금속 가공은 무엇인가? 가공 종류 및 선택 포인트 해설

금속은 기계를 만들 때 플라스틱과 함께 가장 많이 사용되는 재료입니다. 많은 기계 부품이 금속을 가공하여 만들어집니다. 이번에는 금속 가공의 종류와 제품 예 그리고 가공법 선택 시의 포인트 등을 소개합니다.

금속 가공이란?

금속 가공이란 제품을 만들기 위해 재질인 금속에 대하여 실행하는 가공 작업 전반을 가리킵니다. 금속 가공에는 많은 종류가 있고 그 분류 방법도 다양합니다. JIS에 의한 분류법을 토대로 대표적인 가공법을 정리한 것이 아래 그림입니다.금속 가공은 크게 「모양을 만드는 금속 가공」과 「성질을 바꾸는 금속 가공」으로 분류됩니다. 전자는 판재나 봉재, 녹은 금속 등을 가공하여 제품의 모양을 만드는 방법입니다. 후자는 금속에 열이나 화학적 처리를 하여 경도를 높이거나 녹이 잘 슬지 않게 하는 가공법입니다.

금속 가공의 종류와 분류

금속의 다양한 가공법과 각각의 특징을 보고 갑시다.

모양을 만드는 금속 가공

금속의 모양을 만드는 방법은 다음과 같이 크게 4종류로 나뉩니다.

• 기계 가공
• 소성 가공
• 주조
• 기타

각각의 가공과 특징을 순서대로 소개하겠습니다.

