선반 가공의 원리, 대표적인 가공 방법에서 설계상의 주의점까지 해설

선반 가공이란 재료를 깎아 원하는 형태를 구현하는 가공 방법으로, 절삭 가공에 속합니다. 다양한 공구와 가공 방법을 조합함으로써 복잡한 형상을 구현할 수 있는 선반 가공에 대해, 그 특징과 가공 절차 등을 소개합니다.

선반 가공의 정의

선반 가공은 절삭 가공의 한 종류입니다. 절삭 가공에는 밀링 가공과 드릴링 가공도 포함되지만, 선반 가공에서는 회전시키는 재료에 절삭 공구를 대고 불필요한 부분을 깎아내면서 목표 형태로 가공합니다.
특히 원통형 가공에 적합하며, 샤프트·볼트·파이프 등 부품 제작에 자주 사용됩니다. 내경 가공이나 나사 절단 등을 결합하면 복잡한 형상도 가공할 수 있습니다.
최근에는 컴퓨터 제어로 자동 가공을 수행하는 CNC 선반이 주류를 이루고 있습니다. NC 선반이라는 용어는 거의 CNC 선반과 동의어입니다. NC 선반에서는 가공 조건을 프로그램으로 입력함으로써 복잡한 형상이라도 고정밀 가공이 가능합니다.

밀링 머신과의 차이

선반 가공과 프라이스 가공은 모두 절삭 가공이지만, 「무엇을 회전시키는가」가 다릅니다. 선반에서는 재료를 회전시키고, 프라이스에서는 절삭 공구를 회전시키는 것이 특징입니다. 따라서 선반 가공은 원통형, 프라이스 가공은 평면이나 홈 가공에 적합합니다.

선반의 기본 가공 방법

선반 가공에는 외경 가공, 내경 가공, 나사 가공, 절단 가공, 그리고 드릴 가공 등 5가지 기본 가공 방법이 있습니다.

각 가공 방법에 대해 설명하겠습니다.

• • 외경 가공
    외경 가공은 회전하고 있는 재료의 외부에서 절삭 공구를 대는 방법입니다. 선반 가공 중에서도 가장 많이 사용되는 가공 방법으로, 표면을 깔끔하게 마무리하는 가공이나 가공 초기 단계에서 대략 목표 형태를 깎아낼 때 사용됩니다.
    외경 가공 시 발생한 절삭 찌꺼기가 절삭 공구에 걸릴 가능성이 있습니다. 특히 높은 정밀도가 요구되는 마무리 가공에서는 절삭 가루가 얽혀 정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해 절삭 공구의 각도를 조정해야 합니다.
  • 내경 가공
    내경 가공에서는 재료에 홀을 뚫는 등으로 만든 홀을 크게 넓히듯이 재료의 안쪽을 깎아 나갑니다. 홀의 크기를 맞추거나 내부 표면을 깔끔하게 마무리할 때 사용됩니다.
    내경 가공에서는 가공할 홀의 깊이에 따라 공구를 길게 해야 합니다. 하지만 긴 공구는 휨이 발생하기 쉬우므로 정밀도 저하에 주의가 필요합니다. 또한, 절단 찌꺼기가 홀 내부에 쌓이기 때문에 자주 찌꺼기를 꺼내야 합니다.
  • 나사 가공
    나사 절단 가공은 나사의 피치를 제작하는 가공 방법입니다. 선반 가공에서는 전용 나사 절단 공구를 사용함으로써, 수나사와 암나사 모두를 가공할 수 있습니다. 프라이스 가공이나 머시닝 센터의 경우 암나사만 가능한 경우가 많아, 수나사도 제작할 수 있다는 점이 선반 가공의 큰 장점 중 하나입니다.
    나사 절단 전용 공구를 재료에 대고, 일정한 속도로 공구를 움직입니다. 나사의 피치를 일정 간격으로 맞추기 위해 「자동 이송 기능」을 사용해 속도를 일정하게 유지하는 경우가 많습니다.
  • 절단 가공
    절단 가공은 재료에 공구를 대어 불필요한 부분을 잘라내는 가공 방법입니다. 원통을 원형으로 자르는 느낌입니다.
    날이 가는 공구를 사용해야 하고, 진동과 소리를 확인하면서 작업해야 하므로 어느 정도 기술이 필요합니다. 정밀한 가공을 위해서는 휘어지기 쉬운 칼날이나 절삭 시 오일을 사용하는 등 대책이 필요합니다.
  • 드릴링 가공
    드릴링 가공은 회전하는 재료에 드릴을 대고 홀을 내는 방법입니다. 내경 가공을 할 때는 미리 전용 공구가 들어갈 홀을 뚫어 두어야 하며, 이때 홀 가공이 사용됩니다.
    드릴로 홀을 뚫는 가공은 정밀도가 그다지 높지 않기 때문에, 필요한 크기의 홀을 뚫은 후 마감에는 일반적으로 내경 가공이 사용됩니다.

