선반 (기계)

선반(旋盤, 영어: lathe)은 깎을 소재를 회전시키며 고정된 엔드밀(깎는 공구)로 깎거나 파내는 가공을 하는 공작기계이다. 깎이는 재료가 회전하기 때문에, 가공품은 원통이나 원뿔, 접시 모양 등 회전축에 대해서 동일한 원통형 모양이 된다. 갈이판, 돌이판이라고도 한다.

선반은 주축 끝단에 부착된 척에 가공물을 고정하여 회전시키고, 공구대에 설치된 바이트로 절삭 깊이와 이송을 주어 가공물을 주로 원통형으로 절삭하는 공작기계로서 가장 많이 이용되고 있다. 보통선반은 각종 선반 중에서 기본이 되고, 가장 많이 사용하는 선반이다. 초기에는 사람의 힘을 이용한 수족선반에서 발전하여, 증기기관을 이용한 엔진에서 동력을 이용하면서 engine lathe 라는 이름으로 불렸다.

개요

공작기계 중에서 가장 역사가 오래되며, 많이 사용되는 대표적인 것이다. H.모즐리가 근대적인 미끄럼공구대가 붙은 선반을 1877년 완성한 후, 바이트를 사용하는 작업을 사람의 손으로부터 기계로 할 수 있게 되었다. 또한, 기계동력으로 선반을 운전하면서, 변환기어 등을 사용하여 나사 깎는 작업은 물론 각종 기계부품을 정밀하게 가공할 수 있게 되었다.

주요 구성요소는 베드·주축대·심압대·왕복대·공구대 및 이송장치로 되어 있다. 주축대와 심압대 사이에 가공물을 고정시키고, 회전운동을 주축대로부터 받도록 설계되어 있다. 그러나 수직선반이나 터릿선반처럼 심압대 없이 주축대만으로 가공품을 유지하는 것도 있다.

절삭공구는 왕복대에 장치되어 있는 공구대에 유지하고, 공구대를 전후좌우로 움직여서 적당한 절삭길이를 주어 칩의 발생과 함께 가공물을 절삭해간다. 공구대는 베드의 전면에 있는 이송봉(移送棒)과 리드스크루를 따라 움직이게 된다. 이송봉이나 리드스크루의 회전을 위하여 주축의 회전운동을 이용한 기어장치가 널리 쓰이고, 이송속도 변환장치 역시 그 속도를 적당히 변화를 줄 수 있도록 되어 있다. 그리고 나사를 절삭할 때는 주축의 회전과 이송기구를 이용하게 된다.

베드는 주축대·심압대·공구대 등 선반의 본체를 구성하는 주요부분을 싣고 있으므로 견고한 구조로 되어 있다. 베드의 상부는 왕복대가 좌우로 미끄러져서 그것을 안내하는 부분이므로, 정밀한 다듬질을 통하여 높은 정밀도를 유지하게 되어 있다.

크기는 베드 위의 스윙, 왕복대 위의 스윙, 두 센터 사이의 최대거리로 나타낸다. 또한 베드의 길이로도 나타낼 수 있다. 여기서 말하는 베드 위의 스윙은 주축에 장치할 수 있는 공작물의 최대지름을 말한다. 왕복대 위의 스윙은 왕복대에 접촉됨이 없이 주축에 장치할 수 있는 가공물의 최대지름을 뜻한다. 센터 사이의 최대거리는 심압대를 베드 위에서 주축으로부터 가장 멀리 떨어진 곳에 설치하였을 때, 주축과 심압대에 장치되어 있는 센터 사이의 거리를 말한다. 이 두 센터 사이에 지탱할 수 있는 가공물의 최대길이를 나타내기도 한다.

