[공학나라] 기계 공학 기술정보

밑줄친 부분은 과거 기출 문제임.

방전가공

용도 : 높은 경도를 갖는 재질의 절단, 천공 등

가공액 : 변압기유, 스핀들유, 석유, 물 등

전극재료 : 흑연, 텅스텐, 구리 합금등 (공작물: +, 공구: -)

과정 : 암류 → 코로나 → 불꽃 → 글로 → 아크

▶ 와이어컷 방전가공

특징 : 표면거칠기가 양호. 담금질강과 초경합금의 가공이 가능. 잡한 형상의 가공물을 높은 정밀도로 가공할 수 있음. 전극이 필요, 가공 부분에 변질 층이 남는다, 통전되는 가공물은 경도와 관계없이 가공이 가능.

가공액 비저항값 : 비저항값이 낮을 때에는 수돗물을 첨가. 일반적으로 방전가공에서는10~100 kΩㆍcm의 비저항값을 설정. 비저항값이 높을 때에는 가공액을 이온교환장치로 통과시켜 이온을 제거.

▶ 전극재료의 조건

방전이 안전하고 가공속도가 클 것.

가공 정밀도가 높고 기계가공이 쉬울 것.

가공전극의 소모가 적으며, 구입이 쉽고 가격이 저렴할 것.

▶ 방전가공기의 전원장치 회로방식

RC 회로 (콘덴서 방전회로) : 가장 기본적인 회로 (축전기법)

TR 회로 (트랜지스터 방전회로) : 일반 방전기에서 많이 사용

TR을 부착한 RC회로 : 현재 가장 많이 사용.

초음파 가공

물이나 경유 등에 연삭 입자를 혼합한 가공액을 공구의 진동면과 일감 사이에 주입시켜 가면서 16~30 KHz/s의 초음파에 의한 상하 진동으로 표면을 다듬는 가공방법

굳고 취약한 재료에 사용 (초경합금, 세라믹, 유리)되며 구멍뚫기, 절단, 평면가공, 표면가공 등을 한다.

공구(혼)의 재료 : 황동, 연강, 공구강, 모넬, 피아노 선재 등

연삭입자의 재질 : 알루미나, 탄화규소, 탄화붕소 등

다이아몬드, 수정 등 보석류 가공에 가장 적합

부도체도 가공이 가능. 복잡한 형상도 쉽게 가공. 가공 변형이 남지 않음.

전해연마

전기 화학적인 방법으로 표면을 다듬질하는 방법. 전기 도금의 반대방향으로 가공물을 양극, 전기저항이 적은 구리, 아연을 음극에 연결한 후 용액에 침지하고 통전하여 금속표면의 미소 돌기부분을 용해하여 거울면과 같이 광택이 있는 면을 가공할 수 있는 특수가공.

공작물을 양극으로 하고 전기저항이 적은 Cu, Zn을 음극으로 하여 전해액 속에 넣고 전기를 통하면, 가공물 표면이 전기에 의한 화학적 작용으로 매끈하기 가공되는 가공법.

치수 정밀도보다는 표면에 광택이 있는 거울면이 중요시 될 때 사용. 거울면이 필요한 홈, 주사침, 반사경 등에 사용

특징 : 가공 변질 층이 없다.; 내부식성이 좋아진다.; 가공면에는 방향성이 없다.; 복잡한형상을 가진 공작물의 연마도 가능.

버니싱 가공

원통의 내면 가공시 안지름보다 큰 공구를 압입하여 정밀도가 높은 면을 얻는 가공법

이미 가공되어 있는 구멍에 다소 큰 강철 볼을 압입하여 통과시켜서 가공물의 표면을 소성

변현시켜 정밀도가 높은 면을 얻는 가공법. 공작물 지름보다 약간 더 큰 지름의 볼(ball)을 압입 통과시켜 구명내면을 가공.

그릴, 리머 등 전단계의 기계가공에서 생긴 스크래치 등을 제어하는 작업.

작은 지름의 구멍을 매끈하게 마무리할 수 있다.

