기출요점문제

1.  불활성 가스 아크 용접(inert gas welding)에 관하여 설명하시오.

   

불활성 가스 용접은 1930년 Hobart Dever에 의하여 발명되어, 1940년 경에 실용화 되었던 용접법으로 고온에서도 금속과 반응하지 않는 He, Ar 등의 불활성 가스 속에서 텅스텐 전극봉, 또는 wire(전극심봉)와 모재 사이에 아크를 발생시켜, 용접하는 방법을 말한다.

1. TIG welding

TIG welding은 텅스텐 전극봉을 사용하여 아크를 발생시키고 용접봉을 아크로 녹이면서 용접하는 방법이며 비용극식 또는 비소모식 불활성 가스용접법이라 한다. 직류와 교류가 사용되며 직류에서의 극성은 용접 결과에 큰 영향을 미친다.

정극성에서는 깊은 용입을 일으키며, 전극은 속도가 느린 가스 이온의 충돌에서는 그다지 발열하지 않으므로 지름이 적은 전극에서는 큰 전류가 흐르게 할 수 있다.

Ar gas를 이용한 역극성에서는 가스 이온이 모재 표면에 충돌하여 산화막을 제거하는 청정작용이 있어 Al, Mg 용접에 적합 하다.

교류용접에서는 정극성과 역극성의 중간정도가 되며 양자의 특징을 이용할 수 있다.

2. MIG welding

MIG welding은 용가제인 전극 wire(지름1～2.4 mm)를 연속적으로 이송하며 불활성 가스 중에서 아크를 발생시켜 용접하는 방법이며 용극식 또는 불활성 가스용접이라고 한다. 특징은 다음과 같다.

가) 전극(wire)은 모재와 동일한 금속을 사용 한다.

나) 전원은 직류 역극성이 사용되며 Al, Mg 등에는 청정작용으로 용제없이 용접이 가능 하다.

다) 전류 밀도가 매우 높아 아크 용접의 4배, TIG welding의 2배 정도이며 능률이 높아 3mm이상의 Al에 사용하고 스테인레스, 구리합금의 용접에 사용된다.

라) 아크 자기제어 특성이 있다.

마) 정전압 특성, 상승특성이 있는 직류용접기 이다.

바) 전류가 일정할때 아크 전압이 커지면, 용융속도가 낮아 진다.

2.  FMS line의 공구 마멸과 공구 파손 검출 system을 도입하기 위한 방안에 대하여 설명하시오.

대규모의 FMS가 구축되어 가동되고 있으나 공구의 트러블이 기계의 가동률을 저하시키고 있는 사례가 있다.  그것은 Leyout의 미스 또는 공구 파손 등에 기인한다. 따라서 적절한 공구관리 시스템은 FMS 기본 구성 요소로서 중요성이 점차 증가되고 있다.

공구수명 검출은 인 프로세스와 포스트 프로세스의 방법이 있으며 다음과 같은 방법으로 공구수명을 검출한다.

가) 공구사용 시간 : 공구 사용 시간이 칩에 기록된 공구 설정 수명 시간을 넘으면 수명이 다된 것으로 판정 한다. 실제 사용 시간은 칩에 의하여 읽어 내며 공구가 교체되면 칩에 사용 시간이 다시 메모리 된다.

나) 공구길이 측정에 의한 절손검출

다) 가공부위의 계측에 의한 공구 수명 : 다듬질용 공구에 적용되며 칩에 기록된 계측 프로그램을 실행하여 공구마모 등에 의하여 계측치에 어떤 한계를 넘었을 때 공구 수명에 도달한 것으로 간주한다.

라) 적응제어에 의한 공구수명 : 거친 가공용 절삭공구에 사용되며, 칩에 기록된 최적의 부하 수치를 유지하기 위하여 이송속도 오버라이드가 제어된다. 공구마모 제어에 의하여 절삭부하가 증대되어 오버라이드의 하한치를 넘었을 때 공구수명에 도달한 것으로 간주한다.

마) 공구절손 검출 : 공구의 치핑 및 breaking을 칩에 기록된 수치에 의해 판단한다.

검출에 의해 공구 수명에 도달했다고 판단된 공구는 FMS computer에 통지됨과 동시에 다음 공구 호출시에는 예비 공구가 추출되어 사용 된다. 인 프로세스에 의하여 공구수명에 도달했다고 판단되었을 경우에는 더이상 가공을 계속하는 것은 위험하다는 삽입 프로그램에 의하여 퇴피, 격납, 강제 배출을 행할 수 있다.

앞으로의 과제

가) 칩의 cost down과 대용량의 칩이 필요하다.

나) 머시닝 쎈터에 의한 적응제어의 실용화가 필요하다.

다) 다인 공구에 의한 단속절삭, 적응제어의 알고리즘의 확대

라) 테일러의 공구수명 일정제어, 가공능률과 공구 cost에 의한 최적 경제제어 시스템의 도입이 절실하다.

3.  연강을 CNC lathe에 의하여 절삭할 때 chip breaking에 대하여 설명하시오.

자동화의 애로 사항 중에 하나가 chip의 처리 문제이다. 가령 칩이 breaking 되더라도 칩이 tool이나 가공물 혹은 로더에 얽혀들면 자동화를 방해하는 요소가 된다. 공작물과 칩의 관계, 가공후에 칩처리 문제는 자동화에서 매우 중요한 요소이다.

      

CNC lathe에서 칩처리는 최적의 칩브레이커 선택 및 최적 절삭조건의 선정이다. 그러나 절삭공구, 절삭액, 절삭조건 등에 의하여 칩의 상태가 변하게 되므로 일률적으로 대책을 세우는 것은 곤란하다.

1. 칩 제거판을 이용하는 방법 : drill등에 감겨드는 칩을 공구대 saddle에 칩 제거판을 설치하여 칩을 제거하는 방법이다.

2. 고압 절삭액의 분사에 의한 칩처리 :  고압 절삭액의 분사에 의한 chip 처리도 유효 하다. 정삭 바이트에 의한 중간 다듬질 가공시 고압 분사액을 분사할 경우 chip이 척이나 가공물에 접근하는 것을 방지하고 냉각 및 chip의 흐름방향을 유도하여 칩처리가 양호하게 된다. 또 적은 지름, 깊은 구멍 가공에도 유효하다.

3. step feed 2단 이송에 의한 칩처리 : 다듬질가공, 또는 홈 가공, 이송 속도가 늦은 가공에서는 chip이 전단되지 않는 경우가 많다. step feed, 또는 중간 이송을 high speed로 하여 최종 다듬질시 칩의 두께를 변화시키는 2단 이송으로 효과를 거둘 수 있다.

4. 진동 절삭에 의한 chip breaking : 진동 절삭을 하므로서 칩 처리는 높은 효율을 기대할 수 있으나 실용화를 위해서는 기계의 강성, 절삭 공구에 대한 많은 보완이 필요 하다.

5. 절삭 공구 회전에 의한 chip 전단 : 절삭 공구를 회전 시켜서 가공하는 방법이다. 합리화의 하나로 회전 공구를 갖춘 CNC lathe이 출현하고 있으며 회전 공구를 이용하므로서 단속절삭이 되어 칩을 전단할 수 있다.

6. 칩 배출 검출 : 주축 스핀들 속으로 칩을 흘려서 배출하는 방법으로 칩 배출여부를 chip 통과 센서로 캐치하고 있다. chip breaker의 마모를 감지할 수 있는 간접적인 효과도 있다.

7. 가공후의 칩처리 : chip을 기계 밖으로 반출하는 방법으로 칩 컨베이어가 있으며, 칩 컨베이어에는 여러가지 type이 있어 공작물의 재질, chip 모양에 따라 선택 한다. CNC lathe에서는 일반적으로 힌지형의 컨베이어가 사용된다.

이밖에도 part catcher, robort, 계측장치 등이 필요하며 앞으로 더 많은 연구가 필요하다.

4.  기계 가공에서 초음파의 이용에 관하여 설명하시오.

1950년경 미국과 영국에서 개발된 방법이다. 초음파 진동을 하는 방향으로 공구와 공작물 사이에 저립과 공작액을 넣고 초음파를 발생시키면 저립이 공작물과 충돌하여, 다듬질 하는 가공 방법이다. 이 방법은 전기적 energy를 기계적 energy로 변환하여 금속, 비금속 재료에 제한없이 정밀가공에 이용된다.

고주파 발생장치로 진동자에 20～30 KHz/sec의 진동을 발생시켜  이것을 exponential hone으로 진폭을 확대하여 그 진동을 공구에 전달한다. 공작액 중에서 공구에 이송을 주면 공구 단면형의 구멍이 뚫어지거나 홈이 가공된다. 

저립으로는 Al₂O₃, SiC, Diamond 분말등을 #200～600으로 하여 물, 기름, 석유와 혼합하여 사용한다.

진동자의 원리는 Ni봉을 자장에 넣으면 수축 현상이 생기고 이것에 코일을 감아서 고주파 전류를 통하면 Ni봉에 교류 자계가 생겨 진동수 20～30 KHz/sec의 진동을 한다.

공구 재료로는 spring steel, stainless steel, tungsten steel, piano 선재, monel metal 등이 사용된다.

공작물과 공구간에 압력은 200～300 g/mm²정도이며, 가공면의 정도는 2.5μ 정도이다. 가공할 수 있는 재료는 초경합금과 같이 경한 재료로부터 유리 도기 등의 비금속 재료, 게르마늄 같은 반도체까지 광범위하다.

초음파 가공의 장점으로는

1) 구멍을 가공하기 쉽다.(보통 초음파 드릴 (ultrasonic drill) 이라 한다) 공구를 회전 시키면서 복잡한 형상을 갖는 구멍도 뚫을 수 있으며, 굽힌 공구를 이용하면 굽힌 구멍도 뚫을 수 있다.

2) 복잡한 형상을 한 면의 가공도 쉽게할 수 있다. 공구에 조각을 하여 프레스 형틀(press dia)을 제작할 수 있다.

3) 전기적으로 불량 도체도 보통 금속과 동일하게 가공할 수 있다.

4) 연삭 가공에 비하여 가공면의 변질 및 strain이 적다.

5) 랩제가 미세한 것을 사용하면 경면에 가까운 면을 얻을 수 있다.

5.  연삭 가공시 spark-out time에 대해 설명하시오.

연삭에 있어서 연삭숫돌, 절삭조건, 가공물의 재질, 절삭 깊이, 연삭액 사용 유무에 따라 연삭입자의 탈락이 달라질 것이다. 연삭 입자가 탈락함에 따라 연삭치수가 변할 것이며, 연삭에 여러가지 형태로 영향을 미칠 것이다.

연삭에서 숫돌의 마모가 없고, 연삭기가 강체라면, feed만큼 실제로 연삭이 될 것이다. 그러나 실제 연삭에 있어서 구조의 변형과 숫돌의 마모, 연삭 저항에 의하여, feed의 양보다 적게 연삭된다. 더이상 feed를 주지 않고 계속 연삭을 수행하면 구조의 변형, 연삭저항에 의하여 남아 있던 부분이 연삭되어 거의 제거 된다. 이러한 상태를 spark-out time라고 한다.

정상 상태에서 가공물, 숫돌 및 지지대의 총 변형량을 бt 라 하면

       бt = Ft / Sw+Si+St 로 나타낼 수 있다.

       Ft = ( πdw×ap×Vf / Λw ) + Fto

       ∴ бt = (πdw×ap×Vf/Λw) +Fto / Sw+Si+St

      sparking-out time ts 는

   

       ts = m/nw = 2π×ap×dw/Λw×Se

       Ft  : 추력

       nw : 공작물의 단위 시간당 회전수

       m  : 가공횟수

       ap  : 연삭 폭

       

      절삭폭 ap는 sparking-out time를 감소 시킨다.

      해석에 있어서 숫돌의 마모를 고려하지 않았다.

      연삭성이 불량한 재료에 대하여 숫돌의 마모는 피 연삭재에 비하여 크고 sparking-out time은 감소하고 가공물의 치수는 과대하게 된다.

6.  가단주철에 대하여 설명하시오.

주철은 주조성이 대단히 좋으나 취약 하다. 주강은 강하고 인성이 있으나 용해 온도가 높고 주조성이 주철만큼 좋지 않으며 표면이 고운 주강을 얻기 어렵다. 일반적으로 이 중간 성질을 가진 주철이다. 백선주물을 풀림처리하여 페라이트와 흑연 탄소로 만들어 연성을 갖게한 주물이 가단주철이다. 가단 주철에는 백주철을 풀림처리한 백심 가단주철과 흑연화를 목적으로하는 흑심 가단주철 및 흑연화를 목적으로하나 일부의 탄소를 Fe₃C로서 잔류시키는 퍼얼라이트 가단주철 등 3 가지가 있다.

1. 흑심 가단주철(black heart malleable cast iron)

저탄소, 저규소의 백선 주물을 풀림 열처리하여 시멘타이트를 분해시켜 흑연을 입상으로 석출 시킨것을 흑심 가단주철이라 한다. 백주철을 900～950℃로 가열하면 오스테나이트와 시멘타이트가 되며 이 온도에서 20～ 30시간을 유지하면 Fe₃C → 3Fe + C와 같이 시멘타이트가 분해되어 흑연과 오스테나이트가 된다. 즉 흑연이 석출하는데 이것을 1 단계 흑연화라 한다. 이것을 냉각하면 오스테나이트는 과포화 상태에 있는 C를 흑연과 시멘타이트로 석출시키고, 시멘타이트는 계속하여 흑연으로 분해한다. A₁ 변태점에서 오스테나이트는 많은 양의 퍼얼라이트로 변한다. 이 펄라이트 중의 시멘타이트는 A₁ 부근의 온도(700～730℃)에서 장시간 (25～40시간)정도 유지하면 제2단계 흑연화가 된다.  900℃에서 600℃로 냉각할 때는 5℃/hr 정도로 한다. 흑심가단주철은 백심가단주철과 같이 풀림 상자에 넣을 필요가 없으므로 다량 생산에 적합하여 용도가 많다. 자동차, 모터 싸이클, 기타 차량의 frame, 조인트류, 캠, 관 이음쇠, 건축용 전선의 이음부, 가정용품, 농기구류 등 많은 용도에 활용된다.

2. 퍼얼라이트 가단주철

흑심 가단주철의 흑연화를 완전히 하지 않고 제2단계 흑연화를 막기 위해 제1단계 흑연화 후에 약 800℃에서 일정시간 유지하고 급랭하면 퍼얼라이트가 남는다. 또 2단계 흑연화를 중도에서 중단하고 냉각하면 그 정도에 따라 퍼얼라이트가 적당히 남게되어 인장 강도가 크고(40～70Kg/mm²) 연율은 다소 감소된(30% 정도) 퍼얼라이트주철이 되며 기어, 밸브, 공구 등 큰 내마모성이 요구되는 곳에 쓰인다.

3. 백심가단주철

백주철을 산화철과 풀림처리 상자에 넣고 약 900℃～1000℃로 가열하면, 산화철에 산소가 작용하여 백주철 표면이 탈탄된다. 이 온도에서 50～80 시간이 경과하면 상당히 깊은 곳까지 탈탄된다. 온도가 너무 높으면 산화제의 산화력에 의하여 표면에 산화층이 두꺼워진다.

가열온도는 서서히 하고 풀림온도에서 일정한 시간 동안 등온을 유지한 후 5℃/hr의 냉각속도로 850℃까지 서냉(노중냉각)한다. 퍼얼라이트가 많아져 풀림처리에 의한 흑연이 섞여 중심부에 유리 시멘타이트가 존재하는 희고 굳은 단면이 된다. 강도는 흑심가단주철보다 다소 높으며 연신율은 적다. 백심가단주철의 표면이 탈탄되어 페라이트로 변하여 연해지며 내부로 들어갈수록 탄소가 많아진다. 자전거, 자동차 부속품, 방직기 부속품 등으로 쓰인다.  

7.  절삭유제의 극압 첨가제(extreme pressure agents) 및 계면 활성제(surface active agents)가 절삭 및 연삭 가공에 미치는 영향에 대하여 설명하시오.

금속을 가공할 때 공구와 가공물 사이에 마찰이 커서 온도가 상승한다.  그러나 보통 절삭 가공에서의 온도는 200℃ 전후로서 절삭유제는 이미 윤활능력을 잃어 효과가 거의 나타나지 않는다. 따라서 높은 온도에서도 윤활을 가능케하기 위하여 극압 첨가제나 계면 활성제를 사용한다.

1. 극압 첨가제

극압유로서 염소, 유황, 인 등을 고속 중절삭일 때 사용하고 있으며 이러한 극압 첨가제는 200℃가 넘는 온도에서 금속과 작용하여 새로운 화학물질을 발생시켜 이것으로 고온에서 윤활작용을 하도록 한다.

염소 gas에 의해서 강의 표면에 생성하는 염화철은 400℃ 부근까지 경계마찰을 행하는 마찰계수를 1.0 이하로 한다. 유황에 의해서 생성된 유화철은 800℃ 부근까지 경계마찰을 행하는 마찰계수가 1.0 이하이다. 이것은 어떤 온도에서 금속과 작용하여 새로운 화합물을 만드는데 이것이 상당히 높은 고온에서도 윤활 작용을 하게 된다. 결국 윤활 작용은 바이트와 칩 사이, 즉 경사면의 마찰 및 바이트와 피삭제 즉 여유면과의 마찰을 감소시켜 절삭열이나 바이트의 마멸을 적게하여 구성인선을 방지하고 공구수명을 연장하며 다듬질면을 좋게하므로 기어절삭, 탭절삭, 연삭, 세이빙 등에 많이 사용된다.

2. 계면 활성제

8.  구성인선의 발생 원인과 가공에 미치는 영향 및 방지 대책에 대하여 설명하시오.

1. 구성인선의 발생원인 과 특성

절삭공구에 의하여 절삭작업을 할 때 chip과 공구면 사이에 높은 압력과 큰 마찰저항 및 절삭열에 의하여 chip의 일부가 바이트 인선에 용착하여 대단히 굳은 퇴적물로 되어 절삭날과 같은 작용을 하면서 절삭이 계속되는 경우가 생긴다. 이와같은 현상을 built-up edge(구성인선)라 한다. 특히 이것은 연강, 스테인레스강, 알루미늄 등과 같이 연질재료를 절삭할 때 발생하기 쉽고 날끝에서 일어나는 고온의 마찰열과 높은 압력때문에 절삭공구와 가공물의 친화력 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다. 그 특징을 살펴보면

가) 1/50～1/200 sec의 주기로 발생→성장→분열→탈락의 과정을 반복한다.

나) 절삭속도 120 m/min 이상에서는 소멸되며 이 속도를 임계속도라 한다.

다) 경사각이 적을때 발생하기 쉽고 경사각이 30°이상되면 소멸된다.

라) 주철, 청동, 유리등의 절삭에서는 발생하지 않는다.

마) 구성인선은 치수의 불량과 다듬질면을 거칠게 한다.

바) 절삭저항이 증대하며 표면 변질층이 깊어 진다.

사) 구성인선이 발생하면 바이트 인선의 탈락으로 마모가 커진다.

       

2. 구성인선의 방지대책

가) 절삭속도가 임계속 이상이 되도록 절삭 조건을 정한다. 즉 절삭속도를 크게 하든지 저속에서는 이송을 크게한다.

나) 구성인선의 발생은 경사각과 관계가 크므로 적당한 조건의 경사각을 선정한다. 그러나 경사각을 크게하면 바이트의 인선이 약화되므로 실용적이지 못하다.

다) chip과 bite 사이에 윤활을 완전하게 한다. chip과 bite 사이에 유막이 존재하면 chip은 bite에 융착하지 못하므로 구성인선의 발생이 어렵다. 그러나 완전한 윤활은 어렵기 때문에 실제로는 일반적인 가공에서는 임계속도 이상에서 절삭하고, 나사가공이나 R 가공 또는 총형 절삭 등에서는 완전한 윤활을 행하는 것이 가장 효과적이다.

9.  CO₂ gas welding에 있어서 용접선의 종류 및 용접성(weldability)에 대하여 설명하시오.

CO₂ gas welding 은 He, Ar 같은 불활성 gas 대신에 CO₂ gas를 이용한 용극식 용접 방법이다. 불활성 gas로 연강을 용접하는 것은 비 경제적이며 기공 발생 염려가 있다.

CO₂ gas 는 불활성 gas가 아니므로 고온 상태의 arc 중에서는 산화성이 크고 용착금속의 산화가 심하여 기공 및 기타의 결함이 생기기 쉬우므로 Mn, Ti, Si, Al 등의 탈산제를 많이 함유한 Mn-Si계 wire와,  값싼 CO₂, O₂ 등의 혼합 gas를 쓰는 CO₂ - O₂ arc welding 등이 개발되었다. 그 후에 개발된 시일드 가스로는 CO₂ - Ar, CO₂ - Ar - O₂ 등 여러가지 혼합법이 발명되었다.  한편 심선에도 용제가 들어 있는 wire를 쓰는 방법도 있다.

직류 역극성으로 하며 대 전류 밀도에 있어서도 용적(熔滴)이 분무상태로 이행되지 않고 큰 덩어리로 이행되기 때문에 비드가 거칠고 spatter도 많으나 동일 전압과 전류에 있어서는 MIG 용접에서보다 용입이 깊다.

1. Wire 의 종류

CO₂ gas welding용 wire는 탈산제의 공급방식에 따라

① wire 뿐인 soild wire, ② 용제가 심선 속에 들어 있는 복합 wire(flux wire), ③ 자성을 가진 CO₂ 기류에 혼합하여 공급하는 자성용제(magnetic flux) 등이 있다.

2. 용접법의 특징으로는

 가) 장점

    * MIG 용접에 비하여 용착금속에 기공의 생김이 적다.

     * 서브머지드 용접에 비하여 오물의 영향을 적게 받으므로 완전한 청소를 하지 않아도 된다.

     * 100～300 A/mm²의 용접밀도로 용입이 깊고 용접속도를 빠르게할 수 있다.

     * 스패터가 적고 안정된 아크를 얻을수 있다.

     * 시공이 편리하다.

     * 용착금속의 기계적 성질 중 강도와 연신성이 우수 하다.

     * 슬랙 잡입 현상이 적고 정확한 용접이 가능 하다.

     * 값이 싼 CO₂ gas라서 경비가 적게들고 은점이 생기지 않는다.

 나) 단점

    * CO₂ gas 라서 위험하며 작업중 환기에 유의 하여야 한다.

     * 산화가 심하며 결함이 생기기 쉽다.

10.  판재의 압연 공정에서 다음 물음에 답하시오.

󰊱 재료가 자력으로 roller에 물려 들어갈 조건에 대하여 설명하시오.

󰊲 중립점(no slip point)을 설명하시오.

󰊳 다단 압연기가 사용되는 이유를 설명하시오.

1. 재료가 자력으로 roller에 물려 들어갈 조건

압연 시 로울이 판재를 누르는 힘 P, 로울과 판재의 마찰력 μP, 로울과 판재의 접촉각 α일때, P의 분력 Psinα 와 μP 의 분력 μPcosα가 서로 반대이므로 μP의 분력이 P의 분력보다 크면 자력으로 roller에 물려 들어갈 조건이 된다. 이것을 식으로 나타내면

       μPcosα ≧ Psinα

         ∴μ ≧ tanα

그러므로 접촉각 α가 적든지 마찰계수 μ가 커지면 자력으로 로울에 물려 들어갈 조건이 된다. 그러나 μ〈 tanα일 경우라도 α가 많이 크지 않으면 처음 시작할 때 재료의 후방에서 로울 사이에 밀어 넣어 주면 압연 압력에 의하여 자력으로 압연이 가능하여 진다.

2) 중립점(no slip point)

재료가 로울러 입구에서 출구로 향하여 통과 속도 V는 증가하게 된다. 로울러의 원주속도는 일정하나 압연 로울러 접촉면 A에서 B 사이의 모든 점에서 재료의 속도가 로울러의 원주 속도와 동일하지 않고 A 부분에서는 느리고 뒤로 미끌어지며 B 부분에서는 속도가 빠르게 되어 앞쪽으로 미끌어지는 현상이 생긴다. A와 B 사이의 어떤 점에서는 재료의 통과 속도와 압연 로울의 원주속도가 등속으로 이동되는 점이 있다. 이점을 중립점 이라 한다.  중립점을 경계로 로울러와 재료의 마찰력 방향이 변한다. 재료의 내부 응력 상태도 중립점을 통과하는 단면을 경계로 하여 변한다.

3) 다단 압연기가 사용되는 이유

로울 직경을 적게하면 압연 압력 및 동력을 절약할 수 있고 작업속도를 크게할 수 있으며 로울의 제작비도 적게 든다. 그러나 로울이 처지거나 파손될 우려가 있으므로 굵은 로울로 배후에서 지지하는 구조로 된 것이 다단식 압연기다. 작업에 직접 사용되는 로울을 작업 로울, 지지하는 굵은 로울을 지지 로울이라 하며, 지지 로울의 개수에 따라 6단식, 12단식, 20단식 등의 종류가 된다. 특히 센쥐미어 20단 압연기는 작업 로울 직경을 매우 적게하고 작업 로울의 간견을 정밀하게 조정할 수 있으며 두께가 고른 균일한 제품을 얻을 수 있다. 따라서 얇은 강판의 냉간 압연에 적합하다.

11.  강의 표면 경화법중 침탄법과 질화법을 비교 하시오.

철강 부품의 표면만을 단단히하고 내부는 인성을 그대로 유지하여 내 마모성, 내 피로성을 더욱 향상시키는 처리를 표면 경화라 하며 물리적 표면 경화법과 화학적 표면 경화법으로 분류 한다.

1. 침탄법

침탄은 0.2 %의 이하의 저탄소강 또는 저탄소 합금강 재료를 침탄재와 함께 가열하여 그 표면에 탄소를 침입 고용시켜 표면에는 경도를 요하면서 내부에는 인성을 갖도록 한다. 표면에는 내마모성을 주는 동시에 충격에도 견딜수 있도록 하는 방법이다.

