[Manufacturing] 기계공작법에 대해서

[Manufacturing] 기계공작법에 대해서

 

기계공작법을 소개한다.

 

기계공작법이라는 것은 제조에 관한 방법을 이야기한다.

가공에는 크게 두 가지 종류로 구성된다.

 

칩이 발생하는 절삭가공(Cutting process)과 비절삭가공(Non-Cutting process)으로 구성된다.

 

공작법이라고 되어 있어서 한문 표현이라 의미가 어려울 수가 있다.

"공작: Machine tool"로 번역된다.

 

공작 [工作]

(기본의미) 노력이나 기술을 들여 물건을 만듦.

 

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1. 주조에서의 제조활동

 

 

그림1-1) 주조 / 제조활동 모습

 

실제 주조 현장의 모습이다.

무척 뜨겁고, 3D(Dirty, Difficult, Dangerous) 업종의 전반적인 모습이기도 하다.

다음은 주조의 제조 프로세스이다.

 

 

그림 1-2. 주조 표준 공정

 

[첨부(Attachment)]

Process.7z

 

그림1-2를 보면, 큰 범주 내에서의 주조 공정에서의 생산활동 프로세스를 의미한다.

예를 들면 "주조 공장" 하나가 생산활동을 하기 위한 큰 프로세스를 의미한다.

 

 

그림1-3) Casting Process - 주조 공정

 

그림1-3은 주조 공정(Casting Process)이다.

앞서 뜨거운 용강로 등에서 제조 활동을 하는 그림1-1이다.

실제 주조라는 게 그림1-3의 원리에 의해서 생산 활동을 수행한다.

 

[뿌리산업 작업공정 1단계 주조]

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=LeWvkW4THgs

 

주물을 실제 제품에 비유할 수 있다.

주조라는 것은 주물을 만드는 방법이고, 주형이라는 것은 주물을 만들기 위한 틀이라고 간략하게 정리할 수 있다.

 

[Lost-Wax Casting / 로스트 왁스 캐스팅 기법]

Lost-Wax casting 등의 다양한 기법 등이 있다.

 

 

그림 1-4) 주조의 예 - 로스트 왁스법으로 만든 형상

 

사과가 하나 있는데, 마치 붕어빵 틀 같이 생겼다.

목재에 의한 제조 활동, 쇳물 등에 의한 제조 활동 등도 주조의 범주에 들어간다고 보시면 될 것이다.

 

주조를 통해서 제작할 수 있는 것은 "파이프", "전신주", "골프채의 헤드", "야구베트" 등을 제작한다고 보면 될 것이다.

 

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2. 용접에서의 기계공작법

 

이 부분은 용접(Welding) 주제에서 소개하고 있다.

접합 등의 작업을 통해서 제조활동을 수행한다.

 

 

그림 2-1) 용접의 예

 

탱크로리 등을 만들 때도 사용될 수 있고, 철도, 배(선박) 등을 만들 때도 사용될 수 있다.

쉽게 말하면, 용접은 전 산업 분야에서 다 사용 가능하다.

 

용접에는 크게 전기용접, 가스용접, 전기+가스 용접(특수용접) 등의 범주로 구성된다.

 

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3. 소성가공에서의 기계공작법(Machine work in plastic working)

 

소성가공이라는 것은 변형이 일어나는 특성을 가진 가공을 의미한다.

소성변형이라는 것은 물체에 어떠한 힘을 주었을 때 변형이 일어나는 것을 말한다.

 

변형의 정도를 알기 위해서는 SS 선도(Strain-Stress Diagram)를 통해서 변형의 정도를 살펴볼 수가 있다.

 

 

변형률 식과 응력에 관한 식을 이용하면, 파단점(Break point)을 구할 수 있다.

 

 

 

 

한가한 사람들은 한번 이거 풀어봐도 될 것이다. 스프레드시트 등으로 시뮬레이션을 간단한 차원에서 해결해볼 수 있다.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=zDh_XOvEXlQ&list=PLWFoffdxvwsNvIV3GQEDGpqhaHBVGK5Qb

 

위 영상에서는 인발(Drawing)의 제조 방법에 대해서 소개하고 있다.

 

 

그림 3-1) 롤러 사이에서 가공되고 있는 모습

 

다음은 대표적으로 많이 사용하는 프레스나 사출이다.

 

 

전단가공에 관한 것도 소개된다.

 

 

 

그림 3-2) Blanking과 Piercing

 

[첨부(Attachment)]

blankingpiercing.7z

 

전단 가공을 했을 때 발생되는 것들에 대해서도 살펴볼 수 있다.

 

피어싱은 판금에 구멍을 뚫는 작업이다.
블랭킹과 피어싱은 모두 전단 작업이다.
피어싱 또는 펀칭의 경우 판금에서 잘라낸 재료는 스크랩이고 광택 재는 실제 부품이다.

 

앞서 말했듯이, 두 가지 모두 판금 절단에 사용되는 금속 전단 작업이다. 주요 차이점은 다음과 같다.
• 블랭킹시 시트에서 잘라낸 재료 부분이 필수 부품이다.
   피어싱시 시트에서 펀칭 된 부분은 스크랩이다.
• 빈 치수는 다이 크기에 의해 결정된다. 피어싱 된 구멍의 크기는 펀치의 치수에 의해 결정된다.
   따라서 블랭킹 (blanking)의 경우, 필요한 부분의 크기로 금형을 만들고 펀치에 절삭 여유를 준다.
   반대로 피어싱의 경우, 펀치는 구멍의 크기로 제작되고 클리어런스는 다이에 제공된다.

 

클리어런스(Clearance)라는 것은 여유를 의미한다.

