CAD/CAM -...

Bong-Kee Lee School of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

CAD/CAM

6. Machine Tool

School of Mechanical Systems Engineering CAD/CAM

Machine Tool

공작기계(machine tool)의 정의

– (광의) 변형가공(성형가공)과 제거가공을 행하는 기계

– (협의) 절삭가공기계

대분류 중분류 실례

부가가공 (+)

접합 용접, 압접, 납땜, 접착, 열박음, 압입, 체결(리벳, 나사)

등

피복 클레딩, 금속용사, 도금, 증착, 도장, 플라스틱 라이닝,

세라믹 코팅 등

변형가공(성형가공) (0)

고체가 아닌 것으로부터 주조, 소결, 사출성형 등

고체로부터 단조, 압연, 인발, 압출, 굽힘, 전조 등

제거가공 (-)

기계적 제거 절삭, 연삭, 래핑, 분사가공 등

열적 제거 가스절단, 플라즈마가공, 방전가공, 전자빔가공, 레이

저가공 등

화학적-전기화학적 제거 화학밀링(부식가공), 사진식각, 전해가공, 전해연마 등


Machine Tool

공작기계(machine tool)의 정의

– “기계를 만드는 기계(mother machine)” • 기계의 부품을 만드는 것이며, 다양한 제조방법 중에서 절삭가공

과 소성가공에 이용되는 모든 기계를 의미

– 절삭: 가공과정에서 칩을 발생시키며 불필요한 부분을 제거하여 원하는 형상으로 가공

– 성형(소성): 소성에 의하여 형태를 변형시켜 가공

• (ISO) “한 운동원에 의해서 작동하고 물리적, 화학적 또는 기타의 방법으로 성형해서 공작물을 생산하는, 수작업을 하지 않는 기계”

• (미국) 절삭기계(cutting machine)와 성형기계(forming machine)

• (KS) “주로 금속 공작물을 절삭, 연삭 등에 의하여 불필요한 부분을 제거해 내어 필요한 형상을 만드는 기계”


Machine Tool

공작기계의 특징

– 기계를 만드는 기계(도구) • 자기 자신과 동일한 공작기계를 만드는 것이 가능

• 고정도가 요구되며, 그 정밀도의 재현성이 중요시됨: 공작기계의 정밀도가 부품의 가공에서 전사됨

– 모든 산업의 기초 • 산업구조의 고도화와 제조업 경쟁력 강화를 실현하기 위한 핵심

산업

• 국가 전략산업: 산업의 기술력과 경쟁력의 척도

• 국가 기간선업 및 방위산업의 필수 자본재: 일정 수준 이상의 자급도 유지가 요구


Machine Tool


– 모든 산업기술의 결정체 • 현존하는 산업 분야의 최신 기술들이 접목되어 공작기계의 설계

및 제조가 이루어짐

– 전자산업(반도체기술) → 수치제어장치(NC) → 반도체 제조기술의 발전

– 공작기계의 발전 → 정밀기계산업(고정밀도의 측정기) → 공작기계의 성능 및 생산품 평가 → 고정밀의 공작기계 개발

– 생산기계 • 각종 산업기계나 공업제품을 생산하는 기계

• 생산효율, 조작성, 신뢰성, 보수성 등이 중요시됨


Machine Tool


– 강성설계 기반 • 강도설계가 아닌 변위 기준의 강성설계

• 공작기계의 변형, 진동은 직접적으로 생산 부품의 정밀도를 저하시킴: 변형이나 진동을 일으키기 어려운 구조가 요구됨

– 제조과정의 경험이 필요 • 공작기계의 조립공정에서 현장의 기능과 경험에 의존하는 비율이

매우 높음

• 동일한 성능을 가지는 공작기계 제조의 어려움


History

공작기계의 효시

– 선반(lathe)

Egyptian lathe

Indian lathe

Roman lathe


History


– 선반(lathe): continual rotation lathes

da Vinci’s sketch

great wheel lathe (18th century)

turner (19th century)


