공작기계.

기계를 제작하기 위한 모든 기계를 공작기계라 칭한다.  

산업 현장의 기본이 되는 기계로 자동차 부품가공, 금형가공, 연삭 등에 주로 사용된다.  <script async src="https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js"></script>

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주요 제품으로 선반·밀링·머시닝 센터 등이 있다. 이들 공작기계에 수치제어장치(NC) 서버모터 등을 장착한 NC공작기계가 일반화되는 추세다. 목공기계와 금속기계로 대별할 수 있으나, 일반적으로 금속기계를 말한다. 

절삭공구를 사용해서 금속의 절단, 절삭, 나사내기, 연삭 등을 행하며 종류에는 선반을 비롯해서 밀링머신, 보오링머신, 드릴링머신, 플레이닝머신, 슬로팅머신, 그라인딩머신, 기계톱 등이 있다. 기계를 제작하기 위한 기계를 총칭하는 말로서 일반적으로는 금속 가공 기계를 말한다. 

절삭(切削) 공구를 사용하여 금속의 절단, 절삭, 구멍 파기, 드릴링, 나사 절삭, 연삭(硏削) 등을 하는 기계이며 선반(族盤)은 대표적인 공작 기계이다. 

공작기계의 종류는 대단히 많으나, 크게 나누면 범용(汎用)공작기계와 전용(專用)공작기계로 분류된다. 옛날부터 사용되고 있는 것은 범용공작기계로, 가공물의 재질·종류 등 상당히 넓은 범위에 걸쳐 가공할 수 있다. 

절삭속도도 넓게 변화시킬 수 있으며, 가공방식도 많은 것을 할 수 있게 되어 필요에 따라 가공조건을 선택하여 어떠한 것이라도 가공이 쉽게 되도록 만들어져 있다. 

전용공작기계는 단지 한 종류만 가공할 수 있도록 되어 있다. 재료의 설치·가공속도·이송속도 등 모두가 한 종류이며, 변화시킬 수 없다. 따라서, 전용기의 구조는 비교적 간단하고 조작도 수월하며 경제적이므로, 대량생산용이다. 자동차의 엔진블록 가공용인 트랜스퍼머신도 여러 개의 전용기를 조합한 것으로, 규모는 상당히 크지만 전용기의 일종이다. 시계의 부품 제작용 자동기계도 전용기이다. 

공작기계에는 피공작물을 절삭할 때 공작물을 회전시키고 커터를 직선운동시키는 것과 커터를 회전시키고 공작물을 직선운동시키는 것이 있다. 또 양쪽 모두 회전운동으로 절삭하는 것이 있고, 양쪽 모두 직선운동으로 절삭하는 것도 있다. 그리고 공작물의 설치 위치, 커터의 장치 위치, 공작물과 커터의 상호 위치 등도 다양하므로, 이들을 조절하는 장치도 붙어 있다. 

절삭하는 경우의 운동방식으로 보면 회전운동에 의한 절삭방식을 취하는 것에는 공작물이 회전하는 선반·터릿선반 등이 있고 커터가 회전하는 것으로는 밀링머신·보링머신·드릴링머신·연삭기 등이 있다. 직선운동 절삭방식을 취하는 것으로는 셰이퍼·플레이너·슬로터·브로칭머신 등이 있다. 특수한 것으로 상당히 복잡한 구조를 가진 기어절삭기·나사절삭기 등이 있다. 

최근에 개발되어 실용화된 방전(放電) 가공기·초음파가공기 등도 공작기계의 일종이지만 이것들은 회전부분이 하나도 없다. 종래의 공작기계에서는 가공이 불가능했던 경질재료(硬質材料) 또는 6각형이나, 7각형과 같은 복잡한 모양의 가공도 쉽게 할 수 있다. 

나무를 깎아서 원형봉(圓型棒)을 만드는 일은 오랜 옛날부터 있었으므로, 이를 위한 간단한 장치도 10세기경부터 만들어졌다. 이 장치는 잘 휘는 판자가 천장에 매달려 있고, 판자의 한쪽 끝부분이 벽 등에 고정되어 있으며 반대쪽 끝부분에는 줄이 매어져 있다. 

이 줄이 작업대에 있는 원형봉에 감아져 있고, 작업대 아래의 발판까지 연결되어 있다. 그래서 발판을 밟으면 원형봉이 회전하게 되고, 원형봉에 피가공물을 고정시키면 함께 회전하게 된다. 여기에 커터를 손으로 조작하며 가공하는 기계가 만들어져서, 원형봉을 깎는 공작기계로서 널리 사용되었다. 