아래의 표는 피어싱 기법이 그 밖에도 조금 더 있다는 것이다.

 

기타 피어싱 기법(Other Piercing Techniques)

이는 피어싱 작업의 변형이다. 기술적으로 절삭 과정은 비슷하지만 결과 제품은 달라진다.  랜싱(Lancing)  Lancing은 굽힘과 피어싱이 동일한 펀치를 사용하여 수행되는 부분 절삭 작업이다. 직사각형 프로파일의 경우, 3면 절삭과 나머지 절곡이  절개 될 수 있다고 말할 수 있다. 랜싱 작업 중에는 슬러그가 없으므로 재료 낭비가 없다.  Shaving(쉐이빙)  Shaving(쉐이빙)는 이전에 뚫은 구멍에서 소량의 재료가 제거되는 마무리 작업이다. 면도 작업은 구멍의 품질을 향상시키고 마무리한다.  또한 정밀 공차를 정밀하게 생성해야하는 경우 피어싱 및 쉐이빙이 필요하다.  Cut-off(컷-오프):  이것은 파트가 절단되어 판금에서 분리되는 피어싱 작업의 한 형태이다.  예를 들어 프로그레시브 다이의 경우 최종 단계는 스탬프 처리 된 제품이 절단되어 스트립에서 제거되는 차단 스테이션이다.  Parting-Off(파팅 오프) :  이것은 절단 작업과 유사하다다. 그러나 이별과 컷오프의 차이점은 파팅 오프는 재료 낭비를 초래한다는 것이다.  윤곽선의 모양에 따라 낭비가 중요 할 수 있다.  그러나 파팅 오프는 서로 다를 수있는 두 개의 컷 경로를 만들었으므로 컷오프가 수행 될 수있는 곳에서 유용하다.

 

판금 피어싱 팁(Sheet Metal Piercing Tips)

Clearance(클리어렌스)  절삭 공차는 블랭킹뿐만 아니라 피어싱에서도 중요한 고려 사항이다. 이미 피어싱 작업에서 커팅 간극을 배웠기 때문에 다이에서 제공된다.  즉, 구멍 뚫기 펀치가 필요한 구멍 크기로 만들어지고 금형이 더 커질 것이다.    커팅 틈새의 양은 펀칭 될 소재의 유형과 시트 두께에 따라 다르다. 일반적으로 시트 두께의 3 % ~ 10 %의면 당 틈새가 사용된다.  더 부드러운 소재는 클리어런스가 덜 필요하고 클리어런스가 필요한 재료는 더 세게 만든다.  필요한 커팅 틈새가 계산되고 올바르게 제공되는 것이 중요하다.  이것은 과도한 마모 및 찢김, 슬러그 막힘 및 슬러그 당김을 피하기 위해 필수적이다. 이에 대해서는이 장의 뒷부분에서 설명한다.  피어싱 펀치 및 다이 재료(Piercing Punch and Die Material)  펀치 및 다이에 사용되는 재료는 우수한 귀 저항력, 압축 강도 및 내열성을 가져야 한다.  절삭 될 판금의 특성 및 수량 요구 사항과 함께 공구 재료의 이러한 특성을 고려해야 한다.  일반적으로 고 탄소 고 크롬 공구강이 사용된다. 펀치와 다이는 60-62HRC로 경화 및 템퍼링되어야 한다.  크기가 작은 펀치가 쉽게 부서 질 수 있는 경우 HSS (고속 강)가 더 좋다.  텅스텐 카바이드는 다량의 부품을 절단 할 필요가 있는 곳에  적합하다.   이것은 카바이드가 더 긴 시간 동안 날카로운 절삭 날을 유지할 수 있고 고온에서도 견딜 수 있기 때문이다.

 

판금 피어싱 팁에서 새로 등장한 용어가 "고 탄소 고 크롬 공구강", "{60-62} HRC", "경화", "템퍼링"이 나왔다.

 

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4. 열처리(Heat treatment)

 

열처리 (또는 열처리)는 물질의 물리적, 때로는 화학적 성질을 변화시키는 데 사용되는 산업 및 금속 가공 공정의 그룹이다.

가장 일반적인 응용 프로그램은 야금이다.

 

열처리는 또한 유리와 같은 많은 다른 재료의 제조에 사용된다.

 

열처리는 재료의 경화 또는 연화와 같은 원하는 결과를 얻기 위해 일반적으로 극한 온도까지 가열 또는 냉각을 사용한다. 열처리 기술에는 어닐링, 표면 경화, 강수 강화, 템퍼링, 노멀라이징 및 담금질이 포함된다.

 

열처리라는 용어는 의도적으로 특성을 변경하는 특정 목적을 위해 가열 및 냉각이 이루어지는 공정에만 적용되는 반면, 가열 및 냉각은 열간 성형 또는 용접과 같은 다른 제조 공정 중에 부수적으로 발생하는 경우가 많다는 것은 주목할만한 사실이다.

 

그림 4-1) 강철의 시간 - 온도 변환 (TTT) 다이어그램(Time-temperature transformation (TTT) diagram for steel)

 

빨간색 곡선은 상한 온도 (A3)에서 냉각 될 때 다른 냉각 속도 (속도)를 나타낸다. V1은 마르텐 사이트를 생성한다.

V2는 마르텐 사이트와 혼합 된 펄라이트를 갖고, V3은 펄라이트 및 마텐 사이트와 함께 베이 나이트를 생성한다.

 

그림 4-1의 다이어그램을 한번씩은 그려보면 많은 도움이 될 것이다.

