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금속가공
금속가공(金屬加工)은 금속 재료를 가공하는 기술을 말한다. 금속가공은 소성가공과 절삭가공으로 분류된다. 금속가공은 유용한 물체, 부품, 조립품 및 대규모 구조물을 만들기 위해 금속을 성형하고 재구성하는 과정이다.[1]
목차
개요
금속가공의 역사적 뿌리는 기록된 역사보다 앞서 있으며 그 사용은 문화, 문명, 그리고 천년에 걸쳐 있다. 간단한 수공구로 금과 같은 부드러운 천연 금속을 성형하는 것에서 철과 같은 단단한 금속의 용융과 열간 단조, 기계 가공과 용접과 같은 고도로 기술적인 현대 공정으로 발전했다. 그것은 산업, 무역의 원동력, 개인의 취미, 예술의 창조로 사용되어 왔고 과학이자 공예로 여겨질 수 있다. 현대 금속가공 공정은 다양하고 전문적이지만 성형, 절단 또는 결합 공정으로 알려진 세 가지 광범위한 영역 중 하나로 분류할 수 있다. 일반적으로 기계 공장으로 알려진 현대의 금속가공 작업장은 매우 정밀하고 유용한 제품을 만들 수 있는 다양한 전문 또는 범용 공작기계를 보유하고 있다. 대장간과 같은 많은 간단한 금속가공 기술은 더 이상 선진국에서 경제적으로 경쟁력이 없다. 그들 중 일부는 여전히 저개발국, 장인 또는 취미 작업, 또는 역사적 재현을 위해 사용되고 있다.
목적
금속은 사실 여러 가지로 가공하기 쉬운 재료이다. 우리의 생활을 들여다보더라도 금속 가공한 제품에 넘치고 있다. 금속 가공한 제품은 냉장고에 세탁기, 전자레인지 등 생활 필수품에도 존재하며 금속판이나 나사로도 없어서는 안 되는 하나로서 존재하고 있다. 또한 의외로 스마트폰 등은 금속 가공 중 절삭 가공과 연마가 구사되고 있다. 즉, 금속가공의 목적은 바로 우리의 생활을 더 편안하게 보다 풍요롭게 하는 것이라고 해도 과언이 아니다. 금속을 가공하며 사람들의 생활은 보다 풍요롭게 성장하였다. 금속 재료의 성질을 알아낸 뒤 그것을 마음대로 만드는 금속 가공 기술자인 당신은 현대 생활의 풍요와 편리성을 담당하는 전문가라고 할 수 있다. 금속을 다룬다는 것은 그 성질을 알고 금속 가공법으로 강점을 충분히 끌어내는 데 있다.그 양 축을 잘 통제한 뒤에야 뛰어난 제품이 출현하는 것이다.[2]
소성가공
소성가공은 소성을 이용하여 재료를 소정의 형상, 치수의 제품으로 성형하는 방법으로 비 절삭가공이라고도 한다. 일반적으로 고체 물질에 힘을 가해 변형시킬 경우 힘이 작은 동안은 그 힘을 제거하면 물체의 형상은 본래의 형상으로 되돌아가는데 이 성질을 탄성이라 한다. 힘을 점차 크게 가하면 마침내 힘을 제거해도 물체의 형상은 원래대로 되돌아가지 않게 되는데 이것이 소성변형이다. 또 고체가 갖는 이 성질을 소성이라 한다. 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 금속 제품의 대부분이 소성가공의 공정을 거쳐 제품화되며 이 가공은 금속가공의 중요 분야를 차지한다. 소성가공에는 압연, 압출, 단조(鍛造), 전단(剪斷), 인발(引拔), 프레스가공, 교정(矯正) 등의 각종 가공법이 있으며 각각의 가공명을 붙인 기계장치에 의해 가공된다. 압연, 압출 및 단조는 고온으로 가열한 상태나 실온에서 가공되지만 나머지는 주로 실온에서 가공된다. 금속재료는 소성가공에 의해 강도나 그 밖의 성질이 개선된다. 가공열처리라 하여 가열 온도와 소성가공을 잘 조합함으로써 더욱 제품 강도를 높이는 방법도 개발되어 있다. 소성가공은 동일한 형상, 치수의 물건을 다량 생산하는 데 적합한 수단으로서 기계장치 및 사용 공구의 고정밀도화에 따라 고정밀도 제품을 효율적으로 생산하는 방향으로 발전하였으며 특히 압연 가공에서는 자동제어기술의 도입이 눈에 띄는 성과를 거두었다. 제품의 형상에 따라서는 절삭가공으로 만드는 것도 있는데 소성가공은 찌꺼기가 나오지 않는 가공이므로 재료의 유효 이용면에서 절삭가공보다 유리하나 제품정밀도 면에서는 절삭에 미치지 못한다. 한편 판, 관, 선재와 같이 소성가공이 아니면 만들 수 없는 것도 있는데 예를 들면 관을 압연이나 압출로도 만들 수 있는 것과 같이 같은 물건을 다른 종류의 소성가공으로 만드는 경우도 많다. 최근 용도의 다양화로 다품종소량생산의 요구가 소성가공 분야에서도 높아지고 있어 이에 적응할 수 있게 컴퓨터를 도입하여 로봇을 활용하는 자동화기술이 압연 이외의 분야에도 도입되어 성과를 거두고 있으며 에너지 절약에도 기여하고 있다. 한편, 소성가공은 금속만이 아닌 플라스틱이나 금속과 비금속의 복합재료에도 실시된다.[3]
- 압연(壓延, rolling): 회전하는 롤(원주형의 공구) 사이에 판상이나 봉상의 재료를 통과시켜 두께와 단면적을 감소시켜 판재, 형재, 관재, 봉재, 선재로 성형하는 가공법이다. 재료의 재결정온도(再結晶溫度, recrystallization temperature) 이상에서의 압연을 열간압연(熱間壓延, hot rolling)이라 하고, 그 이하의 온도에서의 압연을 냉간압연(冷間壓延, cold rolling)이라고 한다.
