테이퍼 가공의 정의부터 용도 및 특성, 다른 가공법과의 비교까지 해설

테이퍼 가공은 부품의 감합 정밀도나 강도를 높이기 위해 기계 설계에서 널리 이용되는 중요한 가공 기술입니다. 이번 내용에서는 이 테이퍼 가공의 기본 원리부터 장점·단점, 재료별 특성이나 대표적인 가공 방법까지를 체계적으로 해설합니다.
게다가 자동차 부품이나 공구등의 구체적인 용도 예로부터, 설계시에 불가결한 테이퍼 각도의 계산 방법, 가공시의 주의점에 대해 소개합니다. 테이퍼 가공에 대한 지식을 심화하고 좋은 제품 개발로 이어지기 위한 정보를 제공하오니 끝까지 살펴보시기 바랍니다.

테이퍼 가공의 정의

테이퍼 가공이란 부재를 원뿔 모양으로 깎는 가공법입니다. 그 특성을 살리기 위해서는 우선 기본적인 정의와 가공 원리의 이해가 필수적입니다. 여기에서는 테이퍼 가공의 근간을 이루는 이러한 기초 지식을 알기 쉽게 해설합니다.

테이퍼 가공의 기본

테이퍼 가공이란 부품이나 재료를 선단을 향해 서서히 가늘어지는 원뿔 모양(끝이 가늘어짐)으로 마무리하는 가공 방법을 말합니다. 이 가공이 이용되는 이유는, 부품끼리 끼워 맞추는 「감합」의 정밀도나 밀착성을 높여, 제품 전체의 조립 정밀도나 강도를 향상시키기 위해서입니다.

예를 들어 축과 홀을 테이퍼 형상으로 조합하면 빈틈없이 강력하게 결합할 수 있어 회전 중심의 어긋남을 방지합니다. 공구의 설치 부분이나 배관의 접속 부분에도 이 기술이 응용되고 있습니다.

이와 같이 테이퍼 가공은 단순히 형상을 만드는 것뿐만 아니라 기계 부품에 중요한 기능성을 갖게 하기 위한 기본적인 가공 기술입니다.

테이퍼 가공의 원리

테이퍼와 구배의 차이

테이퍼 가공의 특징과 장점 · 단점

테이퍼 가공은 많은 이점을 가지는 한편, 특유의 단점도 존재합니다. 여기에서는 테이퍼 가공이 가진 독자적인 특징을 밝히고 그 장점과 단점을 구체적으로 해설합니다.

테이퍼 가공의 특징

테이퍼 가공의 장점

테이퍼 가공이 가져오는 최대의 장점은 높은 결합 강도와 조립 및 분해의 용이함을 양립할 수 있다는 점입니다. 테이퍼 형상이 가진 자기중심 효과에 의해 부품끼리 자동으로 심출되어 정확한 위치 관계로 결합되기 때문입니다.

또한 적절한 각도 설계를 통해 마찰력만으로 견고하게 고정하는 셀프록이나 반대로 쉽게 분리할 수 있는 자기 해방 기능을 가질 수 있습니다. 예를 들면, 자동차의 휠 너트는 테이퍼 형상에 의해, 주행중의 진동에도 쉽게 느슨해지지 않고, 또한 교환시에는 확실히 분리할 수 있도록 설계되어 있습니다.

테이퍼 가공의 단점

테이퍼 가공의 단점은 높은 가공 정밀도가 요구되는 기술적인 어려움과 비용 증가입니다. 테이퍼의 각도나 치수의 약간의 오차가 감합 불량이나 성능 저하로 직결되기 때문에 정밀한 가공 기술과 엄밀한 검사가 필요하기 때문입니다.

수컷과 암컷 테이퍼 부품 제작 시 각도가 완전히 일치하지 않으면 접촉 면적이 감소하여 충분한 유지력을 얻을 수 없습니다. 이를 방지하기 위해서는 전용 테이퍼 게이지를 이용한 주변 확인 작업이 필수적으로 되어 공수가 증가합니다.