선반의 구성요소

• 주축대(HEAD STOCK) : 주축대는 스핀들 서보모터의 회전을 벨트 및 변환 기어를 통해 스핀들 선단에 있는 척을 회전시키며 척은 공작물의 고정 과 더불어 회전시킬 수 있다. 일반적으로 주축의 회전은 무단변속으로 회전수를 프로그램에 의해 지령하며 변속장치가 없는 소형기계와 변속장치가 있는 중형 이상의 기계가 있다. 그리고 벨트 전동으로 슬립이 발생되는 문제를 해결하는 모듈이 설치되어 실제 공작물의 회전수를 검출한다. 빌트인 모터는 스핀들과 모터가 결합된 형태로 정밀 고속 가공용 공작기계에 많이 적용되고 있다.
• 왕복대(CARRIAGE) : 공구대가 위에 설치되어 있으며, 이 공구대를 전후좌우로 움직여서 가공물을 절삭한다. 왕복대는 선반 베드의 상부에 위치하며 주축대와 심압대 사이에 있다. 왕복대 위의 스윙은 왕복대에 접촉없는 소재의 최대지름을 뜻하며 선반의 크기를 나타내는 데 사용된다.
• 심압대(TAIL STOCK) : 가늘고 긴 공작물이나 척에 고정된 상태가 불안한 샤프트등을 가공할 때 휨 현상이나 떨림 및 이탈되는 것을 방지하기 위하여 공작물 원주 중심을 지지하는 장치이다. 범용선반과는 다르게 유압이나 공압을 사용하여 공작물을 지지하기 때문에 드릴과 같은 공구를 끼워 사용할 수 없다.
• 척(CHUCK) : 주축 선단에 부착되어 공작물을 고정하는 척은 유압으로 작동하는 유압척과 공기압력으로 작동하는 공압척 및 특수척이 사용된다. 죠(JAW)를 작동시키는 실린더는 로터리 실린더를 사용하여 공작물 회전중에도 공작물 물림압력이 저하되지 않는다. 공작물의 형상이나 재질에 따라 척의 압력을 조절하여 공작물이 변형되지 않고 이탈하는 것을 방지할 수 있으며 죠의 종류로는 열처리된 하드죠와 공작물의 형상에 따라 가공하여 사용할 수 있는 소프트죠가 있다.
• 공구대(TOOL POST) : 공구를 장착하는 기계장치로서 회전 공구대(터렛타입)와 갱타입 공구대가 있다. 회전 공구대는 회전 드럼에 각종 공구를 장착하여 프로그램에 의해 선택하여 사용한다. 일반적으로 사용되는 회전 드럼의 분할 수는 4～12개이다. 갱타입 공구대는 테이블 위에 나열식으로 공구를 설치하여 고정시킨 방식으로 공구선택 회전시간을 줄일 수 있어 공정수 가 적은 소형제품의 대량생산에 적합하여 소형 CNC 선반에서 많이 적용되고 있다. 그러나 공작물과 공구의 간섭 때문에 공구를 많이 설치할 수 없고, X축의 이동량이 많아 X축의 정밀도 저하가 발생된다.
• 이송 변속 장치 : 왕복대의 에이프런 속에 장치되어 있으며 수동 이송, 가로 이송, 세로 이송, 나사 이송, 자동 이송을 위한 손잡이와 레버가 있다.
• 베드 : 선반의 몸체로 주축대, 왕복대, 심압대 등 주요 부분을 지지하고 있으며 절삭의 정밀도를 좌우하기도 한다.
• 서보모터(SERVO MOTOR) : 정보처리회로(CPU)의 명령에 따라 공작기계 구성물등을 움직이게 하는 모터이다. 일반 3상 모터와는 달리 저속에서도 큰 토크와 가속성 그리고 응답성이 우수한 모터로서 속도와 위치를 동시에 제어한다. 속도제어와 위치검출을 하는 장치를 엔코더라 하고 일반적으로 모터 뒤쪽에 붙어있다.
• 자동계측장치(Q-SETTER) : 가공공구의 셋팅 및 마모된 공구의 길이보정 등을 신속하고 정확하게 할수있는 장치로 수동과 자동이 있다.
• 가공물수거장치 : 봉재 가공후 절단된 가공물 또는 단품 가공물을 기계 외부로 자동으로 회수하는 장치이다.
• 칩컨베어(CHIP CONVEYOR) : 절삭가공이후 나온 칩을 운반할 때 사용하며 수평, 수직 등으로 운반하는 장치로 자동 또는 연속적으로 칩을 운반하며 대표적으로 벨트컨베이어, 스크류컨베이어 등이 있다.
• 조작반(OPERATION PANEL) : 기계를 조작할 수 있는 버튼들이 나열되어 있다. 동일한 컨트롤러(화낙또는 지멘스 등등)를 사용해도 공작기계 메이커와 모델에 따라 스위치 모양과 종류, 조작방법 등은 차이난다.

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설명

선반 악세사리

• 센터(CENTER) : 주축센터와 심압대센터 사이에 공작물을 지지하는 부속장치임(센터끝의 각도는 60도). 데드센터(Dead Center) 공작물과 같이 회전하지 않고 정지한 상태에서 공작물을 지지. 라이브센터(Live Center) 공작물과 함께 회전하며 공작물을 지지
• 면판(FACEPLATE) : 척으로 고정할수 없는 대형공작물이나 복잡한 형상의 공작물을 고정하여 가공할때 사용
• 돌리개(DOG OF CARRIER) : 주축의 회전력을 공작물에 전달하는 장치
• 맨드릴(MANDREL) : 구멍이 있는 공작물의 측면이나 바깥지름을 가공할때 사용하는 고정구

선반 가공 작업 종류

선반 가공은 원형 물체의 외부나 내부를 가공하여 원하는 형태와 크기로 만드는 작업이다. 주로 금속, 목재와 같은 다양한 재료를 사용하여 정밀한 제품을 생산한다.

