공작기계의 발전 동향

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공작기계의 발전동향

공작기계의 발전 동향

기 계 가 공 팀

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1. 기계가공 장비의 발전

2. 공작기계의 구조

3. 공작기계의 분류

4. 머시닝 센타

5. 결론

- - 목 차 목 차 --

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1). 공작기계의 변천사 (1). 활 선반에서 막대 선반으로 고대에는 양 센터 사이에 끼어 있는 공작물을 밧줄을 돌려 감은후 그 밧줄을 잡아당겨 역 회 전 시 키 면 다 른 사 람 이 칼 같 은 날 붙 이 를 대 면 서 선 삭 작 업 . ▶나무의 한쪽끝을 잡아당겨 나무가 휠때 원상태로 돌아갈려는 용수철의 힘을 이용하여 양센터 사이에 끼어있는 가공물에 활의 밧줄을 감아 한 손으로는 활을 수평으로하여 앞뒤로 움직이면서 가공물을 역으로 회전시켜 한손으 칼로 돌려 깍는 것이 활선반의 시 초 이 다 ▶좀더 강력한 힘을 얻기 위해 고안된 것이 페달식 막대 선반이며 처음에는 가구나 목공일 에만 사용되었으나 16 세기경 시계공들에 의해서 금속가공용으로 사용되었으며 18세기 경에는 시계용 탁상 선반이 최초로 개발 되었다 .(2). 공 작 기 계 의 시 초 증기기관이 사용되기 시작한 1712 년 부터 큰 증기기관을 제작하기 위한 대형기계공장의 필요성이 대두되어 공작기계의 아버지라 칭하는 헨리모즈레이 (1771 1831)∼ 가 1797 년 오늘 날의 선반 요소를 거의 다 갖춘 선반의 원조라 할 수 있는 공작기계를 개발 .


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(3). 밀 링 장 비 의 개 발 1815 년 미국의 조병창에서 신형 소총과 피스톨의 작은 각형 부품을 다량 생산 필요성으로 개발되었으며 1827 년 에리 휘트니가 개발한 수평형 밀링기가 가장 오래된 밀링기라 전 해 짐 . 1830▶ 년에 선반 주축을 응용 강력 절삭용 구조 및 세계 최초로 절삭유 공급장비 . 1835▶ 년 스 핀 들 지 지 대 에 상 하운 동 이 가 능 한 기 구 를 장 착한 밀 링 기 개 발 . 1848▶ 년 백 기 어 사 용 강 력 형 수 평 밀 링 기 개 발 . 1850▶ 년 분 할 되 는 밀 링 기 제 작 성 공 ▶ 1857 년 수 직 형 밀 링 기 출 현 ▶ 1870 년 수직형 밀링기에 카운터 발란스 부착하여 상하 이송하게 하여 요즘 밀링기의 기초가 되었다 .(4). 수 치 제 어 공 작 기 계 제 2 차 세계대전 이후 미공군은 복잡 형상의 항공기 부품가공이나 검사용 게이지의 고정밀 도 의 부 품 가 공 필 요 성 ▶ 1952 년 M I T 공대 서보기구 연구소에서 서보기구 개발한것이 수치 제어공작기계의 최 초 탄 생 ▶ 1977 년 국내 최초 NC 선반 1 호 탄생


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(5). N C 는 제 2 의 산업 혁명1970 년대에는 컴퓨터 내장형 CNC 장치가 개발된후 복잡한 제어가 가능하고 고속 , 고정도의 가공도 가능하게 되었으며 많은 공작 기계를 통합제어하는 F M S (Flexible Manufacturing System) 는 FA(Factory Automation) 로 발전되어 최근에는 통신 네트워크를 이용하여 회사 전체의 생산 시스템을 통합 관리하는 C I M (Computer Integrated Manufacturing) 시스템으로 발전하게 되어 과히 제 2 의 산업혁명이라 불려질 만큼 혁기적인 것 이 었 다 .