- 압출(押出, extruding): 컨테이너(container)에 빌릿(billet)을 넣어 압봉으로 빌릿에 압력을 가하면 다이(die) 구멍으로 유출되어 봉재, 형재, 관재 등의 일정한 단면을 가진 제품을 만드는 가공법이다.
- 인발(引拔, drawing): 압출과 반대로 가는 구멍을 가진 다이(die)에 재료를 통과시켜 그 끝을 척으로 잡아당겨 다이 공형과 동일한 단면의 봉을 선 및 관재로 가공하는 가공법이다.
- 단조(鍛造, forging): 강체공구를 이용하여 재료를 압축 변형시켜 결정립을 미세하게 하여 결정 조직을 균일하게 하는 동시에 재료를 원하는 형상으로 성형하는 가공법이다. 쉽게 말해 해머로 재료를 두드리는 가공법이다.
- 드로잉(drawing): 평판으로부터 이음매가 없는 중공 용기를 만드는 대표적인 성형법이다. 다이 표면 위에 있는 재료를 원주 방향으로 줄이면서 펀치와 다이 사이를 이동시켜 측벽을 만드는 가공법이다.
- 전단(剪斷, shearing): 목적에 맞는 형상의 공구를 이용하여 판재나 봉재를 전단 변형시켜 최종적으로 파괴가 될 때까지 목적으로 하는 형상과 치수로 재료를 절단, 분리하는 가공법이다. 이러한 가공은 프레스 기계를 이용한다.
절삭가공
절삭가공은 공작물보다 경도가 높은 공구(tool)를 사용하여 칩을 깎아내어 소정의 모양과 치수로 맞추어 제품을 만드는 작업이다. 절삭가공은 기계로 재료를 가공하는 것으로 대표적인 것에는 밀링, 선반, 드릴링 등이 있다. 절삭의 특징은 재료를 깎을 때 필요 없는 부분을 칩(chip)으로서 잘라내는 것인데 가공할 때 칩, 즉 파쇄 조각이 생긴다. 절삭가공의 방법은 여러 가지가 있으며 톱으로 목재나 금속을 절단하는 것도 일종의 절삭이며 기계를 제작하는 데 있어 매우 중요한 위치를 차지하는 공작기계에 의한 가공의 대부분도 절삭가공에 포함된다. 절삭에 미치는 요인으로는 공작물 재질, 공구의 재질, 절삭속도, 칩의 단면적(절삭깊이x이송), 공구의 모양, 냉각 및 윤활 등에 영향이 받는다.[4]
- 선삭가공(旋削加工, turning operations): 가공할 재료를 척에 고정하여 회전시키고, 공구는 공구대에 단단히 고정되어 있다. 원하는 형상의 원통과 표면을 형성하기 위하여 금속층을 절삭하면서 봉의 축을 따라 일정한 비율로 움직이면서 깎아내는 가공법이다.[5]
- 보링가공(boring): 재료를 테이블 위에 고정을 시키고 보링용 공구를 이용하여 구멍을 뚫는 가공법이다. 대형 또는 복잡한 형상의 재료에 구멍을 뚫는데 편리한 가공법이다.
- 드릴링가공(drilling fabricating): 선반, 드릴링 머신에서 수행되는 구멍 뚫기 작업에 흔히 사용되는 공구인 트위스트 드릴(twist drill)을 이용하여 제품에 구멍을 뚫는 가공법이다.
- 평삭가공(平削加工, facing operations): 선반에서 수행되며 표면에서 중심을 향하거나 중심에서 바깥쪽을 향하여 공구를 이송하면서 회전축에 수직인 편평한 표면을 만드는 가공법이다.
