 머신을 개발했다. 기어 절삭기는 1896년 미국의 F.W. 펠로스가 개발했다. 19세기말에 미국의 C. H. 노턴에 의해 연삭기가 개발되어 공작기계의 새로운 장이 열렸다. 20세기에는 전자장치에 의한 자동제어가 이루어졌으나, 일반적으로 보급된 대부분의 공작기계는 19세기 중엽에 설계되었으며, 오늘날 가정이나 공장에서 수십 종의 공작기계를 사용하고 있다.

공작기계의 특성

모든 공작기계는 공작물과 공구를 고정시키는 장치와 절삭깊이를 정확하게 조절하는 장치를 갖고 있다.

온도가 높으면 공작물이나 공구가 변형되어 공작기계의 허용오차가 달라지므로 최적절삭속도를 결정해야 한다.

절삭공구

절삭점이 1개인 것과 여러 개인 것으로 나뉜다.

단일절삭점 공구로는 선반과 보링머신에서 사용되는 공구들이 있고, 다중절삭점 공구로는 밀링커터·드릴·브로치 등이 있다. 초기의 공구 재료는 탄소강(탄소함유량 1~1.2％)이 많이 사용되었으나, 205℃의 온도 이상에서 절삭능력을 잃어버린다. 그뒤로 고속도강, 주조합금, 텅스텐 초경합금 등이 공구재료로 사용되었고, 세라믹이나 다이아몬드 등도 사용되었다. 절삭유제는 마찰과 고온에 의한 영향을 줄이기 위해 사용되며, 황화광물유가 가장 많이 사용된다.

수용성유(水溶性油)는 톱이나 연삭기에 사용된다.

기본 공작기계

선반은 가장 기본적인 공작기계로서, 수평으로 회전하는 공작물의 표면을 단일절삭점 공구로 깎거나 구멍을 뚫는다.

셰이퍼와 평삭반은 단일절삭점 공구를 가지고 평면이나 홈가공을 한다. 셰이퍼는 공구가 직선운동을 하면서 최고 91.44㎝까지 작업을 할 수 있고, 평삭반은 공작물이 왕복운동을 하면서 최고 15.24m까지 작업을 할 수 있다. 드릴프레스는 트위스트드릴로 구멍을 뚫으며, 이것으로 접시형 구멍내기, 암나사절삭, 선반으로 하는 작업을 하기도 한다.

또한 리머·탭 등을 부착시켜 작업할 수도 있다. 밀링 머신은 회전하는 밀링커터로 공작물을 절삭하며, 원하는 형상에 따라 여러 가지 모양의 절삭기를 사용한다. 표준 밀링 머신은 재료를 놓고 미끄럼 작업대에 회전하고 있는 절삭기 쪽으로 움직인다. 연삭기는 회전하는 숫돌차나 연마 벨트로 공작물을 갈아서 깎으며 내면연삭, 센터리스 연삭, 평면연삭 등을 한다.

모든 기계가공 공정 가운데 가장 정확한 것은 연삭이며, 0.0025㎜ 오차 이내에서 금속표면을 가공할 수 있다.기계톱은 종종 벨트 톱이나 체인 톱과 같이 톱니로 연결된 길고 가느다란 움직이는 벨트나 체인으로 이루어져 있고, 활톱·피톱·둥근톱 등이 있다(기계톱). 프레스는 전단·블랭킹·성형·굽힘·단조·코이닝·업세팅·인발(引拔) 등의 작업을 통해 금속을 원하는 형상으로 만들며, 탁상용에서부터 450t 이상의 대형기종까지 다양한 크기가 있다.

공작기계의 개량형

터릿 선반은 터릿에 여러 가지 공구를 부착시킬 수 있는 수평선반으로서, 터릿을 돌려 공구를 선택한다(그림5). 다축선반은 수직선반의 일종으로서, 여러 개의 주축(spindle)이 부착되어 있어 일련의 공정을 연속으로 할 수 있다.

그밖에 여러 가지 구멍가공을 연속으로 하는 병렬다축 드릴링머신과 밀링 가공을 반복하는 생산 밀링 머신 등이 있다.

