선반 가공(터닝)의 특징이나 대표적인 가공 방법

선반 가공(터닝)은 재료를 깎아내는 것으로 목적의 형상을 실현하는 가공 방법으로 절삭 가공으로 분류됩니다. 다양한 공구와 가공 방법을 조합하여 복잡한 형상을 실현할 수 있는 선반 가공에 대해 그 특징이나 가공 순서 등을 소개합니다.

선반 가공(터닝)이란?

선반 가공은 절삭 가공의 일종입니다. 절삭 가공에는 그 밖에 밀링 가공이나 드릴링 가공이 포함되지만, 선반 가공에서는, 회전시키고 있는 재료에 대해서 절삭 공구를 맞추고, 불필요한 부분을 깎아내면서, 목적의 형상으로 가공합니다.

선반 가공과 마찬가지로 절삭 가공에 포함되는 밀링 가공은 비슷하지만 「무엇을 회전시키는가?」라는 점에 차이가 있습니다. 선반 가공에서는 가공 대상이 되는 재료를 회전시키지만 밀링 가공에서는 재료를 고정하고 절삭 공구를 회전시키면서 가공합니다.

선반의 기본 가공 방법

선반 가공에는 외경 가공, 내경 가공, 나사 탭 가공, 절단 가공, 홀 가공의 5가지 기본 가공 방법이 있습니다.

각 가공 방법에 대해 설명합니다.

• • 외경 가공
    
    외경 가공은 회전하는 재료의 외부에서 절삭 공구를 접촉하여 가공하는 방법입니다. 선반 가공 중에서도 가장 많이 사용되고 있는 가공법으로 표면을 깨끗하게 하는 마무리 가공이나 가공 초기 단계에서 대략적으로 목적의 형상으로 깎을 때 사용됩니다.
    
    외경 가공에서는 발생한 칩이 절삭 공구에 얽혀 버릴 가능성이 있습니다. 특히 높은 정밀도가 요구되는 마무리 가공의 경우에는 칩이 얽혀 정밀도가 악화되는 것을 방지하기 위해 절삭 공구의 각도를 조정하는 것이 필요합니다.
  • 내경 가공
    
    내경 가공에서는 재료에 홀 가공 등으로 열린 구멍을 크게 넓혀가도록 재료의 안쪽을 깎아 갑니다. 구멍의 크기를 정돈하거나 내부 표면을 깔끔하게 마무리하는 경우에 사용됩니다.
    
    내경 가공에서는 가공할 구멍의 깊이에 따라 공구를 길게 할 필요가 있습니다. 그러나 긴 공구는 휘어짐이 발생하기 쉽기 때문에 정밀도 악화에 주의가 필요합니다. 또한 칩이 구멍 내부에 쌓여 버리므로 자주 칩을 꺼내야합니다.
  • 나사 탭 가공
    
    나사 탭 가공은 나사의 피치를 제작하는 가공법입니다. 선반 가공에서는 전용 나사 절삭 공구를 사용하여 수나사와 암나사를 모두 가공할 수 있습니다. 밀링 가공이나 머시닝 센터의 경우에는, 암나사 밖에 할 수 없는 경우가 많기 때문에, 수나사도 제작할 수 있는 점은 선반 가공의 큰 메리트의 하나입니다.
    
    나사 절단 전용의 공구를 재료에 맞추어 일정한 속도로 공구를 움직여 갑니다. 나사의 피치를 등간격으로 하기 위해서, 「자동 이송 기능」을 사용해 속도를 일정하게 유지하는 경우가 많습니다.
  • 절단 가공
    
    가공 가공은 재료에 공구를 밀어 넣어 불필요한 부분을 절단하는 가공법입니다. 원통을 둥글게 자르는 것 같은 이미지입니다.
    
    날이 얇은 공구를 사용해야 하며 진동이나 소리를 확인하면서 작업을 해야 하기 때문에 어느 정도의 기술이 필요합니다. 정밀도가 높은 가공을 하기 위해서는, 하기 쉬운 칼날이나 절삭할 때에 기름을 사용하는 등, 대책할 필요가 있습니다.
  • 홀 가공
    
    홀 가공은 회전하는 재료에 드릴을 눌러 구멍을 뚫는 방법입니다. 내경 가공을 할 때에는 미리 전용 공구가 들어가는 구멍을 열어 둘 필요가 있으며, 그 때에 드릴 가공이 사용됩니다.
    
    드릴에서의 홀 가공은 그다지 정밀도가 높지 않기 때문에, 필요한 크기의 구멍을 연 후의 마무리는 일반적으로 내경 가공이 사용됩니다.