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2). 한국 N C 의 발전 1927 년 연삭기 2 대를 최초로 공작기계가 생산 되었으며 1950 년대 이후에서 1960년대에 선반 , 호빙 , 플레이너등의 공작 기계를 생산을 기반으로 1972 년도 제 3 차 경제 개발 5 개년 계획이 중화학공업을 필두로 공작기계도 해외 기술 도입이 활성화됨 . 70 년대말에서 80 년대 초에 공작기계의 자체개발 능력을 갖추었고 80 년대 말에서 90년대 초에는 선진국 수준의 첨단 공작기계를 생산할수 있었고 국내외 공급하고 있다 . 1999 년 한국 공작기계 생산액은 7 억 640 만불로 세계 공작기계의 2% 를 점유하고 세계 제 11 위이며 1999 년 7 월 수입다변화 품목의 해제로 수입이 증가추세에 있고 만성적인 수입 초과국이어서 이를 극복하기 위해서는 핵심 부품 국산화 및 독자적인 기술개발로 대외 경쟁력 강화가 필수적이다 . ◈NC 의 발전 과정 ▶1954 년 진공관 , 아날로그 회로 구성 ▶1959 년 트랜지스터 등 개별 부품 구성 , 디지털 회로 ▶1965 년 IC(집적회로 ) 부품 ,디지털 회로 ▶1970 년 LSI( 대규모 집적회로 ),MSI( 중규모 집적회로 ) 사용 , 미니컴퓨터 내장 ▶1979 년 버벌메모리 , 초 LSI,CRT채용의 일반화 ,AC 서보화 ▶1981 년 대화방식 ,커스텀화 ,FA 및 FMS 대응 ▶1983 년 맨 머신 인터페이스 부착 NC, 고속 0.1㎛제어화 ▶1994 년 퍼스널 컴퓨터 NC,NC 보드 ,64 비트 CPU ▶1996 년 기계의 오픈화 , 네트워크화 , 인트라넷의 보급 , 고속 처리능력


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1). 공작기계의 형상 (1).NC 선반의 형상


CONTROLLER

공구대

주축대심압대

공구대 심압대

당사보유장비 :10 대

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(2). 머시닝 센타의 형상


CONTROLLERTOOL MAGAZINE

SPINDLE

TABLE

ATC TOOL MAGAZINE

TABLE

당사보유장비 : 수직 ; 8 대 수 평 ;11 대

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(3).CNC 보링의 형상2. 공작기계의 구조

CONTROLLERSPINDLE

TABLE

TOOL MAGAZINE당사보유장비 :1 대

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2). 공작기계의 구조

(1). 전체 구조 공작기계는 극히 보수적이며 기본적인 구조의 변화는 없었다 . 여러 각도에서 연구

개발을 시도하겠지만 근본적인 구조의 변화를 가져올수는 없을것 같고 기능 모듈화는 진전이되어 모듈을 교환함으로 공작기계의 기능을 향상시키게 될 것이다 . 즉 담금질 , 계측 ,호닝 , 조립유닛등의 모듈화가 발전되고 이를 자동적으로 교환할수 있는 인터페이스가 표준화 되며 고속 및 고감속화에 대응하여 구조의 경량화 뿐만아니라 주철 대신에 염가인 재질 개발이 이루어 질 것이다 .

(2). 주축계 ◈ 당사 보유장비 주축 회전수 현황


(RPM)회전수 (RPM)회전수

범 용 1,000∼ 2,000 구 형 1,000∼ 2,000

N C 2,000∼ 3,000 신 형 3,000∼ 4,000

범 용 1,000∼ 1,500 범 용 1,000∼ 2,000

M/CENTER 2,000∼ 4,000 특 수 12,500∼ 90,000

구 분

선 반

밀 링

구 분

대형장비

기 타

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현재의 주축계 고속화는 M/CENTER 에서 진전이 있으며 3,000RPM 에서 5,000RPM 이 범용화 되어 있고 40,000RPM 100,000RPM∼ 이 실용화 단계에 있으며 향후 범용화가 가능할 것이다 .

40,000RPM 이하에서는 구름 베어링이 발전 보완되어 사용 될 것이고 이보다 고속의 주축계는 자기 베어링으로 발전될 것이며 이의 경계는 60,000RPM 이 경계가 될 것으로 추측된다 .

또한 고속화가 진전될수록 소형화가 필수적이며 이에 따라 공구 , 계측기 및 부품의 초 정밀도 및 성능을 유지할 수 있어야 하며 이럴 경우 300,000RPM 500,000RPM∼ 의 실현이 가능할 것이다 .

선반의 경우는 10 여년 전부터 8,000RPM 에서 정체를 하고 있으며 이 이상의 회전수에서는 척의 파지력이 원심력에 의해 저하되고 위험해진다는 것과 가공시간이 짧기 때문에 주축의 회전수를 높이는 것보다 2 스핀들이나 2 트렛을 연구하는 것이 더 효과적이어서 주축의 고속화는 전전되지 않았으며 앞으로도 진전이 없을 것으로 사료됨 .