 

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주제1) Physical processes(물리적 프로세스)

 

금속 물질은 "결정립 (grains)"또는 미세 결정 (crystallites)이라고 불리는 작은 결정의 미세 구조로 구성됩니다. 입자의 성질 (즉, 입자 크기 및 조성)은 금속의 전체적인 기계적 거동을 결정할 수 있는 가장 효과적인 인자 중 하나이다. 열처리는 미세 구조 내의 확산 속도 및 냉각 속도를 제어함으로써 금속의 특성을 조작하는 효율적인 방법을 제공한다. 열처리는 종종 경도, 강도, 인성, 연성 및 탄성과 같은 특성을 조작하는 금속 합금의 기계적 특성을 변경하는 데 사용된다.

열처리 중에 합금의 성질을 변화시킬 수있는 두 가지 메커니즘이 있다 : 마르텐 사이트의 형성은 결정이 본질적으로 변형되도록하며, 확산 메커니즘은 합금의 균질성을 변화시킨다.

결정 구조는 격자 (lattice) 라 불리는 매우 특정한 배열로 그룹화 된 원자들로 구성된다. 대부분의 요소에서이 순서는 온도와 압력과 같은 조건에 따라 다시 배열됩니다. allotropy 또는 polymorphism이라고 불리는이 재배치는 특정 금속의 여러 온도에서 여러 번 발생할 수 있다.

합금에서이 재배치는 원소 금속이 갑자기 녹을 수 없게되는 반면, 동소 원소가 역전되면 원소가 부분적으로 또는 완전히 불용성이 된다.

가용성 상태에있을 때, 확산 과정은 용해 된 원소의 원자가 확산되어 모재 금속의 결정 내에 균질 한 분포를 형성하려고 시도한다.

합금이 불용성 상태로 냉각되면, 용해 된 구성물 (용질)의 원자가 용액 밖으로 이동할 수 있다. 이러한 유형의 확산은 강수라고 불리며, 이동하는 원자 그룹이 입자 경계에서 함께 핵 생성을 하게 된다. 이것은 일반적으로 두 개 이상의 별개의 단계로 구성된 미세 구조를 형성한다. 

 

예를 들어 서서히 냉각 된 강철은 페라이트와 세멘 타이트의 교대로 이루어진 적층 구조를 형성하여 연질 펄라이트가 된다.

강철을 오스테 나이트 상으로 가열 한 다음 물에서 급냉시킨 후, 미세 조직은 마텐 자이 트상이 될 것이다. 이는 담금질 후에 강이 오스테 나이트 상으로부터 마르텐 사이트 상으로 변하기 때문이다.

 

냉각제가 모든 강을 빠르게 냉각시키지 않으면 약간의 펄라이트 또는 페라이트가 존재할 수 있음에 유의해야한다.

철계 합금과 달리 대부분의 열처리 합금은 페라이트 변형을 겪지 않는다. 이러한 합금에서 입자 경계에서의 핵 생성은 종종 결정 매트릭스의 구조를 보강합니다. 이들 금속은 강수에 의해 경화된다. 일반적으로 온도에 따라 천천히 진행되는 공정을 "시효 경화 (age hardening)"라고 한다.

 

많은 금속과 비금속은 신속하게 냉각되면 마르텐 사이트 변태를 나타낸다 (오일, 폴리머, 물 등과 같은 외부 매질). 금속이 매우 빨리 냉각되면, 불용성 원자는 시간이 지나면 용액 밖으로 이동하지 못할 수 있다. 이를 "확산없는 변환"이라고 한다. 결정 매트릭스가 저온 배열로 바뀌면 용질의 원자가 격자 내에 갇히게 된다. 포획 된 원자는 결정 매트릭스가 격자 내에서 전단 응력을 생성하여 저온 동소체로 완전히 변하는 것을 방지한다. 일부 합금이 강과 같이 빨리 냉각되면, 마르텐 사이트 변태는 금속을 경화 시키지만 알루미늄과 같은 다른 경우에는 합금이 부드러워진다.

 

그림 4-2) IronAlfa & IronGamma - Heat Treatment

 

번호	언어 (Language)	기술(Description)
1	한글(Korean)	Al 철 (낮은 온도)과 감마선 (고온) 사이의 격자 구조의 차이를 보여주는 철 Allotropes.  알파 철은 탄소 원자가 존재할 공간이 없지만 감마 철은 작은 탄소 원자가 자유롭게 움직일 수 있도록 개방되어 있다.
2	영어(English)	Allotropes of iron, showing the differences in lattice structures between alpha iron (low temperature) and gamma iron  (high temperature).  The alpha iron has no spaces for carbon atoms to reside, while the gamma iron is open to free movement of  small carbon atoms.

 

이의 글은 위키피디아의 글을 번역만 해놓은 것이다.

 

실제로는 면심입방격자(Face-centered cubic lattice, FCC), 체심입방격자(Body-centered cubic lattice, BCC), 조밀육방격자(close-packed hexagonal lattice, CPH)의 3종류를 구분할 수 있다.

 

결정구조	금속
면심입방격자(FCC)
체심입방격자(BCC)
조밀육방격자(CPH)

 

금속에 적혀져 있는 원소가 있다.

표준 주기율표이다.

 

이 표준주기율표라는 게 IUPAC에서 결정하는 방식을 따라서 정의가 된다.