테이퍼 가공에 적합한 재료

테이퍼 가공의 품질은 사용하는 재료의 특성에 크게 좌우됩니다. 지금부터는 대표적인 재료인 알루미늄합금, 탄소강·합금강, 스테인레스강을 다루면서 각 재료의 테이퍼 가공의 특징에 대해 알아보겠습니다.

알루미늄 합금(A6061·A6063 등)

알루미늄 합금은 테이퍼 가공에 뛰어난 피삭성을 가진 재료입니다. 철강 재료에 비해 가볍고 부드러우며 절삭 저항이 낮아 공구에 부담이 적고 효율적인 가공이 가능합니다.
예를 들면, A6061이나 A6063은 양호한 기계적 성질을 가지며, 광학 기기의 함체나 정밀 측정기의 지그 등, 경량으로 고정밀도의 테이퍼 부품에 많이 사용됩니다. 단, 융점이 낮고 끈기가 있기 때문에 절삭 중에 공구에 용착하기 쉬운 점에는 주의가 필요합니다.

탄소강·합금강

탄소강 및 합금강은 높은 강도와 강성이 요구되는 테이퍼 부품에 널리 사용되는 재료입니다.

열처리에 의해 경도나 인성을 조정할 수 있기 때문에 용도에 따른 기계적 특성을 부여할 수 있다는 이점이 있습니다.

대표적으로 S45C는 테이퍼 샤프트나 테이퍼 핀에, 크롬 몰리브덴강의 SCM440은 보다 고부하가 걸리는 공작기계의 주축 등에 이용됩니다. 단, 알루미늄 합금보다 단단하고 절삭 저항이 크므로 가공에는 강성이 높은 기계와 적절한 공구가 필요합니다.

스테인스강(SUS304・SUS316 등)

스테인레스강은 뛰어난 내식성이 요구되는 테이퍼 부품에 필수적인 재료이지만 가공 난이도가 높다는 특징이 있습니다. 주성분인 크롬이 강력한 부동태 피막을 형성하기 때문에 녹에 강한 한편, 끈질기게 가공 경화(가공 중에 딱딱해지는 현상)를 일으키기 쉽기 때문에 절삭이 어렵기 때문입니다.

식품 기계의 노즐이나 의료 기기의 부품, 화학 플랜트의 배관용 테이퍼 나사 등이 대표적입니다. 가공 시에는 저속에서의 절삭이나 적절한 절삭유의 사용이 공구의 마모를 방지하는 열쇠가 됩니다.

테이퍼 가공의 대표적인 기법

테이퍼 형상을 실현하려면, 제품의 형상이나 재질, 생산수에 따라 다양한 가공법이 선택됩니다. 여기에서는 각각의 가공법이 갖는 원리와 특징을 이해하고 적절한 방법을 선정하기 위한 지식에 대해 알아보겠습니다.

선반에 의한 테이퍼 가공(테이퍼 선삭)

선반을 통한 테이퍼 선삭은 회전 대칭 원뿔 형상을 만들기 위한 가장 기본적이고 일반적인 방법입니다. 공작물을 회전시키면서 칼을 중심축에 대해 일정한 각도로 보내는 선반의 기본 동작이 원뿔 형상을 만들어 낼 때 최적이기 때문입니다.
구체적으로는 선반의 칼 받침대 자체를 원하는 각도로 기울여 깎는 방법이 많이 사용됩니다. 이 방법에 의해 공작 기계의 주축에 장착하는 공구의 생크(몰 스테이퍼)나 샤프트의 선단 부분 등이 고정밀도로 가공됩니다.