History


– 선반(lathe): spring pole lathes

turning shop (16th century)


History


– 선반(lathe): da Vinci’s sketch

thread cutting

boring machine


History

근대 공작기계

– 산업혁명 시대 • 보링(boring) 머신: 정밀한 증기기관의 실린더 내면 가공 → 증기

기관의 성능 향상

• 금속 기계: 목재로 구성된 공작기계가 금속으로 대체

• 치구( jig, fixture): 공구를 기계에 고정시킴으로써 금속 가공능력이 향상


History

현대 공작기계

– 대량생산 및 자동화에 대한 요구

– 수치제어(numerical control) 공작기계 • 1950년대 미국 MIT 중심

– 머시닝 센터(machining center), 터닝 센터(turning center), 복합 가공기 • 다수개의 공구를 미리 장착하고 가공종류에 따라 순차적으로 공

구를 교환

• 1대의 기계에서 다수의 가공이 완료됨에 따라, 가공 능률 향상 및 고정도화의 실현


History

현대 공작기계

NC machine(“The Father of the Second Industrial Revolution”)

5-axis compact universal machining center & twin-spindle turning center (Deckel)


Machining Processes

공작기계에서의 대표적인 가공

– 절삭가공 • 공작물을 깎아서 원하는 형태로 가공

• 금속, 플라스틱, 세라믹 등

– 연삭가공 • 연삭입자를 이용하여 공작물을 가공

– 기타 • 방전가공, 전해가공, 레이저가공, 초음파가공

http://www.sme.org/cgi-bin/find-articles.pl?&&ME&20010802&&SME&


Machining Processes


– 선삭가공 • 회전하는 원통 및 원판 형태의 공작물 반경방향으로 공구(바이트)