- 밀링가공(milling fabricating): 주축에 고정한 밀링커터를 회전시켜 테이블 위에 고정된 재료에 절삭 깊이와 이송을 주어 절삭하는 공작기계를 밀링이라 하며 이러한 공작기계로 자동차 실린더블록의 면과 같이 편평한 표면을 만드는 가공법이다.
장점
기계적강도가 높다.
금속은 재료 자체가 수지에 비해 기계적 강도가 높은 특징이 있다. 그렇기 때문에 강도가 요구되고 있는 환경이나 부품에는 금속을 선택하는 경우가 많다. 또한 필요에 따라 열처리를 가함으로써 더욱 높은 강도와 인성을 갖게 할 수 있다.
내마모성, 내열온도가 높다.
플라스틱 재료라면 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 등을 제외하고 대부분이 100℃ 미만의 내열 온도이지만, 금속 재료는 예를 들어 알루미늄의 경우 약 600℃, 철은 약 1200℃, 스테인리스는 약 1400~1500℃로 융점이 비교적 높기 때문에 고온 환경에서의 사용에 적합하다. 또한 융점이 낮은 플라스틱 재료는 녹는 온도가 낮은 만큼 자유로운 성형 가공이 가능하다.
치수정밀도의 안정화가 용이
절삭 가공을 할 때, 공구와 재료의 마찰에 의해 열이 발생하게 된다. 열에 의한 영향을 받아 재료에 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 플라스틱 재료는 열에 의해 변형하기 쉽고, 선팽창 계수(열에 의한 팽창 수축)가 높기 때문에 온도 변화에 의한 치수 변화가 발생하기 쉽다는 특징을 가지고 있다. 금속 재료를 수지와 비교하면 선팽창 계수가 낮고 열에 의한 변형이 적기 때문에 아무래도 치수 정밀도는 안정적일 수 있다.
방전가공이나 와이어 가공 가능
금속 재료는 도전성 재료이므로 와이어 가공이나 방전 가공으로 가공이 가능한 반면 전기를 통하는 성질을 가진 금속은 절연성이 필요한 경우 단점이 될 수 있다.
단점
절삭조건이 플라스틱 재료보다 나쁘다
금속과 플라스틱을 비교하면 금속이 더 단단하기 때문에 수지만큼 공작기계의 이송을 빨리할 수 없다. 가공 방법이나 재질에 따라서 공구 회전수가 올라가는 공작기계나 강성이 필요한 머시닝을 사용할 필요가 있다. 공구의 마모도 그 경도나 재료 특유의 성질에 의해 커지므로, 수지보다 공구의 소모를 고려하지 않으면 안된다.
표면처리(도장, 도색, 도금 등)를 하지 않으면 부식하기 쉽다
플라스틱의 경우 녹이 발생하지는 않지만, 금속 재료는 후처리를 하지 않은 상태라면 부식이 진행된다. 녹슬기 어려운 알루미늄이나 스테인리스도 절대 녹슬지 않는 것은 아니기 때문에 조건에 따라서 부식이 진행되는 경우가 있다. 이런한 부식을 방지하기 위해 금속재료는 인공적으로 표면 처리(도금이나 도장, 실링처리, 표면 개질 등)를 실시할 필요가 있다. 약제에 대한 내성도 플라스틱 재료 정도만큼 되지 못하므로 가정용이나 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 용기 재료를 플라스틱을 사용하고 있는 것도, 이런 것이 주된 이유 중의 하나이다.
비중이 플라스틱에 비해 크다.
금속 재료는 플라스틱에 비해 비중이 높은 것이 많다. 일반적인 플라스틱과 비교해도 같은 부피라면 알루미늄은 약 2배, 철의 경우 약 6배 정도로 무겁다. 무겁다는 것은 그만큼 부품이나 기계장치의 전체 중량을 무겁게 하는 결과를 초래하게 되므로 반송 비용이나 동력 에너지가 그만큼 필요하게 된다.
취급시 주의를 요한다.