가) 고체 침탄법 : 침탄제와 침탄 촉진제를 6 : 4 정도로 배합하여 침탄 상자 속에 침탄할 부품과 함께 넣고 가열로 안에서 900～950℃로 3～4 시간 가열하면 재료의 표면에 0.5～2 mm 정도의 침탄층이 생긴다. 침탄제로는 목탄, 코크스, 골탄, 흑탄 등이 쓰이고  침탄 촉진제로는 등이 쓰인다.

나) 액체 침탄법 : 액체 침탄법은 청화법이라고도 하며 황혈염 등의 CN 화합물을 주성분으로 NaCN, KCN와 NaCl, KCl, Na₂CO₃, K₂CO₃, BaCl₂, BaCl₃, 등을 첨가한 액중에 침지 하거나 살포하는 방법이 있다. 보통 침탄법은 탄소만 침투되지만 청화법은 침탄과 질화가 동시에 진행 된다.

다) gas 침탄법 : 고체 및 액체 침탄과는 달리 침탄성 gas 분위기 속에서 900℃ 전후로 가열하여 침탄한 다음 담금질하는 방법이며 품질 관리는 쉬우나 침탄 비용이 높으므로 고급제품의 다량생산에 적합하다. 침탄제로 사용되는 gas 로는 CO₂, CO, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C_nH_m 등 주로 천연 가스이다.

   

2. 질화법

질소는 고온에서 철 또는 강철에 작용하여 질화철을 형성한다. 이 질화물은 경도가 크고 취성이 있다. 그러나 금속 표면에만 작용 시키면 마모저항 및 경도가 큰 재질이 된다. 암모니아 가스 중에서 500～550℃로 장시간(50～100 hr)가열하면 N₂를 흡수하여 Fe₄N, Fe₂N 등의 질화물이 형성 된다. 특징으로는

     1) 경화층은 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.

     2) 마모 및 부식에 대한 저항이 크다.

     3) 침탄강은 침탄 후 담금질하나 질화강은 담금질할 필요가 없고 변형이 적다.

     4) 600℃ 이하에서는 경도가 저하되지 않고 산화에도 강하다.

3. 침탄법과 질화법의 비교

분 류	침 탄 법	질 화 법
경 도	질화법 보다 낮다	침탄법 보다 크다
열 처 리	침탄후 열처리 핅요	질화후 열처리 불필요
변 형	경화에 의해 변형 발생	변형이 적다.
취 성	질화층 보다 여리지 않다	질화층은 여리다
수 정 여 부	침탄후 수정이 가능	수정 불가능
뜨 임	뜨임이 되고 경도 저하	고온에서도 경도 유지

12.  압연 강판으로 압력 용기(pressure vossel)를 제작하였다. 로(furnace) 내에서 용접부의 잔류 응력을 제거하기 위한 annealing 열처리법에 대하여 설명 하시오. (KS SBB42, C 0.24%, enRp 25 mm)

금속은 가열 냉각에 따라 팽창 및 수축하는 성질이 있다. 용접 작업에서는 일 부분만 급열, 급랭하는 것이 보통이므로 각 부분의 팽창과 수축은 온도의 영향이 적은 부분에 의해서 억제가 생기게 된다.  그 결과로 잔류응력이 발생하며 이 응력을 제거 및 완화하는 방법으로는 노내 풀림법, 국부 풀림법, 저온 응력 완화법, 기계적 응력 완화법, 피이닝에 의한 방법 등이 있다.

그 중에서 노내 풀림법이 응력제거 열처리법 중에서 제일 많이 이용되며 효과도 큰 방법이다.  이것은 제품 전체를 노 속에 넣고 적당한 온도에서 일정 시간 유지한 후 서냉 시키는 방법이다. 잔류응력 제거는 어떤 한계 내에서 유지 온도가 높을수록 유지 시간이 길수록 효과가 크다.

연강의 경우 가열 냉각속도 R은

        R ≨ 200 × 25/t (deg/h)

판두께 25 mm에 대하여 10℃ 변화에 20분의 시간이 적절하다.

KS SBB42, C 0.24%, t 25mm 인 재료에 대해서는

        유지온도 625℃ ± 25℃

        유지시간 1 시간 정도가 적절하다.

응력제거 풀림 처리는 열을 가하는 관계로 잔류 응력이 제거될 뿐만 아니라 다음과  같은 효과도 얻을 수 있다.

     가) 용접 잔류 응력이 제거된다.

     나) 열 영향부가 템퍼링되어 연성을 갖는다.

     다) 응력 부식에 대한 저항력이 증가한다.

     라) 크리이프 강도가 증가한다.

     마) 충격 저항성이 증가한다.

     바) 치수의 안정화가 실현된다.

     사) 용착 금속 중의 H₂ gas가 제거되어 연성이 증가한다.

13.  강의 열처리시 quenching crack의 발생원인과 방지법을 설명하시오.

담금질할 때 작업 중 또는 작업 직후 얼마되지 않아 균열이 생기는 경우가 있다. 이것을 담금균열이라 한다.

1. quenching crack 의 원인

     가) 담금질 직후에 나타나는 담금질 균열

담금질할 때 가공물의 표면은 급속한 냉각으로 인해 수축이 생기는 반면, 내부는 냉각속도가 느려서 pearlite 조직으로 변화하여 팽창되기 때문이다. 즉 표면은 수축하고 내부는 팽창하여 생기는 담금질 균열이다.

     나) 담금질후(2～3분)에 생기는 균열

austenite 상태가 martensite 조직으로 변할 때 생기는 갑작스러운 팽창 응력 때문에 생기는 담금질 균열이다. 마르텐사이트가 오스테나이트 조직보다 훨씬 체적이 크므로 체적 팽창이 일어 난다. 이 밖에 불순물이 존재하거나, 결정립이 조대하거나, 담금질이 불균일 하거나, 설계가 부적당할 때도 발생한다.

2. 방지 대책

담금질 조건이 좋은 강재를 선택하고 복잡한 모양의 소재나 구멍 뚫린 재료는 급냉을 피하고 250℃ 부근에서 냉각 속도를 감소시키는 것이 좋고, 일반 재료는 담금질후 200℃의 온도에서 적당한 시간을 유지 하든가 유중에서 냉각시키면 담금질 균열을 방지할 수 있다.

3. 담금질시 유의할점

     가) 조직과 재질을 파악하여 가열과 냉각 방법을 검토한다.

     나) 재료의 크기에 따른 냉각속도를 결정 한다.

     다) mass effect를 고려하여 온도를 균일하게 가열하고 표면과 내부의 온도가 같은 holding time 을 결정한다.

     마) 냉각시 급히 흔들어 주어야 한다.(작은 재료는 직선방향으로)

     바) 길고 얇은 재료는 정면 수직으로 담금질하고 수직방향으로 흔들어 bending 등의 변형을 막는다.

     사) 재료는 가능한한 모서리를 라운딩시켜 균일한 경도를 갖게한다.

     아) 크고 두꺼운 쪽을 먼저, 작고 얇은 쪽을 나중에 넣어 담금질 속도의 균형을 유지 한다.

     자) 담금질 후 10분 이내로 tempering 한다.

14.  측정기의 특성이나 품질을 나타내기 위하여 일반적으로 사용되는 다음의 용어들에 대하여 설명하시오.

1. 정확도(accuracy)

계통적 오차의 작은 정도. 참값에 대한 한쪽으로의 치우침 정도.

      

2. 정밀도(precision)

우연오차, 측정 값의 흩어짐의 작은 정도, 우연 오차의 크기로 결정되므로 흩어짐의 정도. 모표준편차 σ를 사용하여 표시할 수 있다. σ가 작을수록 흩어짐이 적으며 정밀도가 좋음을 표시한다.

3. 배율(magnification)

눈금선 간격 L을 최소눈금 S로 나눈값으로 배율 V는  V = L / S

예를들면 눈금선 간격 0.75 mm, 최소눈금 0.01 mm의 인디케이터 배율은

        V = 0.75 / 0.01 = 75배

4. 감도(sensitivity)

측정기의 민감한 정도를 표시하는 것으로 측정량 변화에 대한 지시량의 변화이며 다음과 같이 나타낸다.

감도 E는  E = ΔH / ΔM   ( ΔH :  측정량의 변화     ΔM : 지시량의 변화 )

5. 해상도(resolution)

투영상이 찌그러지는 것을 왜곡(distortion)이라 하고, 모든 부분이 스크린 중심에서나  가장자리에서나 선명해야 하는데 이렇게 선명하게 보이는 정도를 해상도라 한다.

6. 보정(calibration)

동일 측정 조건하에서 같은 부호, 같은 크기의 오차가 발생할 때 측정기를 검사하여 측정치를 수정 하는 것. 예를들면 -0.05 mm 오차가 있는 버니어로 가공물을 측정했을 때 15.25mm 라면 실제값은 15.25 + 보정값(0.05) = 15.30이 된다.

7. 선형성(linearity)

8. 안정성(stability)

9. 10 규칙(rule of 10)

15.  공작기계 용 유압 회로에 대하여 쓰시오.

여러 가지의 유압기기를 조합한 유압 장치의 작동과 구성을 기호로 사용하여 도면에 표시한 것을 유압 회로라 한다. 유압회로에 의하여 작동 유체가 어떤 유압기기를, 어떤 순서로, 어느 방향으로 흘러서 일을하게 되는가를 나타낼 수 있다. 유압식을 대표하는 공작기계에는 원통 연삭기, 플레이너, 세이퍼, 브로우칭 머신,  밀링 머신 등 여러가지 기계에 광범위 하게 사용된다.  유압장치를 이용하는 목적은 힘의 제어, 위치 및 방향의 제어, 양의 제어이다. 이 세가지는 일의 삼요소인 크기, 방향, 속도와 각각 관련이 있으며 이들의 제어가 유압회로의 기본회로이다.

1. 힘의 제어회로

unload valve를 사용하는 회로 중 고압 및 저압의 두가지 pump를 사용하는 것으로 press나 공작기계 등에서 급속히 작동할 때는 많은 유량의 저압 oil을 필요로 하게되고, 가공물을 조이거나 절삭 이송시와 같은경우에는 작은 유량의 고압 oil을 필요로 하게된다.  두개의 pump를 두고 급속 이송시는 두개의 펌프를 사용하고, 조이거나 절삭 이송시는 고압 소량의 펌프만을 작동시키는 원리로 구성한다. 감압 회로는 펌프가 1개뿐인 경우, 회로계보다 낮은 압력을 공급하기 위하여 감압밸브를 사용하는 경우이다. 용접기에도 사용하는 회로이며 릴리프 밸브에 설정된 압력으로 죔 실린더에 강한 압력을 사용하고 감압 밸브로 조정된 저압으로 용접 실린더를 움직이게 된다.

2. 위치 방향 제어회로

큰 하중이 걸렸을 때 또는 압력의 저하로 피스톤이 하강하거나 후진하는 경우가 있다. 이러한 것을 방지하기 위하여 실린더로 통하는 관로를 차단하면 피스톤을 적당한 위치에 고정하여 정지시킬 수 있다.

  가) 고정회로(locking circuit) : 파일럿 체크 밸브를 사용한 위치 제어회로로서 단조기계, 압연기계 등의 큰 외력이 작용할때 정지 위치를 유지하는데 사용한다.

  나) 시퀜스 회로 : 방향 제어회로로서 드릴머신의 기본회로로 사용된다.

3. 속도 제어회로

유압 실린더나 유압모터의 속도를 제어하려면 유량을 제어하여야 한다.

  가) meter-in circuit : 유량제어 밸브가 실린더 입구쪽에 설치

  나) meter-out circuit : 유량제어 밸브가 실린더 출구쪽에 설치되어 있으며 이 회로의 특징은 미세한 속도조정이 가능하며, 피스톤의 배압때문에 가공물에 절삭공구가 파고 들어가는 현상을 방지할 수 있다. 밀링머신, 드릴머신, 세이퍼 등에 널리 이용되고 있다.

  다) blead-off circuit : 유량제어 밸브가 실린더 입구의 압력 쪽에 설치되어 있으며 하중에 따라 펌프의 압력이 변화한다.

  라) 재생회로 : 전진할 때의 속도가 펌프 배출 속도 이상이 요구되는 특수한 경우에 사용되며 소형 press 등에 널리 이용된다.

  마) 안전장치 회로 : 주로 압연 로울러 등에 사용되고 있다.

  4. 압력 제어회로

압력을 제어하는 회로는 유압장치중에서 중요한 회로이며 이를 적당히 사용하면 과부하 작용이 방지되고 충격을 최소한 억제할 수 있다.  종류에는 2개의 릴리프 밸브를 사용하는 방법, 압력을 단계적으로 변화시키는 방법, 압력을 연속제어하는 방법 등이 있다.  

16.  치형을 구성하는 대표적인 치형 곡선과 압력각에 대하여 기술하라.

                  

 gear는 강력한 전달력과 확실한 속도비를 가지고 회전 운동을 하기 위하여 사용된다.  gear의 이가 피치원을 마찰차로 했을 때와 같이 항상 일정한 회전 운동을 연속적으로 전달하려면 접촉면에서의 치면의 공통 수선이 항상 정점( 피치점 0)을 통해야 한다. 이 조건을 만족하는 대표적인 치형 곡선은 inbolute curve와 cycloid curve가 있다. 현재는 inbolute curve가 많이 사용되며  cycloid curve는 특수한 경우에만 사용된다.

     

1) inbolute curve

원통에 실을 감았다가 풀어 나가는 궤적의 원리로 단일 곡선으로 형성되어 치절공구(齒切工具)를 정확하게 만들기 쉽다. 기어도 정밀하고 정확하게 제작하기가 쉬우며 제작비가 싸고 호환성이 높다. 이뿌리가 튼튼하며 두축의 축간 거리에 다소 차이가 있어도 별 문제는 없으나 마모가 크다. 피치원상에서 치형의 접선과 기어의 변경 선이 이루는 각도를 압력각(pressure angle)이라하며 14.5°와 20°가 가장 많이 쓰인다. KS B에 제정된 것은 기준 압력각 α=20°의 inbolute curve 이다.

2) cycloid curve

원통의 안팎에 작은 원을 접촉하면서 로울링 할때 생기는 궤적의 치형 곡선이다. 이때 바깥면에 생기는 궤적을 epicycloid curve, 내면에 생기는 궤적을 hypocycloid curve라 한다. cycloid curve 치형 곡선은 단일 곡선이 아니기 때문에 치절공구를 정확히 제작하기 어렵고 정밀하고 정확한 gear 제작이 어렵다. 두축의 중심 거리가 정확하지 않으면 정확한 운동의 전달이 어렵다. 그러나 involute curve에 비해 미끄럼이 적고 마모에 유리하므로 정밀기계나 계측기류의 gear에 많이 사용된다.

17. . 절삭 공구의 공구수명 방정식의 결정 방법을 기술하라.

tool life는 예리하게 연삭된 공구를 사용하여 동일한 가공물을 일정한 조건으로 절삭하기 시작하여 절삭 공구가 마모되어 절삭되지 않을 때까지의 시간이다. 드릴 작업의 경우에는 공구수명 시간을 절삭한 구멍 길이의 총계로서 표시하기도 한다.

공구 수명의 판정법에는 여러 가지가 있으나 가장 일반적인 것은 다음과 같다.

     ① 가공면에 나타나는 광택있는 색조 또는 반점에 의하여

     ② crater wear(마모) 또는 flank wear 양에 의하여

     ③ 공구 인선의 마모가 일정량에 달했을때

     ④ 완성 가공된 치수의 변화량에 의하여

     ⑤ 절삭 저항의 급격한 변화량에 의하여 판정 한다.

이 중에서 ②항에 의한 방법을 살펴본다. 일반적으로 flank wear의 폭으로 공구수명 판정의 기준으로 삼는다. flank wear에 의한 공구 수명을 판정할 때 다음 순서에 의한다.

     ① 절삭 시간과 wear의 폭 관계를 graph로 그리고 wear land가 0.3㎜.(고속도강 기준)인 점에서 절삭속도(V₁,V₂, ---V_n )와 공구수명(T₁,T₂, ---T_n)을 구한다.

     ② 앞에서 구한 절삭속도 (V)와  공구수명(T)을 대수 좌표에 옮긴다.

     ③ 대수좌표에서

       에서 가 된다.

여기서 를 Taylor 방정식이라고 하며 C는  T = 1min일 때 V값이다.  flank wear land의 폭에 따라 다르나 일반적으로 사용되는 n의 값은

     고속도강(HSS): n= 0.05 - 0.3

     초경합금(WC) : n= 0.12 -0.25

     세라믹 : n= 0.35 -0.55 정도

즉, 절삭 시간과 절삭 속도를 wear land를 기준으로 대수 좌표에 옮겨 n을 구하여 Taylor의 방정식 VTⁿ= C에 대입하여 공구수명 C를 구한다.

공구 수명에 영향을 주는 인자로는 다음과 같은 것들이 있다.

1) 공구의 각 : 고속도강과 같이 열에 예민한 절삭 공구에서는 경사각의 증가와 더불어 절삭열의 발생이 적어져서 공구 수명이 커지나, 경사각이 너무 크면 인선의 강도가 떨어져 chipping이 생기고 열을 흡수할 수 있는 질량이 감소하여 오히려 고온으로 된다.

2) 구성인선,절삭속도,이송속도 : 금속 절삭에서 절삭속도와 이송속도가 크게 증가하면 경사면에서의 온도가 상승하기 때문에 마찰이 감소하여 구성인선이 생성되지 않거나 초기에 소멸되지만 공구의 연화로 인하여 crater 마모가 크게된다.

18.  소결 초경 합금 공구의 선정 기준을 설명하라.

        

초경 합금은 WC, TiC, TaC 등의 경질합금 탄화물 분말을 Co, Ni 등의 결합제로 1400℃ 이상의 고온에서 압축 소결하여 제조한 절삭 공구이다. 1926년 초경합금 특허를 받은 독일의 크루프(Krupp)회사에서 1932년 다이어몬드만큼 단단하다는 뜻에서 비디아(Widia)로 명명하여 출고한 때부터이다. 초경 합금은 고온 절삭에서도 높은 경도를 유지하므로 절삭공구 재료로 좋은 특징이있다. 탄화물 성분의 배합 비율, 입자의 크기, 결합제의 종류, 소결 방법 등에 따라서 여러가지 성분과 각종 목적에 부합되는 초경합금이 있다. 절삭공구용 초경합금 재료는 공작물의 종류에 따라 분류되며 이것을 살펴보면

1) P계열은 강, 주강 등 chip이 길게 생성되는 공작물 절삭에 적합하며 바이트 자루에 청색을 칠하여 표시한다.  성분은 P20을 기준으로 W 75～83%, Ti 6～10%, Co 5～7%, C 6～8%로 조성되며 경도 HRc 90 이상이다.

2) K계열은 주철, 소성 가공이 어려운 가단주철, 비철금속, 비금속과 같이 짧은 chip이 생기는 재료의 가공에 많이 사용되며 바이트 자루에 적색을 칠하여 표시한다. 성분은 K20 기준으로 W 87～90%, Co 5～7%, C 5～7%로 조성되며 경도는 HRc 89이상이다.

3) M계열은 스테인레스강, 고 망간강 등과 같이 인장강도가 크고 절삭이 힘드는 재료에 이용하며 바이트 자루에 황색으로 표시 한다. 성분은 M20 기준으로 W 86～89%, Co 6～10%, C 5～7%로 조성되며 경도는 HRc 88 이상이다.

4) cermet계 초경합금으로 CN계, TiC-TaC, TiCN-TaC계가 있으며 특성으로는

         *고온 경도가 높고 내마모성이 우수하다.

         *절삭속도의 범위가 넓고(50 ~300 m/min) 고속절삭에 적합하다.

         *제품의 다듬질면이 우수하고 내식성및 내산화성이 우수하다.

        결점으로는

         * 충격에 매우 약하다.

         * 용접성이 불량하고 균열및 치핑이 많다.

P계열 : 강, 주강등 chip이 길게 생성되는 공작물 절삭에 적합하며 바이트 자루에 청색을 칠해 표시

K계열 : 주철, 가단주철, 비철금속, 비금속과 같이 짧은 chip이 생성되는 재료에 적합하며 바이트 자루에 적색을 칠하여 표시

M계열 : 스테인레스강, 고망간강 등과 같이 인장강도가 크고 절삭이 힘드는 재료에 사용하며 바이트 자루에 황색을 칠해 표시.

Cermet계 : CN계, Ti-TaC계, TiCN-TaC계 등이 있으며 고속절삭에 적합하나 취성이큰 결점이 있다.        

내마모성과 인성을 동시에 만족할수 있는 피복 초경합금도 사용되고 있다.         

19.  강재 용접부의 검사방법을 상세히 기술하시오.

용접에서 발생하는 결함의 종류와 검사 및 시험의 종류에는 크게 나누어 치수 결함, 구조결함, 성질결함 등이 있으며 검사방법으로는 크게 나누어 파괴 시험과 비파괴 시험으로 나눈다.

단 시간에 가열 냉각되는 용착 금속의 팽창 수축으로 인하여 변형과 잔류 응력이 남게되고 이에 의해 결함이 발생한다. 이와같은 결함을 최소화하기 위해서는 용접 설계와 시공법에 대하여 더욱 많은 연구가 필요하다.

용접부의 시험 방법으로는 파괴 시험으로

     1) 인장시험(용착 금속의 인장강도 시험, 용접 이음의 인장강도 시험)

             이음 효율

     2) 굽힘시험에는 표면 굽힘시험, 후면 굽힘시험, 측면 굽힘시험 등이 있으며 재료에 따라 굽힘, 각도의 크기, 균열의 크기 및 수에 의하여 용접성을 시험한다.

     3) 경도 시험(Brinell, Rockwell, Vickers, Shore)

    

비파괴 시험으로   

     1) 자력 결함검사 : 철과 같은 자성 재료에 기공, 균열, 결함이 있으면 자속선 방향에 변화가 생기며 그 부분에 철분이 집중되어 결함을 검사할 수 있다.

     2) 형광 검사 : 자성과 관계없이 표면에 형광 물질이 함유된 액을 바르고 가볍게 닦아 자외선에 놓으면 침투했던 형광 물질로부터 광휘(光輝)가 나게되어 결함을 검사할 수 있다.

     3) 초음파 검사 : 시편의 결함에서 반사되어 나오는 반응을 시간적 연관성이 있는 oscillograph에 받아 기록하여 결함을 검사 한다.

     4) 방사선 검사 : X-ray, γ-ray를 재료에 투과시켜 film에 결함이 나타나게 하는 방법이다.

     5) 이밖에 음향검사, 누출 시험, 압력 시험 등이 있다.

결론적으로 정리하면 용접 결함에는 크게 나누어 치수 결함, 구조 결함, 성질 결함 등이 있으며 이러한 결함들을 검사 하는 방법으로는 파괴 시험으로 인장시험, 굽힘시험, 경도시험 등이 있고 비파괴 시험으로는 자력검사 시험, 형광 검사, 초음파 검사, 방사선 검사 등이 있으며 기타 방법으로는 음향 검사, 누출 시험, 압력 시험 등이 있다.          

20.  정밀 특수 주조의 대표적인 방법 2가지를 들고 설명하시오.

보통 모래 주형에서 주조하는 방법과 달리 주형내의 용융금속에 압력을 가하거나 정밀 주형에서 주조하는 정도가 높은 주조법을 총칭하여 특수 주조법이라 한다. 용탕에 압력을 가하는 방법으로는 원심 주조법과 die casting이 있고 정밀 주조법에는 주형의 제작 방법에 따라 Shell moulding, investment moulding, Co₂법 등이 있고 이밖에 진공 주조법, 연속 주조법 등이 있다.

1. 원심 주조법(centrifugal casting)

회전하는 원통의 주형내의 용융 금속을 넣고 회전시켜 원심력에 의하여 형 내면에 압착 응고하도록 하여 中空의 주물을 얻는 방법이다.

 이 방법의 장점으로는 ① core가 필요 없다. ② 질이 치밀하고 강도가  크다. ③ 기포, 용재의 개입이 적다. ③ gate, riser, feeder가 필요 없다.

제품으로는 Cylinder liner, piston ring, brake ring, 차륜 등을 들 수 있다.

주형축의 방향에 따라 수평식 원심 주조기와 수직식 원심 주조기가 있다. 주형 재료에 따라 金型과 沙型이 있으며 금형은 주철, 주강, 특수강 등으로 되어 있다.  형(型)의 온도가 낮을 때는 白銑化되는 경향이 있으므로 200～300℃ 정도로 예열하여 사용하기도 한다.

2. Die castiong

정밀한 금형에 용융 금속을 고압, 고속으로 주입하여 주물을 얻는 방법이다. 이 방법의 특징으로는 ① 정도가 높고 주물 표면이 깨끗하여 다듬질 작업을 줄일 수 있다. ② 조직이 치밀하여 강도가 크다. ③ 얇은 주물의 주조가 가능하며 제품을 경량화할 수 있다. ④ 주조가 빠르기 때문에 다량 생산으로 단가를 줄일 수 있다. 

이상의 장점이 있으나 단점으로는 ① 다이의 제작비가 비싸 소량 생산에는 비경제적이다. ②  다이의 내열 강도 때문에 용융점이 낮은 비철 금속(주로 Al, Zn, Cu, Mg, Pb, Sn 합금 등)에 국한된다.

3. shell moulding

모형에 박리제인 규소 수지를 바른 후 주형재 140～200 mesh 정도의 SiO₂와 열경화성 합성 수지를 배합한 것을 놓고 일정 시간 가열하여 조형하는 방법이다.  특징으로는 ① 주물의 공차가 작고 표면이 곱다. ② 숙련공이 필요없고 기계화가 가능하다. ③ 주형에 수분이 없어 pinhole 발생이 거의 없다. ④ 주형이 얇아 통기불량에 의한 주물 결함을 방지할 수 있다. ⑤ shell만을 제작하여 모아놓은 다음 일시에 많은 주조를 할 수 있다. ⑥ 금형을 포함한 시설비가 높은 것이 단점이다.