절삭 머신 및 엔드 밀에 의한 테이퍼 가공

밀링 머신에 의한 가공은 각재의 측면이나 평면부 등 비회전 대칭 형상에 테이퍼를 붙일 때 효과적인 방법입니다. 선반이 공작물을 회전시키는 반면 밀링 머신은 공구를 회전시키기 때문에 블록 형태의 공작물을 고정한 채 경사면을 깎아낼 수 있기 때문입니다.
예를 들어 밀링 머신의 주축 자체를 기울여 평면을 깎는 방법이나 선단에 각도가 붙은 「테이퍼 엔드밀」이라는 공구를 이용해 금형의 빼낸 구배나 경사진 홈을 가공합니다. 밀링 가공은 원통 형상 이외의 부품에 테이퍼나 구배를 설치하는 경우에 필수적인 가공법입니다.

와이어 컷 방전 가공에 의한 테이퍼 가공

와이어 컷 방전 가공은 열처리 강철 등의 고경도재에 대해 고정밀 테이퍼 형상을 잘라낼 수 있는 특수한 방법입니다. 물리적인 접촉 없이 방전 에너지로 재료를 녹여 절단하기 때문에 재료의 경도에 영향을 받지 않고 복잡한 윤곽도 정밀하게 가공할 수 있습니다.

와이어 전극의 위 가이드와 아래 가이드의 위치를 프로그램으로 어긋나게 제어하여 두꺼운 플레이트를 관통하는 테이퍼 홀(예: 프레스 금형의 다이) 등을 가공합니다. 와이어 컷은 다른 절삭 가공으로는 어려운 경질재에 대한 고정밀 테이퍼 가공을 실현하는데 있어 대체하기 어려운 기술입니다.

프레스 성형에 의한 테이퍼 가공

프레스 성형은 얇은 금속판에서 테이퍼 형상의 부품을 대량 생산하는 데 적합한 가공법입니다. 한번 금형을 제작하면, 재료를 금형에 밀어 넣는(소성 변형시킨다) 것만으로, 일순간에 같은 형상의 제품을 반복해 제작할 수 있습니다.

자동차의 엔진 부품의 일부나 조명 기구의 반사판(리플렉터), 조리용의 볼 등, 절구 모양이나 원뿔대 모양의 제품은, 「깊은 조리개 가공」이라고 불리는 프레스 성형의 일종으로 만들어지는 경우도 많습니다. 프레스 성형은 저비용 대량 생산이 요구되는 테이퍼 형상의 판금 부품에서 중심적인 제조 방법이 됩니다.

기타 테이퍼 가공법(연삭 가공 등)

연삭 가공은 열처리 후의 부품 등 이미 형성된 테이퍼 형상을 더욱 고정밀, 고품위로 마무리하기 위한 최종 가공법입니다. 숫돌을 이용하여 재료를 마이크론 단위로 깎아내기 때문에 절삭 가공에서는 어려운 치수 정밀도와 매끄러운 표면 거칠기를 실현할 수 있습니다.

예를 들어 원통 연삭기로 공작물이나 지석대를 약간 기울이면 열처리로 딱딱해진 테이퍼 게이지나 정밀 샤프트를 고정밀도로 마감할 수 있습니다. 이 밖에 구멍의 내면을 마무리하기 위해 테이퍼 리머라는 수동 공구가 이용되는 경우도 있습니다.

테이퍼 가공의 공정·순서(가공 플로우)

정확한 테이퍼 모양을 얻으려면 셋업에서 검사까지 일련의 올바른 절차를 수행하는 것이 필수적입니다. 여기서는 가장 대표적인 선반 가공을 예로 세팅에서 실제 절삭, 최종 확인에 이르기까지의 구체적인 작업 흐름을 설명합니다.

선반 가공에 있어서의 테이퍼 가공 순서(세팅으로부터 절삭까지의 흐름)

선반에 의한 테이퍼 가공은 이하의 순서로 정밀하게 진행됩니다.