동일한 절삭 가공에서도 위험요인은 플라스틱에 비해 무게와 경도가 큰 금속이 비교적 크다. 마찬가지로 부품을 취급하는 사용자에게도 같은 위험이 있다. 그 때문에 예각이 되는 날카로운 부분은 버 제거, 모따기, 라운딩 처리 등의 가공이 필요한 경우도 있다.[6]
역사
인간은 자연으로부터 얻어진 것들을 이용하여 오랜 역사를 통해 많은 것을 만들어 왔다. 이러한 바탕으로 가공 기술은 고대 인류에서부터 발견할 수 있다. 자연에서 동물의 뼈, 나무, 돌 등을 재료로 도구를 만들고 이러한 도구를 이용하여 원하는 물체를 만들고, 또한 도구를 가공하여 새로운 도구가 개발되면서 더 많은 식량을 생산하고 더 나은 주거지로 옮길 수 있었다. 하지만 발전 속도는 매우 느렸다. 이러한 발전 속도는 금속의 발견으로 인해 바뀌기 시작했다. 석기시대가 끝나고 광석에서 동을 제련하여 대량의 동을 생산할 수 있다는 것을 알게 된 후 청동기시대가 시작되면서 가공 기술은 더욱더 발전되었다. 대표적인 가공 기술로서 단조를 들 수 있다. 옛날 조상들은 단조를 대장장이의 일이라고 하여 당시의 이 가공기술은 해머를 손으로 반복하여 두드리면서 원하는 형태로 변형시켜 날카로운 도검류, 괭이 등 경작용 농기구 등을 제조하는 수단으로 활용하였다. 이처럼 금속의 가공을 통해 칼, 창과 같은 무기 또는 생활용구나 농기구와 같은 도구를 만들 수 있었으며 우리의 조상들은 이전보다 더 나은 의식주를 얻고 살 수 있었다. 그 후 매장량이 풍부하고 가격 또한 저렴한 철이라는 금속이 발견되면서 철기시대가 시작되었다. 동보다 더 단단한 철을 해머질로 원하는 도구의 형태를 만들었다. 또 톱날과 같은 개량된 형태의 절삭날이 등장하여 낫, 톱 및 이집트 시대의 기물들이 만들어졌다. 또한 대패와 큰 가위가 소개되었고, 도구의 절삭이 물리적인 수단에 의해서 제어되었다.
1700년대 산업혁명이 일어나면서 가공기술에 큰 혁명을 일으키기 시작했다. 수작업으로 하던 일도 동력으로 구동되는 기계의 도입으로 공장이 설립되어 많은 가공품들이 자동적으로 생산되면서 현대에는 에어 해머, 프레스 해머 등의 가공기계를 활용하여 수백 톤이나 되는 선박용이나 원자력발전기용 회전축에서부터 아주 작은 못 등의 제품을 만들 수 있게 되었다. 또한 실질적인 절삭가공의 발전은 18세기 이후부터 시작되었는데, 그 이전에는 공작기계가 존재하지 않았다. 1776년 제임스 와트(James Watt, 1736~1819)는 최초로 실용적인 증기기관을 개발하였고, 이 기계를 개발하는데 있어서의 가장 크게 직면했던 문제점은 실린더 주조물의 보링 작업이었다. 처음에는 금속박판으로 제조된 실린더로 인해 증기가 새어 이를 막기 위해 피스톤과 실린더 사이를 천 조각, 가죽 등으로 막아보았으나 소용이 없었다. 이 문제는 최초의 효과적인 공작기계인 수평 보링기계가 고안되면서 해결할 수 있었다. 이 공작기계는 실린더 바깥쪽의 베어링으로 지지되는 보링 바에 장착된 공구로 구성되어 있다. 보링 바는 회전할 수 있고 실린더를 통과하여 이송될 수 있었는데, 이렇게 하여 거친 주조물의 불규칙한 것에 관계없이 공구점을 이용하여 원통 표면을 만들어낼 수 있었다. 이렇게 최초의 공작기계가 만들어지면서 절삭가공의 시초가 되었다.[7]
동영상
각주
- ↑ 〈금속가공〉, 《위키백과》
- ↑ KaNonx카논, 〈(금속 가공)금속 가공의 특징과 종류에 대해서 철저 해설〉, 《티스토리》, 2020-04-06
- ↑ 쉰들러, 〈금속가공의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2007-08-02
- ↑ 깜부, 〈절삭가공의 개요〉, 《티스토리》, 2010-06-20
- ↑ 바로발주, 〈제조백과 | 선반 가공: 정의, 종류, 특징〉, 《바로발주 매거진》, 2024-01-09
- ↑ 기계가공기술, 〈금속가공의 장점 및 단점〉, 《메카피아》, 2022-02-23
- ↑ 〈소성 및 절삭가공〉, 《네이버 지식백과》
참고자료
- 〈금속가공〉, 《위키백과》
- 〈소성 및 절삭가공〉, 《네이버 지식백과》
- 바로발주, 〈제조백과 | 선반 가공: 정의, 종류, 특징〉, 《바로발주 매거진》, 2024-01-09
- KaNonx카논, 〈(금속 가공)금속 가공의 특징과 종류에 대해서 철저 해설〉, 《티스토리》, 2020-04-06
- 쉰들러, 〈금속가공의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2007-08-02
- 깜부, 〈절삭가공의 개요〉, 《티스토리》, 2010-06-20
- 기계가공기술, 〈금속가공의 장점 및 단점〉, 《메카피아》, 2022-02-23
같이 보기