텀블링 (배럴연마)

회전하는 상자 속에 공작물과 숫돌입자, 공작액, 콤파운드 등을 넣고 서로 충돌시켜 표면의 요철을 제거하며 매끈한 가공면을 얻는 가공법

금속과 비금속에 대해 시행하며 대량의 일감을 한번에 가공하여 노력이 절감되고 모든 일감이 균일하게 다듬어짐

▶ 버핑

버프를 회전시키며 공작물 표면의 녹을 제거하거나 광택내기에 사용하는 방법.

주목적 : 치수정밀도와는 무관하며 광택내기.

쇼트 피닝 (shot peening)

경화된 작은 철구를 피가공물에 고압으로 분사하여 표면의 경도를 증가시켜 기계적 성질, 특히 피로강도를 향상시키는 가공법.

강구를 분사시켜 금속 표면의 강도와 경도를 증가시켜 주는 방법.

주로 스프링재의 수명을 연장시키기 위해 피로강도, 탄성한도를 높인다.

단점 : 부적당한 쇼트 피이닝은 연성을 감소시키므로 균열의 원인이 된다.

쇼트 피닝의 가공조건 : 분사면적, 분사각도, 분사속도

가공경화 및 재결정

▶ 가공경화 

재료의 탄성영역을 넘어 소성 변형을 하면 재료의 항복강도, 경도가 높아지고 연신율은 낮아지는 현상 (단단하고 덜 늘어나게 됨)

▶ 재결정 온도

열간(고온)가공과 냉간(상온)가공이 구분되는 온도.

Fe : 400℃, W : 1200℃, Ni : 600℃, Pt : 450℃, Au, Ag, Cu : 200℃

▶ 냉간가공의 장・단점

장점 : 제품의 치수 정확, 가공면이 아름답다. 기계적 성질 개선, 강도/경도 증가, 연신율 감소

단점 : 방향에 따라 강도와 같은 기계적 성질이 다름

소성가공의 종류

단조(forging) : 해머로 두들겨 가공

압연 (rolling) : 두 개의 롤러를 통과시켜 가공

압출 (extruding) : 다이 뒤쪽에서 밀어내어 가공

인발 (drawing) : 다이 앞쪽에서 당겨서 가공

전조 (roll forming) : 수나사, 볼, 세레이션, 기어가공에 주로 사용.

판금 가공 (sheet metal working) : 딥 드로잉, 프레스 가공, 전단 가공, 굽힘가공 등을 이용함.

단조 (forging)

▶ 단조 방법에 따른 분류

자유단조(free forging)

방법 : 앤빌 위에 단조물을 고정하고 해머로 타격하여 필요한 형상으로 가공

특징 : 형태가 간단하고 수량이 적은 경우에 적합, 정밀도는 낮음.

종류 : 업세팅 (up setting, 가열된 재료를 축방향으로 압축하여 길이를 짧게하고 단면적을 넓히는 과정), 늘이기 (drawing), 단짓기 (setting down), 절단 (cutting off), 굽히기 (bending), 구멍뚫기 (punching, 얇은 재료에 사용).

형단조(die forging)

방법 : 제품의 형상을 조형한 한 쌍의 다이 사이에 가열한 소재를 넣고 타격이나 금형을 이용하여 높은 압력을 가하여 제품을 성형

특징 : 소형제품을 대량생산하는 경우에 적합, 정밀도가 높고 가격이 저렴

▶ 단조 온도에 따른 분류

열간단조 : 재결정 온도 이상에서 단조, 작은 동력 소모, 거친 표면

냉간단조 : 재결정 온도 이하에서 단조, 큰 동력 소모, 매끈한 표면, 윤활제 필요

▶ 단조 계산식

프레스 용량 

 (: 유효 단조 면적;  : 변형 저항;  : 기계효율)

단조 해머의 효율 

( : 해머의 질량;  : 단조물 및 앤빌의 질량)

단조 에너지 

( : 해머의 타격 속도)

▶ 단조 온도

최고 단조 온도 : 단조가 가능한 온도 (용융점의 100 도씨 이하, 강의 경우 1200 도씨)

단조 완료 온도 : 열간 단조가 불가능한 온도 (강의 경우 800도씨)

압연 (rolling)

방법 : 재료를 회전하는 2개의 롤러를 통과시키면서 압축하중으로 가공

▶ 압연의 종류

분괴압연 (blooming) : 잉곳 (ingot, 강괴)에서 제품의 중간재를 만드는 압연

※ 중간재 : bloom(블룸), slab(슬래브), sheet bar(시트바), billet(빌렛) 등

판재압연 : 판재 (후판, 박판) 로 압연.

