선반의 구조와 가공방법
1. 선반의 구조
2. 선반의 구조와 가공방법
선반의 크기와 구성
1. 개 요
선반의 종류는 작업방법, 가공정밀도, 크기 등에 따라 여러 종류가 있으나, 일반적으로 보통 선반이 널리 쓰이며, 공작기계의 기본적인 구조와 기능을 가진 대표적인 기계로써, 작업범위가 매우 광범위 하다.
보통 선반은 선반의 표준형으로써, 주요 구성부분은 주축대, 심압대, 왕복대, 베드와 다리로 구성되어 있다.
2. 선반의 크기
(1) 베드 위의 스윙(깎을 수 있는 일감의 최대지름)
(2) 양 센터 사이의 최대거리
(3) 왕복대 위의 스윙 ㅡ관습상의 표시
(4) 베드 길이 ㅡ관습상의 표시
3. 선반의 구성
(1) 주축대
1) 기능
① 공작물을 장착하여 회전시킴.
② 공작물 및 공구의 재질, 가공종류, 절삭깊이, 이송 등에 따라서 적절한 절삭속도를얻을 수 있도록 주축의 회전수를 변화시킴
③ 왕복대의 이송을 변화 시킴
2) 제작 특징
① 공작물을 지지해서 회전시키므로 강력하게 만들고 합금강을 사용한다.
(Ni-Cr강)
② 주축의 무게를 감소시키고 긴 일감을 고정시킬 수 있도록 중공축으로 만들고 오른쪽 끝에는 척, 면판, 돌리판 등을 고정할 수 있도록 되어 있다.
3) 주축 끝 모양의 종류
① 플랜지식 : 주축 끝에 플렌지를 만들어 나사로 연결하는 방식
② 긴 테이퍼식 : 주축 전단의 테이퍼 일부에 척의 테이퍼를 끼우고 링으로 죄어 키이(key)로 회전을 전달하도록 되어 있는 형식이며 중심이 정확해지는 장점이 있다.
③ 캠록(Cam Lack)식 : 척에 몇 개의 캠록핀이 붙어있어서, 이것을 주축끝에 박고 갬으로 고정하는 방식
④ 나사식 : 주축의 앞끝에 나사를 내고 거기에 척이나 면판을 고정하는 방식
4) 주축 변속장치 : 주축의 회전속도 변환은 등비급수 속도열의 계단식 변속이 많이 쓰이며 클러치나 기어의 미끄러짐에 의해 변속한다.
(2) 심압대
1) 기능
① 일감의 길이에 따라 임의의위치에 고정되며, 일감을 주축과 심압대 사이에 고정하여 센터작업을 할 때 이용된다.
② 심압대의 심압축 중심을 회전중심과 편위시켜 테이퍼 절삭을 한다.
③ 모스테이퍼 구멍에 드릴척을 끼워 센터드릴링, 리밍, 탭핑 등의 작업을 할 수 있다.
2) 제작 특징
① 중형 이상의 선반에서는 직접 손으로 심압대를 움직이는 것이 곤란하므로, 왕복대 이동을 위한 기어장치 또는 이동용 전동기를 설치한 것도 있다.
② 센터 작업시 장착되는 정지센터의 위치가 편위되지 않도록 심압대의 심압축 중심은 가능한 변경되지 않도록 한다.
(3) 왕복대
1) 기능
① 베드위에서 바이트에 가로이송, 세로이송을 수동 또는 자동으로 할 수 있다.
② 복식 공구대가 설치되어 있어 임의의 각도로 회전시킬 수 있으며, 비교적 큰 테이퍼 가공을 한다.
2) 제작 특징
① 이송기구는 에이프런 안에 장치되어 있으며, 수동이동을 위한 손잡이와 각종 레버가 달려있다.
② 자동이송은 이송축과 에이프런 내부의 기어장치에 의하고, 나사 깎기 이송은 리이드 스크류(Lead Screw)의 회전을 하프너트(Half Nut)로 왕복대에 전달해 이송시킨다.
③ 이송축과 리드 스크류의 회전은 주축의 회전이 기어 장치를 통해 전달되며, 변환기어의 조합에 의해 이송속도가 변환된다.