1. 각도 설정

도면에서 지시된 테이퍼 각도의 절반(구배각)에 선반의 칼 받침대를 기울여 정확하게 세팅합시다. 고정밀도가 요구되는 경우는 분도기나 다이얼 게이지를 이용해 μm 단위로 미세 조정을 실시합니다.

2. 공작물의 설치와 기준 설정

가공할 재료를 척에 흔들리지 않고 단단히 고정합니다. 다음으로 절삭을 시작할 위치(테이퍼 시작점)와 종료할 위치(종점)를 정하고 칼끝을 대어 길이방향(Z축)의 기준을 0으로 설정합시다.

3.경방향의 기준 설정

공작물을 천천히 회전시키면서 날 끝을 외경에 가볍게 접촉시키고 직경 방향(X축)의 기준도 0으로 설정합니다. 이를 통해 깎는 깊이(칼집량)를 정확하게 관리할 수 있게 됩니다.

4.테이퍼 절삭의 실시

설정한 각도에 따라 칼 받침대의 핸들을 조작하여 테이퍼 형상을 깎아내는 것이 이 공정입니다. 거친 가공에서 중간 정삭, 정삭 가공으로 단계적으로 칼집량을 줄이고 여러 번에 걸쳐 가공하여 정밀도와 거칠기를 향상시킵니다.

5. 검사 및 미세 조정

가공 후, 마이크로미터나 전용 테이퍼 게이지를 이용하여 대경·소경·길이·각도를 측정합시다. 만약 공차를 벗어난 경우에는 칼 받침대의 각도를 미세 조정하여 다시 아주 약간으로 마감 절삭(수정 가공)을 실시합니다.

테이퍼 비율·테이퍼 각도의 계산방법

테이퍼 형상을 정확하게 지시하기 위해서는 「테이퍼 비율」과 「테이퍼 각도」의 계산 방법의 이해와 올바른 구분이 불가결합니다. 이것들은 같은 경사를 나타내는 다른 지표이기 때문에 혼동하면 설계 의도와는 전혀 다른 형상의 부품이 만들어져 버립니다.

계산에는 다음 변수를 사용합니다.

• D: 테이퍼 부분의 대경측의 직경
• d: 테이퍼 부분의 소경측의 직경
• L: 테이퍼 부분의 길이

1. 테이퍼 비율 계산

테이퍼 비율은 직경의 변화량과 길이의 비율입니다. 「1:X」로 표시되며, X의 값은 다음 식으로 구할 수 있습니다.

X = L / (D – d)

예를 들어, 길이(L) 150mm의 구간에서 직경차(Dd)가 10mm인 경우, X = 150 / 10 = 15가 되고, 테이퍼비는 「1:15」로 표기됩니다.

2. 테이퍼 각도 계산

테이퍼 각도(θ)는, 중심축으로부터의 편측 경사각(경사각)을 2배한 것입니다. 다음 식으로 구할 수 있습니다.

테이퍼 각도(θ) = 2 × arctan( (D – d) / (2 × L) )

같은 예로 계산하면 θ = 2 × arctan(10 / (2 × 150)) ≈ 2 × 1.91°가 되고 테이퍼 각도는 약 “3.82도”가 됩니다.

이와 같이, 양자의 관계성을 계산식에 근거해 올바르게 이해하고, 도면에서의 명확한 지시가 정확한 부품 제작의 열쇠가 되는 것입니다.

테이퍼 가공과 다른 가공 방법의 차이 · 비교

테이퍼 가공을 실현하기 위해서는 여러 가지 방법이 있지만, 각각 달성할 수 있는 정밀도나 비용은 크게 다릅니다. 여기에서는 주요 가공법을 정밀도·비용·용도의 관점에서 비교하고, 적절한 방법을 선택하기 위한 판단 재료를 제시합니다.

테이퍼 가공 방법마다의 정밀도·비용 비교표(선반 vs 밀링 vs 방전 가공 vs 프레스)

대표적인 테이퍼 가공 어프로치 4종류의 정밀도와 비용·효율의 기준 및 주요 용도·특징은 다음과 같습니다.