 

[IUPAC에서 제공하는 표준 주기율표]

http://iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302x0359.pdf

 

 

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주제2) 조성물의 효과

철 - 탄소 합금 시스템의 상 다이어그램. 상 변화는 상이한 조성 (수평축)에 대해 상이한 온도 (수직축)에서 발생한다. 점선은 공석 (A)과 공융 (B) 조성을 표시한다. 합금 시스템의 특정 조성은 대개 열처리 결과에 큰 영향을 미친다. 각 구성 요소의 비율이 맞으면 합금은 냉각시 단일의 연속적인 미세 구조를 형성한다. 이러한 혼합물은 공석이라고 한다. 그러나, 용질의 백분율이 공융 혼합물과 다를 경우, 2 개 이상의 상이한 미세 구조가 보통 동시에 형성 될 것이다. hypeyutectoid 용액은 공융 혼합물보다 적은 양의 용질을 함유하고, hypereutectoid 용액은 더 많이 포함한다.

 

 

그림 4-2) 철 - 탄소 합금 시스템의 상 다이어그램(Phase diagram of an iron-carbon alloying system) / Fe-C 상태도

 

상 변화는 상이한 조성 (수평축)에 대해 상이한 온도 (수직축)에서 발생한다. 점선은 공석 (A)과 공융 (B) 조성을 표시된다.

 

Phase changes occur at different temperatures (vertical axis) for different compositions (horizontal axis). The dotted lines mark the eutectoid (A) and eutectic (B) compositions.

 

아공석강, 과공석강, 공정점 등도 그림 4-1의 범주에 있다.

 

[공석 합금(Eutectoid alloys)]
공융 합금 (eutectoid alloy)은 공융 합금 (eutectic alloy)과 비슷한 거동을 한다. 공융 합금은 단일 융점을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 녹는 점은 구성 성분의 녹는 점보다 낮으며, 혼합물을 바꾸지 않으면 녹는 점이 더 낮아진다.

용융된 공융 합금이 냉각 될 때, 모든 성분은 동일한 온도에서 각각의 상으로 결정화 될 것이다.

공석 합금도 비슷하지만 액체가 아닌 고체 용액에서 상 변화가 일어난다. 공융 혼합물을 용액 온도로부터 냉각 시키면, 성분은 상이한 결정상으로 분리되어 단일 미세 구조를 형성하게된다. 예를 들어, 공석 강은 0.77 %의 탄소를 함유하고 있다. 천천히 냉각되면 철과 탄소 용액 (오스테 나이트라고 불리는 단상)이 페라이트와 세멘 타이트상의 소판으로 분리된다. 이것은 펄라이트 (pearlite) 라 불리는 층이 형성된 미세 구조를 형성한다.

펄라이트는 철보다 단단하기 때문에 달성 할 수있는 부드러움의 정도는 일반적으로 펄라이트에 의해 생성되는 정도로 제한된다.

유사하게, 담금질 성은 매우 빨리 냉각 될 때 형성되는 연속 마르텐 사이트 미세 조직에 의해 제한된다.

 

[초자체 보호 합금(Hypoeutectoid alloys)]
저 합금 (hypoutectic) 합금은 2 개의 분리 된 융점을 갖는다. 둘 다 시스템에 대한 공융 점보다 높지만 시스템을 구성하는 구성 요소의 융점보다 낮다.

이 두 가지 녹는 점 사이에서 합금은 일부 고체 및 액체로 존재할 것이다. 낮은 용융점을 갖는 성분이 먼저 응고 될 것이다.

완전히 응고되면, 아교 해석 합금은 종종 고용체 상태가 된다.

유사하게, hypophutectoid 합금에는 "체포 (arrests)"라고하는 두 가지 임계 온도가 있다.

이 두 온도 사이에서, 합금은 부분적으로 용액으로 존재할 것이고, 부분적으로는 "예비 성장상 (prerotectoid phase)"이라고 불리는 별도의 결정화 상으로 존재할 것이다. 이 두 온도를 상부 (A3) 및 하부 (A1) 변태 온도라고 한다. 용액이 상부 변태 온도에서 불용성 상태로 냉각됨에 따라 과량의 비금속이 종종 "결정화 (crystallize-out)"되어 강제적으로 초석이 된다. 이것은 용질의 잔류 농도가 공석 수준에 도달 할 때까지 발생하며, 그런 다음 별도의 미세 구조로 결정화된다.

hypeyutectoid steel은 0.77 % 미만의 탄소를 함유하고 있습니다. hypeyutectoid 강철을 오스테나이트 변태 온도에서 냉각 시키면 작은 초산체 - 페라이트가 형성됩니다. 이것들은 계속해서 자라며 나머지 강철의 공융 혼합물 농도에 도달 할 때까지 탄소는 물러날 것입니다. 이 공석 혼합물은 펄라이트의 미세 구조로 결정화됩니다. 페라이트는 펄라이트보다 부드럽기 때문에 두 개의 미세 구조가 결합되어 합금의 연성을 증가시킵니다. 결과적으로, 합금의 담금질 성이 저하된다.

 

[(Hypereutectoid 합금)]

또한과 공융 합금은 다른 융점을 갖는다. 그러나이 점들 사이에는 더 높은 융점을 갖는 성분이 고체가 된다.

유사하게,과과 utectutoid 합금에는 2 개의 임계 온도가있다. 초자 열강도 합금을 상부 변태 온도에서 냉각시킬 때, 일반적으로 초석을 형성하는 과량의 용질이 먼저 결정화된다.

이것은 나머지 합금의 농도가 공석이 될 때까지 계속되며, 그 후 공석이 분리 된 미세 구조로 결정화된다.

과 공계 강은 0.77 % 이상의 탄소를 함유하고 있다. 과공계 강을 서서히 냉각시킬 때, 세멘 타이트가 먼저 결정화되기 시작한다.

나머지 강철이 공융 혼합물로 구성되면 펄라이트로 결정화 된다. 세멘 타이트는 펄라이트보다 훨씬 단단하기 때문에 연성의 비용으로 더 큰 담금질성을 갖는다

 

주제2에서 소개되는 언어 표현이 다소 어려울 수도 있으니 참고 바란다.