선반 가공에 사용되는 재질

열처리 강

열처리 강은 연강의 약 5배의 경도를 가지며, 절삭에 필요한 에너지가 적고, 발열량도 연강의 30% 감소합니다. 또, 마무리면의 거칠기는 연강과 비교해, 열처리 강에서는 20%작게 깨끗하게 마무리됩니다.

가공 변질층은 연강으로 약 20μm이지만, 열처리 강에서는 약 5μm로 얕고, 가공 금속에의 영향이 적기 때문에, 절삭에 뛰어난 재질입니다.

열처리 강은 구체적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

• 칼날이나 절삭구, 공구
• 스프링과 태엽, 멜리어스 바늘
• 주요 테이프
• 와셔

열처리 강은 신장성이 낮기 때문에 연삭 이외에도 많은 용도로 사용되고 있습니다.

MC 나일론

MC나일론 이란 「Mono Cast Nylon」의 약어로, 충격이나 마모에 강하고, 유기 용제나 알칼리성 약제, 유지에 높은 내성이 있습니다. 120°C~150°C의 고온에서도 사용할 수 있으며, 비중은 금속의 약 15%로 경량이므로 금속 부품의 대체로도 사용됩니다.

한편, 수분을 흡수하기 쉽기 때문에, 환경에 따라서는 상정보다 치수가 커지는 단점도 가지고 있습니다. 또한, 산성에 대한 용매에 대한 내성이 낮기 때문에 주의가 필요합니다.

구체적인 용도는 다음과 같습니다.

• 베어링
• 기어
• 바퀴
• 스프링
• 비스
• 파이프
• 의류

MC 나일론은 다음 7색으로 나뉘어져 있으며, 각각 등급이 다릅니다.

MC 나일론 색상	등급
청색	일반 등급(MC901 등)
백색	일반 등급(MC900 등)
갈색	내열성 등급(MC602 등)
흑색	내후성, 도전성 등(MC501R2, MC501R6 등)
자색, 회색, 녹색	접동성 등급(MC703 등)

색상에 따라 내열성이나 전도성 등의 성질이 다르기 때문에 목적에 맞는 등급을 선택하는 것이 중요합니다.

몰리브덴

몰리브덴은 융점이 2623℃로 높고 압축이나 인장 강도가 뛰어난 금속입니다. 강 및 스테인리스 첨가제로 사용되며 금속의 경도와 내열성을 향상시키는 데 도움이됩니다.

구체적으로 몰리브덴은 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

• 항공기 및 자동차 부품
• 건설용도
• 부엌칼과 의료용 메스
• 석유정제 및 석유화학 등의 촉매
• 산업용 윤활유 및 엔진 오일 첨가제

그러나 몰리브덴은 수질 오염 및 유해 대기 오염의 원인 물질로 지정되어 있으므로 취급 시 주의가 필요합니다.

스테인레스

스테인레스 는 철에 크롬이 10.5% 이상 포함된 금속으로 녹에 강한 것이 특징입니다. 크롬이 산소와 결합하여 금속 표면에 100만분의 3mm 정도의 막을 형성하기 때문에 녹에 강해집니다. 만일 막이 파손되더라도 대기중의 산소와 결합하여 다시 막을 자동적으로 형성합니다.

다만, 강산성이나 강알칼리성의 물질이 장시간 부착했을 경우에는, 산소의 피막이 형성되기 어려워져, 그대로 녹슬어질 가능성이 있으므로, 사용할 때는 주의가 필요합니다.

스테인레스는 다음 용도로 사용됩니다.

• 건축(지붕재료나 내외장치, 도어의 쇠장식 등)
• 토목(터널 내장판이나 저수조, 벤치나 도로 표지 등)
• 가전(세탁기나 냉장고, 세정기나 오븐 레인지 등)
• 주방(식기나 수저 등)
• 운송 장비 (자전거 및 오토바이 브레이크, 컨테이너 및 드럼통 등)
• 정밀 기기(카메라나 시계 부품 등)
• 산업기기(식품가공기기나 맥주저장탱크 등)
• 가정용품(가위나 재떨이, 빨래 장대나 문짝 등)
• 레저(골프나 낚시 도구 등)

건축이나 토목 등의 재료로 사용되는 것은 물론, 주방이나 가전 등 일상 생활에 빠뜨릴 수 없는 것까지 용도가 넓은 것도 특징입니다.

선반 가공에 사용하는 가공기와 그 특징

선반 가공에 사용하는 가공기는 재료의 크기와 가공 방법에 따라 다양한 종류가 있습니다. 대표적인 가공기의 종류와 특징을 소개합니다.