(4) 베드(Bed)
1) 기능
① 왕복대 심압대의 무게 및 절삭저항을 지지한다.
② 선반 작업시 축방향의 안내를 한다.
2) 제작 특징
① 베드는 강인 주철(미하나이트 주철)로 만들며 내마멸성을 높이기 위해 화염경화, 고주파열처리 등의 표면 경화처리를 한다.
② 미끄럼면은 연삭가공 또는 스크레이핑(Scraping)해 정밀도를 높이고 있으며, 단면 모양은 산형과 평탄형, 복합형이 주로 사용된다.
③ 베드는 외력에 견딜 수 있고 변형과 진동이 적도록 설계되어야 하며, 또 칩의 처리가 쉽도록 구조면에서도 유의해야 한다.
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1.1 활 선반(弓 旋盤)에서 구름(원형 돌리개)선반으로
양 쎈터 사이에 끼인 공작물에 줄(網)을 감아, 이 줄을 잡아당기는 방법으로 가공물에 정, 역회전을 시키면서 선삭 작업을 했다. 이 고대의 방법과 같은 원리에 대해서 당초는 사진 1-2-1에서 보는 것처럼 한 사람이 줄을 감고 또 한 사람이 공구대(刃物)을 닿게하는 모양을 하면서 선삭을 했었다.
그렇지만 인간이 줄을 계속 감는 데에는 상당한 노력이 필요하다. 그래서 줄의 한 끝을 서 있는 나무의 끝에 연결하고 사람이 한쪽 방향을 감는 방법으로 나무를 휘게하여 잡아당겼다. 이 나뭇가지가 원래대로 돌아가도록 하는 탄력(스프링)의 힘을 이용하는 것이 고안되었었다. 그러나 이것도 문제점이 있었다. 나무를 이용하려면 실외(室外)가 되야 하고, 적당한 나무를 찾아 설치해야만 했었다.
이것의 대체 안(案)으로 활 선반이 있다. 결국 양쎈터 사이에 삽입된 가공물에 활의 줄을 감아끼워 오른손으로 활을 수평으로 전,후 이동시키면서 가공물에 정,역의 회전을주어 활을 손 앞으로 끌어 당길 시에는 왼쪽 손에 쥐고 있던 공구대(刃物)로 선삭을 하였다.
이렇게 한 사람의 작업자로써 일을 할 수 있어 실내, 외를 따지지는 않았다.그러나 이런 동력원은 작업자의 힘에 한정되기 때문에 경(輕)절삭에는 적당했었지만 중(重)절삭에는 무리였었다. 사진 1-2-2에는 비교적 새로운 시계 부품 가공용 활 선반을 나타냈다. 시계 부품과 같이 소형으로써 정밀함이 필요로 하는 가공물에는 이러한 활 선반이 상당히 오랫동안 사용되었고 위력을 발휘했었다.
다음의 선반으로는 활을 손으로 당기는 형식을 탈피하여 좀더 힘을 낼 수 있는 "발 디딤식" 구름선반으로 진보했다. 초기의 "구름선반"은 13세기경의 사원(寺院)의 스테인드-글라스(Stained-Glass)와 명필책에 나오는데, 이것은 사실 목공 작업용으로써 주로 가구의 다리를 미려하게 깎기위한 것으로 수도원이나 교회에서 많이 사용되어 왔다.
1.2 천재 다빈치의 영향
15세기의 대 천재, 근대문명 수립의 시조(始祖)라고도 불리는 레오나르도 다빈치는
 공작기계의 역사에서도 유명한 인물이다. 현재 잔존하고 있는 그의 스케치집 안에는 병기류(兵器)와 기계류가 같이 나열되어 있으며, "발 디딤식 선반"(그림1-2-1)등과 같이 주목할 만한 것이 있다.
이 스케치에서 생각해 보면 발 디딤식 구동, 크랭크에 의한 일방향 연속회전의 채용, 플라이휘일 나사에 의한 주축 센터의 이동 등 종래의 선반에 없었던 기능을 준비하고 있다. 정말로 새로운 선반의 구조도가 묘사되어 있었다. 그러나 이 스케치를 기본으로 한 실제의 기계가 만들어질 수 있느냐 없느냐는 유감스럽게도 확실치가 않다.