가 절입하고 축방향으로 움직이는 가공

– 드릴가공 • 일반적으로 공작물을 고정하고 공구(드릴)를 회전시키며 축방향으

로 이송시켜 공작물에 구멍을 내는 가공


Machining Processes


– 보링가공 • 공구(보링 바이트, 보링 바)를 회전시키며 축방향으로 이송하여,

이미 가공된 구멍을 확장함과 동시에 고정밀도의 구멍을 가공

– 밀링가공 • 원통형의 단면 또는 원주면에 다수개의 날을 가지는 공구를 회전

시키고, 공작물을 이송시킴으로써 공작물에 표면, 홈, 및 복잡한 형상을 가공


Machining Processes


– 평삭가공 • 공작물이 직선왕복운동을 하며, 매 왕복운동마다 직각방향으로 공

구를 이송하여 평면을 가공

– 브로치가공 • 다수개의 날들이 직선으로 나와 있으며, 높이가 길이방향으로 갈

수록 점점 높아지는 공구(브로치)를 길이방향으로 이송하여 한 번의 움직임으로 여러 개의 형상을 가공


Machining Processes


– 기어가공 • 호빙 머신: 공구(호브)를 회전시키면서 공작물의 원주 위에서 축방

향으로 이송하며, 공작물은 천천히 회전시키며 기어이빨을 가공

• 기어세이핑 머신: 랙커터, 피니온커터를 공구로 이용하여 가공


Machining Processes


– 연삭가공 • 다수의 연삭입자를 결합제로 고정시킨 연삭숫돌을 고속으로 회전

하여 가공

– 호닝가공 • 가공하고자 하는 구멍에 연삭숫돌봉(혼)을 삽입한 후 회전과 왕복

운동을 통하여 구멍을 정밀하게 가공


Machining Processes


– 방전가공 • 전극과 공작물 사이에 스파크 방전을 일으켜 공작물을 가공

• 와이어 방전가공: 구리선으로 된 와이어를 전극으로 이용하여 복잡한 윤곽을 가공

– 전해가공 • 전극과 공작물 사이의 전기분해에 의해 전극의 형상과 동일한 형

상으로 공작물을 가공


Machining Processes


– 레이저가공 • 레이저(CO2 레이저, Nd:YAG 레이저 등)를 이용하여 공작물을 원

하는 형상으로 가공 혹은 용접

– 워터젯가공 • 고압의 물을 공작물에 분사함으로써 절단가공

• 입자워터젯가공: 물에 연마입자를 혼합함으로써 가공능률을 향상


Classification

공작기계의 분류

공작기계

금속 절삭기계

범용 공작기계

절삭공구 사용기계

고정공구 사용기계

선삭: 선박

형삭: 셰이퍼

평삭: 플레이너

회전공구 사용기계

밀링: 밀링기

드릴링: 드릴링기

보링: 보링기

쏘링: 톱기계

연삭공구 사용기계 연삭: 연삭기

전용 공작기계 전용기

CNC 공작기계

CNC 선반

CNC 드릴링기

CNC 밀링기

CNC 보링기

CNC 연삭기

머시닝센터

금속 성형기계

프레스

롤링 머신

절단기

절곡기


Components

공작기계의 기본 구성요소

– 기계본체 • 주요 구조요소, 결합/안내기구, 구동기구

– NC 장치 • 이송기구와 주축기구를 구동하는 제어기능

– 주변장치 • 자동공구교환장치, 공작물교환장치 등

– 지원기술 • 툴링기술, 절삭공구/가공기술, 센싱기술 등


Components

공작기계의 기본 구성요소: 기계본체

– 주요 구조요소 • 구조본체

– 베드, 컬럼 등과 같은 기계의 프레임

– 주요 운동요소를 지지함과 동시에 각종 운동의 기준이 됨

• 운동요소

– 테이블, 주축헤드 등

• 정강성, 동강성, 열강성 등의 강성설계

– 결합/안내기구 • 회전운동, 직선운동, 복합운동, 고정

• 주요 운동요소들에 요구되는 운동을 부여하기 위한 구조요소들의 고정 및 주요 운동요소들의 안내


Components

공작기계의 기본 구성요소: 기계본체

– 구동기구 • 회전운동요소

– 대표적인 회전운동요소: 주축구동계

– 절삭을 위한 동력의 전달, 회전속도, 정밀도, 정확한 회전위치결정, 빠른 가감속 속도, 낮은 진동 및 소음

– 주축, 베어링, 변속기구, 모터, 검출기 등

• 이송운동요소

– 공작물이나 공구를 장착한 이송요소를 절삭저항에 견디면서 주어진 속도로 원하는 위치로 이송시키는 역할

– 빠른 가감속 특성, 낮은 진동/소음/발열

– 운동체(테이블, 컬럼 등), 볼 스크류, 모터, 검출기 등


Components

공작기계의 기본 구성요소: NC 장치

– 기본 기능 • 공작물에 대한 공구경로, 가공작업방법 등을 수치정보로 지령

• 제어기능, 조작/편집기능, 외부와의 통신기능

– NC 장치의 발전 • CNC: 컴퓨터를 이용한 NC 장치

• 대화형 기능, 가공시뮬레이션 기능, 3차원 그래픽기능

• 네트워크를 활용한 공작기계 제어


Components

공작기계의 기본 구성요소: 주변장치

– 공작기계의 여러 기능을 지원 • 자동 공구 교환장치(automatic tool changer, ATC)

• 자동 파렛트 교환장치(automatic pallet changer, APC)

– 로봇을 이용한 공작물 자동 교환과 달리, 테이블을 자동으로 교환

• 칩 처리장치

• 절삭유 공급장치

• 자동프로그래밍 장치

• CAD/CAM 시스템 등


Components

공작기계의 주요 지원기술

– 툴링 기술 • 툴링

– 공작물을 가공하기 위한 표준공구 혹은 특수공구

– 공작물을 지지하기 위한 고정구, 직, 게이지, 가공용 공구 등

• 공작기계본체의 고성능화, 주축기능의 향상, 공구의 기능향상, 인터페이스 기능 향상

– 공구/가공기술 • 새로운 가공기술 및 이에 적합한 공구와 공정조건의 개발

– 센싱기술 • 가공의 고정도 및 고능률화

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