1. 기계 가공 기계 가공에는 절삭 가공과 연삭 가공 외 특수 가공의 3가지 가공 방법이 있습니다.
   • 절삭 가공 커터형 공구를 사용하여 가공물에서 불필요한 부분을 깎고 제거하여 모양을 만드는 가공법입니다. 폭넓은 재질을 가공할 수 있어 정밀도와 비용의 균형이 잘 맞고 범용성도 높아 가장 많이 사용되는 방법입니다. 선반, 밀링 머신과 머시닝 센터, 드릴 프레스 등을 이용한 가공이 대표적인 것입니다. 선반은 가공물을 척으로 잡고 회전시켜 바이트라는 공구를 대고 깎습니다. 원통면 가공이나 나사 절삭이 가능합니다. 밀링 머신과 머시닝 센터는 가공물을 테이블에 고정하고 회전하는 밀링 커터라는 공구를 대고 깎습니다. 드릴 프레스도 가공물을 테이블에 고정하고 드릴이나 탭 등의 커터를 사용하여 타공이나 태핑 가공을 합니다. 선반 가공, 밀링 가공 모두 매우 일반적인 가공법으로 폭넓은 제품에 사용되고 있습니다. 주변에는 가전 제품의 부품이나 자동차 부품 등이 있습니다. 절삭 가공은 여기의 기사에서 상세하게 해설하고 있습니다. 절삭 가공의 기초 지식부터 설계·가공의 주의점까지 상세하게 해설!
   • 연삭 가공 숫돌을 사용하여 가공물에서 불필요한 부분을 깎아 제거하는 가공법입니다. 절삭 가공과도 유사하지만 숫돌로 깎기 때문에 더욱 정밀도를 낼 수 있습니다. 대신에 시간당 깎을 수 있는 양이 적고 비용과 시간이 소요됩니다. 따라서 절삭 가공으로 대부분의 모양을 만들고 정밀도가 필요한 곳에 한하여 연삭 가공하는 경우가 많습니다. 원통 연삭반, 평면 연삭반을 이용한 가공이 대표적인 것입니다. 원통 연삭반은 원통면을, 평면 연삭반은 평면을 가공할 수 있어 평면도나 원통도, 표면 거칠기를 향상시킬 수 있습니다. 자동차 부품이나 공작 기계의 슬라이드 부분 등 정밀한 면이 필요한 곳에 사용되고 있습니다. 연삭 가공에 대하여는 여기의 기사에서 해설하고 있습니다. 제거 가공의 일종. 연삭 가공과 연마 가공
   • 특수 가공 절삭 가공, 연삭 가공 모두 아닌 기계 가공에 대하여 특수 가공으로 분류하고 있습니다. 여러 종류가 있지만 대표적인 것이 방전 가공과 레이저 가공입니다. 방전 가공은 가공물과 전극 사이에 전압을 걸어 방전시켜 발생하는 열로 재료를 녹여 모양을 만드는 방법입니다. 전극에는 가공 형상과 같은 모양을 한 카본 재질이나 얇은 와이어를 사용합니다. 고정밀도로 미세하게 가공할 수 있다는 점, 절삭 가공으로는 너무 단단하여 가공하기 어려운 난삭재도 가공할 수 있는 것이 특징입니다. 레이저 가공은 가공물에 높은 에너지의 레이저광을 쏘고 발생하는 열로 재료를 용융, 증발시켜 모양을 만드는 방법입니다. 미세하고 정밀한 가공이 가능한 것이 특징입니다. 방전 가공은 금형의 캐비티를 새기거나 박판이나 키 홈을 정밀하게 컷하는 데 사용됩니다. 레이저 가공은 박판을 정밀하게 컷하거나 미세하게 타공하는 용도로 사용됩니다.
2. 소성 가공 소성 가공에는 프레스 가공과 단조 외에 전조가 있습니다.
   • 프레스 가공 판상 가공물에 대하여 커터나 금형을 큰 힘으로 눌러 컷하거나 금형에 맞춰 성형하는 가공법입니다. 시어링 머신이나 프레스기, 터릿 펀치 프레스(터릿펀) 등이 사용됩니다. 판재를 정밀하게 성형할 수 있어 다양한 제품에 사용됩니다. 판금 가공도 광의의 프레스 가공으로 분류됩니다. 판재를 이용한 자동차 보디 외판이나 가전 제품 등 널리 사용되고 있습니다.
   • 단조 가공물에 해머나 금형을 큰 힘으로 누르거나 충돌시켜서 금형에 맞춰 성형하는 가공법입니다. 쉽게 변형되도록 가공물을 미리 가열하는 경우도 많은데 온도에 따라 열간 단조, 온간 단조, 냉간 단조로 분류됩니다. 또한 제품 모양의 금형 유무로도 분류할 수 있고 있는 것을 형 단조, 없는 것을 자유 단조라고 합니다. 전자는 에어 해머와 액압 프레스기, 후자는 크랭크 프레스기 등이 사용됩니다. 강도를 가지도록 하는 특징을 살려 엔진 부품이나 스패너 등 힘에 견디는 제품에 사용되고 있습니다.
   • 전조 원통형 가공물에 다이스라는 공구를 눌러 변형시키는 것으로 다이스 바깥 둘레에 있는 형상으로 성형하는 가공법입니다. 가공물을 돌리거나 굴리면서 성형하기 때문에 이 명칭이 붙었습니다. 수나사 가공 등에 많이 사용됩니다. 홈 센터에서 볼 수 있는 볼트 등 나사류가 주요 제품입니다.
3. 주조 원재료가 되는 금속을 로에서 녹여 제품 형태의 공동(캐비티)을 가진 주형에 부어 넣고 안에서 굳혀 제품을 만드는 가공법입니다. 복잡한 형상을 가진 제품을 대량 생산하는 경우에 많이 사용되고 있습니다. 예전에는 모래로 만든 틀을 사용한 사형 주조였지만 현재는 금형을 사용한 저압 주조, 다이캐스트 등이 있습니다. 엔진 부품이나 공작 기계의 토대, 모터 부품 등에 사용되고 있습니다.
4. 기타 큰 틀에 들어가지 않는 가공 방법도 있습니다. 분말 야금이나 금속 3D 프린터는 비교적 새로운 가공 방법으로 복잡한 형상이나 기존 가공 방법으로는 불가능했던 형상의 가공이 가능해집니다.
   • 분말 야금 원재료가 되는 금속 분말을 제품 형태의 틀 안에 눌러 굳히고 로에서 가열하여 입자끼리 결합시켜 제품을 만드는 가공법입니다. 사용 기회는 적은 방법이지만 다른 곳에서는 할 수 없는 특수한 성질을 가진 제품을 만들 수 있습니다. 그다지 힘이 들지 않는 기어나 급유가 필요 없는 특수한 베어링 등에 사용됩니다.
   • 금속 3D 프린터 제품으로 필요한 부분의 재료를 단계적으로 쌓아올려가면서 최종적인 형태를 만드는 최근 주목받고 있는 가공법입니다. 툴 패스의 필요성이나 형상의 제한 등이 적으므로 기존의 가공법으로는 불가능했던 특수 형상을 가진 제품 등도 제조할 수 있습니다. 지금까지는 래피드 시제작품 등에 사용되어 왔지만 소량, 고부가가치의 양산품에도 적용하게 되었습니다. 아직 역사가 짧은 가공법이지만 제트 엔진의 블레이드나 고급차의 브레이크 부품 등에 사용되고 있습니다.

성질을 바꾸는 금속 가공

금속의 성질을 바꾸는 가공 방법에는 열 처리와 표면 처리가 있습니다.