다빈치의 영향을 받았다고 생각되는 16세기의 유럽 대륙의 기술자들은 오래된 선반을 연속회전, 베드 또는 테이블, 테일스톡(Tailstock)의 강성 강화,인력구동에서 축력(畜力),수력(水力)으로의 전환과 왕복대의 설정 등과 같이 서서히 개량하였다.
 독일의 뉴른베르크시의 연대기록에 이와 같은 경위가 상술되어 있다.
그러나 중세 Guild 철칙에 의하여 이러한 민간의 진보와 보급 발전은 산발적으로 일어났지만 본격화 된 것은 아니었다. 1578년 다빈치의 후계자로 프랑스 조정에서 일을 한 Jack-Smith는 다시 한번 선반의 상세한스케치를 남기고 있다. 그러나 이러한 복잡한 조작과 숙련을 필요로 하는 기계가 실용화 될 수있었는지는 의문시 된다. 하지만 이러한 발상이 차기의 진보와 개량에 커다란 공헌을 했다.
1.3 정밀도가 불가분의 요소로
가구나 장신구류의 목공용 수단으로써가 아닌 선반이 드디어 금속 가공용으로 사용되기 시작한 것은 시계공들의 손에 의해서였다. 16세기에는 먼저 시계 기어전용의 기어절삭기가 있었다고 전해진다. 18세기에 들어와서 스위스를 중심으로 시계공업의 진보,특히 "젠마이" 구동이 되기 때문에 특수한 고 정밀도의 나사가 필요하게 되어 Oil 금속제의 나사절삭 선반이 연달아 개발되었다. 공작기계에 가공 정밀도가 불가피란 요소가 된 것은 이 18세기의 시계용 선반이 최초라고 한다.
예를들어 시계공의 "명인"(名人)이라고 불렸던 "바샤워드" (Washaward)는 1763년 원추로 나사를 깎는 특수 탁상용 선반을 발명하였다. 이 기계는 전체가 모두 구리로 만든 것으로 우측핸들 중앙부에 부착 가공물을 회전시키는 동시에 체인으로 회전을 시켰다.공구가 원추의 나사를 깎기 위해서는 각도 설정한 Ring을 통해 공구대의 전,후에 움직임을 주었다. 그러나 보다 고 정밀도의 시계부품 가공용을 주로한 근세적인 선반이 세기(世期) 중간에 본격 등장하기까지는 해결해야 할 문제점이 많았다.
먼저 가공물의 정,역 회전구동을 한 방향으로 할 것, 이것은 전술한 다빈치의 구조도에서 크랭크 핸들을 이용하여 해결하였지만 실용화 되었는지는 불분명하다. 1671년 쉘뱅이 개발 한 활 선반에서는 줄이 크랭크를 지나 한 방향의 회전을 풀리로 전달하고 있다. 이때 양호하게 구동(회전) 문제가 해결되었다.
둘째로 주축 속도의 변환(다단화)이 있다. 손으로 돌리는 것은 별도로 하여도 무엇인가의 동력에의 한 경우, 여기까지 단일 속도로만 얻을 수 있었다. 가공물의 재질, 형상치수에 의해 회전속도는 당연히 변해야만 했다. 이것을 앞에 얘기한 쉘뱅은 카운터 축에 직경이 틀린 여러 개의풀리를 붙이고, 주축에는 각각의 위치에 대응하는 회전속도의 변환으로 다단화를 가능케 했다.
셋째는 복식 공구대의 출현이다. 1771년 디드로는 로즈엔진에서 최초의 복식 공구대를 채용했다. 상부 공구대는 스프링으로 모방 운동을 하고, 또한 상하와 더불어 전후좌우의 방향으로이동한다. 각기 조정 가능한 홈으로 안내되어 나사로 구동된다. 현대의 구조와 비교하여 기본적으로는 큰 차이가 없다.