천장에 고정시킨 이 휨판을 영어로 ‘lath’라 하며, 이것이 선반(lathe)의 어원(語源)이 되었다. 18세기 영국의 산업혁명 당시 기계기술자 H.모즐리는 정확하게 나사를 절삭하는 나사절삭 선반을 제작하였다. 전체 길이가 36인치(91.4cm)인 이 선반은 종래와 같은 목제가 아니고 모두 금속으로 만들어졌으며, 커터는 공구대에 장치되고 공구대는 1개의 이송(移送) 나사에 의하여 좌우로 움직이게 되어 있었다. 

이 커터를 장치하는 공구대와 그 공구대를 자동적으로 이송하는 고안은 획기적인 것으로서, 모즐리의 전(全)금속제 이송대붙이 선반은 오늘날의 선반의 원형(原型)이 되었다. 이 이송대붙이 선반의 완성으로 기계부품의 제작은 숙련공이 아닌 공원으로도 할 수 있게 되어 기계제조산업의 일대 비약을 가져왔다. 이것으로 사람의 손에 의지했던 선삭가공(旋削加工)의 기계화가 이루어져, 기계가 사람의 손보다 훨씬 정확하고, 또한 빨리 일을 하게 되었다. 

와이어트(Wyatt)와 폴에 의한 인출(引出) 롤러의 발명이 방적기계(紡績機械)의 개량 ·발전을 촉진하여 산업혁명의 계기가 되었으며, J.와트의 증기기관이 강력한 동력을 제공하고, 또한 모즐리의 선반 발명이 혁명을 완료시킨 것으로 알려져 있다. 

모즐리의 선반을 계기로 하여 그 밖의 공작기계도 잇따라 제작되었으며, 와트가 발명한 증기기관의 실린더는 E.C.윌킨슨의 보링머신으로 만들어졌고, 그레이트 브리튼호(號)에 설치된 엔진의 차축은 J.네이스미스의 전기 해머로 만들어졌다.

 J.휘트워스는 19세기 1850년대에 선반을 비롯하여 플레이너·셰이퍼·슬로터·펀칭머신·전단 나사절삭기·기어절삭기 등 많은 공작기계를 제조하였다. 산업혁명의 초기에는 기계가 해당 공장에서 직접 제작되었지만, 점차적으로 기계를 제작하는 산업이 독립적인 영역으로 발전하였다. 

여기에는 공작기계산업의 아버지로 불리는 모즐리의 역할이 컸다. 모즐리는 브라마의 조수로 공작기계에 입문하였고, 1791년에 세계 최초의 금속제 선반을 만들었다. 

1797년에는 정교한 나사절삭용 선반을 개발했으며, ‘로드 챈슬러’라는 극미계도 선보였다. 그는 포츠머스 조선소, 리치몬드 호, 템스 터널에도 이름을 남겼으며, 많은 제자들을 양성하여 공작기계산업의 일가를 이루었다.

대체로 19세기 중에 오늘날의 공작기계가 거의 탄생하였다. 20세기에 들어와 여러 공작기계는 개량되어 두드러진 성능 향상이 이루어졌으며, 자동기계 등이 여러 방면에서 채택되기 시작하였다. 

제2차 세계대전 후에는 소재에서 완성까지를 1대의 기계로 가공하는 트랜스퍼머신이 출현하여 오토메이션의 계기를 마련하였다. 더욱이 전자공학의 발달로 수치제어(numericalcontrol:NC) 공작기계가 제조되어 20세기 후반이 되면서 실용화되고 있다. 

오늘날 많은 제품은 기계를 통해 생산된다. 그렇다면 기계는 무엇으로 만드는가? 기계를 만드는 것도 기계이다. 이처럼 기계를 만드는 기계를 공작기계(machinetool)라 하며, 공작기계에는 엄마 기계(mother machine)라는 별칭이 따라다닌다. 

산업혁명의 초기에는 기계가 해당 공장에서 직접 제작되었지만, 점차적으로 기계를 제작하는 산업이 독립적인 영역으로 발전하였다. 여기에는 공작기계산업의 아버지로 불리는 헨리 모즐리(HenryMaudslay, 1771~1831)의 역할이 컸다. 그는 1797년에 정교한 나사절삭용 선반(screw-cuttinglathe)을 개발하여 공작기계산업을 탄탄한 반석 위에 올려놓았다.