절삭

절삭이란 공구를 이용해 공작물의 깎아내는 것을 말한다. 절삭 가공을 하기 위해서는 절삭과 이송 2가지 동작이 있어야 한다. 절삭은 대상 물체에서 일부를 깎아내는 작업을 위해서는 깍는 도구인 바이트와 가공할 공작물이 있어야 한다. 절삭을 가공하는 방식에는 크게 2가지 방식이 있다. 가공하는 공작물을 고정한 채 공구를 회전시키는 '전삭'과 공작물 자체를 회전시키는 '선삭'이 있다. 앞에서 말씀드린바와 같이 선삭가공은 선반으로 하는 가공, 전삭은 밀링으로 하는 가공을 말한다. 선반 가공은 원통 형상의 공작물을 회전시키면서 고정된 바이트로 깎아내는 방식이다. 일반적으로 작업자가 이송 조작이나 공구 교환을 수동으로 실시하는 선반가공을 범용선반이라고 하며, NC(CNC)선반은 가공조건을 컴퓨터로 제어하며 작업하는 것을 말한다. CNC선반의 경우 초보자라도 쉽게 다룰 수 있으며 높은 품질로 가공이 가능하다. 

선반작업의 종류

범용선반과 CNC선반

• 외경가공 : 회전하고 있는 가공품에 절삭공구를 갖다 대어 외측을 절삭하는 가공방법이다. 선반가공 방법 중에서도 가장 많이 사용되는 가공법으로 가공 초기단계에서 원하는 형상으로 다듬거나 마무리가공에서 표면을 깨끗하게 하는 방법으로 많이 사용된다. 외경가공 시 가공품의 깎인 부분을 칩이라고 하는데 이 칩이 절삭공구에 얽혀 버리는 경우가 많다. 이로 인해 가공품에 스크래치나 찍힘 등을 유발해 불량품이 발생하거나 정밀도가 떨어지게 되는 경우가 많은데 이러한 품질문제를 방지하기 위해 절삭공구의 각도를 조정하는 것이 필요하다.
• 내경가공 : 내경가공은 가공품 안쪽을 깎아내는 작업방식으로 센터홈 가공시 많이 사용되는 방법이다. 내측에 홈을 가공해야 하므로 가공할 깊이(홈 깊이)에 따라 공구 길이가 길어지는 경우가 많다. 그런데 공구가 길면 길수록 휘어짐이 발생하기 쉬우므로 주의가 필요하며 또한 칩이 구멍 내부에 쌓이기 때문에 가공 도중 칩을 제거하면서 작업을 진행해야 한다.
• 나사 탭가공 : 나사 탭가공은 나사 피치를 만드는 가공 방법이다. 선반가공에 사용되는 전용 나사 절삭공구를 이용해 수나사(볼트)와 암나사(너트)를 모두 가공할 수 있다. 밀링가공시에는 암나사만 가공이 가능한 경우가 많기 때문에 수나사도 탭가공이 가능하다는 점이 선반가공의 장점 중 하나이다. 선반을 이용해 나사가공을 할 때는 나사 절삭 전용공구를 재료에 대고 일정한 속도로 공구를 움직여야 한다. 나사의 피치를 일정하게 가공하기 위해서 자동 이송기능을 사용해 속도를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
• 절단가공 : 절단가공은 가공품의 불필요한 부분을 잘라내는 가공법을 말한다. 고속 컷터날이나 핸드 그라인더를 이용해 절단도 가능하지만 고정밀 부품의 경우 정확한 치수로 절단해야 하기 때문에 선반을 이용한 가공방법이 많이 사용된다. 선반을 통한 절단 가공 시 날이 가는 공구를 사용해야 하며 어느 정도의 기술력도 필요하다.
• 홀가공: 홀가공은 보통 드릴을 이용해 구멍을 뚫게 되는데 드릴가공은 정밀도가 그다지 높지 않기 때문에 최소한의 크기로 홀을 먼저 뚫은 후 선반 내경가공을 통해 마무리 작업을 하는 경우가 많다.

선반의 종류

보통 선반(Engine lathe)

보통선반(Engine lathe)은 공작물의 회전과 그 회전축을 포함하는 평면 내에서 공구의 선운동에 의하여 공작물을 소정의 형태로 가공하는 공작기계이다.

보통선반은 가장 표준적인 형식의 선반으로, 일반적으로 선반이라고 하면 보통선반을 말한다. 보통선반은 다양한 선반 작업에 사용되며, 범용성이 뛰어난 선반이다.