 

http://www.calphad.com/iron-carbon.html 이 사이트에 들어가면 좀 더 자세히 살펴볼 수 있다.

 

y축: 온도(도)

x축: (*)로 표현된 것은 탄소함유량을 말함.

 

	탄소 함유량	구분	조합
순철	0~0.02%	Fe
아공석강	0.02~0.77%	강	페라이트 + 펄라이트
공석점	0.77%	강
과공석강	0.77~2.11%	강	시멘타이트 + 펄라이트
아공정주철	2.11~4.3%	철
공정점	4.3%	철
과공정주철	4.3~6.67%	철

 

㉠ 오스테나이트(Austenite) = r(gamma) 고용체

철에 최대 2.11%C까지 고용되어 있는 고용체로 점 이상에서 안정한 조직으로 상자성체이며, 인성이 크다.  ()
= Solid solution solidified up to 2.11% C in iron, stable at over point, is paramagnetic and has high toughness.

 

㉡ 페라이트(Ferrite) = a(alpha) 고용체

철에 최대 0.0218%C까지 고용된 고용체로 전성과 연성이 크며, 점 이하에서는 강자성을 나타낸다. ()
= Solid solution solidified to a maximum of 0.0218% C in iron, high in malleability and ductility, and exhibits ferromagnetism in a point below .

 

㉢ 시멘타이트(Cementite) = 

6.67%C와 철의 화합물()로서, 매우 단단하고 부스러지기 쉽다. ()
= 6.67% As a compound of C and iron (), it is very hard and easy to crumble.

 

㉣ 펄라이트(Pealite) =

고용체 +

 

㉤ 레데뷰라이트 =

고용체 +

 

 

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주제3) 기술(Techniques)

 

12 시간 1,200 ° C ( 2,190 ° F)의 열처리를 거친 철강 주물.
복잡한 열처리 일정 또는 "주기"는 종종 합금 자의 기계적 특성을 최적화하기 위해 금속 학자가 고안한다. 우주 항공 산업에서, 초합금은 원하는 특성을 개발하기 위해 5 개 이상의 상이한 열처리 공정을 거칠 수 있다. 이로 인해 퍼니스의 온도 제어 및 타이머의 정확성에 따라 품질 문제가 발생할 수 있다.

이러한 작업은 일반적으로 여러 가지 기본 기술로 나눌 수 있다.

[어닐링(Annealing)]
주요 주제 : 어닐링 (야금술) / Annealing (metallurgy)
어닐링은 금속을 특정 온도로 가열 한 다음 구성 요소를 완전히 또는 부분적으로 분리하는 미세한 미세 구조를 생성하는 속도로 냉각시키는 것이다.

냉각 속도는 일반적으로 느리다. 어닐링은 냉간 가공을 위해 금속을 부드럽게하고 기계 가공성을 향상 시키거나 전기 전도성과 같은 특성을 향상시키는 데 가장 자주 사용된다.

철 합금에서 어닐링은 일반적으로 금속을 상부 임계 온도 이상으로 가열 한 다음 매우 천천히 냉각시켜 펄라이트를 형성함으로써 수행된다.

순수 금속과 열처리 할 수없는 많은 합금에서 냉간 가공으로 인한 경도를 제거하기 위해 어닐링이 사용된다.

금속은 재결정이 일어날 수있는 온도로 가열되어 소성 변형으로 인한 결함을 수리한다. 이 금속에서 냉각 속도는 대개 거의 영향을 미치지 않는다.

열처리 가능한 대부분의 비철 합금은 냉간 가공의 경도를 완화하기 위해 열처리 된다.

이들은 천천히 냉각되어 성분의 완전한 침전을 가능하게하고 정제 된 미세 구조를 생성 할 수 있다.

철 합금은 일반적으로 "완전 어닐링"또는 "공정 어닐링"입니다. 완전 어닐링은 거친 펄라이트를 형성하기 위해 매우 느린 냉각 속도를 필요로한다. 공정 어닐링에서 냉각 속도가 빨라질 수 있습니다. 최대화 및 정규화 포함. 공정 어닐링의 주요 목표는 균일 한 미세 구조를 만드는 것입니다. 비철 합금은 종종 "재결정 소둔", "부분 소둔", "전체 소둔"및 "최종 소둔"을 포함한 다양한 소둔 기술을 사용합니다. 모든 어닐링 기술이 응력 제거와 같은 재결정을 포함하는 것은 아닙니다.

[정규화(Normalizing)]
정규화는 합금 전체에 걸쳐 입도와 조성 (등축)의 균일 성을 제공하는 데 사용되는 기술이다. 이 용어는 오스테 나이트 화 된 후 대기 중에 냉각 된 철 합금에 종종 사용된다. 표준화는 펄라이트뿐만 아니라 마르텐 사이트 및 때로는 베이나이트 (bainite)를 생성 할뿐만 아니라 열처리가 더 강하고 강해지지만 전체 어닐링과 동일한 조성에 대해서는 연성이 낮다.

[스트레스 해소(Stress relieving)]
응력 완화는 금속에서 생성 된 내부 응력을 제거하거나 줄이는 기술이다. 이러한 응력은 냉간 가공에서 비 균일 냉각에 이르는 다양한 방법으로 발생할 수 있다. 스트레스 해소는 대개 낮은 비평가 아래의 금속을 가열하여 수행된다

 

노화(Aging)
주제 : 강수 경화

일부 금속은 석출 경화 금속으로 분류된다. 석출 경화 합금이 급냉 될 때 합금 원소가 용액에 갇혀 부드러운 금속이 생성된다.