공작기계산업은 

윌킨슨(JohnWilkinson)이 1774년에 우수한 천공기(boringmachine)를 개발함으로써 출현하기 시작하였다. 사실상 윌킨슨의 천공기가 있기 전에는 증기기관의 정밀도가 매우 떨어졌다. 1760년대에 제작된 증기기관에는 실린더와 피스톤 사이에 1/2인치나 되는 틈이 있을 정도였다. <script async src="https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js"></script>

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와트(JamesWatt)가 자신의 증기기관에 적합한 원통형 실린더를 제작할 수 있었던 것도 윌킨슨의 천공기 덕분이었다. 그 후 윌킨슨은 20년 동안 와트의 증기기관에 필요한 실린더를 단독으로 공급할 수 있었다. 브라마의 자물쇠는 수많은 수작업이 필요했기 때문에 성공한 상품이라기보다는 진기한 물건에 가까웠다. 

브라마는 자신의 자물쇠를 대량으로 생산하려는 계획을 가졌고, 1789년에 자신을 도와줄 조수로 모즐리를 고용했다. 그 때 브라마의 나이는 40세였고 모즐리의 나이는 18세에 불과했다. 브라마에게 고용되기 전에 모즐리는 병기공장에서 근무하고 있었는데, ‘금속세공의 영재’라 불릴 정도로 재능이 뛰어났다. 모즐리는 철제 부품만으로 된 선반을 개발하는 데 도전했다. 

어미나사는 물론 공구 이송대(sliderest), 선반 지지대 등을 모두 철로 만든다는 것이었다. 또한 그는 부품들이 개별적으로 제공하는 것보다 훨씬 높은 정밀성을 얻기 위하여 전체 부품을 통합적으로 설계했다. 이를 통해 모즐리는 늦어도 1791년에 세계 최초로 금속제 선반을 금속가공작업에 사용할 수 있었다. 모즐리의 혁신은 계속되었다. 

그는 밀링 머신의 원조라 할 수 있는 회전식 줄(rotaryflies)을 개발하여 공작물을 비대칭 모양으로 가공하는 데 사용했다. 브라마가 1795년에 수압 프레스를 제작할 수 있도록 자동조절장치를 개발한 사람도 모즐리였다. 모즐리는 공장 관리인으로 승진했지만, 브라마는 여전히 1주일에 30실링의 급여밖에 지급하지 않았다. 결국 모즐리는 1797년에 브라마를 떠나 런던 시내에 자신의 기계공작소(machineshop)를 차렸다. 

모즐리가 공작기계산업에 투신하게 된 계기는 브라마(JosephBramah)가 제공하였다. 

브라마는 수세식 화장실(flushtoilet), 자물쇠, 맥주통 꼭지, 수압 프레스(hydraulicpress) 등을 발명한 유능한 기술자이다. 그가 1784년에 발명한 자물쇠는 매우 견고하고 복잡해서 열쇠 없이 따는 것이 거의 불가능했다. 

자신의 자물쇠에 큰 자부심을 가지고 있었던 브라마는 열쇠 없이 자물쇠를 여는 사람에게 200기니를 주겠다는 광고를 냈다. 그 후 67년 동안 아무도 이 자물쇠를 따지 못했다. 

마침내 1851년에 런던 만국박람회에 참석한 어떤 미국인 열쇠공이 브라마의 자물쇠를 여는 데 성공했다. 당시에 그가 자물쇠를 따는 데 걸린 시간은 50시간이 넘었다고 한다. 모즐리는 나사절삭용 선반을 개발하는 과정에서 측미계(micrometer, 극미량을 측정하는 기구)의 성능을 개선하는 성과도 올렸다.

 당시의 측미계는 0.2mm 크기까지 정확한 측정이 가능했는데, 모즐리가 개발한 측미계는 0.02mm 미만의 차이도 측정할 수 있었다. 모즐리는 자신의 측미계에 영국의 대법관을 의미하는 ‘로드 챈슬러(LordChancellor)’라는 이름을 붙였다. 그는 로드 챈슬러로 오류를 전혀 찾을 수 없을 때까지 계속 반복해서 나사를 깎는 실험을 했다. 