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2) 공작기계의 구조

(3) 이송계 생산현장에 보급되고 있는 일반장비의 급속 이송속도는 10 25m/min∼ 정도이며 거의 볼 SCREW 를 이용한 이동방식을 채택하고 있다 . 이 볼 SCREW 방식은 안정되고 저가로 범용화 되어 있으며 현재 150m/min까지 입증된 상태다 .

고속의 2 축 제어에 있어서는 볼 SCREW 방식은 속도에 한계가 있고 리니어 모타로 서보 강성의 문제를 해결하면서 소형장비의 이송을 한단계 끌어 올릴 것이며 슬라이더의 가이드에 대해서도 마찰저항이 작고 슬라이드 안내의 고감쇠 장점을 지닌 가이드 개발이 예상된다 .

(4).ATC 초기에는 작업자가 직접 SPINDLE 에 장착을 했지만 TOOL MAGAZINE 을 장비 또는

장비 주변에 설치하여 ARM 으로 공구를 SPINDLE 에 장착하고 있으며 공구 교환의 신속화가 요구되고 있어 SEQUENCE측면에서 발전이 되고 있으나 주축계나 이송계의 발전에 비해서는 정체 되어 있는 상황임 .

이미 60m/min 의 이송속도 ,20,000rpm 의 주축 회전수를 갖춘 이른바 고속 머시닝센타가 출현하고 있지만 전작업 시간의 50% 이상이 ATC 시간에 점유되어 순수 가공시간은 30% 이하로 정체 되어 있다 .


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또한 MAGAZINE 에 있는 공구를 일종의 ROBOT 이 교환하게 하는 SYSTEM 이 실용화 되어 사용되고 있으나 ( 당사 PMC 장비 적용 ) 현격한 시간 축소는 불가능하다 .

공구의 교환 회수를 줄이기 위해서 엔드밀의 공구를 자전 , 공전을시켜 다른 지름의 구멍을 아주 소수의 공구로 가공할수 있도록 연구 개발 되고 있다 .

(5).NC 동작 블록도


프로그램궤도 계산

속도 계산비교기D/A 변환비교기 서보

드라이브

서보

모터타코제너 CUTTER

속도정보 FEEDBACK

위치정보 FEEDBACK

서보기구인코더

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(6).CONTROLLER ◆당사 보유 CONTROLLER 종류 - FANUC(0T,6T,11T,11TB,11M,11MA,15MA,16TB) - SIMENS(3MC,8MC,840C,850M) - ACROMATIC(950) - MAZAK(MAZAKTROL M-32A,M-32B)

◆국내 CONTROLLER 제작업체 - 통일 (SENTROL-PC) - 터보테크 (KSNC1000(삼성 ),KSNC2000( 터보 ))


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1). 절삭기계 분류

(1). 선반 수치제어 수평형 선반 , 수치제어 수직형 선반 , 보통선반 , 자동선반 , 수직선반 ,

터렛선반 , 탁상선반 , 나사절삭 선반 ,롤 가공 선반 (2). 밀링기 수치제어 수평형 밀링기 , 수치제어 수직형 밀링기 , 수치제어 모방밀링기 , 수치제어 쌍주형밀링기 , 베드형 밀링기 ( 수평 , 수직 ), 무릅형 밀링기 ( 수평 , 수직 ), 만능밀링기 ,모방밀링기 ,쌍주형 밀링기 , 탁상밀링기

(3). 머시닝센타 수평형 머시닝센터 , 수직형 머시닝센타 ,쌍주형 머시닝센타 (4).드링링기 수치제어 드릴링기 , 직립드릴링기 , 레이디알 드릴링기 , 다축 드릴링기 , 탁상 드릴링기 ,

심공드릴링기 (5). 보링기 수치제어 수평형 보링기 , 수치제어 수직형 보링기 , 수평형 보링기 (테이블형 , 플로어

형 ), 수직형 보링기 , 지그 보링기 , 화인 보링기


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(6). 연삭기

수치제어 연삭기 , 평면 연삭기 ( 수평형 , 수직형 , 회전형 ), 원통연삭기 , 내면연삭기 ,무심 연삭기 , 공구 연삭기 , 기어 연삭기 , 나사 연삭기 , 탁상 연삭기

