21ST CENTURY MANUFACTURING 07 금속제품의제조
334 제7장 금속제품의 제조 7.1 서론 7.1.1 WWW.start-up-company.com에서의 차고 업체 위의 사진에 나오는 분은 비행기 기술자였던 나의 외할아버지인 윌리엄 우드랜드 (William Woodland)로 1917년 그가 비커스 비미(Vickers Vimmy) 복엽비행기의 조정석 에 앉아 찍은 사진이다. 나의 할아버지인 브로웨트 라이트(Browett Wright)는 기차 기 술자로 좀 더 세부적인 업무로 구분하면 노커(knocker) 였다. 그는 작은 망치를 들고 런던의 변두리에 있는 왓퍼드 교차로(Watford Junction)의 가축사육장 주변에서 일하 였다. 그의 능숙한 귀는 4륜마차의 바퀴와 축을 가볍게 두드려 발생하는 소리를 듣고 잠재적인 위험인 피로 균열(fatigue crack)의 유무를 탐지할 수 있었다. 두 할아버지와 그들의 친구들은 종종 취미로 간단한 물건을 만들 수 있는 작은 공작실을 차고나 지하실에 차렸다. 그리고 크리스마스의 선물 시즌에는 지역 공급자 들/도매업자들에게 공급할 수 있는 작은 수량의 기념품을 제작하기도 하였다. 이 차고 업체는 자율적이었고, 고객 맞춤 가공과 적당한 기간 내에 납품이 가능하 였다. 잘 구성된 주머니들과 단 2대의 기계, 작은 선반과 중간 크기의 3축 밀링 기계로 다양한 프로젝트들을 진행하였다. 드릴 기계는 별로 비싸지 않으면서도 구멍 하나를 뚫기 위해 밀링 장비 전체를 조정하는 수고를 덜게 하였다. 여기에 탁삭용 연삭기, 판
7.1 서론 335 금용프레스, 용접장비와같은몇개의장치들이더해지면그들은 사업 을할수있었다. 오늘날실리콘밸리와다른지역의여러유명한업체들또한처음에는보잘것없는차고에서그들의사업을시작하였다. 그것이가능했던이유는이런차고의대부분에는사업초기에사용할만한기본적인도구들이구비되어있었기때문이다. 여기서가장중요한점은다음과같다. 이러한단순한금속절삭기계들로다양한부품들을가공할수있고, 동일한절삭공구들로꽤나복잡한형상을갖는다양한부품들도만들수있었다. 이러한이유로더매력적인 FDM이나 SFF 공정들이소개되었음에도, 절삭가공은여전히중요한금속가공공정이다. 지난수십년간절삭가공은재료의소모가많고다소시간이오래걸린다는것으로평판이좋지않았지만, 이와같은유연함과좋은정밀도로인해계속사용되고있다. 7.1.2 기본적인공작실의기원이들의허름한시작은실제로큰규모의생산공장이나가공업체가되었고, 보다크고특수화된장비와다수의기술자들이추가되었다. 결국이모든확장들로인해유연성과빠른납기가가능한특화된서비스들이제공되었다. 절삭가공은제품개발의초기나시장에진입하려는시기에독특한시작품의외형을만드는데매우효과적인방법이다. 그림 2.3에서제품은왼쪽아래에위치한다. 또한대학이나연구소공작실의기술자들은기발한개발자의구현하기어려운설계들을만들어낸다. 전세계적으로유래가없는많은수의신생기업-컴퓨터, 생명공학기업, 신제품개발기업-들이형성되고있다. 이기업들은은행에서대출을받거나잠재적인투자자들에게강한인상을주기위한시점에서시작품이필요할것이다. 대부분의기업은시작품을제작하기위해가공업체를찾아가야한다. 예를들어, 제6장에서소개되었던 Infopad의초기몇개의케이스들은 +/-50 m 정도의훌륭한공차를갖는장비로손쉽게가공되었다. 설계가확정되고밀링으로최종케이스의가공이끝나기까지는 3일정도가걸렸다.