형재압연 : 봉재, 선재, 레일 등을 제조하는 압연

▶ 개요

롤러의 구성요소 : 몸체(body), 네크(neck), 웨블러(webbler)

자력 압연 조건 :  ( μ : 마찰계수; α : 접촉각)

압하율 :  (%) ( : 롤러 통과전 두께;  : 롤러 통과 후 두께)

인발 (drawing)

인발 인자 : 다이각, 인발력, 역장력, 윤활 (마찰력), 단면감소율, 인발재료

윤활제 (비누, 석회, 흑연) : 다이의 압력과 마찰력을 감소시키기고 표면을 매끈하게 하기위해 사용

단면감소율 : (%) (: 가공전 두께;  : 가공후 두께)

가공도 : (%)

특징 : 다이각이 증가하면 단면감소율이 증가, 역장력이 증가하면 다이추력은 감소

압출가공

방법 : 컨테이너 안의 재료를 압력을 가하여 다이 구멍으로 밀어냄

단면감소율 : 인발과 동일

압출비 : 인발의 가공도와 동일 

압출재료 : Zn, Pb, Sn, Al, Cu등의 연질 금속

▶ 종류

직접 압출 (전방)

간접 압출 (후방) : 직접 압출보다 간접 압출에서 마찰력이 적다. 직접 압출보다 간접 압출에서 소요동력이 적게 든다.

충격 압출 : 다이에 아연, 납, 주석 등의 연질금속을 넣고 제품 형상의 펀치로 타격을 가하여 길이가 짧은 치약튜브, 약품튜브 등을 제작하는 압출방법

정수압 압출

프레스 가공

▶ 분류

전단가공

블랭킹, 펀칭, 전단, 트리밍, 세이빙, 노칭, 파팅

※ 블랭킹 : 펀치와 다이를 프레스에 설치하여 판금 재료로 부터 목적하는 형상의 제품을 뽑아내는 전단 가공

성형가공

굽힘, 비딩, 인장, 디프 드로잉, 벌징 (밑부분 볼록), 스피닝 (선반이용하여 가공), 시밍, 네킹, 교정, 컬링 (끝말기), 마폼법, 하이드로폼법 (고무대신 액체사용)

※ 마폼법 : 다이에 탄성이 뛰어난 고무를 적층으로 두고 가공 소재를 형상을 지닌 펀치로 가압하여 가공하는 성형가공법

압축가공

압인 (coining) : 주화, 메달

엠보싱 (embossing) : 두께 변화가 없는 요철가공

스웨이징 (swaging)

스프링 백(spring back)

굽힘 가공을 할 때 굽힘 힘을 제거하면 판의 탄성 때문에 탄성변형 부분이 원상태로 돌아가 굽힘 각도나 굽힘 반지름이 커지는 현상.

스프링백이 커지는 경우 : 

탄성한계, 경도, 굽힘 반지름이 클수록, 

두께가 얇을수록, 

굽힘 각도가 작을수록

굽힘에 요하는 재료의 길이 : L = A+B+2π× θ/360°(R +0.5t)

감쇠비, 감쇠고유진동수

▶ 1자유도 감쇠계 자유진동 운동방정식

1자유도 진동 운동방정식  에서 자유진동이면 

→ 

▶ 임계 감쇠계수 (critical damping coefficient) : 

감쇠비 (damping ratio) : 

▶ 감쇠에 따른 진동 형태

아임계감쇠 : 진동의 진폭이 감소

, 

임계감쇠 : 진동하지 않고 진폭이 감소(가 시작되는 감쇠값)

, 

초임계감쇠 : 진동하지 않고 진폭이 감소

, 

▶ 감쇠 고유각 진동수 ()

※ 감쇠가 있으면 고유 진동수는 감소.