선반은 회전 부품의 기본으로 정밀도와 비용의 균형이 뛰어납니다. 밀링 머신은 각재 등 비회전 형상의 가공을 담당합니다. 와이어 컷은 초고정밀, 고경도재에 최적이지만 고가입니다. 한편 프레스 성형은 대량 생산에서 압도적인 비용 이점을 발휘하지만 초기에 고액의 금형 비용이 듭니다.

테이퍼 가공의 용도와 도입 검토의 포인트

테이퍼 가공은 샤프트의 결합에서 자동차, 공구에 이르기까지 수많은 제품에 활용되고 있는 기술입니다. 여기서는 대표적인 용도를 예를 들어서 왜 그 부분에 테이퍼가 쓰이는지를 설명을 합니다.

샤프트와 축의 결합부

• 고정밀 위치 결정 및 코어
  
  전동기의 로터 축과 풀리의 접합이 대표적인 예입니다. 테이퍼 형상이 자동으로 심을 맞추는 ‘자기 중심 효과’로 진동과 소음 억제가 가능합니다.
• 강력한 토크 전달
  
  축 방향의 결속만으로 마찰력에 의해 키 없이 토크를 전달할 수 있습니다. 부품 점수가 삭감되어 구조의 간소화와 경량화로 이어집니다.
  
• 쉬운 유지 보수성
  
  베어링 내부 고리에 테이퍼 홀을 설치하면 너트로 내부 틈새 조정이 용이하므로 분해 및 조립과 같은 유지 보수성 향상에 필수적입니다.
  

자동차 부품(휠 허브 및 콘 부품)

안전성과 신뢰성이 최우선시되는 자동차에서는 진동이나 충격에 강한 테이퍼 형상이 많은 중요 부품에서 채용되어 기본 성능을 지탱하고 있습니다.

• 휠의 안정적인 고정
  대표 예가 「테이퍼 자리 너트」입니다. 조임시 휠의 중심을 허브에 정확하게 맞추고(센터링), 주행중의 너트의 느슨함을 강력하게 방지합니다.
• 서스펜션 부품의 견고한 결합
  스티어링 기구의 볼 조인트에서는 볼트축을 테이퍼 형상으로 만들어 옆에서 하중에 강하고 흔들림이 없는 안정적인 조종성을 확보합니다.
• 고압 유체의 밀봉
  브레이크 배관 등의 접속부(플레어 접합)에도 테이퍼 면을 빼놓을 수 없습니다. 금속끼리 강하게 밀착시켜 고압의 액체나 가스 누출을 방지합니다.

공구·금형 부품(드릴, 탭, 프레스 금형 등)

공작기계나 금형에서 테이퍼는 공구의 호환성이나 생산성을 좌우하는 중요 요소입니다. 설계 시에는 표준 규격의 이해가 필수적입니다.

• 공구 표준화 및 호환성
  툴홀더의「7/24테이퍼」는세계공통규격으로호환성을갖습니다. 또한 드릴의 「몰스 테이퍼」는 마찰력으로 자가 유지하는 기능이 있습니다.
• 금형으로부터의 이형성 향상(빼기 구배)
  수지 성형이나 프레스 금형에서는, 제품을 부드럽게 꺼내기 위해, 형벽에 「빼기 경사(드래프트)」라고 불리는 약간의 테이퍼의 설정을 빠뜨릴 수 없습니다.
• 절삭 공구의 날끝 형상
  드릴의 선단각이나 바이트의 이탈각 등도 광의의 테이퍼 형상이며, 절삭력이나 가공 품질을 결정하는 중요한 파라미터로 설계 및 관리됩니다.