넷째 선반에서 가장 중요한 주축의 베아링이다. 앞서 얘기한 쉘뱅은 이것을 맹렬히 연구하여 당시로서는 최소의 마찰저항,최고의 정밀도를 얻을 수 있는 구조로 하여 원추형의 베아링을채용했다. 그러나 이 베아링 구조는 실용상 축 방향과 직경 방향의 양 추력을 동시에 받는 구조로 설계되었기 때문에 문제가 많고 성공하지 못하였다. 1795년 "가이스라"의 손으로 시작하여 원통, 원추 병용의 베아링이 사용되었다. 축 방향은 원추부에서 직경 방향은 원통 부위에서 각기 추력을 흡수하도록 한 최초의 것이다.
1.4 공작기계의 대부(代父) 모슬리(Mosley)
영국에서는 1712년에 증기기관이 사용되기 시작하여 산업혁명의 길로 진입하고 있었다.
 그러나 효율은 나빴으며, 현재의 몇분의 일 정도로 낮았다. 그런데 방대한 증기기관을 제작하기 위해서는 주조공장과 대형 공작기계를 보유한 기계공장이 점차로 늘어야 했다.
예를 들어 1796년에 개업한 SOHO FOUNDRY는 주조 공장 외에 대형드릴, 보링, 대형선반을 시작으로 피스톤 로드용 선반, 노즐용 선반 등이 설치되어 있었다고 한다. 이러한 환경 아래서 공작기계의 대부(代父)라 불리는 헨리-모슬리(Henly-Mosley 1771-1831)가 등장한 것이다. 사진 1-2-4는 현재 런던 과학박물관에 보존 전시되어 있는 1797년제 모슬리 선반(제1호)이다. 외관은 기묘하지만 상세히 보면 현재의 선반 요소를 그대로 갖춘 제1호기이다.
 먼저 왕복대는 2개의 3각봉(배드에 해당)위를, 즉 산형(山形)의 안내면 위를 슬라이드하여 어미나사(Lead-Screw)에 의해 이송되고, 분할너트와 체결된 장치에 의해 절입을 걸거나 푸는것이 가능하도록 되어있다. 전후이송은 핸들의 칼라(Collar)부위에 눈금이 각인되어 있어 절입량을 결정할 수 있었다. 또한 크로스슬라이드(Cross-Slide)에는 Gib가 들어가 있다. 후방의 베드에는 테일스톡(Tail-Stock)이 있고, 현재의 것과 차이가 별로 없다. 가공품의 휨을 방지하기 위해 스테디레스트(Stedy-Rest)도 붙어있다. 면판이 주축에 붙어 있고, 주축과 면판은 교환 기어로 연결되어 있다. 또 하나 기이하게 생각되는 것은 어미나사가 붙어 있다는 것이다.
모슬리가 개발한 이후의 선반에는 이와 같은 어미나사가 붙어있지 않다. 이것에는 최초의 "어미나사 선반" 이라고 하는 숙명이 붙은 이유가 있었다. 결국에는 이 선반에 미리 수작업(手作業)으로 깎은 목제(木製)의 어미나사를 붙이고, 여기에 의해 봉강(棒鋼)의 어미나사를 깎은 다음 본래의 목제 어미나사와 교환했었다.
당시 정확한 피치(Pitch)로 강재에 나사를 깎는 것은 정말로 어려운 일이었다. 사진 1-2-5는1800년에 완성한 모슬리 선반 2호이다.다리를 붙인 베드, 평형(平形)의 윤활면, 베드 내부의 어미나사, 가공물의 이동 Rest, 교환기어의 Quadrant등 근대적 선반과 거의 유사하며, 기계 전체를 통하여 강성을 증가시켰던 것을 느낄 수가 있다.
모슬리제의 어미나사의 정밀도는 당시 최고였었다. 그는 그리니찌 천문대의 "천체 관측용 기기나사"를 깎고,정부로 부터 1,000파운드라는 보상금을 상금으로 받았었다. 또한 이러한 고정밀도 나사를 이용하여 1805년 일만분의 1인치를 측정하는 마이크로메타를 제작, 실용화하여공작정밀도 향상에 공헌을 했다. 이러한 모슬리의 업적과 공헌은 위대했으며, 고 정밀도의 습합(주:일종의 Lapping)정반을 만들었던 것도 이 업적에 속한다. 여기에서의 정반은 단순히 2개를 서로 마주보게 하여 평탄한 면을 내는데 불과한 것이었다.