• 범용 선반
  
  작업자가 수동으로 공구를 움직이거나 공구를 교환하는 선반입니다. 프로그래밍이 어려운 복잡한 형상의 것이나, 미세 조정이 필요한 시작품을 만들 때 편리합니다.
• NC 선반
  
  NC 선반에서는 가공 조건을 프로그램으로 작성하여 읽어들여두면 자동 가공이 가능합니다. 프로그램대로 움직여주기 때문에 초보자도 일정 이상의 정밀도로 가공할 수 있습니다. 반복 같은 작업이 필요한 양산품에 적합합니다.
• 탁상 선반
  
  탁상이라는 단어가 나타내는 것처럼 테이블 위에 설치할 수 있는 소형 선반입니다. 사용 방법은 범용 선반과 마찬가지로 작은 부품을 만들 때 필요합니다.
• 정면 선반
  
  정면 선반은 대형 재료를 가공할 때 사용되는 수평형 선반입니다. 칩이 모이지 않고 아래로 떨어지기에、 칩에 의한 정밀도 악화를 막는 점이 특징입니다. 칩 제거 작업이 불필요하기 때문에 연속적으로 효율적으로 작업을 진행할 수 있습니다.
• 수직선반
  
  수직선반은 공구를 수직 방향으로 움직여가는 선반으로, 큰 재료를 가공할 때에 사용됩니다. 무게 중심이나 원심력에 의한 흔들림을 저감할 수 있어 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있습니다.

  선반 가공에 사용하는 칼날

  

  선반 가공에 사용되는 칼날을 「바이트」라고 합니다. 바이트의 선단에는 칩이라고 불리는 「칼」이 장착되어 있습니다. 가공의 종류나, 가공하려고 하는 재료에 따라서 다양한 종류의 바이트가 있습니다.

  가장 일반적으로  회전하는 재료에 외부측에서 칼날을 밀어 넣는 방식을 외경 바이트라고 하며, 가공을 진행해 나가고 싶은 방향이나 날의 선단 형상에 따라 가공에 적합한 바이트를 선택합니다.

  마찬가지로 바깥쪽에서 날을 밀어 홈을 자르는 바이트를 홈 삽입 바이트라고 합니다. 홈을 더욱 깊게 하여 재료를 절단할 목적으로 사용되는 것이 돌파 바이트입니다.

  또한 외주 측에서 수나사를 자르는 가공도 있습니다. 이 때 사용하는 것은 수나사  바이트입니다.

  선반 가공에서는 원통의 내부 가공도 가능합니다. 재료를 고정하지 않은 쪽에서 칼을 삽입하여 구멍을 뚫는 가공을 하거나 구멍 안을 가공할 수도 있습니다. 드릴로 대략 열린 구멍의 내경을 정돈하는  보링 바이트나 구멍의 내벽에 암나사 가공을 하는 암나사 바이트가 있습니다.

  선반 가공에서는 하나의 칼날로 가공을 하기 때문에 다른 가공에 비해 강한 칼날이 요구됩니다.

선반 가공의 장점과 단점

그런 다음 선반 가공의 장점과 단점을 생각해 봅시다.

• 장점
  
  선반 가공에서는 선반 제품을 제작할 수 있습니다. 또, 재료를 회전시키면서 절삭해 나가기 에, 높은 치수의 정밀도를 실현할 수 있는 점이 큰 장점입니다.
  
  회전수나 회전방법을 임의로 변경할 수 있습니다. 또한 공구의 종류도 용도에 맞춘 것이 라인업되어 있기 때문에 가공 방법을 조합하는 것으로  복잡한 형상의 제품을 제작할 수 있습니다.
• 단점
  
  선반 가공은 다양한 공구와 가공법을 조합하는 것으로 복잡한 형상을 실현할 수 있지만 공구를 교환하는 빈도가 많아지면 하나의 제품을 만드는 데 시간이 걸립니다.
  
  또, 복수의 가공 방법을 다루기 위해서는, 숙련된 작업자가 필요해, 누구라도 정밀도가 높은 제품을 만들어낼 수 있는 것은 아닙니다. 제품의 복잡성과 작업자의 기술을 파악한 가공 방법의 선택이 필요합니다.

선반 가공의 주의점

재료에 의한 칼날 선정

여기에서는 「세라믹」과 「고속도강」의 2 종류를 소개합니다.

세라믹은 「소결한 산화알루미늄」으로, 날끝 온도가 1000℃인 경우에도 상온의 약 73%의 경도를 유지합니다. 열처리 강과 같은 경도가 높은 금속도 고속으로 절삭할 수 있습니다. 한편, 날끝은 부서지기 쉬운 특징이 있기에 수명은 길지 않습니다.