4. investment casting

 제작하려는 주물과 동일한 모형을 wax, 또는 paraffin 등으로 만들어 주형재에 매몰하고 다진 다음 가열로에서 가열하여 주형을 경화시킴과 동시에 모형재인 wax, paraffin을 유출시켜 주형을 완성하는 방법이다. 일명 lost wax법, 혹은 정밀 주조법이라고 한다.

특징은 치수의 정도와 표면의 평활도가 여러 정밀주조법 중에서 가장 우수하고 형상이 복잡하여 기계가공이 어려운 제품의 주조에 유리하나 주형제작비가 많이 드는 단점이 있다.

21.  금속 판재의 정밀 전단 방식을 열거하고 항목별로 간단히 설명하시오.

전단 가공은 한벌의 공구를 사용하며 재료를 끼워넣어 전단 변형시켜서 분리하는 것이다. 통상의 관용 전단에서는 상하의 공구 전단 날을 제외하고는 조건이 거의 없어 전단시 clack, 흠집, bur, 휨, 찌그러짐 등의 불량원인이 있었으나 이것을 방지 또는 최소화 시키는 것이 정밀 전단 방식이다.

1. 미세 블랭킹 : 이 가공법은 die set 제작에서 펀칭까지 동일 기계에서 가공하여 미세 펀칭을 용이하게 하여 자동 가공을 가능하게 하였다. 장점으로는

    * 펀치, die hole등의 위치가 공통이기 때문에 中心을 맞출 필요가 없다.

     * die set 제작의 시간이 짧다.

     * 응력 집중이 발생하기 쉬운 어려운 형상의 펀치도 성형할 수 있다.

     * 펀치와 die 사이의 틈새를 임의로 설정할 수 있다.

     * 정밀도는 20㎛ 정도이다.

2. 고속 프레스 가공 : 고속 프레스 가공은 최근에 많은 발전을 가져왔다. 1400～1500 slot/min의 속도로 가공되고 있으며 생산시 프레스 상태를 안정적으로 관리하고 제품의 일정 범위로 유지하기 위하여 제어 장치를 이용 한다. 구체적으로 치수 측정, 압입력, 이탈력, 스프링의 힘 측정, 부하상태 파악, data 해석처리, 카운터 기능 등을 제어 할 수 있는 제어 장치를 이용 한다.

3.  fine blanking : 높은 치수 정도의 부품에 대한 수요는 급증하고 생산에 대한 cost  down과 병행하여 요구되는 최근의 추세에 따라 생산 방식은 press 가공으로 확대되고 있다. fine blanking에 의해 이루어 지는 평활한 블랭킹 면과 높은 정밀도는 FB에 의해 개선되고있다. 보통 press에 의해 블랭킹되면 부품의 가공 조건(평활도, 정밀도 등)에 따라 기계 가공을 추가해야 한다. 그러나 FB는 고도의 정밀도, 엄격한 평활도 및 생산 cost와 시간을 70%까지 절감할 수 있는 방법이다. 화인 블랭킹의 특징으로는

     * 보통 press 가공에서는 다단계의 공정이 필요하나 FB에서는 내외형상 복합blanking die에 의해 1회의 스트로크로 완성되며 잔류응력도 부품 전체에 걸쳐 균등하게 분포된다.

     * FB에 의해 가공된 부품은 100%의 평활면과 IT 8급의 정밀 가공이 가능하다.

     * FB는 충격이 없어 소음이나 진동 대책을 세울 필요가 없다.

     * FB는 작업시 부품과 슬랙이 금형 사이로 배출된 후 공기로 날려 보내든지 금형 밖으로 배출시켜 금형을 손상시키는 일이 없다.

이를 정리하면

금속 판재의 정밀 절단 방식에는 die set 제작에서 펀칭까지 동일 기계에서 가공하여 미세 펀칭을 용이하게 하여 자동 가공을 가능하게 한 미세 블랭킹,

제품의 정밀도를 일정 범위로 유지하기 위한 제어 장치를 갖추고 1400～1500 slot/min의 속도로 가공되는 고속 press 가공,

높은 치수 정밀도와 엄격한 평활도, 생산 cost와 시간을 70%까지 절감할 수 있고 IT 8급의 정밀 가공이 가능한 fine blanking이 있다.

22.  CAD/CAM에 대하여 간단히 기술하고 이를 시행하는데 수반되는 문제점이 있다고 생각되면 기술하라.

CAD/CAM은 computer를 이용한 설계제도 및 제작을 의미하며 주 기능은 제도 및 설계작업 NC 공작기계를 이용한 제품의 생산 가공에 있으며 궁극적으로는 FA를 이루기 위한 방법으로 많은 연구가 이루어져야 할 분야이다.

CAD란 computer의 지원을 받아 제품의 제도, 설계, 해석 및 최적 설계를 하는 것으로 정의되며 CAM은 제품 제조 단계에 관련되는 기술로서 공정 설계, 작업 기술 결정, 가공, 검사, 조립 등의 전 과정에서 computer의 지원을 받아 일련의 작업과정들을 추진하는 기술을 의미한다.

또한 CAD/CAM system은 설계 시간의 단축, 품질 관리의 강화, 생산성 향상 등을 기대할 수 있고 종래의 생산 방식보다 많은 장점을 제공하고 있기때문에 여러 분야에서 이용되고 있다.

   

1. 자동화와 CAD/CAM

제품의 생산과 제어 과정에서 기계, 전자, computer 등 복합적인 응용기술을 자동화로 정의할 수 있으며 자동화를 할 수 있는 생산 형태는 다음의 4 가지로 분류할 수 있다.

     가] 연속적 공정의 흐름 : 화학 플랜트나, 정유 공장과 같이 크기가 대형인 생산품의 다량 생산이 연속적으로 이루어 지는 형태

     나] 부품의 대량 생산 : 자동차, 엔진 블록, 기계 설비와같이 한가지 혹은 한정된 제품을 대량 생산하는 형태.

     다] 일괄 생산 : 책, 못, 산업용 기계와 같이 비슷한 종류의 크기가 작은 제품이나 부품을 한번 이상 되풀이 하여 생산하는 형태

     라] 특수 제품의 생산 : 항공기, 공작기계, 및 기타 특수 장비의 같이 다품종 소량 생산으로 주문 제작이나 고도의 기술을 요하는 제품의 생산 형태.

     

2. CAD/CAM의 응용

    가] 전자 산업 : CAD/CAM system의 대규모 수요부분으로 CAD가 전자 부분의 표준 기술로 인식  

     나] 항공기 산업 : 항공기는 모든 분야에서 최신 기술을 종합한 복잡한 정밀기계로서 신기종의 개발기간 단축, 공정수 절감, 제품의 최적화가 요구되는 분야로서 CAD/CAM이 큰 효과를 발휘

     다] 자동차 산업 : 에너지 절감, 자원화 절감, 수요자의 다양한 요구, life cycle의 단축화에 신속 정확하게 대응하기 위하여 필수적으로 사용

     라] 금형 산업 : 금형 산업의 문제점인 가공 합리화, 설계 자동화 및 수요자의 비용 절감, 납기 단축 등을 해결하기 위해 사용

3.  CAD/CAM의 문제점

     가] 한 회사가 자체의 적용 분야에 적절한 CAD/CAM system을 개발하기 위하여는 상당한 시간과 경비가 필요 하다.

     나] 짧은 life cycle에 맞추기 위한 softwere의 개발이 어렵다.

     다] 부분적인 고장의 영향이 대단히 크다.

23.  절삭 가공에서 진동발생 요인과 그 대책에 관하여 기술하고 이에 대하여 귀하가 경험한 사례를 들고 설명하시오.

chatter란 절삭에 의한 떨림으로서 공구와 가공물에 바람직하지 못한 진동 운동이 발생하는 상태이며 가공물 표면에 불 규칙한 형상을 가져오고, 절삭 작업시 chatter때문에 feed에 제한을 받는다.  chatter가 심할 때에는 절삭 조건의 개선이나 방지 대책을 강구 해야 한다.

chatter는 절삭력의 변화가 거의 없는 상태에서도 발생 한다. 이러한 떨림은 발생 조건이나 원인을 예측하거나 이 현상을 바로 잡아 주는데 필요한 절삭 조건의 변화를 정하는 것은 어렵다.

절삭에서 self-induced vibration은 어떤 조건에서 절삭 작업이 불안정하여 공작물에 대한 공구의 상대적 변화가 약간 있으면 갑자기 큰 폭의 진동으로 발전 한다. 이러한 불안정한 조건은 단위 속도에 대한 damping force를 부(-)의 값으로 가정한 modle을 생각 할 수 있다.  이러한 조건을 흔히 negative damping이라 한다. 네가티브 댐핑은 동적으로 불안정하다.

self-induced vibration이 발생할 수 있는 조건은 더욱 복잡하고 많이 접하게 된다. 이 경우에 절삭 작업은 근본적으로 안정하고 절삭중에 공구와 가공물 사이에 갑작스런 상대적 변위에서 발생한 진동은 절삭이 진행되면 쇠퇴한다.

가공물의 전(前)공정에서 남겨진 chatter mark를 제거할 때 공구 힘의 변화 때문에 강제 진동이 발생한다. 이러한 강제 진동은 진폭의 증대를 가져오며 이것을 재생 진동이라 한다.

선반에서 일반적으로 지름의 20배가 넘는 공작물을 가공할 경우 chatter가 발생한다.

1. chatter의 방지 대책

     *  공구에 여유각을 주면 chatter 발생시 진동의 진폭을 제한한다.

     *  damping force 를 높여 준다.

     *  방진구를 사용하고 공구와 가공물을 가능한 견고하게 고정한다.

2. 경험 사례

선반에서 주축대의 bearing이 심하게 마모되어 기계 자체의 진동이 있는 상황에서 가공물에 다듬질 가공을 하기 위하여 bite의 경사각, 여유각 및 절삭각 등의 조건을 여러 가지로 변화시켜 보고 방진구를 사용하여 보았으나 실패하였다. 그래서 bite가 진동을 흡수하도록 spring bite를 사용하여 다듬질 가공을 완성시켰다.

24.  심공 드릴 방식 중 대표적인 방법을 들고 설명하시오.

일반적인 drill 가공으로 깊은 구멍을 가공 한다는 것은 매우 어려운 일이다. 이유는 chip의 배출, 절삭유 공급, 드릴의 휨, 가공하는 상태가 육안으로 확인 할 수 없는 점 등의 많은 문제점을 안고 있었다. 이러한 문제점을 해결하고 드릴 직경의 100～200배를 가공할 수 있는 방법으로 심공 드릴방식이 있다.

1.  건드릴의 특성

① 구멍 가공시 구부러짐이 적다. : 고 정밀도의 드릴 부시로 가이드하여 구멍을 뚫기 시작하면 구부러짐이 대단히 적고 드릴 지름의 100～200배의 가공을 one step으로 할 수 있다. 1000mm에 대하여 굽힘량은 1mm 이내로 매우 양호하다.

② 표면 조도가 좋다. : 고압 다량의 절삭유가 공급되며 버니싱 효과 등에 의해 twist drill보다 표면 조도가 훨씬 우수 하다. (S45C 8～20s, Al 3s 이하)

③ 구멍 공차, 원통도, 진원도가 좋다 : 회전에 대한 이송이 적으므로 구멍 공차, 원통도, 진원도가 우수하여 H₇ ～ H₉의 구멍 가공이 가능하다.

④ 공구의 재 연마가 용이하다 : 재 연마량은 0.5 mm 이내, 재연마 30～50회가 가능하며 가공 시간의 단축, 경제적인 구멍 가공이 가능하다.

⑤ 고경도 재질의 구멍 가공이 가능 : 초경 tip 이므로 HRc 45 전후의 모든 재질에 구멍 가공이 가능하다.

⑥ 경사 구멍 및 closs hole 가공이 가능 : 드릴 부시에 의해 안내되므로 경사 구멍도

      용이하게 가공할 수 있다.

⑦ chip 처리 : 압유에 의해 배출된 chip은 모두 chip box에 회수되므로 칩 컨베이어를 이용하면 무인 운전도 가능하다.

2. 심공 드릴 작업

① maching center 가공법 : 머시닝 쎈터에서 무선 발신 방식을 사용하여 NC 장치에 과부하 신호가 전송되면 program 작동에 의해 순간적으로 드릴은 자동 후퇴 한다. 과부하의 원인은 chip을 배출하고 절삭유를 공급한 후에 가공을 중단한 좌표까지 드릴이 복귀하여 가공을 계속하는 과정을 반복하여 드릴 지름의 30배 작고 깊은 구멍의 가공이 가능하다.

② 프라스틱 구멍 가공법 : 프라스틱의 종류는 engineer 플라스틱을 위시하여 전기 기판(유리섬유와 카본, 에폭시 등) 등에 0.2～0.5mm의 작은 지름의 구멍 가공이며 기계 부품의 깊은 구멍 가공은 롱 드릴로 1차 구멍을 뚫고 2차 다듬질하는 형태로 가공한다.

③ 다이어커트 드릴 비트를 이용한 유리에 깊은 구멍 : 다이어몬드 숫돌 입자를 금속 결합제로 소결한 드릴이며 모양은 기름 구멍과 특수 슬릿 모양을 가지며 날끝에 효과적인 급유가 가능하여 chip의 배출이 좋다. 안정된 절삭성을 지속하며 칩의 막힘이 없기 때문에 트러스트가 낮고 드릴의 절손도 매우 적다.

④ 기타 지름이 적고 깊은 구멍의 가공 방법으로는 마이크로 드릴, 레이저 가공, 전자빔 가공, 에칭, 전주, 프레스 가공 등이 있다.

25.  금속 판재의 특수 성형법에 대하여 설명하시오.

    

금속 판재를 가공하는 가공법에는 여러가지가 있다. 특수 성형법에는 고무 등의 흡압재를 내장한 방법, die 위에 blank를 놓고 고무 die로 가압하는 방법, 고무 대신에 액체를 이용하여 판재를 가공하는 방법 등이 있다.

1. Marform process

Marform에 의하여 개발된 방법으로 punch를 아래 쪽에, 고무 등의 흡압재를 내장한 die가 위쪽에 놓여져 있다. 이 방법의 특징은 flange가 작아져 소재 파열의 위험이 적어짐에 따라 모서리 반지름을 작게 할 수 있다는 것과 가공 중 punch의 측면에 수평 압력이 작용하는 것이다.

2. Guerin process

die위에 blank를 놓고 고무 die로 가압하여 제품을 얻는 방법으로 고무가 밑으로 밀려 나오지 못하도록 retainer가 설치되어 있다. 특징은 die의 값이 싸고 die를 고정할 필요 없이 놓기만하면 된다. 소재 지지구가 없어 주름이 생길 수 있다.

3. 액압 성형법(hydroforming)

Marform process에서 고무 대신에 액체를 사용하는 방법이다. 여기에 2개의 고무막이 있는데 그중 하나는 액체 밀폐용, 다른 하나는 blank와 접촉하는 성형용이다. punch가 상승할 때 액압을 조절할 수 있으며 1000Kg/㎝²까지의 압력이 가능하다. 특징은 작업 중에 압력을 자유로이 조절할 수 있는 것이다.

4. beading

drawing된 용기에 홈을 내는 가공으로서 보강이나 장식이 목적이다. 이방법에는 .die를 이용하는 방법과 roller die를 이용하는 방법 등이 있다.

5. spinning

선반의 주축에 die를 고정하고 그 die에 blank를 심압대로 누르며 blank를 die와 함께 회전시켜 spinning stick 이나 roller로 가공하여 성형한다.

6. flange 가공

판의 가장자리를 굽혀서 flange를 만드는 방법을 flange가공이라 한다. 오목꼴 flange를 신장 flange라 하고 볼록 꼴을 수축 flange라 한다.

7. 인장 성형법( stretch forming)

굽힘 가공에서 spring back을 제거 하거나 줄이기 위하여 굽힘가공 중에 소재를 항복응력 이상까지 인장하면서 성형하는 것을 인장 성형법이라 한다. jaw에 물리는 재료의 손실에도 불구하고 항공기, 지붕 panel 등의 성형에 많이 이용된다.

26.  절삭 가공시 가공 변질층과 진원도에 대하여 쓰시오.

   

절삭이나 연삭 중에 표피층(가공 표면)은 소성변형, 결정구조, 조직변화를 포함하며 이 층을 가공변질층(deformed layer, cold worked layer)이라한다. 이로 인하여 경도의 변화가 생기고 잔류응력이 존재하게 된다

1. 가공 변질 층의 원인

가공 변질 층은 결정 입자가 파쇄되어 미세화되고 표피에는 비 결정질에 가까운 미결정(20～50Å)으로 된다. 결정입자가 절삭방향으로 유동하여 동일 방향의 섬유조직과 같이 된다. 이 변질층의 두께는 1mm이하이며, 절삭조건, 피삭제의 조직, 경화능, 결정입자의 크기에 따라 변하는 것으로 알려져 있다. 이러한 변질층에는 커다란 잔류응력이 존재하며, 이와같이 내부 에너지가 높고 변화구배(變化句配)가 큰 표피는 여러가지 영향을 받기 쉬우며 화학적, 기계적 성질도 내부의 것과는 달라진다. 예를들면 표면 변질층은 가공경화로 취성을 갖고, 표면 거칠기에 의해 공차범위를 벗어나기 쉽고, 응력변화에 의한 변형이 생기기 쉽다. 이러한 표면은 마모와 부식에 대한 저항이 약하고 섬유조직이 생겨 마모와 부식 저항이 방향에 따라 다르게 나타난다.

2. 진원도

선반에서 bite로 가공을 하면 원통형의 부품이 가공된다. 이때 원통의 중심에서 반지름이 이상적인 진원에서 벗어난 크기의 정도를 말하며, 원 표면의 모든 점들이 이상 진원의 범위에 들어가야 하는 완전한 동심원 사이의 반지름상의 거리로 나타낸다. 가공 변질층은 진원도의 표피층을 따라서 가공 변질층이 발생하게 된다.

27.  NC 제어 방식에 대하여 쓰시오.

수치제어 공작기계에서 절삭공구를 제어하는 방식을 구분하기 위해여 먼저 가공의 종류를 분류해 보면 드릴링이나 펀칭 등과 같이 절삭작업을 포함하지 않고 공구의 이동 거리만이 문제가 되는 위치 결정 작업,  밀링이나 보링 등과 같이 위치 결정과 동시에 직선 절삭 운동을 병용하는 작업,  원호, 타원 등 곡선의 조합으로 되는 복잡한 형상의 가공물의 절삭 가공을 하는 작업등으로 구분할 수 있다.

1) 위치결정제어(positioning control)

공작물의 지정된 위치에 공구가 도달되는 것만이 요구되는 가공에서 공구의 위치만 이동시키는 제어 방식으로 정보처리 회로가 매우 간단하며 현재의 위치를 기억하는 회로, 이동거리를 기억하는 회로, 두 회로를 비교하는 비교 회로로 구성되어 있으며 드릴머신, 펀치 프레스, 스폿 용접기 등에 사용되고 있다.

2) 위치결정 직선제어(point to point straight cut control)

기계가공에서 가장 널리 사용되는 방식으로 위치결정 사이에 축 방향으로 평행하게 움직이는 동안 직선 절삭 작업을 하는 경우이다. 이것은 선반, milling 등에 이용된다. 1축 제어의 경우에는 교대로 각축의 제어 회로를 바꿔 사용하며 X. Y. Z 방향 등 각 축 방향의 절삭이 가능하다.

3) 윤곽 절삭 제어(contouring control)

가공면이 매우 복잡하거나 연속 곡선 또는 곡면 절삭하는 것으로, 선반, 밀링 머신, 형 조각기 등에 널리 이용된다. 윤곽 절삭 제어는 일감의 모양에 따라 절삭 공구를 움직이게 하기 위하여 항상 X, Y 축의 관계 위치를 제어할 필요가 있어 양쪽을 움직이게하는 펄스의 분배를 제어해야 한다. 이때 복잡한 곡선을 직접 세분하여 각점의 좌표를 구하는 것은 매우 곤란 하므로 복잡한 곡선은 허용 가공 오차 이내에서 원, 직선, 포물선 등의 요소를 개략적으로 분할한 다음 그 분할점 사이를 수치제어 회로 내의 보간기(interpolater)가 근사적으로 보간하면서 가공 하도록 한다. 지령된 종점 좌표 값에 대하여 도중에 경로를 계산하는 보간 회로에는 직선 보간 회로, 원호 보간 회로, 포물선 보간 회로가 있으며 이와같은 보간 회로를 사용하면 선분, 원호, 포물선 등의 program 을 간단히 할 수 있다.

28.  침탄 표면 경화법에 대하여 쓰시오.

최근에는 재료에 요하는 조건이 매우 까다로워졌다. 즉, 내마모성과 내 충격성은 서로 상반되는 성질임에도 불구하고, 이 상반되는 두 가지 성질이 동시에 요구되기에 이르렀다. 이와같이 표면은 견고하게 하여 내마모성이 높고, 내부는 강인하여 내 충격성이 향상되는 이중 조직을 갖게하는 열처리가 표면 경화법이다.  표면 경화법은 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 분류되며 단순히 담금질에 의하여 표면만을 경화시키는 방법이 물리적인 표면 경화법으로 여기에는 화염 경화법과 고주파 경화법 등이 있으며 표면의 화학 성분을 변화시키는 침탄, 질화 및 금속 침투 등이 화학적 표면 경화법에 속한다. 여기서는 침탄 경화법에 대해서만 알아본다.

탄소가 적게 함유된 강재를 탄소를 함유하는 고체, 기체 또는 용융 액체 속에서 어느 온도 범위까지 가열하면 강재 표면으로 탄소가 침투, 확산하여 표면층은 고탄소강의 조직이 된다. 담금질 효과는 강의 탄소량에 비례하므로 담금질 할 물체의 표면에 탄소를 침투 시켜 담금질 하면 표면은 경강이 되고 내부는 연강으로 남아 있게 된다. 이와 같이 침탄하여 열처리 하는 것을 합하여 침탄 경화라 한다.

침탄에는 고체 침탄, gas 침탄이 있으며 침탄용 강의 구비 조건은 ① 저 탄소강 일것.  ② 장시간 가열 해도 결정 입자가 성장 하지 않을것. ③ 표면에 결함이 없을 것 등이다. 일반적으로 침탄용 강재는 저탄소강 또는 Ni, Cr, V, W, Mo 등을 함유한 합금강이 사용되며 침탄용 강에서 Cr, Ni, Mo 등은 침탄량을 증가시키고 C, V, W, Si 등은 침탄을 감소 시키는 원소들이다.

침탄제로는 강재 및 사용 용도에 따라서 여러 가지가 사용되나 공업적으로는 목탄과 같은 고체 침탄제를 사용하는 경우가 많다.  주로 다음과 같은 침탄제를 많이 사용한다.

① 목탄, Na₂O₃, BaCO₃ 등의 혼합물   ② CN, K₄Fe(CN)₆의 혼합물  ③ 목탄 90%, NaCl 10%의 혼합물  ④ K₄Fe(CN)₆, K₂Cr₂O₇ 등의 혼합물

1. 고체 침탄법

침탄제와 공작물을 철재의 상자에 넣고 gas가 새지 못하도록 내화 점토를 바르고 노에서 1000℃ 정도로 100～200분간 가열한다. 침탄 깊이는 가열 시간에 따라 다르나 보통 0.5～2mm 정도이다. 침탄제는 반복 사용하면 침탄 효과가 떨어지므로 매회마다 적당량의 새로운 침탄제를 보충하여야 한다. 부분 침탄이 필요할 때는 침탄이 필요하지 않은 부분에 동 도금을 하거나 점토, 규산 나트륨, 식염, 산화철 분말, 석면의 혼합물을 도포 한다. 또한 가공 여유를 두어 침탄후 깍아 내기도 한다. 침탄로에서 꺼낸 것은 조직이 성장 되어 있으므로 일단 상온까지 서냉하고 다시 850～900℃로 가열하여 물 또는 기름에 급냉시켜 1차로 담금질 한다. 이것을 다시 가열하여 2차 담금질을 하여 전체를 치밀한 조직으로 할 수 있다.  목적에 따라서는 200～300℃에서 뜨임하는 수도 있다.  노에서 꺼내면서 직접 담금질(direct quenching) 하는 방법도 있다.

2.  gas 침탄법

gas 침탄제에는 CO, CO₂, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C_mH_n 등이 있으며 이들 gas가 고온의 강재에 접촉되면 활성 탄소가 석출되어 γ철 중에 고용된다.

즉, CH₄→ C + 2H₂, C+CO₂ → 2CO로 분해되어 침탄된다.  고용되는 과정은

γFe + CH₄ → (γFe - C) + 2H₂로 되어 있다가 C가 γ철 중에 고용 된다.

29.  공작 기계의 주축 구동에 있어서 기계적 무단 변속 방식을 논하라. 

가공물의 재질, 가공물의 지름, 절삭 면적 등에 따라 이에 적당한 절삭속도 및 feed 등을 사용 목적에 알맞게 하려면 무단 변속 장치가 가장 이상적이다. 무단 변속 방식에는 기계적인 방법, 전기적인 방법, 유압식 방법이 있으며 여기서는 기계적인 방법에 대하여 알아본다.

무단 변속 방식 중 기계적인 방법에는 마찰 전동 기구, 강제 전동 기구 두 가지가 있다. 변속 기구는 속도 변화의 범위가 크고 운전 중 속도를 변화시키는 작동이 쉬운 것이어야 한다. 한편 속도 변화와 함께 전달되는 동력이 일정하고, 기계적인 효율이 높으며, 전동 기구의 마모가 적은 것이 요구된다. 이와 같은 변속 기구는 가공물의 지름 변화가 큰 정면 선반, 절단 선반, 드릴 머신 등에 많이 사용된다. 기계적 무단 변속 기구의 변속비는 대략 1 : 10 정도이다.