(7). 기어 가공기 수치제어 기어 호빙기 , 수치제어 베벨 기어 가공기 ,베벨 기어 가공기 , 기어 세이핑기 ,

기어 쳄프링기 (8).특수 가공기 형 방전 가공기 ( 수치제어 ),와이어컷 방전 가공기 , 레이저 가공기 , 초음파 가공기 , 전해

가공기 (9). 기타 플레이닝기 , 세이핑기 ,슬로팅기 ,브로우칭기 , 호닝기 ,띠톱기계 ( 수평식 , 수직식 ),

키홈 가공기 , 래핑기 , 전용기


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2). 금속 성형기의 분류 (1). 기계식 프레스 파워 프레스 (C 형 ,H 형 ), 크렝크 프레스 , 크랭크래스 프레스 , 너클 프레스 , 링크 모션 프레스 ,펀칭 프레스 , 트렌스퍼 프레스 , 고속 프레스 , 수치제어 터렛 펀칭 프레스

(2). 유압식 프레스 딥 드로잉 프레스 ,압출 프레스 ,파인 블랭킹 프레스 (3). 절단 , 절곡기 수치제어 절단기 , 기계식 절단기 , 유압식 절단기 , 수치제어 절곡기 , 기계식 절곡기 ,

유압식 절곡기 ,파이프 밴딩기 (4). 단조기 에어 햄머 ,냉간 단조 프레스 ,열간 단조 프레스 ,볼트 * 너트훠머 (5). 인발기 와이어 드로잉 머신 (6). 기타 성형 기계 스프링 머신 ,벤딩 롤러 ,롤 포밍 머신 , 스피닝기


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2). 대형 장비의 일반적인 분류


수평형

수직형

H.B.M(Horizontal Boring and Milling Machine )

V.B.M(Vertical Boring and Milling Machine )

P/M(Planomiller,Portal Machine )

GANTRY(GANTRY type vertical milling machine )

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1). 머시닝 센터의 종류 (1). 수평형 머시닝 센터 머시닝 센터는 가공 공정의 집약과 자동화를 목적으로 1958 년 미국의 카네이 &드렛카

(社 ) 에서 최초로 개발 되었으며 우리나라에는 1970 년말에 해외 기술 도입으로 양산하게 되었음 .

머시닝 센터는 자동차산업을 비롯하여 금형 , 항공기 산업등 광범위하게 사용되고 있으며 각 산업의 상품 개발 기간단축과 코스트 다운의 필요성이 높아지면서 고속 고정도의 기종개발을하게 되었다 .

수평 머시닝 센터는 머시닝 센터로서는 처음으로 개발되었으며 APC(Auto Pallet Changer)를 장착하여 수직형에 비하여 NC프로그램은 복잡하나 효용 가치는 넓다 .

또한 수평형은 자동화에 유연하게 적용되고 2-PALLET,4-PALLET,6-PALLET 등으로 FMS(Flexible Manufacturing System) 의 기초가 되었으며 초기 공장 LAY -OUT 구성시 제품의 특성에 따라 다르겠지만 보통 수평형과 수직형의 비율은 3:1또는 3:2 정도의 비율로 배치한다 .

TOOL MAGAZINE 은 보통 기계와 분리 되어 있지만 일체형도 있으며 공구를 장착할수 있는 수량은 보통 40 개∼ 60 개 수준이나 특히 MANIFOLD와 같이 많은 공구를 소요로 하는 부품 작업을 위해 100 개 이상도 장착할수 있도록 한 장비도 있다 .

주축 회전이 20,000rpm, 급속이송 속도 60m/min 이 실용화 되고 있다 .

4. 머시닝 센타

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(2). 수직형 머시닝 센터 수직형 머시닝 센터는 고정도 및 난삭재질의 중절삭을 위해 적합하며 위치 결정 정도가

3 5∼ ㎛의 기계가 시판 되고 있다 . 공작물의 교체시간의 단축과 공정 집약화를 목적으로한 복합화가 이루어 지고 있으며

연삭기능을 추가한 그라인딩 센터도 개발되고 있고 기존축에 부가적으로 1 2∼ 개 추가하여 복잡한 자유곡면의 형상을 가공 할수 있도록 하여 고효율을 추구하고 있다 .

주축 회전수는 70,000 rpm, 급속 이송속도는 60m/min 정도의 초고속으로 항공기 부품의 절삭가공에 위력을 발휘하고 있다 .