또한, 고속도 강은 텅스텐이나 바나듐, 코발트 등이 포함된 금속이며, 열처리 전의 강재 절삭에 유효합니다. 그러나, 절삭시에 600℃를 넘으면 급격하게 경도가 저하되어 버립니다. 경도의 저하를 방지하기 위해서도, 회전수를 30m/min 이하로 억제해, 절삭유를 사용해 열의 상승을 피합시다.

가공 중 열 발생

가공 중에 열이 발생하면 가공물의 열팽창에 의해 절삭의 정밀도가 저하되거나 온도 상승에 의해 절삭 공구의 수명이 짧아지거나 합니다.

가공 중 열의 발생을 억제하기 위해서는 절삭부분에 절삭유를 넣어야 합니다. 절삭유에는 냉각 효과가 있어, 가공 금속의 전단 변형 정도를 억제하고, 발열의 억제가 가능합니다. 또한 절삭 공구의 형상과 회전수를 억제하면 열의 발생을 방지합니다.

재료와 회전속도의 최적화

가공시의 회전수(회전속도)가 커질수록 정밀도는 좋아지고, 가공시간도 짧아지지만, 그만큼 공구의 소모가 심해집니다. 또한 이송 속도가 클수록 가공 시간은 짧아지지만 정밀도가 낮아 공구의 소모도 심해집니다.

	회전수/이송속도가 커졌을 때의 변화
회전수	・절삭 속도：빠름 ・가공 시간：짧음 ・정도：좋음・공구의 소모：빠른
이송 속도(이송량)	・절삭 속도：빠름 ・가공 시간：짧음 ・정도：나쁜・공구 소모：빠름

절삭 공구의 재료의 회전수나 이송 속도 등의 조건은 메이커의 카탈로그에 추천값이 기재되어 있습니다. 또한 가공기에 따라 절삭 조건의 데이터가 내장되어 있습니다. 어떤 항목을 우선하는지에 따라 절삭 조건이 다르므로 자사의 상황에 맞게 조정합시다.

선반 가공 절차

선반 가공의 순서는 제작하는 제품에 따라 미세하게 다릅니다. 여기에서는 대표적인 절차를 소개합니다.

1. 공구 및 재료 설치 소개
   
   선반 가공에 사용할 절삭 공구와 재료를 설치합니다. 가공 중에 움직이지 않도록 단단히 고정합니다. 설치시 위치가 어긋나 있으면, 정밀도가 악화되어 버리기 때문에, 위치 결정은 높은 정밀도로 실시하는 것이 중요합니다.
2. 황삭 가공
   
   다음으로, 제작하고 싶은 제품의 거친 형상을 깎아내는 황삭을 실시합니다. 이 공정에서 높은 정밀도는 필요하지 않지만 과도하게 깎지 않도록 주의해야 합니다. 또, 재료의 회전 상태나 칩의 발생 상황에 주의합시다.
3. 마무리 가공
   
   황삭 가공으로 대략적인 제품 형상을 깎았다면 마무리 가공을 실시합니다. 높은 정밀도가 필요하므로 회전수나 이송 속도에 충분히 주의하면서 진행합시다. 만약 버가 나와 버리는 경우에는, 가공면을 손상시키지 않도록 조심하면서, 줄로 정중하게 제거할 필요가 있습니다.

선반 가공 부품의 주의점

선반 가공으로 부품을 제작할 때는 가능한 한 낮은 비용으로 필요한 정밀도를 실현할 필요가 있습니다.

설계할 때의 주의점으로는, 재료로부터의 깎기량을 작게 해, 가공 시간을 단축하는 것이 중요합니다. 또한 특수 공구가 아닌 일반적으로 판매되는 공구로 가공할 수 있는 상태로 함으로써 납기 단축과 비용 절감으로 이어집니다.

선반 가공을 할 때는 가능한 한 절차가 복잡하지 않도록 가공 순서나 공구 선택이 중요합니다. 하루 아침에 저녁에는 익숙하지 않기 때문에 숙련된 장인이 가진 노하우를 잘 공유하면 좋을 것입니다.

정리

선반 가공은 절삭 가공의 일종으로 회전하고 있는 재료에 절삭 공구를 맞추어 가공합니다. 선반에서는 외경 가공이나 내경 가공, 나사 탭 가공, 홀 가공이나 절단 가공이 가능합니다. 범용 선반이나 NC 선반, 탁상 선반, 정면 선반이나 수직 선반 등의 종류가 있으므로 목적에 맞게 구분이 필요합니다. 치수 정밀도가 높은 가공을 할 수 있습니다만, 가공에 시간이 걸리거나 고정밀도가 요구되고와 숙련된 작업자가 필요한 경우도 있기 때문에, 노하우의 공유가 포인트가 됩니다.