최근 공작기계 변속비는 1 : 50 정도를 가진 것이 많다. 따라서 공작 기계의 속도 변환 구역 전체에 대한 무단 변속에는 2단, 3단으로 사용하든가 다른 기어와 변속 장치를 병행하여 사용하는 것이 좋다.

1. 마찰 전동 기구

     가) 로울러식 : roller를 사용한 기구로서 마찰 전동 기구에는 가죽 또는 특수 고무를 로울러 주변에 고정한 전동축과 이에 접촉된 피동축은 주철 또는 강철의 원판 위에 어떤 반지름에서 이동 되면서 변속 작용을 한다.

     나) 원추 velt식 : belt에 의한 간접식은 2개의 축 사이에 엔드레스(endless) 벨트를 사용한다. 벨트 풀리에는 원추형 차를 사용하고 V -belt를 사용한 것은 홈이 있는 풀리의 폭으로 조절한다.

     다) 헤이나우식(Heynau type) : 종래에 공작기계에 많이 사용하던 방식이다. H형 무단 변속 전동 장치로서 Heynau 기구라고 한다. 강철로 만든 2쌍의 복식 원추 판에 접촉되어 회전이 전달된다.

     라) ball type 무단 변속 기구 : 최근 새로운 방식으로 상당한 실적을 올리고 있다. ball을 매개로 원추면에 접촉시켜 마찰 전동하는 기구이다. 보올의 축을 경사 시키면 양쪽 원추에 접촉하는 부분의 보올 상대 위치가 변하므로 변속된다. 변속비는 9이고 최고 효율은 90% 정도이다.

2. 강제 전동 기구

     가) PIV 무단변속 장치 : 정밀 절삭을 할때 마찰 전동 기구는 sliding이 생기므로 강제 전동 방식이 좋다. 이 방식은 벨트식 마찰의 구조와 비슷하나 벨트 대신 chain을 사용한 것이 많다. 체인을 인장하기 위해서는 가이드 풀리를 사용한다. 강제 마찰 전동 장치는 동력을 미끄럼 없이 전달할 수 있고 최대 40Kw까지의 동력을 전달할 수 있다.

     나) 하이드로 코온(hydro-cone) : PIV와 동일 계통이나 체인 대신 담금질한 강철재 링을 사용하고 원추형 휘일의 개폐 조작은 유압식 전동 장치를 사용하며 적당한 압력이 계속 작용하게 되어있다. 속도비는 1 : 8 정도이며 기계적 효율은 90～95%에 달하고 전동 용량은 1/4 Ps～50Ps까지 사용된다.

30.  upset 단조(upset forging)의 3원칙을 설명하라.

upset 단조는 봉재의 끝 부분이나 중간부를 축방향으로 압축하여 단면을 크게하고 길이를 짧게 가공하는 단조이다. 이때 재료의 조직은 미세화되고 섬유의 흐름이 연속된 것이 얻어지므로 gear의 소재 가공 등에 적합하다.

가공부의 길이가 직경에 비하여 너무 길면 좌굴이 생겨서 목적을 달성할 수 없다. 이에 관하여 다음 세가지의 경험 원칙이 있고 이를 upset 단조의 3원칙이라 한다.

1. 제 1 원칙 : 1회의 타격으로 제품을 완성하려면 업셋할 길이 L은 소재의 직경 D의 3배(보통 2.5배) 이내로 한다.   

                     

2. 제 2 원칙 : 제품 직경이 1.5D 보다 적을 때는 L은 3～6D로 한다.

3. 제 3 원칙 : 제품 직경이 1.5D이고 L>3D일때 업셋 램과 die와의 간격 L은 D를 넘어서는 안된다.

31.  고에너지 속도 가공에 관하여 설명하시오.

고에너지 성형법(high-energy-rate forming process, HERF)은 고압을 고속으로 작용시켜서 생긴 고에너지를 이용하기 때문에 고속성형법(High Velocity Forming process, HVF)라고도 한다. high energy 발생원에 따라 분류하면 폭발성형, 액중 방전성형, 자력성형, gas성형 등이 있다.

고에너지 성형법을 이용하면 고장력합금과 같이 강도가 큰 재료와 형상이 복잡한 것도 1회에 완전 성형이 가능하고 시설비가 비교적 적으므로 제조 수량이 적을 때 유리하다. 그러나 시간당 생산량이 적으므로 대량생산에는 비 경제적이다.

1. 폭발 성형법

고에너지 폭약을 점화시켰을 때의 충격파를 이용하는 방법으로서 open die와 closed die를 사용한다. open die 방식에서는 die가 1개이며 충격 에너지는 폭약에서 blank까지의 거리와 die span에 관계하며 발생된 고 에너지의 일부만이 성형에 이용되기 때문에 비 경제적이나 물 또는 Al 용액 속에서 폭발시키면 에너지의 손실을 다소 줄일 수 있다. cldsed die는 소재가 얇고 작은 제품을 요할 때 주로 이용된다. 폭약으로부터 어느 거리에서 충격파의 압력 P는 ( : 정해진 거리에서의 최대압력, t : blank까지의 압력 전달시간, : 정해진 거리 및 폭약 종류에 따라 정해지는 시간특성 상수 )

2. 액중 방전 성형법

폭약 대신에 10～20 KV의 고압으로 충전된 콘덴서가 대전류로 액중의 전압에서 방전을 시켜 6～172 KJ의 높은 에너지로 액체를 급격히 가열하여 기화시킬 때 물이 팽창하고 그 충격으로 인하여 성형되는 것이다.  방전 에너지 U(joule 또는 W․sec)는

         단,  C : 콘덴서 용량( ), V : 충전 전압 (KV)

보통 방법으로 성형되는 것은 어느 것이나 가능하며 대부분의 재료를 광범위한 치수 범위에서 가공 할 수 있고 항공기 제작회사 등에서 성형(forming), beading, drawing, blanking, 천공 등에 많이 이용한다.

3.  자력 성형법

도전성이 좋은 가공재에 대해서는 전자력을 이용하여 직접 성형을 하고 도전성이 불양한 가공재에 대해서는 도전성이 좋은 보조 재료를 사용하여 성형 한다. 콘덴서에 충전된 고압의 전류를 단 시간에 방전할 때 고밀도의 자장이 생겨서 강력한 힘으로 성형하게 된다. 이때 전류 I₁, I₂가 같은 방향이면 인력이 생기고 반대 방향이면 반발력이 생기며 작용력은 전류 I₁, I₂의 크기에 비례한다.

4. gas 성형법 

고 에너지 연료 gas에 점화하여 폭발 압력을 이용하는 방법으로서 폭발이 안정되어야 하고 gas는 독이 없어야 하며 어떤 온도, 압력에서도 gas체를 유지하고 있어야 한다. 이러한 연료 gas에는 H₂, 에탄, 메탄, 천연 gas 등이 있다.

32.  판재의 성형성 시험에 관하여 아는바를 써라.

얇은 판을 매끈하고 결함없이 성형할 수 있는가를 시험한다. 이것은 일종의 연성시험이며 인장시험과 같이 1축 상태가 아니고 소성변형으로 평판을 입체화(컵 모양)하기 때문에 응력상태가 복잡하다.  성형 시험법은 cupping 성형법과 deep drawing 성형법이 있다.

1. 코니컬 컵 시험

시험편은 원칙적으로 타발에 의한 원판상으로 제작한 것을 사용한다. 압연 방향이 어느 방향인가를 기입해 두고 결과 해석을 참고로 한다. 펀치로 압입하여 저부가 파단하기까지 원추컵 모양으로 성형한다. 이때 외경의 최대 최소치를 0.05mm까지 측정하고 5회 이상 평균값을 코니컬 컵 값(C.C.V)으로 나타낸다.

2.  에릭슨 시험

die와 주름 누르기 사이에 시험편을 끼우고 펀치가 시험편을 누르기 시작하여 시험편의 후면에 crack이 나타나는 것을 거울로 확인하고 크랙이 나타나면 작업을 중단하고 펀치가 이동한 거리를 에릭 값으로 나타낸다. 펀치의 속도는 0.1m/sec를 표준으로 한다. 크랙이 생길 때까지 펀치가 이동한 거리를 소수점 이하 2자리에서 반올림한다.  

3.  액압 벌지 시험

판상 시험편의 둘레를 액압을 가하여 파단시 팽창된 높이 h, 또는 h/r, (h/r)²를 구한다. h는 일반적으로 r에 비례하고 판 두께에는 별 영향이 없으며 h/r ,(h/r)²의 값은 재질판정에 편리한 무차원 량이 된다.  (h/r)²은 스트레인을 나타낸다.

4.  한계 drawing 비

deep drawing 시험기를 사용한다. 여러가지 지름의 원반 시험편을 준비하고 deep drawing 가공이 된 최대의 원반의 지름과 펀치와의 비를 한계 drawing 비(L.D.R)라고 하며 그의 역비를 한계 drawing률 이라고 한다.

33.  기계식 단조 해머와 유압 프레스의 최대 용량을 수식을 써서 설명하라.

단조 해머는 순간적 타격력을 이용하여 가공물을 변형시킨다. 이것은 기계구조 및 기초에 충격과 진동을 초래하게 되므로 유용하게 이용 할 수 있는 해머의 크기에는 실질적으로 제한이 있다. 그러므로 단조 기계의 크기와 중량에 어떤 제한이 요구 된다. 단조 프레스(유압 프레스)는 1 행정에 상당히 많은 변형량을 얻을 수 있고 또한 정적 압력이므로 작업이 더욱 쉽다.

1. 기계식 단조 해머

단조 해머의 용량은 각국에 따라 다소 차이가 있다. 해머 용량은 일량(Kg/m)과 낙하중량으로 표시하는 것이 필요하다. 낙하 중량은 램중량, 피스턴 헤드, 피스턴 로드, 上部 단조의 중량으로 표시한다.

     즉, W = Wr + Wh + Wc + Wb

단, drop hammer에서는 낙하 전중량 W = ( Wr + Wh + Wc )/0.75로 표시한다. 해머의 효율은 앤빌레이쇼( anvil ratio : 낙하부의 중량/ 앤빌 중량)의 함수로 다음과 같이 표시된다.

:낙하부(board, ram, 상부die)의 속도, :충격 후 의(낙하부 및 피타격부) 속도

:낙하부 질량( ) :피타격부(anvil, 가공물, 하부 die) 질량( )

에서 운동량 방정식에 의해 가 된다. 여기서

충격시의 운동 에너지는

충격 후의 유효 에너지는

효율은 가 되어

보통 anvil ratio가 작을수록 효율이 좋다. 자유단조에서는 1/15, 형단조에서는  1/20～1/25 정도를 취하고 있다. 예를 들면 W₂ = 20W₁ 인 경우 효율은 95%가 된다.

2. 유압 프레스

유압 프레스의 용량은 ram에 연결된 피스턴에 작용하는 전체 압력(ton)으로 표시 한다. 프레스의 용량은 Q = ( P : 단위면적에 작용하는 최고유압(Kg/㎝²),  A:램의 유효 단면적)으로 표시되고 기계효율을 η라하면 다음과 같다.

 Q = F․бe / η  (여기서 F : 단조물의 유효 단면적, бe : 단조 재료의 변형 저항)

일반적인 변형 저항값 бe는 탄소강 10～30Kg/mm², 자유 구멍 뚫기 12～15Kg/mm², 밀폐 구멍 뚫기 30～40Kg/mm²이다.

34.  치차의 치형 가공 방식에 대하여 설명하라 .

기어 가공은 주조나 전조에 의한 방법도 있으나 대부분이 절삭 방법에 의하여 가공하며 절삭 가공에 의하면 능률적이고 정밀도가 높은 기어를 제작할 수 있다. 절삭 가공 방법으로는 밀링이나 세이퍼를 이용하여 가공할 수도 있으나 정밀도와 능률을 높이기 위하여 주로 전용 기어 가공 기계를 이용한다.

1.  형판에 의한법

형판(template)을 가공하여 형판에 따라 기어를 가공하는 모방절삭 방식이다. 이 방법은 매끈하지도 못하고 능률도 낮으므로 저속용 대형 기어 절삭에 이용될 정도이다.

2.  총형 커터에 의한 방법

기어 모양과 같은 공구를 사용하여 1 피치씩 기어를 가공하는 방식이다. 총형 커터와 분할대를 사용하여 밀링 가공, 세이퍼와 슬로터가 이용되나 이 방법은 치형곡선과 정밀도가 나쁘며 생산 능률도 낮다.

3.  창성법에 의한 방법

절삭공구와 가공물이 서로, 기어가 회전할 때에 접촉하는 것과 같은 상대 운동으로 가공하는 방법이며 있수의 분할과 치형의 창성이 동시에 이루어 지므로 능률적으로 기어 가공을 할 수 있다   가공 공구에는 래크 커터, 호브, pinion cutter 등이 있다.

  결론.

35.  주물 및 용접 구조물에 대한 비파괴 검사법을 열거하고 설명하라.

1.  방사선에 의한 방법

비파괴 검사에서 가장먼저 발달한 것이 X선 투과 검사법이다. 현재는 방사선 동위 원소가 이용되므로 γ선, β선, 중성자선이 이용되고 베타트론 선형 가속기의 개발에 의해서 고에너지 X선도 이용하게 되었다. 검사 대상은 기하학적 결함, 조직상의 결함, 성분상의 결함, 스트레인 측정에도 이용된다.

가) X선 : 빠른 전자파이다. 결함 검사용으로는 대 음극을 사용하며 고감도 film을 사용하여도 7～8 Cm정도가 한도이다. 그 이상 두꺼운 것을 검사하려면 특별한 장치를 하여야 한다. 공진 트랜스, 또는 밴터그래프를 이용하면 10～15 Cm, 선형 가속기 베에타트론에 의하면 30～50 Cm정도까지는 검사할 수 있다.

나) γ선 : 방사선 원소에 의해서 방출하는 γ선의 에너지는 일정하며 선 스펙트럼으로  된다.

다) β선 : β선도 90Sr과 같은 방사선 동위원소에서 방출한다. 두께 측정에 사용되며 경금속 두께 측정 등에 사용된다.

라) 중성자 : X과 γ선과는 다르며 X선이나 γ선에서 검출할 수 없는 것도 중성자에 의해서 잘 검출된다. 중성자원으로서는 원자로가 가장 강하게 중성자를 방출한다.

마) 방사능에 의해서 재료나 구조물을 검사하는 방법으로 필름에 의한 직접 촬영법, 간접 촬영법, 투시법 등이 있다.

2. 초음파에 의한 검사법

음파는 질점의 진동으로 물체중에 전달된다. 진행 도중 조직의 결함이 있으면 음진동 에너지의 감소, 또는 반사 등이 일어난다. 이 원리로 재료 중에 이상성을 구하는 것이 초음파 검사법 이다.

가) 탐상법(探傷法) : 음파를 보내는 방법에 따라 수직 및 사각 탐상법 등이 있다. 큰 단강품에는 수직 탐상법이, 용접부에 많이 사용 된다. 출력 초음파의 날카로운 지향성 원리로 결함의 크기, 사각 탐상법으로는 표면크랙의 길이를 구할 수 있다.

나) 표면파 탐상법 : 표면 가까이의 검사에 적합하며 반사파로 측정

다) 판파 탐상법 : 판 속으로 전파되는 파동은 판 두께와 위상속도 사이에 일정한 관계를 만족할 때 잘 통과한다. 이 원리를 이용하여 박판의 결함을 검사한다.

마) 침투법 : 음파를 보내고 반대면에서 투과하여오는 음압을 측정하는 방법으로 결함이 있으면 음압이 작아진다.

바) 공진법 : 한쪽에서 재료의 두께를 측정하고자 할때 가변 콘덴서로 주파수를 변화시켜 음파를 보내어 두께 t와 같게되면 판속에 정상파가 생기고 금속판은 공진한다. 이때의 주파수로 두께 t를 구한다.

3. 전자기 검사

금속재료 또는 비금속 재료는 전기, 자기의 특성이 있으므로 변화한다. 이 변화에서 역으로 결함의 실태를 추정할 수 있다. 전기적 검사법으로는 전자 유도에 의한법, 전기 저항을 이용하는 방법이 있고 자기 검사에는 자분 탐상, 자기 테이프에 의한 방법, 침투 검사 등이 있다.

36.  초음파 가공의 가공특성과 그 응용에 대하여 논하라.

초음파 가공(ultrasonic maching)은 초음파 진동으로 상하로 기계적 진동을 하는 공구와 일감 사이에 연삭 입자를 혼합한 공작액(물 또는 경유)을 주입하고 가벼운 압력을 가한 상태에서 공구에 초음파 진동을 주어 가공하는 방법이다. 이 가공법은 굳고 취약한 재료를 가공하는데 적합하다.

초음파의 원리는 고주파 발생 장치로 진동자에 20～30 KHz/sec의 진동을 발생시켜 이것을 exponential hone으로 진폭을 확대하여 공구에 진동을 전달한다. 공작액 중에서 공구에 이송을 주면 공(空) 단면형의 구멍이 뚫어지거나 홈이 가공 된다. 저립으로는 Al₂O₃, SiC, 탄화붕소, diamond 분말 등을 #200～600으로 하고 물, 기름, 석유와 혼합하여 사용한다.

진동자의 원리는 Ni 봉을 자장에 넣으면 수축 현상이 생기는데 이것에 코일을 감아서 고주파 전류를 통하면 Ni 봉에 교류 자계가 생겨 진동수 20～30 KHz/sec의 진동을 하게된다.

공구 재료에는 spring steel, stainless steel, tungsten steel, piano steel, monel metal 등이 사용된다. 공작물과 공구 간의 압력은 200～300 g/mm²이며 가공면의 정도는 2.5㎛ 정도이다.

초음파 가공을 가공 성능에 따라 일감의 재료를 분류하면, 소성 변형을 하지 않는 재료로서 유리, 세라믹, 다이어몬드, 수정, 천연 및 인조 보석, 반도체류 등이 가장 효율적인 가공이 가능하다.  탄성 변형과 소성 변형을 하는 재료로서는 내열강, 담금질강, 침탄강, 질화강, 초경합금 등이 있다. 소성 변형이 커지면 초음파의 가공 능률은 떨어진다.

초음파 가공의 결점으로는 납, 구리, 연강 등의 무른 재료는 가공이 어렵다. 또 가공 속도가 느리고 공구의 소모가 크다. 그리고 가공 면적이 좁게 제한을 받고 가공 깊이도 제한을 받는다.

초음파 가공의 공구는 회전하지 않아도 되므로 공구와 가공 조건을 적당히 선택하면  구멍 뚫기, 홈파기, 조각, 절단 등의 여러가지 가공이 가능하다.

37.  wire cut 방전 가공의 구성과 가공 특성을 논하라.

최근 생산성 향상을 위하여 CNC 공작기계들이 많이 등장하고 있다. 대표적인 예로서 CNC lathe, CNC milling, CNC maching center, CNC grinding 등 많은 기계들을 들 수 있다. 특히 작업 능률이 빠른 것중 하나가 wire cut 방전 가공기이다. 이것은 머시닝 쎈터와 같이 NC의 장점을 최대한 이용한 기계이다.

wire cut 방전 가공기는 연속적으로 통과하는 가느다란 wire를 전극으로 하고 CNC 에서 제어되는 X, Y table 위에 고정된 가공물을 목적하는 윤곽형상으로 방전에 의해 높은 정밀도로 가공하는 기계이며 다음 4개의 요소를 구비하고 있다.

1.  wire cut 가공기 본체

wire에 일정한 장력을 주어 이를 일정한 속도로 주행 시키는 wire 주행 기구와 CNC 로부터 지령 pulse에 따라 X, Y 방향으로 이동하는 테이블로 구성되어 있다.

2.  CNC 제어 장치

wire 직경 보정, 스케일링, 후퇴제어, 주장계산(周長計算), 도형 회전, 테이퍼 가공 등의 제어를 할 수 있는 CNC 제어  장치

3.  가공 전극     

wire는 직경(일반적으로 0.15～0.35mm)의 구리선 또는 황동선이 많이 이용되며 X, Y table의 최소 이동 단위는 보통 0.001mm/pulse이다.

4.  가공액 처리조

가공액으로는 물을 사용하며 이 물은 항상 깨끗히 보존하고 물의 전도도 또는 비저항을 일정하게 유지하는 것이 절대적으로 필요하다. 물의 전도도를 상시 검출하여 물의 비저항을 일정하게 유지 하도록 적절한 양의 물이 자동적으로 이온 교환기에 흘러 들어가도록 되어있다.

5.  특성

wire cut 방전 가공기는 가공물이 도전성이 있는 것이면 재질이나 경도에 관계 없이 고 정밀도의 가공이 가능하다. 특히 가공물의 형상이 복잡할 때 위력을 발휘할 수 있다. 가공액은 물을 사용하므로 화재의 염려도 없고 야간 무인 운전이 가능한 것이 큰 장점이다. 주로 다음과 같은 가공에 이용된다.

     * 프레스용 펀치 금형 제작

     * 방전 가공용 전극의 가공

     * 프로파일 gauge의 제작

     * 난삭재 가공 및 미세한 형상 가공

38.  프레스 가공을 4가지로 크게 분류하여 각각 그 특징을 설명하라.  

소성 변형에 의한 판재의 성형 가공은 대단히 널리 사용 된다. 판재를 사용한 각종 용기, 장식품, 기구 및 자동차, 항공기, 선박, 건축의 구조물 등에 많이 사용 된다. 프레스 가공은 다량 생산이 가능하고 그 종류도 다양하다. 프레스 가공을 크게 4 가지로 분류 하면 전단, 굽힘, 성형(프레스), 압축 가공으로 분류한다.

1.  전단 가공

블랭킹, 펀칭, 전단, 트리밍, 세이빙, 브로우칭 등이 여기에 속한다. 전단 가공이란 공구를 사용하여 재료에 전단력을 발생시켜 소요의 모양으로 분리시키는 가공방법이다. 특징으로는

    * 전단 가공된 것이 그대로 제품이 된다.

     * 대량생산이나 고정밀도의 제품 가공시는 형 설계 제작에 주의하여야 한다.

     * 공구가 가공재에 너무 큰 압력을 가하면 crack이 발생한다.

     * 펀치와 die의 힘이 클수록, 날끝각이 적을수록, 공구 틈새각이 클수록, 날끝이 예리할 수록 전단 저항은 적어진다.

2.  굽힘 가공 (bending, beading, curling, seaming)

굽힘가공에는 열간가공과 냉간가공이 있다. 재료의 내측에는 압축 응력, 외측에는 인장 응력이 작용하며 판, 봉, 관 등을 주로 가공한다. 특징으로는

     * spring back이 작용한다.

     * 관의 굽힘에서는 주름이나 찌그러짐이 발생할 수 있다.

     * 관속에 모래, 저 용융합금, 송진 등을 넣어 bending하면 주름 없는 균일한 굽힘을 할 수 있다.

     * 중립면이 존재하며 이 면은 응력 분포가 0이 되는 지점이다.

     * curling은 가정용품 제작에 많이 사용된다.

3.  성형 작업

drawing, bulging, spinning 등이 여기에 속하며 drawing은 밑이 붙은 제품을 성형하는 작업이며, deep drawing은 밑이 붙은 깊은 용기를 만드는 가공 방법이다. 특징으로는

     * 가압력이 적거나 압판을 사용하지 않으면 주름이 생긴다.

     * 판재의 가공 경화 및 마찰 저항이 적을수록 가공이 쉽다.

     * spinning은 두꺼운 소재도 간단히 가공할 수 있다.

     * 복잡한 형상의 축 대칭 제품의 소량 생산에 적합하다.

     * bulging은 중앙부분이 불쑥 튀어 나온(예 꼿병,항아리 모양) 용기나 비 대칭형 용기등을 소량 생산할 때 적합하다.

4.  압축 가공

coining, embossing, swaging, burnishing, 충격 압출 등이 있다. 특징으로는

     * coining은 화폐, 메달, 각종 장식품, 문자 그림 등을 가공하는 방법이다.

     * 엠보싱은 압인 가공의 특수한 한 예이다.

     * 재료의 두께를 감소 시키는 가공법이 스웨이징 방법이다.

39.  단조 형 설계에서의 기본적 유의 사항을 들어라.

단조 型 설계는 여러가지 유의해야 할 점이 있다. 외형 치수나 열응력에 의한 변형 등에 대치할 수 있는 재료의 선택, 가공 후에 제품을 형에서 빼어내기 위한 기울기, 단조 가공에 견딜 수 있는 형 두께 등에 대하여 알아 본다.

1.  형 재료

형재료는 다음과 같은 구비 조건을 갖추어야 한다.

     * 내 마모성이 커야 한다.    

     * 내열성이 커야 한다

     * 수명이 길어야 한다.

     * 강도가 커야 한다.

     * 값이 싸고 구입이 쉬워야 한다.

2.  형 설계

빼기 기울기는 제품이 형에서 쉽게 빠지도록 하기 위한 것이며 표와 같다.

단조면 깊이	외면 인발 기울기	내면 인발 기울기
60mm 미만	7°	7°
"  이상	“	10°

형 두께

형 단조 면적 Cm2	60 미만	60～125	125～250	350～500
최소 두께	3	4	5	8

가공여유

기준 치수	50 이하	50～125	125～250	250～500	500 이상
가공 여유	2.5	3.0	4.0	4.5	6.0

40.  NC 가공에서 tape format에 대하여 설명하라.

NC에 사용되는 테이프 상의 1 캐랙터(character)는 8개의 구멍을 여러가지로 조합해서 의미를 갖는 1 캐랙터를 구성한다. 이때 1 캐랙터를 구성하는 하나의 조합을 code라 부르며 EIA 와 ISO 등에 규정되어 있다.

tape format은 제어 tape상에 어떤 순서로 또는 어떤 형식으로 NC 공작기계의 여러가지 동작을 NC tape 상에 어떻게 표현할 것인가를 규정하는 것으로 EIA 와 ISO 등의 규격으로 정해져 있다. NC format에는 여러 종류가 있으나 현재 일반적으로 사용되고 있는 것은 가변 블록(variable block), 워어드(ward), 어드레스(address), 포멧(formet)이라 부르는 것이 있다.  NC 공작기계에서 하나의 동작은 NC tape 상의 1 block으로 지령된다. 1 블록은 몇개의 word로 구성되어 있으며 워어드는 수치를 의미하는 address(알파벳)와 여기에 계속되는 수치로 구성되어 있다. 이것을 word address라 한다.