모즐리는 공작기계산업의 관건이 어미나사의 정확성에 달려있다는 점을 꿰뚫고 있었다. 당시에는 어미나사가 정확하지 않아 그것이 그대로 나사 제작에 옮겨지고 있었다. 

그는 우수한 어미나사를 사용하여 원하는 수준의 나사 피치를 만들 수 있는 선반을 제작하는 데 매달렸다. 그 결과 모즐리는 1797년에 나사절삭용 선반을 선보일 수 있었다. 

모즐리의 선반에서는 공작물의 회전에 따라 공구가 자동적으로 이동하여 균일한 절삭을 할 수 있었다. 그것은 이후에 지속적으로 개량되어 1800년부터 산업계에 널리 보급되기 시작했다. 

모즐리의 나사절삭용 선반은 대형 기계용 부품을 제작하는 데 사용된 최초의 공작기계로 평가되고 있다. 선반은 어미나사(leadscrew)를 제외하면 거의 모든 부품이 나무로 만들어졌다. 나무는 아무리 단단해도 흔들릴 수밖에 없으므로 정밀한 금속가공에 한계가 있었다. 사실상 나무 부품의 흔들림 때문에 가장 날카로운 절삭날을 사용하더라도 정밀도 0.1cm 이내의 절삭은 불가능했다. 이 수치는 약 7.6cm 크기의 자물쇠에게는 막대한 오차였다.

1802년에 모즐리는 마크 이점바드 브루넬(MarcIsambardBrunel)과 계약을 체결했다. 

영국 해군의 가장 큰 공장인 포츠머스 조선소에 활차장치(pulleyblock)를 설치하는 업무였다. 브루넬은 1793년에 활차장치에 대한 특허를 받았는데, 그것을 포츠머스 조선소에 적용하고자 했다. 모즐리는 브루넬의 도안을 개선하여 모든 부품을 주철로 만들고 진동이 발생하지 않도록 조정했다. 

포츠머스 조선소에 설치된 활차장치 제작소는 이후에 많은 사람들이 찾는 명소로 거듭났다. 지금도 잘 보존되어 있는 그곳에는 모즐리가 만든 톱, 드릴, 끌 등이 전시되어 있다. 모즐리는 1810년에 런던 남부의 램버스로 가게를 옮겼다. 당시에 모즐리는 유능한 제도사인 필드(JoshuaField)를 파트너로 영입했고, 모즐리의 가게는 모즐리 앤 필드(Maudslay & Field)라는 합자회사로 거듭났다. 

이후에 모즐리의 램버스 공장은 증기선에 필요한 엔진을 생산하는 데 주력했으며, 모즐리는 1815년에 템스 강을 운항한 리치몬드(Richmond) 호의 엔진을 제작했다. 

1825~1842년에는 마크 브루넬이 템스 터널을 만드는 공사를 주관했는데, 그 때 모즐리는 터널 내부의 습기를 제거하기 위해 증기펌프를 제작하여 공급하기도 했다. 모즐리의 사업은 계속해서 번창하였다. 

1800년에는 직원이 80명이었지만, 1810년에는 200명으로 늘어났다. 영국의 곳곳에서 모즐리를 스승이나 멘토로 삼으려는 사람들이 몰려들었다. 

로버츠(RichardRoberts), 휘트워스(JosephWhitworth), 클레멘트(JosephClement), 조지프 모즐리(JosephMaudslay), 네이스미스(JamesNasmyth) 등이 그들이다. 

뮬 방적기로 유명한 로버츠는 1817년에 부품의 평면을 가공할 수 있는 평삭반을 발명하였고, 표준나선 측정법을 정립한 휘트워스는 1842년에 자동평삭반을 개발하였다. 모즐리와 그의 제자들의 노력을 매개로 19세기에 들어와 공작기계산업은 독자적인 산업으로 자리 잡기 시작했다. 

공작기계산업은 1774년에 제정되었던 기계수출금지령이 1825년에 철폐되면서 더욱 번성할 수 있었다. 

특히, 1840년을 전후하여 철도와 증기선의 시대가 개막됨으로써 공작기계산업은 급속히 발전하는 양상을 보였다. 1851년에 영국에서 기계제조업을 담당하는 기업의 숫자는 1,044개로 집계되었는데, 그 중 35개는 100명 이상을 고용하고 있었다.CharlesBabbage)와 함께 기계 컴퓨터의 원형인 미분기를 제작했으며, 모즐리의 셋째 아들 조지프는 선박용 쌍기통 엔진에 대한 특허를 받았다. 