(3).문형 머시닝 센터 플레이너형 머시닝 센터로 고정도 및 난삭재질의 중절삭작업을 하기에 적합한 장비로 지그

보링기 수준의 정도를 지향한 것도 개발 되었으며 머시닝 센터 중에서 가장 고정도를 낼수 있는 장비다 . 당사에는 수직형 마작 장비와 대형장비 중 PMC 장비가 이에 해당된다 .

4. 머시닝 센타

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2). 생산 시스템 발전 방향 (1). 공작기계 발전역사

4. 머시닝 센타

생산성

유연성

GOAL

FMS

FTL

MMC

TL

공작기계의 시작 (1850)

NC 프로그램제어

머시닝센타

ATC, 복합화

자동반송자동창고

컴퓨터 컨트롤단동기

전용기

모듈머신

다축화

자동반송전용화

변종변량생산시스템즉납성 , 안정성

- 병렬생산- 다이나맥 스케쥴링

- 공정집약- 복합화

- 고속가공

양의 변동질의 다양화기술의 진보

초혼류성 ,확장성 , 진화성-프로그램처리 , 지능화 처리- 시스템 구성요소의 자율화

생산성

유연성

GOAL

FMS

FTL

MMC

TL

공작기계의 시작 (1850)

NC 프로그램제어

머시닝센타

ATC, 복합화

자동반송자동창고

컴퓨터 컨트롤단동기

전용기

모듈머신

다축화

자동반송전용화

변종변량생산시스템즉납성 , 안정성

- 병렬생산- 다이나맥 스케쥴링

- 공정집약- 복합화

- 고속가공

양의 변동질의 다양화기술의 진보

초혼류성 ,확장성 , 진화성-프로그램처리 , 지능화 처리- 시스템 구성요소의 자율화

복합화( 가공 , 계측 , 조립 )

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(2). 생산시스템 발전 생산 시스템이라 하는 것은 TL(Transfer Line),FTL(Flexible Transfer Line),FMS(Flexible Ma

nufacturing System),FMC(Flexible Manufacturing Cell) 로서 TL 에 대해서는 자동차 부품 생산용 위주로 구성되어 활용되고 있지만 20 년후가 되면 순수한 TL 은 사라지고 FTL 만이 살아 남을 것이다 . FTL 도 라인 생산 방식보다도 병렬식으로 기술 혁신에 대응하기 쉽고 유연한 생산 시스템 정착이 예상된다 .

FMS 는 살아 남겠지만 그렇게 번성하지는 못할 것이다 . 그러나 FMC 는 각 분야에 기능의 세분화를 통해서 적용될 것으로 보이며 여기에 ROBT 의 접목이 예상된다 .

또한 현재 공작기계의 절반이 자동차 부품 생산을 위한 것이지만 자동차 엔진이 모터 또는 연료 전지 구동으로 정착이 될 경우 실린더 블록 ,실린더 헤드 , 미션등 상당 부분이 없어지게 되어 공작기계 시장의 지각 변동도 무시해서는 안된다 .

4. 머시닝 센타

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증기 기관차의 발명으로 공작기계의 필요성이 대두되어 공작기계 산업이 발전하게 되었고 출시후 100 여년후에는 NC 장비기 나오게 되면서 기하급수 적으로 공작기계산업이 발전하게 되었다 .

NC 장비의 출현이 비록 50 여년 정도에 지나지 않으나 산업발전의 원동력이 되었고 우리의 생활에 많은 변화를 가져다 주었으며 앞으로도 많은 변화를 요구하고 있다 .

또한 자동차의 원료인 석유의 대체물질이 이미 개발 되고 있지만 개발되었다고 할경우 자동차 엔진의 필요성이 없어지게 되고 공작기계의 대부분이 자동차 산업에 차지 하고 있는 비중을 감안하면 경이적인 변화가 불을 보듯하며 , 현재 모타의 대부분이 리니어 모타로 교체되지 말라는 법이 없을 것이다 .

그러므로 우리는 지금까지의 변화는 필요성에 따라 대처를 하면 되었지만 앞으로는 미래의 필요성을 미리 예측 파악하여 대처 하지 않으면 살아 남을 수가 없을 것이고 이것을 얼마나 사업화 하여 미래의 수요에 부응하느냐에 기업의 생존이 직결 되어있다 .

5. 결론

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공작기계의 발전 동향