1. 열 처리 금속의 큰 특징으로 열 처리에 의해 내부 조직을 변화시켜 다양한 특성을 끌어낼 수 있습니다. 가장 잘 알려진 열 처리는 담금질, 템퍼링입니다. 일본도를 제작하는 도중에 빨갛게 달아오른 칼을 힘있게 물에 담그는 장면을 본 분도 많을 것입니다. 이는 담금질이라고 하고 강철을 단단하게 하는 열 처리입니다. 그러나 단단하게 하는 것만으로는 이번에는 충격에 대해 약하다는 결점이 나옵니다. 칼이라고 예외는 아니어서 담금질만으로는 충격이 가해졌을 때 유리처럼 깨져 버립니다. 그래서 적당한 끈기를 부여하기 위해 템퍼링 처리를 합니다. 이를 통해 경도와 점성 강도를 겸비한 칼이 만들어집니다. 노멀라이징은 금속 조직을 균질하게 하고 기계적 성질도 향상시키는 방법으로 가공물을 가공하기 전에 하는 열 처리입니다. 어닐링은 금속을 가능한 한 부드럽게 하는 방법으로 절삭 가공 전에 실시되거나 어느 정도 소성 가공을 한 후 좀 더 가공을 진행하기 전에 하거나 합니다. 침탄은 담금질의 일종인데 강철 표면에 탄소를 침투시켜 부분적으로 단단하게 하는 방법입니다. 기어의 톱니부나 동력 전달축 등 부분적으로 강화하고 싶은 경우에 침탄용 강철과 세트로 사용됩니다. 강철이나 알루미늄을 사용한 제품을 중심으로 자동차 부품 및 항공기 부품 등 광범위하게 사용되고 있습니다.
2. 표면 처리 표면 처리의 대표적인 방법에는 도금과 화성 처리가 있습니다.
   • 도금 금속 표면에 대해 다른 금속의 얇은 막으로 덮는 처리를 말합니다. 녹 발생을 방지하고 미관을 좋게 하고 표면을 단단하게 하는 등 다양한 기능을 가지도록 할 수 있습니다. 일반적으로 니켈이나 크롬, 아연 등을 주로 사용합니다. 일반적인 표면 처리로 가정용품이나 자동차 부품 등 광범위하게 사용되고 있습니다.
   • 화성 처리 도금과는 달리 화학적으로 금속 표면을 개질하여 다양한 기능을 가지도록 하는 방법입니다. 인산염 처리는 널리 사용되는 방법으로 녹 발생을 방지하거나 도장의 바탕으로 사용되거나 합니다. 크로메이트 처리도 나사 등에 널리 사용되는 방법으로 아연 도금 위에 처리하여 녹 발생을 방지합니다. 녹과 관련해서 사용되는 환경이 엄격한 자동차나 건설 기계 등의 부품에 사용되고 있습니다.

금속 가공 선택 시의 포인트

금속 가공을 선택할 때는 다음과 같은 포인트에 주의합시다.

• 각 가공법의 특징을 잘 이해한다 금속 가공에는 여러 종류가 있는데 모두 잘 하거나 잘 못하는 등의 특징이 있습니다.
  

  	형태의 자유도	정밀도	비용	시간	양산성	강도
  절삭 가공	〇	〇	〇	〇	△	〇
  연삭 가공	△	◎	△	△	△	〇
  특수 가공	△	◎	△	☓	☓	〇
  프레스 가공	〇	〇	◎	◎	◎	〇
  단조	〇	〇	△	〇	◎	◎
  전조	△	〇	◎	〇	◎	◎
  주조	〇	△	〇	〇	◎	〇
  분말 야금	〇	〇	△	△	◎	〇
  3D 프린터	◎	△	△	◎	☓	△

  같은 치수, 특성으로 만드는 경우에도 그 선택 방법에 따라 비용과 시간에 큰 차이가 발생하게 됩니다. 각 가공법의 잘 하는 점과 잘 못하는 점만으로도 이해해 두면 선택할 때 편리합니다.

• 어떤 가공법이 선택 가능한지 알아둔다 이는 간과하기 마련이지만 최적 가공법을 알아도 자사의 공장에서는 할 수 없거나 사용 예정이 차서 사용할 수 없는 등이 있습니다. 금속 가공을 할 때 자신은 어떤 가공법을 선택할 수 있는지 선택지를 잡아두는 것도 중요합니다.
• 과거의 사례를 조사해 본다 제품에 따라 다르지만 과거에 금속 가공으로 유사한 부품을 만든 적이 있다라는 경우도 자주 있습니다. 그 때는 어떤 공정으로 만들었는지 기록을 찾아보면 좋을 것입니다.
• 잘 아는 사람에게 상담해 본다 자신이 조사하는 것도 중요하지만 가장 효과적인 것은 잘 아는 사람, 알고 있는 사람과 상담해 보는 것입니다. 생산 기술부나 제조부의 사람은 제품 제조의 전문가이므로 다양한 조건 중에 최적인 방법을 알려 줄 것입니다. 또한 실제로 만들 때는 가공을 보여 달라고 하는 것도 좋을 것이다. 스스로 가공을 보는 것은 백문이 불여일견으로 큰 배움이 있습니다.

정리

금속 가공에는 다양한 방법이 있습니다. 금속의 형태를 바꾸는 기계 가공이나 소성 가공, 주조나 기타 방법. 금속의 성질을 바꾸는 열 처리나 표면 가공 등 용도와 목적에 맞춰 구분되어 있습니다. 한국미스미 meviy에서는 금속 가공 부품의 즉시 견적과 가공이 가능합니다. 지금 바로 3D CAD 데이터를 meviy에 업로드하여 견적 받아 보세요.