테이퍼 가공을 할 때의 주의점(설계·제작상의 포인트)

고정밀 테이퍼 부품을 실현하기 위해서는 설계부터 제작, 검사에 이르는 전 공정에서의 주의점을 누르는 것이 불가결합니다. 이하의 6가지 포인트를 준수하면 의도한 대로 고품질 제품 만들기로 이어집니다.

• 도면 지시의 명확화
  테이퍼와 구배의 혼동은 형상 오차의 주요 원인입니다. 도면에서는 JIS에서 정해진 기호를 사용해, 테이퍼비 또는 각도를 명확하게 지시합니다. 필요에 따라 대경·소경 치수나 테이퍼 길이를 병기해, 누가 봐도 오해 없이 의도가 전달되도록 합시다.
• 테이퍼 각도 설정
  자기유지시키고 싶은 경우는 3° 이하의 작은 각도, 탈착성을 중시하는 경우는 5° 이상의 각도를 기준으로 설정합니다. 모르스 테이퍼 등 표준 규격이 존재하는 경우는 그에 따르면 시판 공구와 게이지를 사용할 수 있어 호환성 및 유지 보수성이 향상됩니다.
• 공구·가공법의 선정
  제품의 형상이나 재질, 정밀도, 수량으로부터 최적의 수법을 선택합시다. 원형 봉의 외경이라면 선반, 각재 평면이라면 절삭 머신이 기본입니다. 열처리강 등의 고경도재에는 연삭이나 와이어 컷을 계획하는 등 재료 특성과 비용을 고려한 공정 설계가 요구됩니다.
• 가공중의 진동・정밀도 관리
  가공 중의 진동은 정밀도나 표면 거칠기를 악화시키는 큰 요인입니다. 절삭 조건을 최적화하고 공구는 가능한 한 짧게 돌출하여 강성을 확보합니다.
• 감합 부분의 검사·마무리
  단품의 치수가 공차 내에서도, 암수를 조합하면 한쪽만 접촉하는 「한쪽」이 일어날 수 있습니다. 광명단이나 테이퍼게이지를 사용하여 감합상태를 반드시 확인합니다.
• 재료 및 열처리의 영향
  열처리는 치수 변화와 변형을 일으킵니다. 정밀한 테이퍼 부품에서는 열처리 전에 황삭 가공까지 실시하고, 열처리 후에 마무리 연삭을 실시하는 것이 기본 공정입니다.

테이퍼 가공의 견적은 meviy

뫼비의 절삭 가공(원형)에서는 테이퍼 형상의 자동 견적에 대응하고 있습니다.
견적 가능 형상에 대한 자세한 내용은 이쪽

정리

이번 내용에서는, 부품의 감합 정도나 강도 향상에 불가결한 「테이퍼 가공」에 대해서, 그 정의로부터 응용까지를 해설했습니다. 테이퍼 가공이란 부재를 원추형으로 마감하는 기술로 한쪽만 경사를 나타내는 「구배」와는 엄격하게 구별해야 합니다. 가장 큰 장점은 자기중심 효과에 의한 고정밀 결합인 반면, 높은 가공 정밀도가 요구된다는 어려움도 따릅니다.
가공법은, 회전 부품에 적합한 「선반」, 비회전 부품 전용의 「절삭 머신」, 대량 생산에 적합한 「프레스 성형」, 고경도재용의 「와이어 컷」 등 다방면에 걸칩니다. 알루미늄이나 탄소강과 같은 재료 특성에 따라 이들 기법에서 최적의 것을 선택하는 것이 중요합니다. 그 용도는 샤프트의 감합부에서 자동차 휠 고정, 금형의 빼낸 경사까지 광범위합니다.
테이퍼 가공을 성공시키는 열쇠는 설계 단계에서의 정확한 도면 지시와 목적에 따른 각도 설정, 제작 시의 적절한 가공법 선정과 정밀도 관리, 그리고 최종적인 감합 검사에 있습니다. 이번 내용에서 해설한 지식을 종합적으로 활용해, 고품질의 제조로 연결해 주세요.