"고형화 된"금속의 노화는 합금 원소가 미세 구조를 통해 확산되어 금속 간 입자를 형성하게 한다.

이러한 금속 간 입자는 핵 생성되어 용액에서 빠져 나와 강화 단계로 작용하여 합금의 강도를 증가시킨다.

합금은 실온에서 침전물이 형성됨을 의미하는 "자연적으로"오래되거나, 고온에서 침 전물이 형성 될 때 "인위적으로"노화 될 수 있다.

일부 응용 분야에서, 노화 방지용 합금은 냉동 장치에 저장되어 추가 작업이 완료 될 때까지 경화를 방지 할 수 있다.

예를 들어, 리벳 조립은 부드러운 부분 일수록 쉽다.

침전 경화 합금의 예로는 2000 시리즈, 6000 시리즈 및 7000 시리즈 알루미늄 합금(aluminium alloy)뿐만 아니라 일부 초합금(superalloy) 및 일부 스테인리스 강(stainless steels)이 있습니다.
노화에 의해 경화되는 강은 일반적으로 마르텐 사이트 (martensite) 노화라는 용어의 조합에서 마레 이징 강 (maraging steel)으로 불린다.

 

퀸칭(Quenching)
주제 : 담금질(Quenching)

담금질은 빠른 속도로 금속을 냉각시키는 과정입니다. 이것은 대부분 마르텐 사이트 변형을 일으키기 위해 수행된다. 철 합금에서는 비철 합금이 보통보다 부드러워지는 반면, 비철금속은 더 단단한 금속을 생성한다.

담금질로 경화하려면 금속 (일반적으로 강철 또는 주철)을 임계 온도보다 높게 가열 한 다음 신속하게 냉각해야 한다. 합금 및 기타 고려 사항 (최대 경도 대 균열 및 왜곡과 같은 우려 사항)에 따라 냉각은 강제 공기 또는 기타 가스 (예 : 질소)로 수행 할 수 있다. 오일, 물, 물에 용해 된 고분자 또는 염수와 같은 열 전도성이 우수하기 때문에 액체를 사용할 수 있다. 빠르게 냉각되면 오스테 나이트 (합금 조성에 따라 달라짐)의 일부가 마르텐 사이트로 변형되어 단단하고 부서지기 쉬운 결정 구조를 갖게 된다. 담금질 된 금속의 경도는 화학 조성 및 담금질 방법에 따라 다르다. 가장 빠른 것부터 가장 느린 것까지의 냉각 속도는 염수, 폴리머 (물 + 글리콜 폴리머의 혼합물), 청수, 오일 및 강제 공기에서 이루어진다. 그러나 특정 강을 너무 빨리 급냉하면 균열이 생길 수 있다. AISI 4140과 같은 고강도 강은 오일로 담금질되어야하며, ISO 1.2767 또는 H13 고온 공구강과 같은 공구강은 강제 공기에서 담금질되어야 한다. XK1320 또는 AISI 1040과 같은 저 합금 또는 중간 인장 강은 염수에서 급냉되어야 한다.

일부 베타 티타늄 계 합금은 급속 냉각을 통해 증가 된 강도와 유사한 경향을 보여 주었다. 그러나 구리, 알루미늄 또는 니켈의 합금과 같은 대부분의 비철금속 및 오스테나이트 계 스테인리스 강 (304, 316)과 같은 일부 고 합금강은 담금질 될 때 반대 효과를 낸다. 오스테 나이트 계 스테인리스 강은 완전히 부식되지 않도록 담금질되어야 한다.

 

템퍼링(Tempering)
주제 : 템퍼링 (야금술)

마르텐 사이트 계 강철은 매우 단단하지만 너무 부서지기 때문에 대부분의 응용 분야에 유용하지 않다. 이 문제를 완화하는 방법을 템퍼링이라고 한다.
대부분의 응용 분야에서는 담금질 된 부품을 템퍼링해야 한다.
템퍼링은 낮은 임계 온도 (종종 원하는 결과에 따라 400 ~ 1105 ℉ 또는 205 ~ 595 ˚C) 아래에서 강철을 가열하여 인성을 부여하는 것으로 구성된다.
일부 항복 강도가 손실 되더라도 더 높은 템퍼링 온도 (합금 및 적용 분야에 따라 최대 1,300 ℉ 또는 700 ˚C 일 수 있음)가 때때로 연성을 부여하기 위해 사용된다.

템퍼링은 표준화 된 강철에서도 수행 될 수 있다. 다른 템퍼링 방법은 마르텐 사이트 시작 온도보다 높은 특정 온도로 담금질 한 후 순수 베이 나이트가 형성되거나 내부 응력이 완화 될 때까지 유지한다. 여기에는 오스템 퍼팅과 마트스템퍼링이 포함된다.

템퍼링 색상(Tempering colors)
강철의 템퍼링 컬러

 

갓 분쇄되거나 연마 된 강철은 가열되면 산화물 층을 형성한다. 매우 특정한 온도에서, 산화철은 매우 특정한 두께의 층을 형성하여 박막 간섭을 유발할 것입니다. 이로 인해 철강 표면에 색상이 나타난다. 온도가 올라감에 따라 산화철 층의 두께가 증가하여 색상이 변한다. 이 색상은 템퍼링 색상이라고도하며 수세기 동안 금속 온도를 측정하는 데 사용되었다. 약 350˚F (176˚C)에서 강철은 매우 가볍고 황색을 띠기 시작한다. 400˚F (204˚C)에서 스틸은 눈에 띄는 밝은 밀짚 색이되고 440˚F (226˚C)에서 색이 진하게 빨갛게 된다. 500˚F (260˚C)에서 강철은 갈색으로 변하고 540˚F (282˚C)에서는 자색으로 변한다. 590˚F (310˚C)에서 강철은 매우 진한 파란색으로 변하지만, 640˚F (337˚C)에서는 밝은 파란색이 된다.