일반적으로 NC 지령 정보는 그림과 같은 순서로 테이프 포멧을 작성 한다.

가변블록, word, address, format이란 블록 내의 워드의 수나 하나의 워드 내에서 수가 변화하여도 좋다는 format으로 프로그램상 매우 편리하다.

41.  drilling 가공의 절삭저항을 수식을 써서 설명하라.

드릴에 작용하는 절삭 저항은 회전할 때의 비틀림 모멘트(twisting moment)와 feed 방향에 트러스트(thrust)로 나눈다.  2 개의 절인을 갖는 트위스트 드릴에서 1 개의 절인이 절삭하는 절삭 깊이는 드릴의 지름에 대한 feed를 S 라할때 1/2 S가 된다. 실제 절삭 작업에서 web 부분은 절삭이 잘 되지않고 thrust를 증가 시키며 land 부분에 마찰이 있어 실제적인 값과 이론적인 값에는 다소 차이가 있다.

일반적으로 2 개의 절인이 형성하는각 2θ를 크게 하면 moment는 감소하나 thrust는 증가한다.  따라서 가공물의 재질에 따라서 적정한 값을 선정하여야 한다. 연강의 경우 선단각 2θ= 118°가 적당하다. 경사각(rake angle)의 영향은 바이트와 같은 작용을 하며 경사각이 커지면 절삭저항이 감소되나 경사각이 어느 정도 이상이면 절삭 저항이 일정하게 된다.

드릴 작업에서 필요한 힘은 2 가지로 나누어 분류하면 첫째, 이송에 필요한 트러스트이고 둘째, 드릴에 회전을 주는 회전 모멘트이다.

드릴에 작용하는 저항은 드릴의 지름과 feed에 의하여 변하게 된다.

드릴의 절삭력은 재료의 저항력 보다 크고 회전력 M은 양쪽 절인에 R/2씩 분포한다.

드릴의 지름을 Dmm라 하고, 회전당 feed를 S라 하면 1날의 절삭면적 F 는

       로 표시한다.

드릴 각 점의 경사각은 중심에 가까워질수록 작아진다. chisel point에서는 대단히 큰 마이너스 경사각을 갖기때문에 매우 큰 트러스트를 받는다. 이점이 선반과 다르다. 이점을 고려하여 Kronenberg는 절인의 중간점에 작용하는 평균 절삭 저항을 선반의 경우와 같이 비 절삭 저항을 K_s라고 하면 평균 절삭저항 P_e는

   로 표시한다.

42.  시일드 아아크 용접법(gas-shielded arc welding)을 분류하고 각각의 특징을 말하라.

대기 중에 산소와 질소의 영향을 받지 않도록 argon(Ar) 이나 He같이 고온에서도 금속과 반응하지 않는 불활성 gas 중에서 금속 전극 또는 텅스텐 전극을 사용하여 시행하는 용접을 “불활성 가스 용접” 또는 시일드 아크 용접이라 한다. 이 방법으로 종래에 불가능 했던 용접이 가능해 졌으며 합금강, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금 등의 용접에 많이 이용된다.  

불활성 gas 중에서 금속봉으로 용접하는 MIG 용접, 텅스텐 전극으로 arc를 발생 시키고 그 사이에 용가재를 공급하는 TIG 용접이 있다. 특징으로는

     * 대체로 모든 금속의 용접이 가능 하다.

     * slag이 없어 용접후 청소가 필요 없다.

     * spatter나 합금 원소의 손실이 적다.

     * 용접 가능한 판의 두께 범위가 넓다.

     * 값이 비싸다.

1. MIG 용접

용극식(소모식) 불활성 gas arc 용접이라고도 한다. 상품명으로는 air-comatic, sigma 용접, filler-arc 용접 등이 있다. 지름 2～2.4mm의 용접 wire를 nozzle을 통하여 공급하며 두께 3mm 이상의 용접에 적합하다.  MIG 용접은 고가이나 용접부의 부식 및 열 집중에 의한 균열과 잔류응력이 적고 기계적 성질이 변화하지 않는 장점이 있다. 이 방법은 Al, Mg, Cu 합금 및 스테인레스 용접에 널리 사용된다.

2.  TIG 용접

비 용극식(비소모식) 불활성 gas tungsten arc welding이라고도 한다. 상품명으로는 He arc welding, heli-weld, Ar-arc welding 등이 있다.

gas welding과 비슷한 방법으로 텅스텐 전극과 모재사이에 arc를 발생시키고 용가재를 별도로 공급한다. 직류 역극성에서는 Ar 이온이 용접부 표면에 충돌하여 청정 작용을 한다.  Al과 Mg의 용접에 적합하나 용입이 얕다.

정극성에서는 음전기를 가진 전자가 모재를 세게 충격하여 깊은 용입을 일으키나 청정 작용은 없다.

43.  gear shaper에 의한 치형 절삭에 대하여 논하라.

기어 절삭에서 왕복 운동을 하는 것은 호빙머신 이후에 출현하였다. 피니언 cutter를 이용하여 상하 왕복 운동과 회전 운동을 하는 것, 래크 커터를 사용하여 창성식 기어 절삭을 할 수 있는 것 등이 있다. 피니언 커터의 대표적인 것은 펠로우스 기어 세이퍼, Lorenz 기어 세이퍼가 있고 래크 커터의 대표적인 기계는 Maag 기어 세이퍼 등이 있다.

1. 펠로우스 기어 세이퍼

pinion cutter를 이용하여 평기어, 헬리컬 기어를 가공한다. 가공 속도가 빠르며 인터널 기어(internal gear)를 가공할 수 있다. 헬리컬 기어는 15°, 23°등 제한된 용도에 사용 된다. 기어 세이퍼는 작업 속도가 빠르므로 자동차용 기어의 대량 생산에 널리 이용되고 있다.

2. 마아그 기어 세이퍼(Maag gear shaper)

래크형 공구를 사용하여 기어를 절삭한다. Maag식은 기어 절삭 세이퍼에 필요한 관계 운동은 변환 기어에 연결된 나사봉으로 조절한다. cutting stroke에는 공구대가 밀착되어 정확한 위치에 안정되어 있으나 귀환 행정(return-stroke)일 때에는 자유로운 상태가 되면서 가공물로부터 유리된다.

3. 사이케스 기어 세이퍼(Sykes gear shaper)

피니언 커터를 이용하며 기어 형상을 창성하는 원리는 펠로우스 기어 세이퍼와 동일 하다. 절삭운동 이외에 커터와 가공물에 창성 운동이 주어진다. 사이케스 기어 세이퍼에서는 평 기어 및 헬리컬 기어를 가공할 수 있다.

4. 선더랜드형 기어 세이퍼(sunderland type gear shaper)

두 개의 래크 커터를 사용하여 평기어, 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어 등을 창성법으로 절삭하는 기계로서 영국에서 제작되었다. 작동 창성 원리는 Maag 기어 세이퍼와 비슷하다. 헬리컬 기어를 깍을 때 비틀림각을 자유로이 주지 못하고 가이드의 방향에 따라 주어진 각도에 한정된다.

5. 시어 스피드 기어 세이퍼(shear gear shaper)

최근 미국에서 제작된 신형 기어 세이퍼이다. 날끝이 유압으로 점차 가공물 쪽으로 이동되고 feed 되므로써 브로우치로 절삭하는 것과 같은 구조로 되어있다. 이 방법을 사용하면 전체의 기어 이빨이 동시에 절삭되므로 대량 생산에 적합하고 생산성이 높다.

그러나 가공물이 달라질 때마다 커터 헤드와 바이트도 하나 하나 준비해야 하므로 대량 생산 외에는 사용이 곤란하다.

44.  탄소량 0.1%의 연강으로 절삭 가공한 자동차의 piston pin의 침탄 열처리에 대하여 논하라.

철강 제품에 있어서 표면의 경도가 높은 것이 요구될 때가 많다. 이 목적을 위해 고 탄소강을 사용하면 전체의 경도가 높아져서 취성으로 인한 파손 가능성이 많아진다. 이때 표면은 경화시키고 내부는 인성을 유지시키는 것이 가장 이상적인 방법이다.

침탄 경화법은 표면 경화법 중에서 가장 많이 알려진 방법이다. 자동차의 piston pin 은 마모 작용에 강함과 동시에 충격에 대해서도 강해야한다. 이렇게 상반된 성질을 동시에 필요로 할 때는 침탄 처리한다.

piston pin을 침탄하기 위해 부품을 침탄상자에 넣고 침탄제로 주위를 메우고 뚜껑을 하여 점토로 밀폐하여 노중에서 850～900℃로 8시간 정도 가열한다. 이 침탄 처리로 부품의 표면에 C가 침입하며 내부로 들어갈 수록 C의 침입량이 적어진다. 이렇게하면 표면은 경강이 되고 중심부는 연강으로 남아 2중 조직을 나타낸다. 이것을 담금질하면 표면은 크게 경화되고 내부는 경화되지 않는다.

침탄 깊이는 자동차 piston pin은 마모가 심한 경우이므로 침탄 깊이를 1.5mm 이상으로 한다. 침탄 깊이를 처리 시간과 온도의 함수로 나타내면

     D = K√t 이 된다.

     D : 침탄 깊이     t : 시간       K : 온도에 의한 상수

                            

침탄제로는 목탄을 주제로하고 여기에 촉진제 탄산바륨(BaCO₃), 탄산소다(Na₂CO₃),  희석제로는 코크스를 사용한다.

침탄 후의 열처리 방법은 침탄한 강의 표면은 고 탄소강이고 심부는 저 탄소강이므로 각부에 적합한 경화처리를 한다. 일반적으로는 1차 담금질에 의해 심부 조직을 미세화하고 곧 바로 2차 담금질에 의해 침탄층을 경화시킨다.(내 마모성과 시효 변형 방지를 위해 서브제로 처리를 할 수도 있다) 끝으로 뜨임에 의해 경화층의 조직을 안정화 한다.

45.  고급 주철 선반 베드의 잔류응력 제거 및 경화처리에 대하여 논하라.

bed는 주축대, 심압대, 왕복대 등을 지지하는 선반의 중요한 부분으로 절삭저항에 의하여 비틀림과 굽힙작용을 받는다. 따라서 변형이나 진동이 없어야 하며 충분한 강도 유지가 필요하다. bed의 정밀도는 가공물 정밀도에 직접적인 영향을 미치므로 잔류응력 제거 및 경화 처리는 매우 중요한 의미를 갖는다.

1. 잔류응력 제거

베드는 인장강도 45～55 Kg/mm² 이상의 고급주철로서 합금 주철, 구상흑연 주철, 미하나이트 주철 등으로 주조하여 제작한다. 주조시 내부에 주조 응력이 발생하므로 주조한 그대로 가공하여 사용하면 심한 변형이 생겨 정밀도를 불량하게 한다. 이것을 방지하기 위해 잔류응력을 제거하는 방법으로 seasoning을 하게 되는데 시즈닝에는 자연 시즈닝과 인공 시즈닝이 있다.    

자연 seasoning 거친 절삭을 하여 자연 상태에서 주조 응력을 소멸시키는 방법으로 수개월 이상의 기간이 요구된다. 기간이 길수록 효과는 좋으나 경비가 많이드는 단점이 있다.

 인공 시즈닝은 주조한 베드를 풀림처리 노에 넣고 약 600～650℃의 온도에서 1″의 살 두께당 1.5hr 이상의 비례로 가열 지속시키고 노안에서 서냉시켜 주조응력을 제거하는 방법이다. 근래에는 자연 시즈닝보다 인공 시즈닝이 훨씬 많이 사용되고 있다.

2. 경화처리

베드의 표면은 마모를 방지하기 위하여 화염경화법이나 고주파 경화법으로 표면을 경화시켜 사용한다.

화염경화법은 bed의 표면을 산소 아세틸렌 불꽃으로 가열하여 물을 뿌려 표면을 경화 시키는 방법이며 재료의 조성에는 전혀 변화가 생기지 않는다.

고주파 경화법은 고주파 전류로 과전류를 발생시켜 이때의 열로 화염 경화법과 같은 원리로 표면을 경화하는 방법이다. 이 경화법은 주파수를 조절하여 용이하게 가열 깊이를 조절할 수 있고 가열이 매우 급격하여 경화층 내부의 금속은 거의 가열되지 않으므로 조직 내부에 영향을 끼치지 않으며 열 변형이 없고 조작이 자동이므로 숙련이 필요치 않다. 그러나 장비가 고가인 단점이 있다.

46.  지그를 구성하는 요소 중 공작물의 위치 결정 기구에 관하여 종류를 들고 설명하라.

일반적으로 jig를 구성하는 요소에는 밑판, 일감의 위치결정, 체결, 절삭 공구의 위치결정, 안내, chip의 제거, 지지핀 등이 있다. jig는 가공 방식이나 목적 등에 따라 필요한 요소를 적당히 조합하여 동작할 수 있도록 제작한다.

부품의 호환성을 높이기 위하여 지그와 일감, 지그와 절삭 공구의 관계 위치를 정확히하여 요구되는 부품의 치수 공차 이내로 가공하여야 한다.

일감의 위치 결정은 부품에 요구되는 가공 정밀도, 공작법, 가공 위치, 절삭력의 크기, 체결 방법 등을 고려하여 결정한다. 일감을 지그에 고정할 때 그 기준이 되는 부분을 공작 기준부라 하며 이것은 가공물 측정시 기준이 되기도 한다. 공작 기준부로부터 일감의 밑면, 옆면, 구멍 등 정밀도를 나타내기 쉬운 곳을 이용한다. 일반적으로 지그에 의한 가공물의 위치 결정은 다음과 같은 방법에 의한다.

1. 평면을 기준으로 하는 방법

공작기계에 공작물을 고정할 때는 평면을 기준으로 하는 것이 가장 안전하고 쉽게 고정할 수 있는 방법이다.

2. 위치결정핀에 의한 밥법

pin의 끝면으로 위치 결정을 할 때에는 단붙이 핀을 사용한다. pin의 원통부에 의하여 위치 결정을 할 때에는 가공물과 닿는 핀의 부분은 평탄하게 닿도록 한다. 공작물의 형상에 따라서는 평면을 기준으로 한 위치 결정이 불가능할 때가 있다. 예를들면 주조나  단조품과 같이 기준면이 불규칙하거나 복잡한 경우이다. 이때의 위치결정에는 위치가 적당히 조절되는 pin을 사용한다. 이때에는 가동형 핀, 볼트 등을 사용한다.

3. V홈에 의한 위치결정 방법

원통형의 일감을 고정 할 때에는 V홈을 사용한다.

4. 중심 위치결정

일감의 위치를 결정하는 방법에는 일감의 중심을 이용하는 방법이 있다.

예를들면 환봉이나 pipe의 중심을 이용하는 방법 등이다.

47.  강선 인발가공에 대하여 논하라.

taper 형상의 구멍을 가진 die에 소재를 통과시켜 구멍의 최소 단면 치수로 가공하는 것을 인발이라고 한다. 인발 가공은 보통 상온에서 행하고 가공 중 변형에 의한 발생열이 상당히 많다. 인발 가공에서는 주로 봉, 선 등이고 pipe 가공도 한다.

지름 5mm 이하의 가는 선재들의 인발을 신선(伸線)이라고 한다. 신선은 드럼에 감아서 인장하며 단식 신장기(single wire drawing machine)와 연속 신장기(continuous wire drawing machine)가 있다. 완성 제품의 지름이 1/4 인치 이상일 때에는 단식 신선기를 사용하고 1/4 인치 이하의 선을 인발할 때에는 연속 신장기를 사용한다.

1.  인발의 제 인자

인발 조건으로는 단면 감소율, 다이의 각도, 윤활법, 인발 속도 등이 있다. 이 조건들과 인발 가공응력, 가공 스트레인, 제품 품질과의 상관 관계가 매우 중요하다.

     가) 단면 감소율(또는 減面率) : 가공전의 단면적과 가공후의 단면적의 비를 말하며 단면 감소율 = A0 - A / Ao ×100 (%)로 표시되며 보통 사용되는 단면 감소율은 경강선:20～25%  연강선:28～35%  피아노선:10～15%  비철금속선:15～30% 정도이다.

     나) 다이의 각도는 보통 Cu : 12～16° Al, Ag : 16～18° 황동,청동 : 9～12°  강철:6～11°정도이다.

     다) 윤활법 : 윤활제의 선택은 아주 중요하다. die 벽과 인발재 사이에 윤활은 마찰을 감소시켜 die 수명을 길게하고 제품 표면 상태를 좋게한다. 인발력을  감소 시키며 냉각 효과도 갖는다. 윤활제에는 건식과 습식이 있으며 건식에는 석회, grease, 비누, 흑연 등이 사용되고 습식에는 채종유, 종유와 비눗물의 혼합물 등이 사용된다.

     라) 인발속도 : 저속에서는 인발 속도가 증가하면 인발력이 급증하나 속도가 어느정도 이상되면 인발력에 대한 속도의 영향은 적다. 실용속도는 30～2500 m/min 정도이며 고속에서는 열의 발생이 많아진다.

48.  공작 기계중 선반 주축대의 기어 변속 방식에 대하여 논하라.

선삭에서 cutting speed를 조절하기  위하여 회전수를 변화시켜야 한다. 회전수를 변화시키기 위하여 주축대 내부에 있는 기어를 변속시켜야 한다. 기어의 변속은 간편하고 변속이 원활하며 고장이 적어야 한다. 선반의 주축대에는 단차식 주축대, 전 치차식 주축대, 무단 변속식 주축대가 있으며 여기에서는 전 기어식 주축대에 대하여 설명한다.

치차식 주축대의 기어를 변속 시키는 방식에는 단열 기어식, sliding 운동 방식, 기어를 미끄럼 운동시키는 방법,  key를 이용하는 방법,  Norton type 방식 등이 있다.

1. clutch type

한쪽 축에는 기어가 고정되어 있고 다른 한쪽에는 기어가 항상 맞물려 있어 축상에서 공전하도록 되어 있다. clutch 로써 필요한 속도비의 기어를 축에 연결하여 운전한다. clutch 로는 jaw clutch, cone clutch, disk clutch, magnetic clutch 등이 있다.

2. 단열 기어식(pick off gear)

가장 간단한 방법으로 2 축에 필요한 속도비로서 기어가 맞물려 있고 속도를 바꿀때는 한쌍의 기어를 바꾸는 방법이다. 그러나 속도 변환 조작이 복잡하므로 속도 변환 조작이 많지 않은 터릿 선반에 사용 하기도 한다.

3. 슬라이딩 기어식

한쪽 축에는 기어를 고정하고 다른 한쪽 축에는 spline을 이용하여 축 방향으로 이동할 수 있도록 기어를 고정하고 이 기어를 축 방향으로 이동시켜 기어 변속을 하므로서 필요한 회전수를 얻을 수 있는 방법이다.

4. spring key type

2 개의 축이 서로 항상 맞물려 있다. 한 쪽 축은 고정되고 다른 한 쪽은 축상을 공전하도록 되어 있다. spring 으로된 key가 축 방향으로 이동하여 필요한 기어만 축과 연결 시킨다. 그러나 이 방법은 구조가 약해 많이 쓰이지 않는다.

5. Norton type

feed 속도 변환 장치로서 한 쪽 축에 많은 기어를 고정하고 다른 축에는 축 방향으로 이동할 수 있는 기어와 중간 기어가 있어 회전을 전달한다. Norton type 기어 변속 장치를 사용하면 가장 기어의 갯수를 적게 사용하고 비교적 많은 회전수의 변환을 얻을 수 있다.

49.  Machining center 의 원리와 작업범위에 대하여 논하라.

머시닝 쎈터는 자동공구 교환 장치를 이용하여 여러 종류의 공구를 사용하여 작업을 진행하므로서 가공 내용이 광범위하다. 수평형에서는 분할대를 가지고 있어서 다수의 면을 가공하는 작업에서도 공작물의 가공면을 바꾸어가며 가공할 수 있기 때문에 종래의 다공정 작업을 단공정 작업으로 할 수 있다.

1. Mechining center의 원리

머시닝 쎈터는 선반, milling, boring, drilling machine에서 각종 작업을 필요로 하는 가공물을 자동으로 가공하는 NC 공작기계로서, 공구 자동 교환 기능과 가공물의 2개면 이상을 자동으로 절삭하고 또한 분해할 수 있는 기능을 구비한다. 그러나 실제 넓은 의미로 해석되어 있으므로 공구의 교환, 또는 가공물의 분할은 자동으로 진행되지 않아도 적당한 수단으로 간편하게 그 목적을 달성할 경우도 머시닝 쎈터라 한다.

머시닝 쎈터는 비 회전 제품을 가공하는 형식과 회전체 부품을 가공하는 형식의 2 종으로 크게 구분할 수 있다. 비 회전체 부품을 대상으로 하는 머시닝 쎈터는 NC 밀링 머신, NC 드릴링 머신을 모체로하여 여러가지 부분을 개량하였고, 여기에 공구 교환 장치, tool 매거진 및 자동 가공물 교환 장치를 조합하여 머시닝 쎈터를 만든 것이다. 회전 부품을 대상으로 하는 머시닝 쎈터는 NC 선반을 모체로 하고있어 선삭 후에도 여러 가지 가공을 하며 공구의 자동 교환 외에 가공물 자동 이송 장치도 가지고 있으며 가공 중에 준비된 chuck으로 가공물을 고정하며 완성된 가공물은 풀려 나오므로서 가공물의 탈착이 자동화되고 있다.

2. 작업 범위

회전 부품을 대상으로하는 머시닝 쎈터는 선삭 후에 각도 분할, 홈 가공, 구멍가공, 탭 작업 등을 할 수 있고 비 회전 부품을 대상으로 하는 머시닝 쎈터는

50.  열처리에서 항온처리 및 그 방법에 대하여 논하라.

담금질과 뜨임의 두 가지 열처리를 동시에 할 수 있는 열처리 방법이며 담금질에서 오는 파손을 방지할 수 있는 새로운 열처리 법이다.

항온 열처리법을 간단히 설명하면 우선 오스테나이트까지 서서히 가열(AB)하고 여기에서 전체 가열이 균일하게 되도록 일정 시간 유지(BC)한 후 salt bath에 급랭(CD)한다.  일정시간 동안 일정한 온도에서 항온 뜨임(DE)한 후에 공기중에서 냉각(EF)을 한다.

이 방법을 그림으로 나타내면 다음과 같다.

            B         C

                        D           E 

A                                          F

이 방법은 담금질과 뜨임의 공정을 동시에 할수 있고 담금질 파손을 방지할 수 있다. 이 방법은 온도, 시간, 변태 등, 3 종의 변화를 선도로서 표시하여 목적한 열처리 조직을 얻을수 있어서 대량 생산에 대단히 편리하여 널리 사용되고 있다. 즉, 열처리할 물건이 결정되면 이것에 대한 온도, 시간, 변태에 관한 선도를 만든다. 이 선도를 사용하여 제품을 austenite 상태로 가열하여 일정한 온도의 salt bath에서 일정한 시간동안 담금질 및 뜨임을 하여 필요한 조직으로 변태가 완료될 때 꺼내면 요구되는 경도 및 조직을 얻을 수 있다. 이같은 방법을 항온 열처리라 한다.

항온 변태를 진행시킬 때 변태온도의 변화와 열처리 조직과의 관계를 표시하는 선도를 항온 변태도, TTT 곡선, S 곡선, 또는 C 곡선이라 한다. 항온 변태를 응용한 열처리에는 마퀜칭, 오스템퍼, 마템퍼, 타임퀜칭, 항온뜨임, 항온 풀림 등이 있다.

1. marquenching

오스테나이트 상태로부터 Ms점 바로위의 온도에서 salt bath에 담금질하여 강의 내외의 온도가 동일하도록 항온 유지하고 과냉 오스테나이트가 항온 변태를 일으키기 전에 꺼내어 공냉하는 방법이며 수중 담금질에 비하여 경도는 다소 떨어지나 담금 균열이 생기지 않는다. 합금강, 고 탄소강, 침탄부 등의 열처리에 적합하며 시간을 너무 오래 유지하면 marquenching 효과가 떨어진다.

2. austenpering

오스테나이트 상태로부터 Ms 이상의 어느 온도의 염욕으로 담금질하여 과냉 오스테나이트가 변태 완료될때까지 항온 유지하여 bainite를 석출시킨 후 공냉하는 과정을 오스템퍼링이로 하며 이것을 bainite 담금질 이라고도 한다. 이 때 얻어지는 베이나이트는 인성이 강하고 담금질 균열을 방지할 수 있다. 공구강과 고 탄소강에 유리 하다.

3. martempering

이 방법은 Ms와 Mf 사이에서 항온 처리를 행하는 것이다. 오스테나이트 상태로부터 Ms 이하인 100～200℃에서 변태가 종료될 때까지 항온 유지한 후에 공냉하는 열처리로서 martensite 와 bainite 의 혼합조직으로 변한다. 경도가 상당히 크고 인성이 매우 크게 된다. 담금질 균열이나 변형이 생기지 않아 복잡한 형상의 부품에 많이 이용 된다. 결점으로는 유지 시간이 길어 대형의 제품에 부적당하다.

4. 기타 : 그 외 time quenching, 항온 뜨임, 항온 풀림 등이 있다.

51.  압연기의 구성과 작동에 대하여 설명하라.

압연 가공은 상온 또는 고온에서 회전하는 roller 사이에 재료를 통과시키며 가압하므로서 단면적을 감소시켜 steel, Al 합금, 동합금 등의 각종 판재, 봉재, 단면재 등을 성형하기 위한 작업이다. 특히 금속재료에서는 주조조직을 파괴하고 재료 내부의 기공은 압착되어 균등한 좋은 성질을 갖게 할 수 있다.