선반 가공에 사용되는 재질

열처리 강

열처리 강은 연강보다 약 5배 높은 경도를 가지고 있어 절삭에 필요한 에너지가 적으며, 발열량도 연강 대비 30% 감소합니다. 또한, 마감면의 거칠기는 연강에 비해 열처리 강에서는 20% 정도 작고 깔끔하게 마무리됩니다.
가공 변질층은 연강에서 약 20μm이지만, 열처리 강에서는 약 5μm로 얕아 가공 금속에 미치는 영향이 적어 절삭에 적합한 재료입니다.

열처리 강은 구체적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

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

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

MC 나일론

MC 나일론은 「Monomer Cast Nylon」의 약자로, 충격과 마모에 강하고 유기 용제·알칼리성 약제·지방에 대한 내성이 높습니다. 120℃~150℃의 고온에서도 사용할 수 있으며, 비중이 금속의 약 15%에 불과해 가볍기 때문에 금속 부품의 대체재로도 활용됩니다.
하지만 수분을 잘 흡수하기 때문에 환경에 따라 예상보다 치수가 크게 나오는 단점도 있습니다. 또한, 산성 용제에 대한 내성이 낮으므로 주의가 필요합니다.

구체적인 용도는 다음과 같습니다.

• 베어링
• 기어
• 바퀴
• 스프링
• 비스
• 파이프
• 의류

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

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

몰리브덴

몰리브덴은 융점이 2623℃로 높아 압축 및 인장 강도가 뛰어난 금속입니다. 강철이나 스테인레스의 첨가제로 사용되어 금속의 경도와 내열성을 강화하는 데 도움이 됩니다.

구체적으로 몰리브덴은 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

• 항공기 및 자동차 부품
• 건설용도
• 부엌칼과 의료용 메스
• 석유 정제 및 석유 화학 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

스테인레스는 철에 크롬이 10.5% 이상 함유된 금속으로, 부식에 강한 것이 특징입니다. 크롬이 산소와 결합해 금속 표면에 백만분의 3mm 정도의 막을 형성하므로, 녹에 강해집니다. 설령 막이 파괴되더라도 대기 중 산소와 결합해 다시 막을 자동으로 형성합니다.
다만, 강산성이나 강알칼리성 물질이 장시간 부착된 경우 산소막이 형성되기 어려워져 그대로 부식될 가능성이 있으므로 사용 시 주의가 필요합니다.

스테인레스는 다음 용도로 사용됩니다.

• 건축(지붕재나 내외장, 도어의 쇠장식 등)
• 토목(터널 내장판이나 저수조, 벤치나 도로 표지 등)
• 가전(세탁기나 냉장고, 세정기나 오븐 레인지 등)
• 주방(식기나 식구 등)
• 운송 장비 (자전거 및 오토바이 브레이크, 컨테이너 및 드럼 캔 등)
• 정밀 기기(카메라나 시계 부품 등)
• 산업 기기(식품 가공 기기나 맥주 저장 탱크 등)
• 가정 용품(가위나 재떨이, 말린 장대나 문 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 교체하는 선반입니다. 프로그래밍이 어려운 복잡한 형태의 제품이나, 단일 제품, 미세 조정이 필요한 시제품을 만들 때 유용합니다.
• NC 선반
  NC 선반에서는 가공 조건을 프로그램으로 만들어 읽어들여 두면 자동 가공이 가능합니다. 프로그램대로 동작하기 때문에 초보자라도 일정 수준 이상의 정밀도로 가공할 수 있습니다. 반복적인 작업이 필요한 대량 생산품에 적합합니다.
  최신 NC 선반 중에는 여러 공구를 자동으로 교체하는 기능(ATC: Automatic Tool Changer)을 탑재한 모델도 있어, 연속적으로 다양한 가공을 수행할 수 있습니다.
• 탁상 선반
  「탁상」이라는 말이 뜻하듯, 테이블 위에 놓는 작은 선반입니다. 사용 방법은 범용 선반과 마찬가지로, 작은 부품을 만들 때 필요합니다.
• 정면 선반
  정면 선반은 큰 재료를 가공할 때 사용하는 가로형 선반입니다. 절삭 찌꺼기가 쌓이지 않고 아래로 떨어지기 때문에, 찌꺼기로 인한 정밀도 저하를 방지할 수 있다는 점이 특징입니다. 절삭 찌꺼기 제거 작업이 필요 없으므로 연속적으로 효율적으로 작업을 진행할 수 있습니다.
• 수직 선반
  수직 선반은 공구를 수직 방향으로 움직이는 선반으로, 큰 재료를 가공할 때 사용됩니다. 무게 중심과 원심력에 의한 흔들림을 줄여 높은 가공 정밀도를 구현할 수 있습니다.