이 2개에서는 서로 평면이 나왔지만 이것 이외의 것에 맞추면 맞지 않았다. 여기에서 모슬리는 3개나4개를 줄과 끌로 함께 습합하여 전체 공통의 평면을 내는 정반을 만들고 이것을 "정밀기준"으로 사용 시켰다. 이것에 의해 획기적인 정도(精度)가 달성될 수가 있게 됐다. | |
| 범용선반의 개요 |
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1. 기능(機能)
공작기계 가운데 가장 오래 전부터, 또한 아주 중요한 기계로 사용되어온 것이 바로 선반(Lathe Turning Machines)이다. 선반은 피가공물을 주축에 설치하여 주축과 함께 회전시켜 바이트를 접촉하여 절삭가공(선삭가공)을 하는 기계로 원칙으로는 피가공물의 외경을 원통 형상으로 절삭하는 기계임. 평면, TAPER 등의 절삭, 환봉의 절단, 원추가공, 나사가공, 연삭 등의 작업이 가능하며 넓은 응용 범위를 가지고 있다.
선반의 크기를 표시하는 데에는 베드상의 스윙(Swing Over Bed), 왕복대의 스윙(Swing Over Carriage), 또는 양 센터간의 최대거리 (Distance Between Centers)가 있다.
베드상의 스윙은 베드에 접촉되지 않으며 주축에 취부할 수 있는 피가공물의 최대 직경이며, 왕복대상의 스윙은 왕복대와 간섭 없이 주축에 취부할 수 있는 최대 직경을 말한다. 센터간 최대 거리는 베드상에서 심압대를 주축으로부터 최대한으로 벌려 놓았을 때의 주축과 심압축에 끼워 넣을 수 있는 센터간의 거리로 양 센터간 지지되는 피가공물의 최대 길이를 표시한다. 또한 베드의 길이로 표시하는 경우도 있지만 실제로 절삭 가능한 피가공물의 길이와는 상당한 차이가 있다. 특별히 NC선반에서는 베드의 형상이 여러 종류가 있어 기계의 크기를 표시할 때 Chuck 크기, 최대 가공경, 봉재 가공경 및 최대 가공길이로 표시한다.
2. 구성
선반은 다음과 같이 주요 부분으로 구성되어 있다.
① 피가공물을 취부 회전운동을 시키는 주축(Main-Spindle)과
② 이것을 지지하는 베어링, 주축의 구동기구를 내장한 주축대(Head-Stock)
③ 주축대와 마주보고 있으며 베드 위에 고정되어 있는 심압대(Tail-Stock : 피가공물의 한 끝을 고정시키기 위해 피가공물의 길이에 대해 베드 안내면을 좌·우로 이동하여 필요한 위치에서 고정시키는 것)
④ 베드상 안내면에 있으며 좌·우로 이동시킬 수 있는 왕복대(Carriage)
⑤ 왕복대 상부에 있는 공구를 취부할 수 있는 공구대(Tool-Post)
가공 작업으로는 왕복대에 주축 중심선의 방향(종방향)으로는 좌·우 이송 작업을 하며, 이것과 직각방향(횡방향)으로 이송을 시켜 가공한다. 종·횡방향으로 동시 이송을 시켜 공구의 위치를 조정하여 작업을 할 수도 있다. 공구의 자동이송은 베드 전면에 있는 이송 Lever(Feed-Rod)의 회전운동을 이용한다.