대형 재료를 가공할 수 있는 가역식 2단 압연기를 예로들어 설명 하기로 한다.

roller를 회전시키기 위한 전동기 회전은 커플링을 거쳐 피니언 기어 또는 camwalz에 전달된다. 피니언 기어와 로울러를 연결하고 구동시키는 spindle에는 유니버셜 조인트 및 webbler가 붙어있다. 이것을 거쳐 압연기 스탠드에 있는 로울러에 회전이 전달 된다.

압연기의 중요한 부품으로는

① housing 또는 roller 스탠드 : 로울러를 지지하는 부분으로 2개가 1 쌍으로되며 上下 2개의 스테이 볼트(stay bolt)로 고정한다.

② 압연 로울러용 베어링 : roller bearing 과 chock type bearing 이 사용된다. chock type bearing metal 로는 babbit metal, gun metal, 포금, 합성수지 등이 사용된다.

③ 로울러 승강 장치 : 로울러를 강하, 상승시키면서 압연을 하게 되는데 승강 장치에는 유압 기구와  전동기구로 구분할 수 있다. 전동기는 역전이 가능하고 속도 변환이 가능한 것이 사용된다.

③ 피니언 기어 또는 캠왈츠 : 압연기에 들어가는 압력은 camwalz의 gear를 거치게 되어 있다. 압연기에서는 가장 강력한 회전 전달 부분으로 보통 헬리컬 기어로 구성되어 있다.

2. 압연 작업

   판재 압연

     ① 고온 가공(hot rolling) : 800～900℃로 가열하여 압연하고 적당한 치수가 되면 전단기로 자른다. 750℃ 정도에서 어닐링하여 사용

     ② 상온 가공(cold rolling) : 정밀치수를 요구할 때 표면이 깨끗한 것이 요구될때, 상온에서 가공한다.

   선재 및 봉재와 단면재 압연

     ① 선재 압연 : wire 압연

     ② 봉재와  단면재 압연 : 단면 압연기(section mill)을 사용하여 압연 한다. 고온에서는 약 30% 정도, 완성 치수에서는 5 ～10 % 이다.

52.  경제적인 절삭작업을 위하여 고려하여야할 모든 인자를 들고 그 상관 관계를 논하라.

생산 기술자의 관심은 생산가와 생산율에 있다. 높은 생산율은 평균 생산가를 저하시킬수 있으나 최대 생산율은 반드시 생산가를 최저로 한다고는 볼 수 없다. 앞으로의 설명에서 생산시간은 1개의 부품을 하나의 공작 기계에서 필요한 평균시간, 생산가는 생산시간에 만들어진 부품의 평균비용으로 정의한다.

1. 이송(feed)

황삭에서는 생산율을 높이기 위해서는 절삭속도 보다는 feed를 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나 실제에 있어서는 feed만을 증가시킬 수 없다. 일반적으로 feed를 증가시키면 공구에 미치는 힘은 증가하지만 절삭 속도는 그렇지 않기 때문이다. 따라서 feed를 증가시키는 것은 한계가 있으며 그 한계는 공작기계와 공구가 지탱할 수 있는 강도와 강성에 의한다. 그러나 황삭에서의 최적 절삭조건은 가능하면 feed를 최대로 하는 것이 원칙이다. 다듬질 가공에서는 요구되는 조도를 얻을 수 있는 feed를 정해야 한다.

2. 절삭속도

절삭가공에서 절삭 속도를 정하는데는 2가지 기준이 있다. 하나는 최소 생산가이고, 다른 하나는 최소 생산시간이다. feed를 일정하게 하고 절삭 속도를 증가시키면 가공비를 감소시킬 수 있다. 그러나 절삭속도가 증가하면 따라서 공구비도 함께 증가한다.

3. 최소 생산비와 최소 생산시간에 대한 공구수명   

실제 절삭 작업을 하는데 있어서는 최소 생산비에 대한 최적 공구수명 Tc와 최소생산 시간에 대한 최적 공구수명 Tp는 테일러 방식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

     HSS ( n = 0.125 )

             Tp = 7 Tc

     초경 합금 ( n = 0.25 )

             Tp = 3 Tc

4. 최대 이윤율에서의 가공

최소 생산비에 대한 가공 조건이 선택되면 그 생산 시간은 최소 생산 시간보다 커지게 된다. 최소 생산 시간에 대한 조건이 선택되면 생산비는 최소 생산비보다 크게 된다. 이 두 조건을 절충하여 최대 이윤율을 기준으로 하는 것이 합리적이다.

53.  정밀입자 가공의 종류를 분류하고 각각의 특징, 가공방법, 공구, 사용목적 등에 대하여 설명하라.

1. 호우닝(honing) : hone이라 부르는 세립자로된 공구를 가볍게 접촉시키면서 표면을 매끄럽고 정밀하게 가공하는 정밀입자 가공 법이다. 호닝에 적합한 재료에는 주철, 황 청동, 초경합금, Al, Cr, 세라믹, 프라스틱 등이 있으며 호닝은 원통의 내외경 가공이 모두 가능하나 주로 내경가공에 사용된다. 실린더 내면, 포신 내면, bush, bearing race 등과 같이 정도가 높은 제품을 생산한다. honing stick은 연삭에 사용되는 숫돌과 재질은 같으나 형상이 다르며 산화Al, SiC, diamond 등이 사용된다. 입도는 황삭에 #120～180, 중간 다듬질에 #320～400, 정밀 다듬질에는 #600이 사용되며 절삭 가공 후의 직선도, taper, 진원도 등을 바로 잡고 표면 정밀도를 높인다. 가공시 발열이 적고 경제적인 정밀 치수 가공이 가능하다,

2. 액체 호닝 : 액체 호닝은 가공물 표면에 공작액과 미세 연삭입자의 혼합물을 가공물 표면에 고속으로 분사하여 매끈한 다듬질면을 얻는 가공방법이다. 입자의 hammering 효과로 표면은 표면 경화되고, 피로강도와 내마모성이 증가한다. 저립으로는 카아보런덤, 앨런덤, SiO₂를 입도 #500～600으로 물과 저립의 比를 1 : 1, nozle과 공작물의 거리는 6～8 Cm, 분사각은 45°를 기준으로 한다.

3. 래핑(lapping) : 연한 금속의 lap(주철, 동 등)과 공작물 사이에 lap제(lapping powder)를 첨가하여 공작물과 lap을 상대 운동시켜서 극미한 chip을 발생시키는 가공법이다. 래핑으로는 블록게이지, 플러그게이지, 한계게이지, 연료분사펌프, 프리즘, 렌즈 등의 가공에 사용되며 특징으로는 거울면을 얻을 수 있고 평면도, 진원도, 직선도 등의 이상적인 기하학적 형상을 얻을 수 있다.  또한 대량생산에 적합하고 시설과 작업방법이 간단하다. 가공물은 내마모성과 내식성이 향상된다.  lap 재료는 연하고 조직이 치밀한 주철이 가장 많이 사용되며 강, 황동, 동, Al, babbitt metal, 주석 등이 사용된다. 비금속 lap 재료로는 목재, 가죽, fibre 등도 사용된다.  lapping powder는 diamond, BiC, SiC, Al₂O₃ 등이 사용된다.

4. 슈퍼 피니싱(super finishing) : 가공물 표면에 미세한 입자로된 숫돌을 접촉시키면서 진동을 주어 가공하여 고정밀도를 얻을 수 있는 방법이다.  숫돌의 폭은 공작물 지름의 60～70%정도, 길이는 일반적으로 가공물과 같게한다.  슈퍼 피니싱의 효과로는 다듬질 시간이 짧다, 다듬질면이 양호 하다, 치수 정도가 높다, 다듬질면의 내마모성. 내식성이 좋다, 다듬질면의 마찰성능도 우수하다. 숫돌 재료에는 Al₂O₃, SiC가 사용되며 C 입자는 주철, Al, 황동, 청동 등에, A 입자는 강, 특수강, 고속도강, 특수 청동에 사용된다. 숫돌의 입도는 보통 #100～1000인 것이 사용된다.  숫돌에 작용하는 압력은 0.2～2Kg/Cm², 가공속도는 황삭시 6～10 m/min, 다듬질 가공에는 8～27m/min 정도로 하며 절삭유는 일반적으로 경유 또는 spindle유 및 기계유를 10～30 %를 혼합하여 사용 하기도 한다.

5. buffing과 polishing : 회전 원판에 powder를 부착시켜 회전시키고 여기에 가공물을 접촉시켜 마찰에 의한 다듬질 가공법을 buffing이라 한다. 간혹 버핑과 폴리싱을 동일시 하기도하나 폴리싱은 미세한 입자의 고형 숫돌에 의한 마찰작용으로 가공면을 매끈하게 가공하는 방법으로 buffing에 선행하는 작업이다.  buff 재료에는 직물, 피혁, cork, 목재 등이 사용된다. buffing 연삭제에는 경한 것과 연한 것이 있으며 흠집을 제거하는 목적일 때는 경도가 큰 Al₂O₃, SiC 등을 입도 #300 정도로 사용한다. 중간 다듬질에는 #400～2000 정도의 emery를 사용하고 광 내기용에는 Cr₂O₃ 등이 사용된다.

54.  milling machine에서 나사 가공법을 설명하라.

밀링 머신에서도 spiral cutting 장치를 이용하여 나사를 가공할 수 있다. lead가 큰 나사의 절삭에는 매우 유리한 방법이다.

차동 분할대를 이용하여 table의 이송 나사 사이에 기어 열을 사용하면 분할대 주축의 회전과 table의 이동 거리로 나사를 가공할 수 있다. 이때 table의 이송은 spiral feed에 일치 되어야 한다. 테이블은 lead angle의 회전이 된다.

원통이 1회전하는 사이에 진행된 거리 l(mm)을 lead라면 원주와 리드와의 관계 θ

     

일반적으로 밀링머신의 feed screw는 인치식과 미터식이 있다. 필요한 리이드의 나사를 절삭하려면 테이블이 리이드만큼 이동하는 사이에 공작물이 1회전해야 하므로 인치식에서는 10 : l, 미터식에서는 240 : l 이된다. 적당한 기어로 분할대의 축과 이송나사 사이를 연결하면 l의 리이드를 갖는 비틀림각의 나사를 가공할 수 있다.

     분할대 기어 A, 테이블 축 기어 B, 중간 기어를 C, D 라고 하면

      i = 피동차 / 원동차 = 비틀림각 lead / 기계 lead

     l이 인치일 경우

      i = 비틀림각 lead / 기계 lead = l / 10 = A/B × C/D

      l이 미터일때

      i = 비틀림각 리이드 / 기계 리이드 = l / 240 = A/B ×C/D

      ex) 리이드가 10 mm 인 나사를 절삭하려면

      i = 10 /240 = 1×1 / 4×6 = 20/80 × 20/120

55.  강재 기어의 침탄 열처리법과 고주파 열처리 방법을 설명하고 그 특징을 비교하라.

기어는 정확한 회전비와 강력한 동력을 전달하는 기계요소이므로 큰 힘과 충격을 받게되며 미끄럼 마찰을 많이 받게 된다. 따라서 강재 기어는 마모에 강하고 충격과 큰 힘에 견딜수 있도록 표면 경화 처리하는 것이 좋다.

1. 침탄 열처리

강제 기어는 마모에 강하고 충격에도 강해야 한다. 이렇게 상반된 성질을 필요로 할때 침탄 처리를 하게 된다. 강제 기어의 침탄은 gear를 침탄 상자에 넣고 점토로 밀폐한 후 노중에서 850～900℃로 4～6시간 정도 가열한다. 이렇게 하면 표면은 경강이 되고 중심부는 연강으로 남아 2중 조직을 나타낸다. 이것을 담금질 하면 표면은 크게 경화되고 내부는 경화되지 않는다.

* 침탄깊이 : 강제 grar는 1～1.5mm 정도로 침탄한다.

* 침탄제 : 목탄을 주로하고, 촉진재로 탄산바륨(BaCO₃), 탄산소다(Na₃CO₃), 희석재 또는 코크스를 사용 한다.

* 침탄후 처리 : 1차 담금질에 의해 심부 조직을 미세화하고 2차 담금질에 의해 침탄층을 경화시킨다. 끝으로 뜨임으로 경화층의 조직을 안정시킨다.

2. 고주파 열처리

고주파 유도열로 표면을 경화하는 방법으로 급속히 표면만을 가열하여 담금질하고 내부는 거의 처음의 상태로 유지된다.

     가) gear의 담금질 방법과 경화층

     * 일차 일발 담금질 : 이것은 대형으로 그다지 길지 않은 이의 gear에 適當 하다. 가열 종료후에 분사 냉각하여 담금질 한다.

     * 일치 이동 담금질 : 대형의 기어와 유도자를 상대으로 수직하게하여 하여 이동 담금질 한다.

     * 데라페나 방식 : gear를 물 또는 oil속에 침지한 상태로 가열 냉각한다.

3. 침탄 열처리와 고주파 열처리의 특징 비교 ( 강재 gear modul 3 )

     * 충격치 : 침탄 열처리보다 고주파 열처리한 기어의 충격치가 크다. 그러나 재질의 차이에 따라 달라질 수도 있다.

     * 굽힘, 피로강도 : 침탄 열처리 보다 고주파 열처리 기어의 피로강도가 크다.

     * 마모 : 침탄 열처리보다 고주파 열처리한 기어의 마모량이 크다.

         fitting 이 일어나는 압력은

         침탄     Pmax = 120～140 Kg/mm²

         고주파   Pmax = 140～220 Kg/mm²

56.  spining 가공법의 장단점을 써라.

선반 주축에 die를 고정하고 그 die에 blank를 심압대로 눌러 blank 와 die가 함께 회전할때  spining stick 이나 roller로 가공 성형하는 방법이다.

punch에 상당하는 목재나 금속재를 내형으로 선반 주축에 설치하고 3000 rpm 정도의 속도로 회전시켜 외측으로부터 spining stick 이나 roller로 가압 성형한다.  이러한 가공법을 spindie spining 이라 한다. 철금속이나 비철 금속에 사용되며 두께는 6mm 이하 정도이다.  소재경은 2000mm의 것도 가공된다. 모방장치를 가진 유압기구 등 기계를 사용하면, 보다 두꺼운 소재도 간단히 가공할 수 있다.

장단점으로는

     * 복잡한 형상의 축대칭 제품의 소량생산에 적합하다.

     * 소재와 stick의 마찰이 심하므로 윤활을 충분히 하여야 한다.

     * 소량생산에 적합하며 원통형 제품 외에는 가공할 수 없다.

     * 스피닝 가공시 아이어닝 가공도 함께시키면 제품의 정밀도가 향상되며 강도, 경도 등의 재질의 성질이 개선된다.

     * 보통의 press 가공이나 절삭 가공으로 곤난한 고강력 내열재료 가공에 유일한 방법이다.

     * 1 공정으로 도달할 수 있는 가공 최대 각도는 Al 20°, 스테인레스 30°정도 이다.

57.  honing machine에서 호닝 교차각과 절삭능률과의 관계를 논하라.

호닝이란 호닝 공구에 Al₂O₃나 SiC 등의 숫돌을 끼워 구멍내에서 회전 왕복 운동을 하면서 cylinder 내면, 포신 내면, bush, bearing race 등를 가공하는 방법이다.

honing에 있어서 hone의 회전과 왕복운동이 합성된 크로스 해치스턴(혼 숫돌 자국)이 만들어 진다. 이때 회전의 원주속도 Vc, 왕복속도 Va 라고하면 합성 절삭속도 V는

               로 표시하며

이때 생기는 숫돌의 궤적이 이루는 각의 최대치를 교차각이라 하며 각은

               이 된다.

공작물을 절삭하여 눈메움이나, 눈무딤( 로우딩, 글레이징 )을 일으키지 않는 것이 효율적인 honing 작업을 위해 필요한 사항이다. 숫돌의 회전 속도는 이러한 사항과 깊은 관계가 있다.  열처리한 Mo강의 내면 호닝시 원주속도를 증대시키는 동시에 왕복운동의 속도를 비례적으로 증대시켜 교차각을 24.6°로 유지하여 실험한 결과를 살펴보면, 속도가 상승함에  따라 단위 시간당 공작물 다듬질량은 커지는데 약 25m/min(0.42m/sec) 부근이 최대치이고 그 이후는 오히려 감소한다.

다듬질량이 감소하는 이유는 주속도가 지나치게 증대하면 눈메움 현상이 발생하기 때문이다. 왕복운동의 속도는 회전속도만큼 중요하지는 않으나 다듬질 능률에 영향이 있는 것이며, 회전 속도와 관련하여 교차각을 결정하는 것이며, 이각이 적당하지 않으면 능률적인 가공이 되지 않는다.

교차각 α가 너무 작거나 커지면 공작물의 다듬질량이 저하한다. 교차각이 40～50°일 때가 다듬질량이 가장 크다. 교차각 40～50°를 유지하기 위한 왕복운동의 속도는 원주속도의 1/2 ～1/3 정도가 가장 좋다.

교차각의 효과는 가공물의 재질이나 honing의 방식으로 정량적으로 변화한다. 절삭 방향각 θ(교차각 α 1/2)가 50～60°에서 다듬질량 W는 최대이며 숫돌 소모량은 80°에서 최대치가 된다.

교차각은 거친 호닝에서는 40～60°, 다듬질 호닝에는 20～40°정도이다.

참고로 가공면에 대한 압력은 비트리파이드 결합제를 사용할 때에는 거친 호닝에 10Kg/cm², 다듬질 호닝에서는 4～6 Kg/cm²정도이고 레지노이드 결합제 숫돌에서는 그 1/10정도로 한다.

58.  절삭 조건과 공구수명과의 관계를 논하라.

공구 수명이란 새로 연삭한 공구를 사용하여 동일한 가공물을 일정한 조건으로 절삭을 시작하여 더이상 절삭되지 않을때 까지의 시간을 의미한다. 공구 수명에 관계되는 인자로 공구의 각, built-up edge, cutting speed, feed speed 등이 있다.

1. 공구의 angle

고속도강과 같이 열에 예민한 절삭공구는 경사각이 커지면 절삭열의 발생이 적어져서 공구수명이 길어지나 경사각이 너무 커지면 인선의 강도가 저하되어 chpping이 생긴다.

일반적으로 경사각 15°가 공구수명의 관점에서 적절하나 공구의 재질, 피삭재의 재질, 절삭 속도, 기타 절삭 조건에 따라 변화하므로 작업에 앞서 적절한 값을 찾아내어 사용하여야 한다.  일반적인 여유각은 평삭에서 4°, 선삭에서 6°정도로 한다. 일반적으로 피삭재의 경도가 크면 여유각을 적게, 경도가 적으면 여유각을 크게 한다.

2. built-up edge

연강, 황동, Al, 스테인레스 등과 같이 연한 금속을 절삭하면 인선에 피삭재의 일부가 변질 경화되어 인선에 부착되어 이부분이 절삭작용을 하게 된다.

구성인선은 발생, 성장, 균열, 탈락 과정을 반복하며 이 과정 중 탈락과정에서 공구의 인선과 함께 탈락하여 치핑의 원인이 되어 절삭공구의 수명을 단축시키는 좋지 않은 영향을 미친다.

3. cutting speed

절삭 속도란 공구와 가공물 사이에 관계 운동속도로서 단위시간에 인선 끝을 통과하는 거리로 나타내며 m/min으로 표시한다.

선삭의 경우를 예로들면  절삭속도를 V, 가공물 지름을 d, 회전수 n 일때

             V = πdn / 1000 [m/min]으로 나타낸다.

일반적으로 절삭 속도가 빠르면 공구의 수명은 짧아지나 절삭 효율은 높아지고 절삭 속도가 늦으면 공구수명은 길어지나 절삭 효율이 낮아진다.

4. feed speed

공구의 이송운동 속도를 말하며 선삭을 예로들면 공작물 1회전시 공구의 이송 길이 즉 mm/min 로 표시한다. 이송속도와 밀접한 관계가 있는 절삭 단면적 F 는 이송속도를 s, 절삭 깊이를 t 라 할 때 다음과 같이 표시된다.

             F = s×t [mm²]으로 표시한다.

59.  전기 저항 용접의 종류를 들고 설명하라.

두 용접재를 접합시키고 통전하면 접촉저항 및 비저항에 의하여 발열된다. 이렇게 용접재가 가열되었을 때 압력을 가하여 용접하는 방법이다. arc 용접에 비하여 정밀한 제어장치가 요구되나 arc 용접보다 저온에서 작업이 가능하고, 작업속도가 빠르며 안전성이 커서 많이 사용된다.

1. butt welding

맞대기 용접은 금속봉, 선, 판 등의 단면을 맞대고 접합하는 방법이다.

 가) upset butt welding : 모재 양 단면을 접촉 가압시키고, 대전류를 통전하여 전기저항열로 가열되어 단접온도에 도달 하였을때, 다시 가압하여 용접시키는 방법이다. 압력작용은 수압, 공기압, 유압을 이용하며 upset butt welding의 특징으로는 접촉면 사이에 산화물이 잔류하기 쉽고 flash butt welding에 비하여 용접 속도가 늦다. 접촉부는 凸형으로되고 모재의 길이가 다소 짧아 진다.

 나) flash butt welding : 모재에 일정한 간격을 주고 통전하면 spark가 발생하여 접촉부가 백열상태로 된다. 적당한 온도에 도달하였을 때 강한 압력으로 압접한다. 특징으로는 가열 범위가 좁아 열 영향부가 적고 접합면에는 산화물이 존재하지 않는다. 또, 용접 속도가 빠르고 소비 전력이 적으며 이질재료의 용접이 가능하다.

rail, 보일러 pipe, 드릴 용접, 건축재료, 자전거의 rim, pipe, 각종 봉재 등의 용접에 이용된다.

2. 겹치기 저항 용접

겹치기 저항 용접에는 점용접, seam 용접, 프로젝션 용접 등이 있다.

 가) spot welding : 두 전극간에 두개의 판재를 끼우고 가압하면서 통전하면 저항열로 용융 상태로되어 융합하게 된다. 양질의 용접을 위하여 압력, 통전시간, 전류치가 일정한 값이어야 한다. 예를들면 1t의 연강판은 압력 75～225Kg, 전류 5600～8800A, 통전시간 1/6～3/5초가 적당하다. 전극은 열전도성과 경도가 큰 특수 동합금을 사용한다.

연강과 경강은 점용접이 쉬우나 산화가 잘된다. 열전달률이 서로 다른 금속의 spot 용접은 곤난하다. 재료의 두께 차가 심하여도 문제가 있으므로 강철에서는 8배이내, 경합금에서는 5배 이내로 한다.

 나) seam welding : spot welding을 연속적으로 행한 형태로 roller 전극을 사용하여 용접전류를 공급하면서 가압 회전시켜 용접하는 방법이다. 이 방법은 주로 접합부의 내밀성을 필요로할 때 사용하며 통전법에는 단속통전법, 연속통전법, 맥동통전법 등이 있으나 모재가 과열되므로 단속통전법을 많이 사용한다.

 다) projection welding : 금속판의 한쪽 또는 양쪽에 돌기부를 만들고 가압 통전하여 용접온도에 도달할 때 가압력을 증가시키면 일시에 다점 용접을 할 수 있다. 이 방법을 프로젝션 용접이라 한다. 프로젝션의 높이는 대체로 판 두께의 1/3 정도이며, 용접전류는 1t의 연강판에 대해 8000A, 가압력 250Kg, 용접시간 1/3 초 정도이다. 프로젝션 용접의 특징으로는 판재의 두께가 다른 것도 용접할 수 있고(두꺼운판에 프로젝션) 열전도율이 다른 금속의 용접이 가능하며(열전도율 큰판에 프로젝션) pitch가 작은 spot용접도 가능 하다. 전류와 압력이 균일하므로 용접의 신뢰도가 높고 작업 속도가 빠르다.

60.  laser 가공의 원리와 가공특성에 대하여 논하라.

레이저는 光 레이저라고도 하며 고밀도 광에너지로 공작물을 국부가열, 용융, 증발시켜 가공하는 방법이다. 레이저 작용을 하는 물질은 기체, 액체, 고체 등이 있으며, 고체 레이저는 순간 출력치가 커서 (수십 KW/Cm²) 이것이 주로 사용 된다.

laser - Light Amplification(증폭) by Stimulated(자극) Emission(발산,방사) of Radiation(발광, 방사능) = “誘導放射에 의한 빛의 증폭” 을 뜻한다.

1. 가공원리

레이저광은 평행광선이며, 렌즈로 작은 면적에 집광하여 가공 한다. 루비로드 내에서 유도 방사에 의한 발광, 증폭현상이 발생하여 루비로드의 단면으로부터 적색의 강열한 평행광선이 펄스상으로 방사된다. 이를 집광하여 고밀도 열 펄스 에너지원으로 이용하며 고진공을 요하지 않는다.    

2. 가공특성

laser 관의 특성중 단색성, 지향성, 퍼짐이 적은 성질, mode가 낮은 성질, 가간섭성(coherence) 등을 이용하여 공작물 가공이 이루어진다. 또한 laser의 밀도가 증가함에 따라 공작물(금속) 표면에서 일어나는 현상이 변하게 되는데 에너지 밀도가 105W/Cm²이하에서는 열전달이 많이 일어나게 된다. 에너지 밀도 105～107W/Cm²정도가 되면 표면 온도가 비등점이 되어 재료의 증발이 시작되며 더욱 증가하여 2.5×107W/Cm²이상이 되면 레이저 에너지가 증발되는 물질에 흡수되어 원자를 이온화시키고 프라즈마를 발생시킨다.

3. laser 가공의 장단점

장점 * 레이저빔은 관성이 없어 고속에서도 급출발, 급정지가 가능하다.

     * 고속 가열 가공을 하기 때문에 열 변형층이 낮다(0.6mm 이내)

     * 光으로 가공하기 때문에 가공력이 적고 가공으로 인한 변형이나 오염이 적다.