  선반 가공에 사용하는 칼

  

  선반 가공에 사용되는 절삭공구를 바이트라고 합니다. 바이트 끝부분에는 칩이라고 불리는 「날」이 부착되어 있습니다. 가공 종류와 가공하려는 재료에 따라 바이트는 다양합니다.
  회전하는 재료에 외부에서 날을 눌러 고정하는 가장 일반적인 바이트를 통틀어 외경 절삭용 바이트라고 부릅니다. 가공하고자 하는 방향과 칼날 끝 형태에 따라 적합한 바이트를 선택합니다.
  마찬가지로, 외부에서 칼날을 눌러 홈을 파는 작업을 홈 삽입 바이트라고 합니다. 홈을 더 깊게 파고 재료를 절단하는 용도로 사용되는 것이 돌파 바이트입니다.
  또한 외주 측면에서 나사를 절단하는 가공도 있습니다. 이때 사용하는 것은 나사 절단 바이트입니다.
  선반 가공에서는 원통 내부 가공도 가능합니다. 재료가 고정되지 않은 쪽에서 칼을 삽입해 홀을 뚫거나, 홀 내부를 가공할 수도 있습니다. 드릴로 대략 뚫은 홀의 내경을 맞추는 홀 파기 바이트와, 홀 내부 벽에 나사 가공을 하는 나사 절단 바이트가 있습니다.
  선반 가공은 한 개의 날로 작업하기 때문에, 다른 가공에 비해 강한 공구가 필요합니다.

선반 가공의 장점과 단점

그런 다음 선반 가공의 장점과 단점을 생각해 봅시다.

• 장점
  선반 가공을 통해 원형 제품을 제작할 수 있습니다. 또한 재료를 회전시키면서 절삭하기 때문에 높은 치수 정밀도를 구현할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.
  회전수와 회전 방식을 자유롭게 변경할 수 있습니다. 또한 공구 종류가 용도에 맞게 라인업되어 있어 가공 방식을 조합하면 복잡한 형태의 제품을 제작할 수 있습니다.
• 단점
  선반 가공은 다양한 공구와 가공 방법을 조합함으로써 복잡한 형상을 구현할 수 있지만, 공구 교체 빈도가 높아지면 하나의 제품을 완성하는 데 시간이 오래 걸립니다.
  또한, 여러 가공 방법을 능숙하게 다루기 위해서는 숙련된 작업자가 필요하며, 누구나 높은 정밀도의 제품을 만들 수 있는 것은 아닙니다. 제품의 복잡성 및 작업자의 기술을 정확히 파악한 가공 방법을 선택해야 합니다.

선반 가공의 주의점

재료에 의한 칼날 선정

여기에서는 「세라믹」과 「고속강」의 2 종류를 소개합니다.

세라믹은 「소결된 산화 알루미늄」으로, 칼날 온도가 1000℃에 달해도 상온의 약 73% 경도를 유지합니다. 열처리 강과 같은 높은 경도의 금속도 고속으로 절삭할 수 있습니다. 하지만 날끝은 쉽게 부서지기 쉬운 특성이 있어 수명이 길지는 않습니다.
또한 고속강은 텅스텐, 바나듐, 코발트 등이 포함된 금속으로, 열처리 전 강재 절삭에 효과적입니다. 하지만 절삭 시 온도가 600℃를 넘으면 경도가 급격히 낮아집니다. 경도 저하를 방지하기 위해 회전수를 30 m/min 이하로 유지하고, 절삭유를 사용해 열 상승을 피해야 합니다.