▶ 감쇠의 합성 (등가 감쇠계수 구하기) 

※ 원리는 스프링 합성과 동일함

직렬 연결 

병렬 연결 

대수감쇠

▶ 감쇠 진동 응답에서 2개의 이웃하고 있는 진폭의 진폭비는 일정

 : 대수감쇠율

위 식에 자연로그 ln을 취하면

▶ 감쇠비 ()와 대수감쇠율 ()의 관계

  인 경우 (감쇠가 매우 작은 경우) 에는 

▶ 쿨롱 감쇠

움직임의 반대 방향으로 작용하는 마찰 감쇠

마찰력 = 마찰계수 (단위 없음) x 수직력

운동 방정식 

n-반사이클 후의 진폭 : 

정지조건 : 

점성감쇠진동

▶ 점성감쇠 : 점성저항. 속도에 비례 혹은 속도의 제곱에 비례 (예 : 액체속의 고체의 운동)

운동방정식과 고유진동수

▶ 자유도 (degree of freedom)

물체의 움직임을 표시하는데 필요한 최소 독립 좌표수

예) 1자유도

1개의 질점이 한 방향 병진 운동만 하는 경우

예) 2자유도

2개의 질점이 한 방향 병진 운동만 하는 경우

1개의 질점이 두 방향 병진 운동만 하는 경우

예) 1개의 질점은 최대 3자유도만 존재

x, y, z 축 병진 운동

예) 1개의 강체(=부피가 있는 물체)는 최대 6자유도 존재

x, y, z 축 병진 운동 + x, y, z 축 회전 운동

▶ 1자유도 감쇠계 진동 운동방정식

x 방향으로 힘의 평형을 적용하면

운동방정식

관성력 : 

감쇠력 : 

탄성력 : 

외력 : 

▶ 1자유도 비감쇠계 자유진동 운동방정식

1자유도 진동 운동방정식 에서 비감쇠계이면  , 자유진동이면 

→ 

고유각진동수 을 구하기 위해

변위  이라고 가정하면

변위를 미분한 속도는 

속도를 미분한 가속도는 

위 변위, 속도, 가속도를 운동방정식에 대입하면

위 식을 로 나누면

고유각진동수  (단위 : rad/s = /s)

고유진동수  (단위 : Hz = cycle/s)

고유주기 (단위 : s)

▶ 회전계의 운동방정식

운동방정식 : 

질량 관성 모멘트 J

비틀림 고유각진동수 : 

에너지 보존법칙

▶ Rayleigh 원리

보존력만 작용하는 경우 (예: 비감쇠 진동계)에서 에너지는 보존되는 원리를 이용해 자유물체도 없이 운동방정식(과 고유진동수) 을 구할 수 있게 된다.

 혹은 

힘의 평형, 스프링의 합성

▶ 스프링의 합성 (등가 스프링 계수 구하기)

직렬연결 : 

병렬연결 : 

단순조화운동, 주기운동, 진폭과 위상각

▶ 주기운동 : 일정한 시간 후에 동일한 위치에 오는 운동

예) 단순 조화 운동

▶ 단순조화운동 : 시간에 대해 sine 이나 cosine의 함수인 운동

예) , 

진동에 관한 용어 (진동수, 각진동수, 주기, 진폭 등)

▶ 조화진동의 예 (변위 x에 대하여)

진폭 : 

초기 위상각 : , 

각진동수 :  (단위 : rad/s = /s)

진동수 :   (단위 : cycle/s = Hz)

※ 1초당 진동하는 회수 (=싸이클 수)

주기 :  (단위 : s)

※ 한번 진동하는데 (=하나의 싸이클) 걸리는 시간

▶ 속도와 가속도

※ 속도와 변위는 90°의 위상각 차이

※ 변위가 최대 일 때 속도는 0, 속도가 최대 일 때 변위는 0 (sin 0=0, cos 90°=1)

진자의 주기

진폭이 작을때 

끈에 매달려 있는 진자의 주기

L : 끈의 길이

g : 중력 가속도

용수철에 달린 진자의 주기

m : 진자의 질량

k : 용수철의 스프링 상수