     * 단단하고 취성이 많은 재료도 가공이 가능 하다.

     * 공구와 치구가 간단하고 비접촉이므로 공구의 마모가 없다.

     * 열성질이 나쁜 재료의 금속 접합이 가능하고 용접시 용접봉이 필요없다.

     * 진공을 필요로 하지 않으며 대기 중에서도 가능하다.

    * 매우 복잡한 모양도 가공할 수 있으며 미세한 용접이 가능하다.

     * 진동과 소음이 없고 작업환경이 깨끗하다.

     * 상온에서 가공할 수 있고 laser빔의 밀도가 높다.

     * 한대의 기계로 절단, 드릴링, 표면합금, 용접, CVD 등 여러 종류의 가공이 가능하다.

단점 * 신기술이라서 위험성을 내포하고 있으며 사용할 인력이 부족하다.

     * 에너지 효율이 떨어지고 절단 두께, 천공 깊이에 제한을 받는다.

     * 천공된 구멍과 절단되는 두께의 폭이 일정치 못하고 약간의 taper가 지므로 정밀 부품 가공에는 마무리 공정이 필요하다.

레이저 기공은 여러가지 장점에도 불구하고 해결해야할 단점이 있어 기존의 방법이 경제적이고 제품에 결함이 없으면 레이저를 사용하기가 매우 힘들다. 그러나 열에 민감한 재료로서 적은 열변형이 필요하거나 단단하거나 취약한 재료의 가공에는 바람직하다.

61.  NC lathe에서 adaptive control하는 방법에 대하여 설명하라.

자동화된 공작기계에서는 지령대로 가공 cycle을 수행할 뿐 경제성이나 가공능률을 고려하는 경우 이 공작기계가 가지는 능력을 최대한으로 발휘하고 있다는 보장은 없다. 또 돌발적인 상황에 대처한다든가 지령을 스스로 수정한다든가 하는 적응성은 전혀 없다. 이러한 판단을 인간에 의존하지 않고 자동적으로 행하는 방법을 연구하게 되었으며 이것이 적응제어 즉 adaptive control이다.

  

적응제어의 목적은 지시된 형상, 치수, 정도, 표면 거칠기를 만족하는 제품을 가공하는 것이지만 한 단계 더 나아가

     * 가공 원가, 이익 등의 경제성을 평가기준으로 하는가 ?

     * 가공 시간, 단위 시간 당 절삭량 등의 가공능률을 기준으로 하는가 ?

     * 공구 수명 등 경제성을 배경으로 하는 것을 기준으로 하는가 ?

     * 절삭력, 절삭 토크, 절삭 동력, 치수 정도 등 가공 능률을 기준으로 하는가 ?

 에 따라 달라진다.

adaptive control에서 제어량은

     * 경제성에 관련되는 것  : 공구 마모, 공구 경로

     * 가공능률에 관련되는 것 : 절삭력, 절삭 토크, 절삭동력, 치수정도, 형상정도

     * 위험에 관련되는 것 : chatter, chip 형상, 온도, 공구파손, 충돌(기계와 공구, 공구와 가공물) 등

적응제어의 조작량으로는 절삭속도, 절삭나비, 절삭유제, 기계구조의 강성, 공작 기계의 특성 등이 있고 적응제어의 변동 파라메터로는 다음과 같은 것들이 있다.

     * 기계의 정적 강성, 동적 강성, 열적 강성, 출력 토크, 마력등의 기계특성

     * 공작물의 경도, 주조나 단조한 재료의 불 균일성, 표면 성질 등

     * 공구의 마멸특성이나 강성

     * lot size, 공구비, 경상비 등 경제에 관한 것 등이다.

2. 적응제어의 3가지 기능

     * 식별기능 : 공정으로 부터 feed back 된 date 를 사용하며 여러가지 측정활동에 관여 하여 원하는 최적성과와 현재의 성과를 비교할 수 있다.

     * 의사결정기능 : 제어 구조가 공정성과를 향상시킬수 있도록 어떻게 수정할 것인가를 결정. 의사 결정은 공정에 대한 하나 또는 그이상의 제어 기능들을 변경할 수 있다.

     * 수정 기능 : 의사 결정을 보충하는 것으로 system에서 물리적, 기계적인 변경을 한다.

62.  수중 용접 및 수중절단에 대하여 논하라.

교량의 건설 및 해체, 항만과 방파제 건설, 댐 공사 등에 수중 용접 및 수중 절단이 필수적인 용접 방법이다. 수중에서는 산소의 공급이 원활치 않아 용접이 매우 곤란하다.

1. 수중절단(under water cutting)

수중 절단은 침몰선의 해체, 교량개조, 항만과 방파제의 공사 등에 사용된다. 수중 토치가 일반 토치와 다른 점은 팁의 바깥쪽에 cover가 있어 이것으로 압축공기나 산소를 분출시켜 물을 배제하고 이 공간에서 절단을 하는 것이다.

또 수중에서 점화를 할 수 없기 때문에 점화용 보조 팁이 있어 토오치를 물에 넣기전에 보조팁에 점화를 한다. 연료 gas로는 수소, 아세틸렌, LPG, 벤젠 등이 쓰이고 있는데, 그중에 수소가 가장 많이 쓰인다. H₂는 고압으로 사용이 가능하고 수중 절단중 기포의 발생이 적어 작업이 쉽다.

작업을 시작할 때 예열 gas 량은 공기 중의 4～8배 정도로 酸素의 噴出口는 1.5～2배로 한다. 보통 수중 절단은 일반적으로 수심 45m까지 행한다.

2. 수중용접

     

63.  liquid honing의 원리 및 가공 특성에 대하여 논하라.

가공물 표면에 공작액과 미세 연삭립자의 혼합물을 고속으로 분사시켜 매끈한 닫듬질면을 얻는 방법을 액체호닝이라 한다.

입자의 hammering 효과로 가공물 표면은 strain 경화되고 피로강도와 내마모성이 증가하는 가공 방법이다.

1. 원리

고운 연삭 입자와 방청제를 첨가한 물과 혼합한 것을 압축공기를 이용하여 nozzle로부터 공작물에 분사시켜 공작물 표면을 다듬질하는 방법이며 무광택의 배껍질 모양의 가공면을 얻는다.

* 연마제와 가공액

연마제로는 SiC, Al₂O₃, 규사 등의 가루를 사용한다. 가공액은 물에 방청제를 첨가하여 사용한다. 연마제의 입도는 표면 다듬질 정도에 따라 적절히 선택한다.

* 액체호닝 조건

다듬질 표면은 연마제의 농도, 공기 압력, 분사 시간, 노즐과 일감과의 거리, 분사각에 따라 다르다. 공기 압력은 보통 3.5～7.0Kg/Cm²정도이며, 압력이 높을수록 가공 능률이 좋다. 연마제와 가공액의 혼합비는 용적으로 1 : 2 정도일 때 능률이 가장 좋다. 노즐과 가공물 사이의 거리는 보통 60～80mm, 분사각은 철강의 경우 40～50°정도가 가장 능률적이며 분사각이 클수록 표면이 거칠어진다.

2. 특성

가공량은 0.01mm 이하의 미소량이며 짧은 시간에 가공되나 광택이 적은 면을 얻게 된다. 표면이 가공경화되어 피로강도, 내마멸성이 증가한다. 복잡한 모양의 일감도 다듬질이 가능하다. 일감 표면의 산화막이나 도료 등을 제거할 수 있는 이점이 있어 도장이나 도금의 바탕면 가공에 적합하다.

장점으로는

     * 가공 시간이 짧다.

     * 공작물의 피로강도를 10 %정도 향상시킬 수  있다.

     * 형상이 복잡한 것도 쉽게 가공할 수 있다.

     * 공작물 표면에 산화막이나 burr를 제거 하기에 용이하다.

단점으로는

     * 저립이 표면에 묻어 내 마모성을 해칠수 있다.

     * 다듬질면의 정도( 진원도, 진직도 )가 양호하지 않다.

64.  전해연삭에서 연삭효율을 높이는 방법을 구체적으로 논하라.

전해연삭은 기계 연삭과 전해 용출작용을 조합한 가공법이다. 기계 연삭에 의한 가공량은 매우 적으며, 대부분이 전해 작용에 의한다. 전해 작용을 할때 +극에 나타나는 용출물을 숫돌을 사용하여 제거하므로서 전해 용출의 효율을 높인다.

전해 연삭용 숫돌은 절연성의 숫돌 입자와 도전성 결합제로 되어 있으며 결합제 표면에 돌출된 연삭 입자로 금속재료 표면에 나타난 불용성 +극 생성물을 제거하는 동시에 가공 간극을 결정짓게 된다.

가공액으로는 KNO₃, NaNO₃, NKO₂, NaNO₂ 등의 혼합액이나 가공물에 따라 적당한 가공액을 선택한다. 연삭 능률은 일반기계 연삭보다 높으며 경도가 높은 재료 가공에 적합하다. 숫돌의 압력과 연삭 저항이 적으므로 얇고 작은 부품이 변형없이 가공된다. 또한 숫돌의 소모가 적어 수명이 길고 표면 거칠기는 숫돌 입도에는 관계가 없다.

가공 정밀도는 기계연삭보다 떨어지며 시설비도 많이 든다. 원통이나 내면의 전해 연삭에서는 숫돌과 가공물의 접촉 면적이 작아 연삭 능률이 적어지며 다듬질면에는 광택이 적다. 전해 연삭은 연삭에 의하여 과열되는 고속도강의 중연삭, 박판부품의 평면연삭 등에 적합하다. 또 거스러미가 나타나지 않으므로 주사 바늘 연삭에 유리하다.

전해연삭은 연삭중에 열이 발생하지 않으므로 가공 경화가 나타나기 쉬운 재료, 터어빈 날개 등을 연삭하는데 많이 이용된다.

1. 연삭 효율을 높이는 방법

       첨가

65.  shaper 의 급속귀환 운동기구를 설명하라.

일반적으로 직선운동은 바드시 스트로크 종단에서 정지되고 귀환하여야 한다. 보통 귀환 과정에서는 절삭 작업을 하지않고 단순히 절삭을 위한 귀환이기 때문에 가능한 최소의 시간과 최소의 동력으로 행하는 것이 이상적이다. 이점은 절삭 운동에서 중요시 되는 부분이며 feed 운동에도 적용하고 있다.

1. crank type

ram의 왕복운동에 크랭크를 사용하는 기구이다. ram의 속도는 단차나 기어로 연결되어 있는 link mechanism의 특징에 따라 급속 귀환운동이 생기고 절삭 및 귀환 행정에서 속도가 일정하지 않으므로 절삭 속도는 평균치로 표시한다. 이 기구는 크랭크 핀이 일정한 속도로 회전하고 있을때 절삭 행정에서는 pin이 중심각 α만큼 회전하고 귀환행정에서는 β만큼 회전한다. 따라서 항상 α＞β이므로 귀환행정이 절삭행정보다 짧아 진다. 절삭행정과 귀환행정의 속도비 K = 2/3～3/5 정도이다.

2. 유압식 기구

유압식 기구는 속도 변환이 쉽고 자동운동이 원활하며 공구에 과중한 힘이 작용하여도 무리가 적고 고장이 비교적 적다. 직선 왕복운동에 유압식을 사용하면 대략 일정한 속도를 갖게되어 크랭크식에 비하여 안정되고 정확한 작업이 가능하다. 유압식 기구의 주요부분으로는 일정한 압력을 공급하는데 필요한 유압용 펌프를 운전하는 정속 전동기와 각종 스트로크 및 시간을 조절하기 위한 control valve, 압력을 전달하는 피스턴, 기름탱크 및 배관 등이 있다. 피스톤의 이동속도는 사용한 압력 또는 절삭하는 면적 등에 직접 비례한다. 그러므로 사용한 실린더의 유효 용적에 따라 속도의 차가 생기게되어 급속 귀환이 생기게 된다.

크랭크식과 유압식의 속도선비를 비교해보면, 크랭크식은 각 행정에서 속도 변화가 많으나 유압식은 비교적 균일하고 속도가 일정하며 효율이 우수하다.

66.  고온절삭에 관하여 논하라.

  

절삭에서의 절삭열은 공구재를 연화시킴과 동시에 절삭 저항도 감소시킨다. 따라서 내열성의 공구재를 사용하면 절삭능률을 증진시킬 수가 있다. 또 피삭재를 가열하여 절삭시키는 것도 생각할 수 있는데 이것을 고온 절삭이라 한다.

1941년 독일의 krupp 회사에서 노에서 꺼낸 강판을 바로 평삭기에서 중절삭을 하여 절삭능률을 향상시킨 것을 시작으로 1946년 미국 해군에서 고주파 가열에 의한 고온절삭으로 스테인레스강, 내열강, 고 합금강의 절삭을 행하는 등 많은 연구가 시작되었다.

1. 가열방법

     * 전체 가열법 : 노중에서 980℃로 가열한 것을 820℃에서 평삭 가공하였을 때 절삭동력은 1/2～1/3로 감소 하였다.

     * 국부 가열법 :

             - 아세틸렌 gas로 절삭할 부분을 국부적으로 가열하는 방법이다. 장치는 간단하나 가열을 집중적으로 하는것이 곤란하다.

             - 고주파 가열법 : 소형의 고주파유도 전기로를 가열 부분에 접착하는 방법으로 φ76mm 환봉을 6초 이내에 820℃로 가열할 수 있다. 시설비가 고가이며 피삭재의 형상을 응용한 각종 코일이 필요하다.    

             - arc 가열법 : arc 용접기를 이용하여 절삭 부분을 절삭 직전에 가열하는 방법이다. 장치는 간단하나 arc가 불안정하고 작업자의 눈을 해칠 우려가 있는 것이 단점이다.

2. 고온절삭과 절삭저항

피삭재의 온도가 상승하면 절삭 저항이 감소한다. SM40C 의 절삭에서 600℃ 부근에서 상온에 비교해 주분력, 배분력이 50% 가까이 감소한다.

3. 칩형태와 다듬질면

고온 절삭에서의 피삭재는 상온에서보다 전성이 증가하므로 전단변형은 감소한다. 상온에서 전단형 칩을 발생하는 경우에서도 고온절삭에서는 유동형칩이 되고 다듬질면도  양호하게 된다. 특히 스테인레스강과 같이 상온에서는 경도가 크고 취성이 있는 공작물에 적합한 가공법이라 할 수 있다.

4. 절삭공구

절삭공구의 수명은 상온 가공에 비해 10배 이상 증가한다.

67.  주물의 잔류응력 측정 방법과 그 제거방법을 설명하라.

잔류 응력은 재료를 소성변형했을 경우, 조직의 변화가 있을 경우, 주조했을 경우에 발생한다. 일반적으로 주조시 주물의 두께의 차가 크면 균일한 냉각이 이루어지기 어렵고 이로 인하여 변형이 생기며 변형이 자유롭지 못하면 내부에 응력이 발생한다. 이 값이 크면 crack이 발생하기도 한다.

1. 잔류응력 측정의 원리

표면의 잔류응력을 비파괴로 구하려면 X 선의 회석을 이용하여 격자상수의 변화에서 구할 수 있다. 잔류응력이 표면에서 내부에 이르는 분포를 구하려면 시편을 표면에서 층상으로 절단하여 전해연마, 부식법 등으로 층상을 제거하여 남은 부분의 스트레인, 곡률, 비틀림률을 측정하고 이들의 측정치와 제거된 층의 두께의 관계를 구한다. 이와같이 얻어진 잔류 응력과 측정된 변형과의 관계식을 이용해서 잔류 응력을 계산할 수 있다.

  가) 선재의 축방향 잔류응력 측정법

선재에서 축 방향만의 잔류응력이 γ만의 함수로 존재하는 경우를 생각한다. 일정한 표점거리 부분을 전해 연마하여 지름과 길이를 정밀하게 측정하여 축 스트레인 변화를 측정한다. 이 측정을 반복하여 단면적과 스트레인의 함수 관계로 나타낸다.

        σ= E{A (- dε/dA) -ε}

2. 원통의 3축방향 잔류응력 측정법

일반적으로 원통에는 축방향, 원주방향, 반경방향의 잔류 응력이 있다. 원통의 외경에 축방향과 원주 방향에 저항선 스트레인 미터를 붙이고, 내경을 선반으로 절삭하여 내경과 외경의 축방향 및 원주 방향스트레인 관계를 구하면 다음 식으로 잔류응력을 구할 수 있다. 이 방법을 Sachs 법이라 한다.

     축방향         σz = E / 1-ν²{(Ab - A) dλ / dA-λ }

     원주방향       σt = E / 1-ν²{(Ab - A) dθ / dA - Ab +A / 2A ×θ}

     반경방향       σr = E / 1-ν²× Ab - A / 2A ×θ

3. 잔류응력 제거방법

잔류응력을 제거하는 방법에는 자연적인 방법과 인공적인 방법이 있다.

* 자연적인 방법 : 자연 시즈닝은 주조한 제품의 크기에 따라 적당한 기간 (수주 - 수년) 자연 상태에서 방치하여 자연적으로 주조응력이 소멸되도록 하는 방법이다. 방법은 자연 상태로 방치하기 위한 장소, 자금회전 등에 문제가 있다.

* 인공적인 방법 : 인공 seasoning은 풀림처리 爐에서 제품에 따라 적당한 온도로 가열하여 일정시간을 유지한 후 노안에서 서서히 냉각시켜 주조응력을 제거하는 방법이다. 최근에는 기술의 발달로 인공 시즈닝을 많이한다.

68.  선삭시의 절삭저항과 절삭 동력과의 관계를 설명하고 각종 효율을 논 하시오.

bite를 이용하여 turning을 할 경우 절삭저항 P는 3개의 분력으로 나눌 수 있다. 주분력, 배분력, 이송 분력으로 구분할 수 있으며 주분력이 가장 크고, 절삭 동력과의 관계는 주분력과 동력 관계로 표시하는 일이 많다. 선반의 효율은 기계적 효율, 절삭 효율, 시간효율이 있으며 좀더 자세하게 살펴 보도록 한다.

1. 절삭저항과 절삭동력과의 관계

선반의 전 소비 동력 N은 선반을 공전 시키는데 소비되는 완전 손실동력 NL, 실제 절삭에 소비되는 동력 Np, 및 feed에 소비되는 동력 Nf로 구분할 수 있다.

따라서 N = NL + Np + Nf 가 된다.

* NL은 기계구조의 복잡정도, 접촉 안내면의 양부, 절삭속도 및 절삭 저항 등의 대소에따라 변화되나 값은 그리 크지 않다.

* Np는 주분력 P₁동력이고                 Np = P₁× V / 60×75

* Nf는 feed 분력 P₂의 동력이며            Nf =  P₂ ns / 75×60×1000 

* feed 동력과 절삭동력의 비는

        NF / Np = P₂V′ / P₁V  = ns / πdn  = 1 / 60π = 0.6 %

일반적으로 Nf 는 Np에 비하여 극히 적다. NL + Np의 값은 단차식 선반에서 0.05N, 기어식 선반에서 0.15～0.3N 정도이다.

2. 선반의 효율

선반의 효율은 다음의 3 종류로 구분할 수 있다.

* 기계적 효율 ηm = Np / N

* 절삭효율 : 절삭에 소요된 1 동력당 chip의 량으로 표시하며

     Q = s / 10 × t / 10 × 100VT  = stVT

     여기서,   s : feed    t : 절삭깊이   T : 절삭시간    Q : ps당 절삭량

     ηc = Q / NT (Cm/Ps/min)   = FV / N

* 시간효율 : 선반에 공급된 전체일량 W = NT 는 마찰 및 기타에 소비된 전체 손실 일 NL TL을 제외한 실제 절삭에 유효하게 사용된 소비일량 Np․Tc 와의 비로 표시 한다.

     ηt  = Np×Tc / W = Np×Tc / NT = Np×Tc / Np×Tc + NL×T

      여기서,   T : 기계운전 시간   Tc : 실제 절삭 시간

     공작기계에 주어진 전체일량  W = NpTc + NLTL

    ηt는 기계 운동의 난이 및 작업자의 기술에 관련이 많고 전용 공작기계의 성능을 판정하는데 사용된다.

69.  서보기구와 서보 회로에서 위치 검출법 3가지를 쓰고 상세히 설명하시오.

servo mechanism은 인간의 손과 발에 해당되며 정보처리 회로로부터 보내진 지령 pulse 열에 의하여 moter를 구동하는 기구를 말한다. 서보 기구의 회로 방식에는 서보회로 위치 검출법에 따라 개방회로, 폐쇠회로, 반 폐쇠회로가 있다.

1. servo 기구

일반 공작기계에서 핸들을 돌려 이동시키는것과 같이 NC 공작기계에서도 공구를 이동시켜야 하는데 핸들 대신 moter가 그 기능을 하게되며 이 moter를 제어해 주는 것을 서보기구라 한다. 모터를 제어하는 지령은 정보처리 회로에서 전기 pulse 신호로 나오는데 pulse의 수는 이동량을 결정하고 펄스를 보내는 속도는 feed rate가 된다. 모터가 정확하게 구동해도 이송나사가 정확하지 않으면 제품의 정밀도가 떨어지게 되므로 back lash가 적은 ball screw를 사용하고 있다.

2. 서보회로에서 위치 검출법

ball screw를 사용하여도 미소한 back lash가 있으므로 moter 회전 방향이 백래쉬 양만큼 여분의 펄스를 더 보내어 공구가 정확히 이동하도록 한다. 서보기구 회로 방식에는

 가) 개방회로(open loop control) : 지령된 펄스에 의하여 moter를 구동하는 방식으로 구조는 간단하나 기계의 이송 정밀도는 떨어진다.

 나) 폐쇠회로(closed loop control) : 지령된 pluse에 의하여 moter가 회전하여 기계를 움직일때의 이동량을 측정하고 이를 feed back시킴으로서 지령된 값과 실제로 이동한 양을 같게하는 아주 정밀한 방법이다. 이 방법은 기계 제작상의 문제, 기계 자체의 무게와 관성 및 각종 변형 등에 의한 오차때문에 제작에 많은 어려움이 있다.

 다) 반 폐쇠회로(semi closed loop control) : 폐쇠 회로에서는 움직인 양을 기계에서 직접 검출하지만 이 회로에서는 moter에서 간접적으로 검출하여 feed back시킨다. 비교적 제작이 용이하기 때문에 실제로 NC 공작기계에 많이 활용되고 있다.

70.  milling machine에서 table 이송 나사의 back lash 현상을 도시(圖示)하고 그 원인과 대책을 논하시오.

밀링머신에서 테이블을 이송할때 이송나사와 nut 사이에 틈새 때문에 back lash가 발생 한다. 이 백래쉬 때문에 정확한 이송이 어렵고 하향 절삭시 백래쉬만큼 이송이 급격히 증대하여 절삭 상태가 불안정하게 되는데 이러한 현상과 방지법에 대하여 살펴본다.

1. back lash 원인

상향 절삭에서는 이송나사의 백래쉬가 절삭력을 받아도 절삭에 영향을 주지 않는다. 그러나 하향 절삭에서는 절삭력으로 영향을 받게되어 일감에 절삭력이 가해지면 백래쉬 만큼의 이동으로 이송량이 급격히 증대하여 절삭 상태가 불안정 하게 된다. 이러한 경우에는 back lash를 제거해야 한다.

2. 대책

밀링 머신 테이블의 백래쉬 제거 장치에는 기계적인 방법, 유압식 방법, 전기적인 방법 등이있다. 백래쉬를 제거하기 위한 기계적인 방법은 백래쉬 제거 너트가 사용되고, torque moter를 이용한 전기적인 방법으로 급속 귀환에도 사용된다. 유압을 이용한 방법도 사용된다.

71.  선삭 가공에서 가공정도에 영향을 미치는 인자를 열거하고 간단히 설명하시오.

1. 절삭속도

SM45C를 P10 bite로 t : 1mm, feed : 0.15mm/rev로 절삭한 결과를 살펴보면 절삭속도 120 m/min이상으로 되면 가공 정도가 높아진다. 낮은 절삭 속도에서 정도가 나쁜 것은 구성 인선의 발생때문이다.

2. chip

전단형 chip에서는 가공물 표면에 뜯긴 자국이 남게되고 균열형 칩에서는 공구 선단에 생기는 crack이 가공물 내부까지 침투하여 거친 표면 형상이 된다. 유동형 chip에서는 매끈한 면이 가공된다.

3. 절삭 깊이의 영향

절삭 깊이가 증가하면 chip 형상은 유동형 → 전단형 → 균열형 순으로 변화하여 조도는 크게 된다. 같은 유동형 칩이라도 절삭 깊이가 증가하면 chip의 변형이 크고, built-up edge가 커지게 되어 가공면은 거칠어 진다.

4. 이송

이송이 적으면 당연히 표면 조도가 좋아진다. 그러나 이송이 너무 느리면 거칠기가 오히려 나빠진다. 이것의 한계는 0.1 mm/rev 정도이다.

5. nose 반지름

nose R이 커지면 이송 방향 거칠기가 좋아 지지만 너무 크면 절삭 저항이 증대하고 균열을 일으켜 더 나쁘게 된다. 이론적인 표면 거칠기값 Hmax 는

          Hmax = s² / 8R

     

6. 공구재료

bite 재질에 따라 표면 조도가 다르게 되는데 diamond bite가 가장 양호하고, 세라믹 → 초경합금 → 고속도강 순이다.

7. bite 거칠기

bite를 GC 숫돌로 연삭했을 때와 diamond로 연삭했을 경우 표면 조도가 다르다. 즉 bite의 인선 거칠기가 좋을수록 표면 거칠기가 좋다.

8. 떨림

주축의 진동이나 공구의 떨림, 공구와 가공물의 닿는 면적이 지나치게 클때 떨림이 발생하며 떨림이 발생하면 일감의 표면 거칠기가 매우 나빠진다.

9. 절삭유

절삭유를 사용하면 냉각, 윤활, 세척 작용에 의해 표면 조도가 개선된다.