가공 중 열 발생
가공 중에 열이 발생하면 가공물의 열팽창으로 인해 절삭 정밀도가 떨어지고, 온도 상승으로 절삭 공구의 수명이 단축됩니다.
가공 중 열 발생을 억제하려면 절삭 부위에 절삭유를 적용해야 합니다. 절삭유는 냉각 효과가 있어 가공 금속의 전단 변형 정도를 억제하고 발열을 억제할 수 있습니다. 또한, 절삭 공구의 형상과 회전수를 낮추면 열 발생을 방지할 수 있습니다.

재료와 회전 속도 최적화
가공 시 회전수(회전 속도)가 커질수록 정밀도가 높아지고 가공 시간도 짧아지지만, 그만큼 공구 소모가 심해집니다. 또한, 이송 속도가 클수록 가공 시간은 짧아지지만 정밀도가 낮아지고 공구 소모도 크게 증가합니다.

절삭 공구 재료의 회전수와 이송 속도 등 조건은 제조사 카탈로그에 권장값이 기재되어 있습니다. 또한, 가공기에 따라 절삭 조건 데이터가 내장되어 있습니다. 어떤 항목을 우선시 하느냐에 따라 절삭 조건이 달라지므로, 자사 상황에 맞게 조정하시기 바랍니다.

선반 가공 절차

선반 가공 절차는 제작하는 제품에 따라 세밀하게 다릅니다. 여기서는 대표적인 절차를 소개합니다.

1. 공구 및 재료 설치
   먼저, 선반 가공에 사용할 절삭 공구와 재료를 장착합니다. 가공 중에 움직이지 않도록 단단히 고정합니다. 설치 시 위치가 어긋나면 정밀도가 떨어지므로, 위치 지정은 높은 정밀도로 수행하는 것이 중요합니다.
2. 황삭 가공
   다음으로, 만들고 싶은 제품의 대략적인 형태를 깎아낸다 거친 가공을 진행합니다. 이 공정에서는 높은 정밀도가 필요하지 않지만, 과도한 절삭에 주의해야 합니다. 또한, 재료가 회전하는 상태와 절단 잔여물 발생 상황에도 주의해야 합니다.
3. 마감 가공
   황삭 가공으로 대략적인 제품 형태를 깎아낼 수 있으면, 마감 가공을 진행합니다. 높은 정밀도가 요구되므로 회전수와 이송 속도에 충분히 주의하면서 진행해야 합니다. 만약 버가 발생한다면, 가공면을 손상시키지 않도록 주의하면서 사포로 정성스럽게 제거해야 합니다.

선반 가공 부품의 주의점

선반 가공으로 부품을 제작할 때는 가능한 한 낮은 비용으로 필요한 정밀도를 구현해야 합니다.

설계 시 주의할 점은 재료에서 절삭량을 줄이고 가공 시간을 단축하는 것이 중요합니다. 또한, 특수 공구가 아니라 일반적으로 판매되는 공구로 가공할 수 있는 상태로 만들면 납기 단축과 비용 절감에 도움이 됩니다.

선반 가공을 할 때는 절차가 복잡해지지 않도록 가공 순서와 공구 선택이 중요합니다. 하루아침에 익히기 어렵기 때문에, 숙련된 장인이 가진 노하우를 잘 공유하면 좋습니다.

정리

선반 가공은 절삭 가공의 한 종류로, 회전시키고 있는 재료에 절삭 공구를 대어 가공합니다. 선반은 외경 가공, 내경 가공, 나사 절삭 가공, 드릴 가공 및 돌출 절삭 가공이 가능합니다. 범용 선반, NC 선반, 탁상 선반, 정면 선반, 수직 선반 등 다양한 종류가 있어 목적에 맞게 선택해 사용해야 합니다. 치수 정밀도가 높은 가공이 가능하지만, 가공에 시간이 오래 걸리거나 고정밀이 요구되는 경우가 있어 숙련된 작업자가 필요할 때도 있으므로, 노하우 공유가 핵심 포인트가 됩니다.