336 제 7 장금속제품의제조 7.1.3 공구와금형업체-절삭가공과 EDM 산업사회에서금속절삭은앞서다룬전통적인가공업체의묘사에서소개된것보다다양하게사용된다. 차량이나트럭에사용되는모든단조 (forging) 와금속가구나보관함에사용되는금속박판제품들은절삭가공된금형으로성형된다. 특히최근에사용되는휴대전화, 컴퓨터, 음향기기, MP3/ 기기와같은대부분의가전기기들이금형을이용하여사출성형된플라스틱케이스를사용하며, 절삭용공구와금형의제작에영향을받는다. 휴대전화의초기시작품은 1987년이후사용되기시작한 SLA, SLS, FDM 등의새로운쾌속조형기술중하나로만들어진반면, 최종제품은우수한정밀도와표면마감조건을갖는금속절삭으로만들어낸금형에플라스틱을사출성형하여수천에서수백만개를생산한다 ( 제8장참조 ). 주로고강도합금을사용하는금형가공은금속절삭기술에서매우높은정밀도와표면수준이요구된다. 이를위해서는새로운절삭공구의설계와공구및불필요한버 (burr) 의예측이가능한새로운제조소프트웨어, 부품의기본적인형상설계에가공의지식정보와물리적인특성을반영할수있는새로운 CAD/CAM 절차가요구된다. 그리고만약금형이복잡한형상일경우두단계의가공이필요할수도있다는것을명심해야한다. 우선 7.2.4절에서보이는전형적인엔드밀링을이용하여 황삭 (roughing cut) 을한다. 그리고마감가공 (finishing operation) 은방전가공 (Electro- Discharge Machining, EDM) 공정으로이루어진다. 방전가공공정에서는탄소전극을천천히금속몰드로 내려앉게 (sink) 하고, 유전체용액 (dielectric bath) 에서는전극과금형표면사이에전기적아크가발생한다. 또한금형표면에서의용융으로재료가제거되고, 유전체용액으로잔해를씻어낸다. 7.1.4 절삭가공공정을이용한실제생산앞절에서는몇개의부품을만들거나단하나의금형을만드는작은규모의제조공정에대해서다루었다. 하지만다른산업의영역에서는대규모생산이보다일반적으로사용되고있다. 그러므로터닝, 밀링, 드릴링과같은모든형태의절삭가공들이대규모생산공정에사용될수있다. 이는그림 2.2의시장수용곡선을따라성장된상태
7.2 기본적인절삭가공공정들 337 의자동차나금속산업의대량생산에잘적용된다. 이러한경제적중요성은모든산업화된국가들에서생산제품의 15% 이상이가공비용인것으로대변된다. 미국오하이오주의신시내티시에있는 Metcut Research Associate에서는미국에서노동비와 ( 재료와공구를포함하는 ) 가공비용이연간 3,000 억달러에이르는것으로추산하였다. 신규장비 (CNC 선반, 밀링장비등 ) 의구입은연간약 75억달러, 소모성절삭공구의매출은연간약 20 25억달러였다. 나아가 3,000억달러와 75억, 25억달러의각각고정기계투자비와처분이가능한절삭공구에대해노동비의비율을비교해보는것은흥미로울것이다. 7.1.5 다른금속가공공정을이용한대량생산평평한스트립의코일을계속만드는박판롤링 (rolling) 또한대규모생산공정이다. 이러한스트립들은일반적인국그릇이나서류보관함을만들기위해이를더작은판으로굽히고압착하는 2차생산자에게판매된다. 다수의유사한형상들이하나의고가금형으로부터연속적으로만들어지기때문에, 금속박판성형으로자동차의후드와같은단일한품목을만드는것또한대규모생산공정이다. 이장에서는단조공정예중에서금속박판성형을주로다룬다. 이공정들의금형과장비는매우고가이기때문에, 금형과장비에작용하는힘의분석은매우중요하다. 기술관리자로서장비가불필요한힘의손실과허용능력이나투자비용의손실없이적당한힘으로일반적인재료를변형하고회사에서제품을만들수있는지를판단하는힘의예측을장비구입에현명하게사용할수있다면매우가치있는서비스를제공할수있다. 또한어떠한요소가품질보증과변형된재료의속성에영향을미치는지를이해하는것또한매우중요하다. 7.2 기본적인절삭가공공정 7.2.1 면가공또는형상가공 절삭공구가금속블록을가로지르며그윗면을제거한다 ( 그림 7.1). 이때잘려나가는