72.  dia casting 방법에 대하여 설명하고 어떤 제품 제작에 가장 적합한 방법인지 예를 들어 설명하시오.

정밀한 금형을 가진 die cast 기계를 사용하여 용융, 또는 반용융 상태의 금속을 자동 또는 수동을 이용한 강압력으로 주입하여 소요형상의 주물을 제작하는 방법이며 die cast에 적당한 금속 등에 대하여 살펴본다.

1. die cast 방법     

다이 캐스트법은 용탕을 금형에 가압 주입하여 고속으로 제품을 주조하는 방법이다. 제품의 정도가 높고(±0.01mm), 거의 기계 가공이 필요치 않다. 라이저도 필요치 않으므로 재료 이용율이 높고, 균일한 제품의 연속 주조가 가능하므로 다량생산에 적합하다. 그러나 금형이 고가이므로 소량생산에는 적합치 않다. 주조 재료는 금형의 내열성 관계로 융점이 낮은 금속에 한정되고 금형의 구조상 크기에 제한을 받는다. 특징으로는

     * 복잡한 모양의 주물생산도 가능하다.

     * 얇은 주물의 생산이 가능하다.

     * 단가가 싸고 생산 속도가 빠르다.

     * 치수의 정밀도가 높고 면이 깨끗하다.

     * 용융점이 낮은 금속 이어야 한다.

     * 설비비와 금형제작비가 고가이다.

다른 정밀 주조법에 비하여 생산속도가 가장 빠르고 치수 정밀도가 인베스트먼트 주조법 다음으로 매우 높다.

2. 제품의 종류

die cast 제품은 매우 광범위하나 자동차 부품, 전기 통신 기기 용품, 정밀기계, 카메라 부품, 계측기 케이스 등 다양하며 사용 재료로는 일반적으로 아연 합금, 알루미늄 합금이 가장 많이 사용되나 동 합금, 마그네슘 합금, 주석 합금 등도 사용된다.

73.  밀링 가공시 상향 밀링과 하향 밀링의 장단점을 비교 설명하시오.

milling cutter의 회전방향과 이송방향 관계에 따라 up-cut milling과 down-cut milling이 있다. 일반적인 방법은 상향밀링 방식이지만 근래에는 하향밀링 방식도 행하고 있다. 상향 밀링 작업과 하향 밀링 작업에 대하여 살펴 본다.

상향 밀링과 하향 밀링의 비교

장점	up cut milling	down cut milling
	* 일감을 들어 올리는 방향으로 절삭하므로 기계에 무리를 주지 않는다.	* 커터가 마찰 작용을 하지 않으므로 공구 날의 마멸이 적고 수명이 길다.
	* 절삭을 시작할때 chip의 두께가 적은쪽에서 커지는 쪽으로 진행하므로 날이 부러질 위험성이 작다.	* cutter가 밑으로 누르며 절삭하므로 일감의 고정이 간편하다.
	* chip이 가공된 면에 쌓이지 않으므로절삭열에 의한 치수 정밀도의 변화가 적다.	* 절삭방향과 이송 방향이 동일하므로 절삭 피치가 짧고 가공면이 깨끗하다.
	* 이송 기구의 back lash가 자연히 제거된다	* 절삭된 칩이 가공면에 쌓이므로 가공할 면을 잘 볼 수 있다.
단점	* 일감을 들어 올리는 방향으로 절삭 하므로 일감의 고정이 불안정하고 떨림이 발생하기 쉽다.	* 일감을 누르는 방향으로 절삭 하므로 기계에 큰 절삭력이 전달된다.
	* 절삭을 시작할때 커터가 마찰 작용을 하므로 커터의 마모가 크다.	* 절삭을 시작할때 절삭 저항이 가장 크므로 날이 파손되기 쉽다.
	* 커터의 절삭방향과 이송방향이 반대이므로 절삭 피치가 길고 가공면이 거칠다.	* chip이 가공된면에 쌓이므로 절삭열로 인한 치수 정밀도의 불량이 생길수 있다.
	* chip이 가공할 면에 쌓이므로 시야가 좋지 않다.	* back lash 제거장치가 없으면 가공이 곤란 하다.

       

74.  정밀 finishing 방법을 아는대로 열거하고 간단히 설명하시오.

기계의 정도를 향상시키려면 정밀 다듬질이 필요하며 정도가 극히 높고 고가인 고급기계를 제작하기 위해서는 정밀 다듬질이 절대 필요한 요소이다. 또한 기계의 수명을 향상시키고 기계의 내마모성, 기계부품 표면의 가공 정도를 향상시키기 위하여 finishing 가공이 필요하다. 

1. honing

Turning maching, Drilling maching, Boring maching 등으로 가공한 가공물의 표면(특히 내면)은 정도가 충분하지 못하므로 이들의 진원도, 직진도, 평행도 등의 가공 오차를 수정하고 정확한 기하학적 형상의 완성면을 얻기 위하여 가공하는 방법이다.

hone이라 부르는 공구에 회전과 왕복운동을 시키면서 압력을 가한다. 여기에 공작액을 공급하면서 가공하는 방법이다. 숫돌에는 , SiC, 등을 사용하며 주철, 강, 초경합금, 황동, 청동, Al, Cr, 유리, 세라믹, 프라스틱 등의 가공이 가능하며 주로 cylinder 내면, 포신 내면, bush, bearing race 등과 같이 정도 높은 제품의 생산에 적합하다.

2. lapping

가공물 표면을 주철, 동과 같이 연한금속 또는 경목으로된 lap에 압착시키고, 그 사이에 lapping power를 첨가하여 가공물과 lap을 상대운동시켜 표면을 가공하는 방법을 lapping이라 한다. 랩핑은 block gauge, limit gauge, plug gauge, ball, roller, prism, lens 등의 가공에 사용된다. 랩제로는 diamond 분말, 탄화붕소, SiC, 등이 사용된다. 래핑유로는 spindle유, machine유, 종유, 경유, 물 등을 사용한다.

3. 액체 호닝

고운 저립을 방청제를 첨가한 물에 혼合하여 압축공기 nozzle을 통하여 가공물에 분사시켜 표면을 가공하는 방법이다. 무광택의 배 껍질 모양의 다듬질면이 가공되며 가공량은 0.01mm 이하의 소량이다. 압축 공기의 압력은 5.5～6.5 Kg/Cm², 노즐과 가공물과의 거리는 60～80mm 분사각은 40～50°정도가 표준이다.  이 가공 방법은 가공물 표면을 가공경화시켜 피로강도와 내 마멸성을 증가시키는 부수적인 효과가 있다.

4. bupping

bupping wheel이라고 하는 부드러운 피혁이나, 펠트, 마포 등을 수십매 겹쳐 아교로 굳힌 원판 바퀴를 1800～3000 m/min 의 원주속도로 회전시키고 그 표면에 , 산화크롬, 금강사, 규소, 규조토 등을 buffing 연삭제로 사용한다. 버핑은 다듬질량이 극히 적기 때문에 정밀도 보다는 외관의 광내기(coloring)에 주로 이용된다.

5. 전해연마

전기 도금과 반대로 가공물을 양극으로하고 적당한 용액 중에 넣어 전기를 통하면 양극의 용출작용에 의하여 표면이 가공되는 방법이다. 전해연마가 가능한 재료로는 동과 동합금, Al과 Al 합금, 금과 금합금, 은과 은합금, Co, Cr, Mg, Mo, Ni, Pb, Sn, Ti, Zn, W 등이며 대표적인 전해액으로는 인산, 황산, 질산 등이 있다.

75.  연삭 숫돌의 구성 요소에 대하여 상세히 설명하시오.

연삭 숫돌은 turning에서 bite와 같은 역활을 하며 예리한 모서리를 가진 입자, 결합제, 기공으로 되어 있다.

1. 입자

인조산과 자연산이 있으며 인조산이 순도가 높고 질이 좋아 널리 쓰이며 , SiC 가 많이 쓰인다. 는 WA 입자와 A 입자가 있으며, 순도가 높은 WA입자는 담금질 강, 특수강, HSS강 등에 쓰이며 갈색의 A 입자는 일반 강재의 연삭에 많이 쓰인다. SiC는 C 입자와 GC 입자가 있으며 암자색의 C 입자는 주철, 비철금속 등에 쓰이며 녹색의 GC 입자는 초경 합금, 경연삭 등에 많이 쓰인다.

2. 입도(grade size)

입자의 크기를 번호(mech, #)로 나타내며 입도의 범위는 10～3000#이고 번호가 크면 입자는 고와진다. 10～220번 까지는 체로 분류하여 번호를 부여하며 그 이상은 평균지름을 μ으로 나타낸다. 거침(10～24), 중간(30～60), 고움(70～220), 매우 고움(240～이상 )

3. 결합도(grade)

연삭 입자를 결합시키는 접착력의 정도를 의미하며 이를 경도라고도 하나 입자의 경도와는 무관하다. 숫돌의 입자가 숫돌에서 쉽게 탈락될때 연하다고 하고 탈락이 어려울때 경하다고 한다. 구분하는 방법은 극연 E F G, 연 H I J K, 중간 L M N O, 경 P Q R S, 극경 T U V W X Y Z로 표시한다.

4. 조직(structure)

숫돌 바퀴에 있는 기공의 대소, 즉 단위 부피안에 숫돌 입자의 입자율로 표시하며 거친 조직은 W(입자율 42% 미만), 보통조직 M(입자율 42～50%), 치밀조직 C(입자율 50% 이상)과 같다.

5. 결합제(bond)

숫돌 입자를 결합하여 숫돌의 형상을 갖도록 하는 재료로서 bond의 필요한 조건은

     * 입자간에 기공이 생기도록 할것.

     * 균일한 조직으로 임의의 형상 및 크기로 만들 수 있을것.

     * 고속 회전에 대한 안전 강도를 가질것.

     * 열과 연삭액에 대하여 안전 할것.

결합제의 종류로는

     * 비트리화이드(vitrified bond) : V로 표시. 점토와 장석이 주성분

     *실리케이트( silicate bond) : S로 표시. 규산나트륨( )이 주성분

     * 셀락(shellac bond) : E로 표시. 셀락이 주성분으로 톱,절단용

     * 고무 결합제(Rubber bond) : R로 표시. 고무가 주성분

     * 레지노이드(Resinoid bond) : B로 표시

     * 금속(metal bond) : M으로 표시.

76.  공작기계의 성능을 파악하기 위한 각종 시험법의 체계에 관하여 논하시오.

각종 공작 기계의 시험 및 검사는 운전 성능, 정적 정밀도와 공작 정밀도의 검사로 나누며 운전 성능 검사는 기능검사, 백래쉬 검사, 무 부하운전검사, 부하운전검사, 공작 정밀도 검사로 나눈다.

1. 기능 검사

전기의 절연 상태검사, 주축의 기동, 정지 및 운전 작동의 확실성, 이상음이나 진동의 상태를 검사. 주축속도 및 그 변환 작동이 ±10 % 이내인가 ? 마이크로 칼라의 허용오차 ± 5% 이내인가 ? 안전장치, 윤활장치, 부속장치의 기능이 확실한가 ? 의 여부를 검사한다.

2. 백래쉬 검사

주축 구동 계통의 종합 백래쉬는 주축 1회전에 대해 1/3 회전마다 측정하여 1급은 3%이내, 2급 6% 이내 인가 ?  전후 좌우 이송에서 백래쉬가 1급 0.1 mm, 2급 0.2 mm 이내 인가 ? 의 여부를 검사한다.

3. 무부하 운전 검사

무부하 운전 검사는 주축 최저 속도에서 각 단계에 걸쳐 운전하고 최고 속도에 대하여는 60 분간 연속 운전하여 베어링부의 온도 상승 및 소음상태를 확인 검사한다.

                          온     도             소        음

                1급       45℃ 이하             85 포운 이하  

                2급       55℃ 이하             95 포운 이하

4. 부하 운전 검사

부하 운전 검사는 기준표에 의한 절삭 조건으로 전동기 출력의 100 %이상의 부하 절삭을하였을 때 기름의 누설이 없어야 하고 소음, 진동, 기타의 이상이 없이 절삭되며 절삭면의 다듬질 상태가 양호해야 한다. 부하 운전 검사시는 절삭유를 사용하지 않는다.

5. 공작 정밀도

진원도, 원통도, 평면도, 직각도, 분할 정밀도, 상호 차 등을 검사한다.

77.  주형을 제작하는 방법 중 주형상자를 사용하는 방법에따라 종류를  구분하고 제작과정을 구체적인 예를 들어 설명하시오.

  

주형을 제작 하려면 주형상자(molding flask) 사이에 모래를 다져 넣어야 하며 이 작업을 쉽게하기 위하여 여러가지 형식의 주형이 사용된다.

1. 주형의 종류

     가) 조립 주형법(bench molding)

2개(상형과 하형) 또는 그 이상의 주형 틀을 겹쳐 사용하며 가장 일반적인 방법으로 소형 주물의 주조에 주로 사용한다. 상형을 cope 하형을 drag, 3개일 경우 가운데 것을  cheeck라 한다.

     나) 바닥 주형

주물공장 바닥의 주물사를 수평으로 고르고 다져서 주형을 만드는 방법으로 주형 상자는 사용하지 않는다. 용융금속이 공기와 접촉하여 거칠게 되므로 중요하지 않고 간단한 제품 주조에 많이 사용한다.

     다) 혼성 주형

바닥주형과 조립주형을 혼합한 방법으로 하형은 공장 바닥에 상형은 주형상자를 사용하는 방법이다. 주물이 대형이거나 주형을 이동하기 곤란한 경우에 사용한다.

2. 제작과정

     1) 공구를 손질한다.

     2) 주물상자를 조립하여, 상,하형의 틈새 및 조립상태를 점검한다.

     3) 정반을 깨끗히 하고 주물사위에 평평하게 고정한다.

     4) 정반(도마)위에 모형을 주물상자 가운데 놓은 다음 표면사를 뿌린다.

     5) 그위에 주물사를 넣고 다짐봉으로 다진다.

     6) 연직면은 잘 다져지기 어려우므로 끝이 뾰족한 봉을 사용하고 뒤에는 스템프로 다진다.

     7) 이렇게 만든 형을 뒤집어서 모형의 나머지 나머지 반쪽 모형을 맞대어 붙이고 주형틀을 씌운다.

     8) 분리사를 뿌리고 4), 5), 6)항을 반복한다. 

     9) 주형상자를 분리하고 모형을 빼낸다.

     10) 주형상자를 다시 맞추어 주형을 완성 한다.

78.  CAD/CAM system의 기본구성 요소를 나열하고 각각을 간단히 설명하시오.

CAD란 컴퓨터의 지원을 받아 제품의 제도, 설계, 해석 및 최적설계를 하는 것으로 정의되며, CAM은 제품 제조 단계에 관련되는 것으로 공정설계, 작업기술결정, 가공, 조립, 검사 등의 전과정에서 컴퓨터의 지원을 받아 작업과정을 추진하는 것을 의미한다.    CAD/CAM은 크게 나누어 Hardware, software, humanware로 구분된다.

1. Hardware

computer의 구성은 크게 나누어 입출력장치, 기억장치, 중앙처리장치로 구성된다.

     * 입력장치 : 컴퓨터와 사람사이에 상호의견을 주고 받게하기 위하여 date를 컴퓨터에 보내는 주변기기로서 keybord, light pen, joystick, track ball, push buttan, tablet 등이 있다.

     * 출력장치 : 컴퓨터에서 처리된 date를 사람이 쉽게 볼수 있도록 나타내는 주변 기기로서 CRT, plotter, printer, hard copy unit, com, 등이 있다.

     * CPU : 모든 데이터를 처리하는 중앙처리 장치.

2. CAD/CAM software

     * CAD software : CAD의 기본 그래픽 소프트웨어는 도형을 정의하고 저장하기 위한 batch 방식과 대화식(interactive)의 2 종류가 있다. 응용 소프트웨어의 적용 범위는 모든 분야에 걸쳐 있어 다양한 소프트웨어가 개발 사용되고 있으나 사용자를 위한 특수목적으로 개발되는 경우도 많다.

     * CAM software : 캠 소프트웨어는 데이터를 tape형태로 변환하는 part program 작업에 사용되는 소프트웨어 이다. 파트 프로그램 주요 작업에는 도면해독, 공정계획, 치공구 설계 프로그램 작성 등이 있다.

3. 휴먼웨어

CAD/CAM system의 operater는 캐드캠을 수행하기 위한 필수 요원이다. humanware 란 CAD/CAM system을 운영하기 위한 operater의 능력, 자질, 운영방법, 관리 등을 일컫는다.

79.  Electro slag welding에 대해 상세히 설명하시오.

용융된 slag와 용융금속이 용접부에서 흘러나가지 않도록 수 냉동판으로 둘러싸고 용융된 슬래그 속에 용접봉을 연속적으로 공급하여 용접 슬래그와 저항열에 의하여 용접봉과 모재를 연속적으로 용융시켜 용접하는 방법이다.

일종의 자동 용접법으로 원리는 전극→슬래그→모재 사이에 전류를 통하면 처음에는 arc가 발생하나, 슬래그가 용해하여 arc는 없어지고 저항열로 인하여 슬래그가 고온으로되어 모재 및 전극의 일부가 용융되어 슬래그 아래 쪽에 용착금속이 얻어진다.

서브머지드 용접에서는 처음 발생된 arc가 후렉스 속에서 열을 발생시켜 용접하지만, 일렉트로 slag 용접은 처음 발생된 arc는 꺼져버리고 저항열로서 용접되는 차이가 있다. 처음 발생된 아크에의해 용융된 모재와 용접 wire, 그리고 후렉스가 화합하여 전기저항이 큰 용융 슬래그를 형성하게 된다. 이렇게 되면 발생된 아크는 꺼져버리고 slag에 의한 저항열로서 용접이 계속되는 것이다. 이 방법은 두께가 큰 재료에 적합하며 서브머지드 용접보다 능률이 우수하다.

장점으로는

     * 후판 강재의 용접에 적합하다.

     * 특별한 홈가공을 필요로 하지 않는다.

     * 용접 시간이 단축되어 능률적이고 경제적이다.      

     * 냉각속도가 느리므로 기공 및 slag 섞임이 없고 고온균열도 발생하지 않는다.

     * 용접이 일시에 이루어지므로 변형이 생기지 않는다.

단점으로는

     * 기계적 성질이 나쁘다.

     * 특히 노치 취성이 크다.

용도로는

     * 주로 후판(50t 이상) 용접에 사용된다.

     * 탄소강, 고장력강, 스테인레스강, 용접에 사용된다.

     * 보일러, 대형 프레스, 대형 로울, 조선, 차량 등에 이용된다.

80.  press의 종류를 각종 방법으로 분류하고 각종 전단가공의 실예를 5가지 이상 열거하시오.

  

press 가공은 소성변형을 이용한 가공법으로 판재를 성형하는 방법으로 널리 사용된다. 종래에는 다이캐스팅, 단조물로 가공되던 것이 프레스 가공으로 대치되어 가고 있다.

프레스가공의 특징은 가볍고 강하며 정확한 치수의 제품을 제작할 수 있고 가공 시간과 노력이 다른 가공법에 비하여 훨씬 적게 들어서 매우 이상적인 가공법이다. 이 방법은 대량생산에 적합하고 고도의 숙련이 필요치 않다. 프레스 가공은 주로 냉간 가공에 의한다.

1. 프레스 가공의 분류

     가) 전단작업(shearingoperation)

판재를 소요의 형상으로 전단하는 것으로 종류에 따라서 다음과 같이 분류 한다.

         1) 블랭킹(blanking)            2) 펀칭(punching)

         3) 전단(shearing)              4) 트리밍(trimming)

         5) 세이빙(shaving)             6) 브로우칭(broching)

         7) 노칭(noching)               8) 분단(parting)

     나) 성형작업(forming operation)

판재의 두께를 변화시키지 않고 모양만 변화시키는 것을 목적으로하는 작업으로 다음과같이 분류한다.

         1) bending                     2) twisting

         3) streaching                  4) deep drawing

         5) bulging                     6) beading

         7) spinning                    8) seaming

         9) necking                    10) flattening

        11) curling

     다) 압축작업(squeezing operation)

판의 두께를 변형하며 성형하는 작업으로 다음과 같이 분류 한다.

         1) coining                     2) embossing

         3) swaging                    4) burnishing

         5) 압출

         

2. 전단 가공의 실예

        * 판재의 전단.         * 전동용 기어 블랭킹

        * flange 블랭킹        * 전동용 패킹부품 블랭킹

        * 디스크 블랭킹       * 체인 링크 블랭킹

        * 스프링 블랭킹

81.  강의 열처리 변형 원인을 설명하고 변형 방지법에 대하여 논하시오.

1. 가열에 따른 결함

  가) 과열 : 일반적으로 철강을 1100℃ 이상으로 가열하면 결정립이 조대화되고 비드만 슈테덴 조직을 나타내며 취약해 진다. Ni, Co, Mo은 이 현상을 촉진하며 Cu, Si, Al, Ti, V 등은 억제한다. 방지법으로는 적정 가열온도를 엄수한다

  나) 연소 : 철강을 산화성 분위기속에서 1200℃ 이상으로 가열하면 연소된다.

2. 분위기에 따른 결함

철강이 산화성 분위기속에서 고온으로 가열되면 철강 중에 탄소는 산화되고 CO₂가되어 제거된다. 이때문에 표면층의 탄소 농도가 저하되어 내부로 부터 확산 탄소를 보충하려고 한다. 이때 산화 속도가 탄소의 확산 속도보다 빠르면 흑피가 생성되고, 반대로 산화 속도보다 확산 속도가 빠르면 탈탄된다.

흑피의 방지법으로는 진공, 불활성 gas, 환원성 gas, 중성염의 분위기, 염욕, 금속욕, 주철분, 산화방지 도료등을 사용한다. 탈탄의 방지법으로는 산화의 경우와 거의 같고 분위기나 염욕 중의 수분 관리가 중요 하다.

3. 담금질에 따르는 결함

  가) 담금질 얼룩 : 담금질된강이 국부적으로 완전하게 경화되지 않는 연점이 생겨 표면경도가 불 균일해지는 현상이며 방지법으로는 산화나 탈탄의 방지, 적정한 담금질 온도와 시간 엄수, 편석이 없는 재료 사용, 냉각은 되도록 빨리 균일하게 하기 위해 교반을 강화한다.

  나) 경도 부족 : 전체적인 경도의 저하. 방지법은 담금질 얼룩 방지법과 같다.

  다) 변형 : 담금질에 의해 생긴 치수의 어긋남을 말하며 변형의 예측은 형상, 질량효과, 편석, 전 열처리, 흑피, 탈탄, 잔류응력, 가열방법, 냉각방법, 냉각능 등을 고려할 수 있으나 실제로는 곤란한 경우가 많다. 방지법으로는 담금질전에 풀림, 탈탄 층 흑피의 제거, 급속한 가열의 회피, 되도록 낮은 담금질 온도 선정, 물 보다 기름에 담금질, 적절한 냉각제의 온도 교반 방법, 변형이 예측되면 변형량에 맞는 가공 및 절삭 여유 등을 고려 한다.

  라) 담금질 균열 : 담금질할 때 급냉에 의해 부재 내외의 온도차로 열응력이 발생한다. Ms점 이하에서 마텐자이트와 오스테나이트의 부피 차에 의한 변태 응력이 발생하며 이로 인하여 균열이 발생하는 수가 있다. 방지법으로는 변형의 방지법과 비슷하다.

4. 뜨임에 따른 결함

  가) 뜨임 변형 : 뜨임변형의 원인은 담금질시의 잔류응력과 조직 변화이다. 뜨임에 의한 인장응력은 수축되고, 압축응력은 팽창한다. 변형 방지법으로는 열욕, 공기 담금질 등 잔류응력이 적은 담금질법을 택한다. 프레스 뜨임, 변형이 예측되면 변형에 적합한 가공을 할것.

  나) 뜨임 균열 : 잔류 오스테나이트의 변화 때문에 팽창하여 균열이 발생되며 방지법으로는 서서히 가열, 응력 집중이 적은 설계, Ms점이 낮은 재료는 반복 뜨임하며 첫 번째 냉각에 주의 한다. 이밖에 뜨임취성이 있다.

5. 후처리에 따르는 결함

  가) 연삭 균열 : 철강을 담금질 한 채로 또는 저온뜨임한 것을 연삭하면 국부적으로 발생한 연삭열에 의해 균열이 일어나는 현상이며 이밖에, 수소 취성, 녹 발생 등이 있다.

82.  SM45C 구조용 탄소강을 860℃로부터 노중, 공기중, 수중에서 각기 다른 속도로 실온까지 냉각 하였을때 갖는 조직과 성질에 대하여 설명하시오.

83.  용접 구조물 또는 용접기계 부품의 한가지 예를들고 구체적인 작업방안, 전후처리, 적용의 한계성 등에 대하여 설명하시오.

84.  Press 가공용 punching die 와 blanking die를 설계하고자 한다. punch 와 die 치수결정 방법과 가공치수 정밀도를 높이는 방법에 관하여 설명하시오.

프레스 가공에서 punching 가공은 필요한 소재에 구멍을 뚫어 내고 남아있는 부분을 제품으로 사용하는 가공이고 blanking은 윤곽을 따라 제품을 뽑아내어 그 부분을 제품으로 사용하는 방법이다.

펀치와 다이의 치수 측면에서 보면

85.  세이빙 커터(shaving cutter) 제작방법에 관하여 설명 하시오.

86.  주조 공정의 성력화, 자동화를 위한 최근 산업현장에서의 대처 방안을 설명하시오.

87.  deep drawing용 die 설계시 고려해야될 사항에 대하여 설명하시오.

88.  무전해 니켈 재료의 鏡面(mirror surface) 가공법에 대하여 설명하시오.

89.  지그나 고정구(jig or fixture)를 설계할 경우 그 작동에 영향을 미치는 중요한 인자들에 대하여 설명하시오.

90.  sand blasting 표면처리 공정을 설명 하시오.