템퍼링 된 색상은 템퍼링 된 스틸의 최종 특성을 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 매우 단단한 도구는 종종 어두운 짚 범위에서 가벼워지는 반면, 봄은 종종 파란색으로 부드럽게 된다. 그러나, 강재의 최종 경도는 강의 조성에 따라 달라질 수 있다. 고 탄소 공구강은 동일한 온도에서 템퍼링 한 봄철 (탄소가 약간 적음)보다 템퍼링 후에 훨씬 더 오래 유지된다. 시간이 경과함에 따라 산화막의 두께도 증가한다. 따라서 매우 오랫동안 400˚F에서 유지 된 강철은 밝은 밀짚 색을 생성하는 데 필요한 온도를 초과하지 않았더라도 갈색 또는 자주색으로 변할 수 있다.
최종 결과에 영향을 미치는 다른 요소는 표면의 유막과 사용 된 열원의 유형이다.

 

그림 4-3) Tempering colors of steel(템퍼링 색상)

 

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5. 선반 / 밀링의 구조(Structure of Lathe / Milling)

 

1. 선반

 

번호	언어  (Language)	기술(Description)
1	한글(Korean)	선반이란 공작물을 주축에 고정하여 회전하고 있는 동안 바이트에 이송을 주어 외경 절삭, 보링, 절단,  단면 절삭, 나사 절삭 등의 가공을 하는 공작기계이다.
2	영어(English)	The lathe is a machine tool that performs cutting, boring, cutting, section cutting, and thread cutting by  cutting the workpiece while transferring the tool while rotating the workpiece.

 

 

그림 5-1) 선반의 구조(Structure of Lathe)

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=8-FR7J_mIH4

 

RS274(G-code 또는 CNC 기반의 프로그래밍 언어)가 적용되지 않은 공작기계도 존재한다.

수동으로 조작하는 범용 선반도 있다.

 

 

그림 5-2) Lathe Machine Structure

 

그림 5-2는 선반 장치의 구조이다.

 

1. 베드(Bed) : 베드는 선반의 작업 부분을 탑재하는 무거운, 견고한 주조이다. 그것은 작업물을 지지하기 위한 주축과 테일 스톡을 운반하고 
                     공구를 운반하는 캐리지 어셈블리의 이동을위한베이스를 제공한다.

2. 다리(Legs) : 다리는 기계의 전체 하중을 전달하며 기초 볼트로 바닥에 단단히 고정된다.

3. 주축(Headstock) : 주축 받침대는 침대 왼쪽에 고정되어 있으며 구동 풀리, 뒤쪽 기어, 주축 스핀들, 라이브 센터 및 피드 후진 기어 용
                               하우징 역할을 한다. 주축 스핀들은 모터에서 드라이브를 제공하여 홀딩 장치를 작동시키는 중공 원통형 샤프트이다.

4. 기어 박스(Gear Box) : 퀵 체인지 기어 박스는 주축 아래에 배치되며 다양한 크기의 기어를 포함한다.

5. 캐리지(Carriage) : 캐리지는 주축과 심 압대 사이에 위치하며 작동 중에 작업에 대해 공구를 지지, 안내 및 공급하는 역할을 한다.
                               운송의 주요 부분은 다음과 같다.

a) 안장 또는 세들(The saddle): 안장 또는 세들(The saddle)은 선반의 상단에 장착된 H자형 주조물이다. 
                                              크로스 슬라이드, 복합 레스트 및 공구 포스트에 대한 지원을 제공한다.

b) 크로스 슬라이드(The cross slide): 크로스 슬라이드(The cross slide)는 새들의 상단에 장착되어 있으며 절삭 공구에 장착 또는
                                                      자동 교차 운동을 제공한다.

c) 복합재 받침대(The compound rest): 복합재 받침대(The compound rest)는 크로스 슬라이드 상단에 장착되어 공구 포스트와 절삭 공구를
                                                        지지하는 데 사용된다.

d) 공구 포스트(The tool post): 공구 포스트(The tool post)는 복합 받침대에 장착되며 공구 센터 또는 공구 홀더를 작업 중심선을 기준으로 
                                             적절한 높이로 단단히 고정한다.

e) 아페론(The apron): 아페론(The apron)는 안장에 고정되어 있으며 캐리지 또는 크로스 슬라이드를 움직이는데 필요한 기어,
                                클러치 및 레버가 있다. 분할 너트 레버와 자동 공급 레버가 동시에 결합되어 선반 침대를 따라 운반 할 수 없다.

6. 테일 스톡 (Tailstock) : 심압대는 침대 위의 주축 맞은 편에 위치한 움직일 수있는 주조물이다.
                                    심압대는 침대를 따라 미끄러 져 중심 사이의 공작물의 길이를 조정할 수 있다.
                                    심압대 클램프는 심압대를 원하는 위치에 고정시킨다.
                                    심압대 스핀들에는 데드 센터를 유지하기 위한 내부 테이퍼와 리머 및 드릴과 같은 테이퍼 진 생크 공구가 있다.

 

자세한 설명은 링크를 참고하기 바란다. / Links(KOCW)

 

2. 밀링(Milling)

 

번호	언어 (Language)	기술(Description)
1	한글(Korean)	밀링이란?  다인 공구인 밀링 커터를 회전시켜 고정된 공작물에 이송을 주면서 절삭하는 공작법이다.
2	영어(English)	What is milling?  This is a machining method in which the milling cutter, which is a dyne tool, is rotated to transfer the workpiece  to a fixed workpiece.