338 제7장 금속제품의 제조 그림 7.1 칩 형성의 현미경 사진 층을 칩(chip)이라 부른다. 눈으로 덮인 인도를 소형 눈삽으로 누르며 밀고 가는 것으 로 생각하면 이해하기 쉬울 것이다. 눈삽은 공구와 유사하고, 공구의 면, 실제로 경사 면(rake face)으로 올라오는 칩은 눈의 층과 유사하다. 다음으로 칩은 칩-공구 접촉 거리만큼 공구 표면을 따라서 말려 올라간 후 가공 된 표면이나 한쪽으로 떨어진다. 만약 눈삽의 면이 인도와 정확히 수직하면 경사각 (rake angle)은 0이 된다. 일반적으로 눈삽은 주로 20 30 정도의 경사각만큼 뒤로 살 짝 젖혀진 상태로 사용된다. 금속 가공에서 최근의 공구에 적용되는 경사각은 주로 6 정도이며, 때로는 6 정도의 부족각(negative angle)이 사용되기도 하는데, 깨지기 쉬운 공구의 날을 강하게 할 수 있다. 나무의 평면 가공은 금속 절삭과 유사하다. 그러나 나무에 대한 절삭 공정의 물리 적인 특징이 금속에 대한 경우와 다르기 때문에, 세부적으로는 다른 점이 많다. 날카 로운 절삭날 앞의 나무는 갈라지고, 긴 균열이 공구의 앞에 진행되어 절삭에 필요한 힘을 줄여 준다. 금속 절삭 가공에서 미세한 연성 균열(ductile crack)이 공구 끝의 아랫부분에 명백
7.2 기본적인절삭가공공정들 339 그림 7.2 칩형성시절삭력 히생기지만 ( 만약그렇지않다면모재와칩이분리될수없다 ), 대부분의절삭은전단면 (shear plane) 에서의금속전단과관련이있다. 전단면은그림 7.2의 OD 를연결한면과같이나타난다. 그림 7.2와동반되는공식에서전단면은변형되지않은칩의두께 t 와변형된칩의두께 t c 와관련이있고, 이는일반적으로칩두께비 (r t/t c ) 로정의된다. 칩이공구에서의마찰긁힘에의해줄어들기때문에 t c 는항상 t 보다크다. 따라서 r 은항상 1(unity) 보다작다. 경사각 가 0에가까운경우, 전단각의탄젠트는변형되지않은칩두께를변형된칩두께로나누는것과같다. 만약주절삭력 (F C 와 F T ) 들이동력계 (dynamometer)
340 제 7 장금속제품의제조 로측정될수있다면, 이들은공구의절삭모서리상에서모든주요힘으로분해될수있다. F N 과 F R 또한중요한데이들은공구수명을좌우하기때문이다. 큰값의 F R 은이주변에높은전단응력과온도를발생할수있다. 높은 F N 은깨지기쉬운절삭날에서발생하는높은수직압력과연관이있고, 이러한높은힘은큰마찰과마모를경사면에발생시킨다. 또한높은 F R 은가공면으로부터공구를들어올리는경향이있으며, 표면마감을불규칙하게한다. 그러므로윤활유와다이아몬드코팅이된공구를사용하여이힘을줄이는것이중요하다. 7.2.2 터닝터닝의기본공정은 [ 연구실에서는반직교절삭 (semi-orthogonal cutting) 이라불리는 ] 금속절삭에대한실험에있어서가장많이사용되며, 피삭재를척 (chuck) 에물려회전한다. 공구는절삭공구대에고정되어피삭재의축을따라일정한속도로움직이며, 실린더또는더복잡한형태의윤곽을만들기위해금속의층을제거한다. 이는그림 7.3에나타나있다. 절삭속도 (cutting speed, V ) 는피삭재의미가공표면이공구의절삭모서리를시간에따라지나는비율이며주로 m/min로표기된다. 이송속도 (feed, f ) 는매회전시공구가축방향을따라이동하는거리를나타낸다. 절삭깊이 (depth-of-cut, w ) 는반지름방향에서바 (bar) 형태의피삭재로부터금속이제거되는두께를나타낸다. 터닝중에이송속도 (f ) 는미변형칩두께 (t ) 로도불리고, 또한절삭깊이 (w) 는미변형칩너비로사용된다. 가공자의관점에서절삭가공이개발되었기때문에용어들은공정별로일정하지않다. 예를들어, 엔드밀링의개략도에서절삭깊이는다른의미로사용된다. 안타깝게도이는해당분야의신입생에게혼란을일으킬수있다. 아마도이러한불일치를해결하는가장적절한방법은항상재료가제거되는층 (slice) 을미변형칩두께 (t ) 로, 절삭의수직방향을미변형칩너비 (w) 로보는것이다. 이세값의곱은금속절삭비 (rate of removal) 로계산되며, 주로절삭작업의효율을측정하는데사용된다. 절삭비 Vfw (7.1)
7.2 기본적인절삭가공공정들 341 그림 7.3 상단오른쪽에는선반터닝의수직절단면, 하단오른쪽에는인서트의상세형상. 인서트의아래있는동력계플랫폼과원거리열전대는오늘날제품절삭가공에서는사용되지않고있다. 그러나이들은절삭시발생하는힘과전반적인온도를측정하기위한연구에는유용하다.