터릿 선반(Turret lathe)

터릿 선반(Turret Lathe)은 볼트, 작은 나사, 핀과 같이 작은 일감을 대량 생산하거나 능률적으로 가공할 때 사용한다. 반자동 선반이며, 선반의 심압대 대신에 터릿을 장치하여 공정순서에 따라서 절삭공구를 설치해 놓고 작업한다. 터릿 선반은 고속 강철, 경질 합금 칼 및 세라믹 칼에 적합하며, 검은 금속, 유색 금속 및 일부 비금속 부품을 가공할 수 있다. 외부 원통면, 내부 및 외부 원추면, 나사산, 원호 표면 및 복잡한 곡면을 위한 거칠고 정확한 회전을 할 수 있다.

자동선반(Automatic lathe)

자동선반은 둥근형상 부품을 가공하는 데 주로 사용되는 공작기계이다. 자동선반은 양산용 원형형상 자동 정밀가공기라고도 한다.

자동선반에는 다음과 같은 종류가 있다.

종류	설명
Turret automatic Lathe	터렛 자동 선반
CNC Slitting Automatic Lathe ST-205	CNC 슬리팅 자동 선반 ST-205
스위스턴 자동선반	스위스턴 자동 선반
CNC Swiss Turning Lathe	CNC 스위스 터닝 선반

자동 선반은 기존 자동 선반보다 30% 이상 효율성을 향상시킬 수 있으며 최소 40%의 노동 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있다.

모방선반(Copying lathe)

모방선반(Copying Lathe)은 기존의 작업물을 복사하여 동일한 형태로 가공하는 선반입니다. 형판(모형)에 따라 공구대가 자동적으로 절삭깊이 및 이송운동을 하여 형판과 같은 윤곽을 깎아낸다.

모방선반은 형상이 복잡하거나 곡선형 외경면을 가진 일감을 많이 가공할 때 편리하다.

정면선반(Face lathe)

정면선반(Face lathe)은 주로 정면 절삭 가공을 하는 선반이다. 정면선반은 기차 바퀴와 같이 지름이 크고 너비가 좁은 공작물을 절삭한다.

정면선반은 공구가 주축과 직각으로 넓은 범위를 움직여 평면을 깎는다. 주축대에는 지름이 큰 면판이 설치되어 큰 공작물을 고정한다.

직립선반(Vertical lathe)

직립선반(Vertical lathe)은 정밀 소형기계 및 시계부품 등을 가공하는 공작기계입니다. 베드길이는 900㎜ 이하이며, 지름이 크고 길이가 짧은 것 또는 무게가 무거운 것을 절삭하는 데 사용된다.

직립선반은 일명 직립 turret 선반이라고도 한다. 가공물을 고정하는 위치에 따라 '수평형 선반'이나 '수직형 선반'으로 나뉜다.

다인선반

다인선반은 공구대에 다수의 바이트가 부착되어 공작물을 주축에 고정시켜 회전시키고, 공구대에 설치된 바이트로 가공하는 선반이다.

선반과 밀링의 차이

선반은 가공하고자 하는 소재를 회전시키며 고정된 바이트로 깎거나 파내는 작업을 하는 공작기계를 일컫는다.   쉽게 밀링은 공구가 회전하면서 공작물을 가공하는 방식이고 선반은 공작물이 회전하면서 가공하는 방식이라고 보면 된다. 최근에는 선반과 밀링이 합쳐진 기능을 가진 복합공작기계도 나오고 있는 추세이다. 선반에 밀링에서 사용하는 툴을 장착해서 사용하는 경우도 있고, 밀링에 선반과 같은 스핀들을 부착해 사용하는 경우도 있다. 

선반 / 범용선반	밀링 / 범용밀링
공작물이 회전한다.	공작물이 이송한다.
고정된 바이트로 X, Z축이 이동하며 가공한다.	회전하는 바이트로 X, Y, Z축이 이동하며 가공한다.
원형의 가공물을 가공한다.	직선 및 곡선의 가공물을 가공한다.

참고자료

• 〈선반〉, 《위키백과》
• 〈선반〉, 《두산백과》
• 알쓸잡, 〈<선반가공> 선반의 종류와 특징 알아보기〉, 《 알아두면 쓸데있는 잡학사전 》, 2024-04-12
• 고컴고캣, 〈선반이란?/선반 가공 종류 및 특징 /선반과 밀링의 차이〉, 《티스토리》, 2020-03-10
• 기계점빵, 〈선반의 종류 및 구조〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-14
• KPMA, 〈선반가공의 종류 5가지, 선반가공 기본작업 순서〉, 《티스토리》, 2023-11-29

같이 보기

• 밀링머신
• 절삭
• 공작기계
• 볼트
• 너트
• 맨드럴

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