 

 

그림 5-3) 밀링의 구조(Structure of Milling)

 

밀링머신에는 크게 두 가지 종류로 구성된다. 수평형 밀링머신, 수직형 밀링머신이 있다.
There are two main types of milling machines. Horizontal milling machines, vertical milling machines.

 

 

그림 5-3) Horizontal Milling Machine And Vertical Milling Machine

 

번호	언어 (Language)	기술(Description)
1	한글(Korean)	CNC (Computer Numerical Control)의 출현과 함께 밀링 머신은 '머시닝 센터'(자동 공구 교환기, 공구 매거진 또는  회전식 컨베이어가있는 밀링 머신, CNC 제어, 냉각수 시스템 및 인클로저)로 진화했으며 일반적으로  수직 가공 센터 (VMC) 및 수평 머시닝 센터 (HMC)가 있다. VMC는 이제 학교에서 가장 보편적으로 사용된다.  밀링 커터는 아래 그림과 같이 다양한 모양과 크기 범위로 제공된다. 여러 가지를 수평 밀링 머신의 '아버'를 따라  그룹화하여 전체 프로파일을 단일 패스로 가공 할 수있는 'Gang Milling'작업을 수행 할 수 있다.
2	영어(English)	With the advent of Computer Numerical Control (CNC), milling machines have evolved into ‘machining centres’  (milling machines with automatic tool changers, tool magazines or carousels, CNC control, coolant systems, and  enclosures), and are generally classified as vertical machining centres (VMCs) and horizontal machining centres  (HMCs). VMC's are now the most commonly used in schools.  Milling Cutters are available in a wide variety of shapes and range of sizes as shown below. Several can be grouped  together along the ‘arbor’ of a horizontal milling machine to accomplish a ‘Gang Milling’ operation in which a whole profile  may be machined in a single pass.

 

- 백래시 (엔지니어링)

 

기계공학에서 백래시는 래쉬 (lash) 또는 플레이 (play)라고도하며, 파트 간의 갭으로 인해 발생하는 메커니즘의 클리어런스 또는 손실 모션이다.
이것은 "기계적 시스템의 어떤 부분이 기계적인 순서로 다음 부분에 상당한 힘이나 움직임을 가하지 않고 한 방향으로 움직일 수있는 최대 거리 또는 각도"로 정의 할 수 있다.
1-8. 예를 들어, 기어 및 기어 트레인의 맥락에서 볼 때, 맞물린 기어 치 사이의 클리어런스의 양이다. 움직임의 방향이 반전되고 움직임의 반전이 완료되기 전에 느슨하거나 손실 된 움직임이 포착 될 때 볼 수 있습니다. 열차가 방향을 바꿀 때 철도 커플 링에서들을 수 있다. 또 다른 예는 밸브가 제대로 작동하기 위해 일정 범위의 래시가 필요한 기계식 태핏을 갖춘 밸브 트레인이다.

백래시(Backlash)
용도에 따라 백래시가 바람직하지 않을 수도 있다. 거의 모든 역전 기계적 커플링에 대해서는 피할 수 없지만 그 영향은 무효화되거나 보상 될 수 있다. 많은 응용 분야에서 이론상의 이상은 제로 백래시가되지만 실제로는 재밍을 방지하기 위해 일부 백래시를 허용해야 한다. 백래시가 존재하는 이유는 윤활, 제조 오차, 하중 하에서의 처짐 및 열 팽창을 허용하는 것을 포함한다.

 

 

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6. 결론(Conclusion)

 

반도체 패키징을 만들 때에도 기계공작 기술이 사용되고, CNC선반, 밀링, 머시닝센터 등도 기계공작 기술에 하나이다.

기계공작 기술이 실제로는 다양한 곳에서 사용되고 있다.

수기가공도 하나의 공작 제작에서 사용되는 방법이다.

 

RP(Rapid Prototyping) 쾌속조형이라고도 불리고, 급속 프로토타이핑, 래피드 프로토타이핑이라고도 불리는 것에는 3D Printer 등이 있다.

선반 장치의 구조 등에 대해서도 다룰 수 있다.

 

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7. 참고자료

 

1. Casting, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Casting, Acessed by 2018-07-17

2. Lost-wax-casting, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Lost-wax_casting, Accessed by 2018-07-17

3. Piercing, Metal Stamping Dies, http://www.metalstampingdies.com/stamping/piercing/, Accessed by 2018-07-17

4. 그림 3-1, https://www.youtube.com/watch?v=zDh_XOvEXlQ&list=PLWFoffdxvwsNvIV3GQEDGpqhaHBVGK5Qb, Accessed by 2018-07-17

5. 그림 1-4, Lost-wax-casting, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Lost-wax_casting, Accessed by 2018-07-17

6. Piercing or Punching Sheet Metal, http://www.metalstampingdies.com/stamping/piercing/, Accessed by 2018-07-17

7. Heat-Treatment, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_treating, Accessed by 2018-07-17

8. Pure and Applied Chemistry, 2011, Volume 83, No. 2, pp. 359-396, IUPAC, http://iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302x0359.pdf, Accessed by 2018-07-17

9. 그림 5-3, DTOnline, http://wiki.dtonline.org/index.php/Milling_Machine, Accessed by 2018-07-17

10. Backlash, https://en.wikipedia.org/wiki/Backlash_%28engineering%29, Accessed by 2018-07-17

11. Working Principle of Lathe Machine, http://engineering.myindialist.com/2009/working-principle-of-lathe-machine/#.W01ww2cnbIU, Accessed by 2018-07-17