또한 어미나사(Lead-Screw)를 이용하여 주축 1회전마다 정확히 이송을 시켜 나사절삭도 할 수 있다. 이송 Lever, Lead-Screw는 모두 주축의 회전운동을 주도하며 이송속도를 변화 시키는 속도변환 장치를 갖추고 있다. |
이동 방진구(follower rest) 선반 작업에서 가늘고 긴 공작물을 절삭할 때 공작물이 늘어져 진동하지 않도록 하는지지대. 왕복대의 새들에 장착되어 사용한다.=이동 진동 방진구
선반에서 절삭공구를 이송시키는 장치. 새들, 절삭공구대, 에이프런의 3부로 이루어져 있다. 공작 기계에서 절삭 공구를 장착해서 베드 위를 왕복하는 장치. 특히 선반의 베드 위를 왕복하는 장치를 말하는 경우가 많다.
철도 차량의 차륜의 외주를 절삭하는 선반으로서, 좌우 양 차륜을 동시에 절삭 공구대를 좌우 2개 갖추고 있다.
선반작업에 있어서 주축대와 심압대 사이에 공작물을 끼워 지지하는 공구. <종류> 주축에 끼워지는 회전 센터와 심압대에 삽입되는 고정 센터가 있다. <회전 센터(주축용)> 주축과 동시에 회전하므로 센터부에는 마찰이 적다.
상자형 바이스의 일종. 바이스의 턱에 해당하는 부분에 자유롭게 회전 시킬수 있는 2개의 공작물을 물게하고 삼방에서 죔으로써 확실하게 고정시킬수 있므며, 쐐기를 죔쇠 밑바닥에 넣으면 나란히 죌수도 있다.
① 공작물을 가공할 때 고정시키는 고정용 공구의 총칭. 죔판 죔쇠, G 클램프 등. ② 작은 부분을 굽히거나 가열하거나 할 때 집는 집게. 주조용과 판금용이 있다.
①자동선반·터릿(turret) 선반 등에 있어서 주축을 통하여 봉재를 물릴 때에 사용하는 죔 공구. ②밀링에 있어서, 주축에 엔드 밀등을 설치하는 공구.
선반에서 절삭 공구를 결부하는 공구대. 가로 이송대 위에 있고 공작물의 가공에 편리하게 여러 가지 각도로 움직일 수 있다.
선반 가공
일감을 회전시키며 공구대에 설치된 바이트에 절삭 깊이와 이송량을 주어 일감을 절삭하는 공작 기계를 선반(lathe)이라고 한다. 그림은 선반 작업의 예를 나타낸 것으로, 바깥지름, 테이퍼, 단면, 홈, 보링, 드릴링, 나사 깎기와 특수 장치나 공구 등을 사용하여 총형깎기, 널링 등 다양한 작업을 할 수 있다.
보통 기계 부품에는 원통상의 형상이 많으므로, 선반 가공은 원통깎기를 목적으로 한 것이다. 선반의 크기는 양 센터 사이의 최대 거리와 주축대에 설치할 수 있는 일감의 최대 지름으로 표시하고 있으나, 관습상 베드의 길이만으로 나타낼 수도 있다.
선반 (lathe)
선반(lathe)은 가장 많이 사용되는 공작 기계로, 회전 운동하는 공작물을 절삭 공구로 가공하며, 그림 2-27과 같은 여러 가지 가공을 할 수 있다.
1. 보통선반
일반적으로 선반이라고 하면 그림 2-27과 같은 보통 선반을 가리키며, 선반의 몸체에 해당하는 베드(bed), 공작물을 고정하고 회전시키는 주축대(headstock), 긴 공작물의 한쪽 끝을 지지하거나 공작물에 구멍을 낼 때 사용하는 심압대(tailstock), 절삭 공구를 설치하고 이것을 조절하는 왕복대(carriage), 이송장치 등으로 구성되어 있다.
2. 특수선반
특수 선반으로는 볼트, 너트, 핀 등의 작은 기계 부품을 대량 생산하기 위해 고안된 터릿(turret) 선반이 있다.
터릿 선반은 보통 선반의 심압대 대신 터릿을 설치하고, 여기에 여러 가지 절삭 공구를 방사선 모양으로 고정시킨 것으로, 한 절삭 공정이 끝날 때마다 터닛을 회전시키면서 다음 공정을 연속적으로 가공할 수 있다.
이밖에 터릿의 조작을 자동화시킨 자동 선반, 크랭크축을 전용으로 가공하는 크랭크축 선반 등이 있다. |