전용 공작기계

기어 가공용 기어 절삭기의 절삭방법은 총형 기어 절삭법, 형판가공법, 창성(創成) 기어 절삭법이 있다.

이들 가운데 창성 기어 절삭법은 대량생산을 위한 방법이며, 많은 절삭날이 붙은 호브(hob)라는 공구를 장착한 호빙머신을 사용한다. 래핑머신은 매우 정밀한 표면다듬질(0.05마이크로)에 사용되며, 호닝머신은 구멍의 내면을 저속으로 표면다듬질한다. 그밖에 브로칭 머신과 구멍을 넓히는 보링머신이 있다.

자동제어

제품을 생산할 때 작업자의 도움 없이 모든 공정을 연속으로 수행하게 하는 것을 말한다.

실제로는 공정의 시작과 끝만 수동으로 하는 경우도 자동제어에 포함된다. 궤도추적기법은 선반에 설치된 민감한 접촉자(stylus)가 형판(template)의 모양을 따라가면서 절삭공구에 그 모양 그대로 전달해 가공하는 방법이다. 현재 널리 사용되고 있는 수치제어(NC)는 공구나 공작물의 위치 및 운동을 제어논리로 수치화해 제어한다. 초기에는 도면을 자세하게 분석할 수 없었지만, 후에 APT(Automatically Programmed Tools : 수치제어용 언어 가운데 하나)와 같은 프로그램 언어를 이용해 도면을 분석하고 수치화하기가 쉬워졌다.

NC의 명령 프로그램에는 작업순서·작업종류·절삭깊이·가공좌표·이송률·주축속도·공구번호 등에 대한 자료가 들어 있다. 이러한 명령들은 도면을 분석해 코드로 바꾼 것이며, NC를 이용하면 0.025㎜ 또는 0.0025㎜ 정도의 허용오차로 부품을 제작할 수 있다.

컴퓨터 지원가공

컴퓨터 수치제어(CNC)는 공작기계에 마이크로컴퓨터를 설치해 제어 프로그램으로 작업을 제어한다.

공작물과 전체 작업과정은 그래픽디스플레이를 통해 볼 수 있다. 여러 대의 CNC 공작기계가 대형 중앙 컴퓨터에서 명령을 받는 경우를 직접수치제어(DNC)라고 한다. 적응제어는 기능장애로 인한 손상을 막기 위해 작업조건을 자동으로 측정·조절하는 것을 말하며, 무인작업에 있어서 중요한 요소이다. 복합공작기계(MC)는 주로 자동공구교환장치가 설치된 수직 밀링 머신으로서, 100개 이상의 공구를 설치해 프로그램에 따라 연속으로 공작물을 가공한다.

CAD/CAM은 CAD로 부품을 설계·분석해 CAM을 통해 부품을 생산하는 기법이다. 이 경우에는 CAD에 의해 CNC 공작기계에 대한 명령들이 계산되어 입력된다.로봇은 컴퓨터와 연결해 공작물이나 공구 등을 정해진 경로로 움직이도록 하여, 조립·검사·용접·도장 등을 할 수 있게 한다(로봇). 유연생산 시스템(FMS)은 중앙 컴퓨터와 공작물이송장치로 연결된 생산 요소들을 말한다. FMS의 주(主)컴퓨터는 DNC를 사용해 생산공정에 필요한 프로그램을 선택하고 실행한다.

컴퓨터 통합생산은 컴퓨터로 설계·작업일정·관리·생산·검사 등을 수행하는 것을 말한다.

기타 가공방법

몇몇 재료와 금속합금은 너무 딱딱하거나 깨지기 쉬운 재래식 공구로 가공할 수 없는데, 이런 경우에 대해 다른 방법이 고안되었다.

전기가공법은 공작물을 절삭·가공하는 데 전기를 사용하는 것이며, 전자 빔 가공(EBM), 방전가공(EDM), 전해가공(ECM), 이온 빔 가공(IBM), 레이저 가공(LM), 플라스마아크 가공(PAM) 등이 있다. 그밖에 초음파가공(USM)·부식가공(CHM)·광화학가공(PCM)·물분사가공 등이 있다.