1839년에 네이스미스가 발명한 증기해머는 선박이나 기관차에 필요한 대형 부품을 제작하는 데 널리 사용되었다.네이스미스는 1883년에 발간한 ≪자서전≫으로도 이름을 날렸다. 그는 1829년에 모즐리의 제자로 입문하던 시절을 회고하면서 모즐리의 두 가지 원칙을 소개했다. 

첫 번째 원칙은 “우선 네가 만들려고 하는 것에 관한 분명한 생각을 얻으라.”였고, 두 번째 원칙은 “불필요하게 복잡한 일을 피하고 가능한 한 모든 것을 간단하게 하라.”였다. 이어 네이스미스는 “내가 지금까지 만났던 사람 중에 줄의 능숙한 사용에서 헨리 모즐리를 능가한 사람은 아무도 없다.”고 덧붙였다. 기계를 만드는 기계라고도 하며, 기계공업의 기초가 되는 중요한 기계이다. 

넓은 뜻으로 단조·압연(壓延)·프레스·전단(剪斷) 등의 가공기계까지 포함시키는 경우도 있으나, 일반적으로는 기계공작의 기초가 되는 절삭·연삭 등과 같이 절삭 칩(chip)을 내면서 금속 등의 재료를 가공하여 필요한 모양을 만들어 내는 기계를 말한다. 

피가공물을 소정의 모양으로 깎아내기 위하여 바이트·드릴빗·밀링커터와 같은 커터를 사용하여, 피가공물 또는 커터를 회전시키거나 왕복운동시켜 강제적으로 절삭가공한다. 

절삭(切削)이나 연삭가공(硏削加工)에 의해 완성품을 만드는 기계. 차량기지와 차량공장에는 일반적으로 사용되는 선반(旋盤, lathe) 등의 범용기와 차량전문으로 사용되는 차륜선반(車輪旋盤)과 같은 전용기(專用機)가 있다. 

공작기계의 종류는 대단히 많으나, 크게 나누면 범용(汎用)공작기계와 전용(專用)공작기계로 분류된다. 옛날부터 사용되고 있는 것은 범용공작기계로, 가공물의 재질·종류 등 상당히 넓은 범위에 걸쳐 가공할 수 있다. 

절삭속도도 넓게 변화시킬 수 있으며, 가공방식도 많은 것을 할 수 있게 되어 필요에 따라 가공조건을 선택하여 어떠한 것이라도 가공이 쉽게 되도록 만들어져 있다. <script async src="https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js"></script>

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전용공작기계는 

단지 한 종류만 가공할 수 있도록 되어 있다. 재료의 설치·가공속도·이송속도 등 모두가 한 종류이며, 변화시킬 수 없다. 따라서, 전용기의 구조는 비교적 간단하고 조작도 수월하며 경제적이므로, 대량생산용이다. 자동차의 엔진블록 가공용인 트랜스퍼머신도 여러 개의 전용기를 조합한 것으로, 규모는 상당히 크지만 전용기의 일종이다. 

시계의 부품 제작용 자동기계도 전용기이다. 공작기계에는 피공작물을 절삭할 때 공작물을 회전시키고 커터를 직선운동시키는 것과 커터를 회전시키고 공작물을 직선운동시키는 것이 있다. 

또 양쪽 모두 회전운동으로 절삭하는 것이 있고, 양쪽 모두 직선운동으로 절삭하는 것도 있다. 그리고 공작물의 설치 위치, 커터의 장치 위치, 공작물과 커터의 상호 위치 등도 다양하므로, 이들을 조절하는 장치도 붙어 있다. 

절삭하는 경우의 운동방식으로 보면 회전운동에 의한 절삭방식을 취하는 것에는 공작물이 회전하는 선반·터릿선반 등이 있고 커터가 회전하는 것으로는 밀링머신·보링머신·드릴링머신·연삭기 등이 있다. 

직선운동 절삭방식을 취하는 것으로는 셰이퍼·플레이너·슬로터·브로칭머신 등이 있다. 

특수한 것으로 상당히 복잡한 구조를 가진 기어절삭기·나사절삭기 등이 있다. 최근에 개발되어 실용화된 방전(放電) 가공기·초음파가공기 등도 공작기계의 일종이지만 이것들은 회전부분이 하나도 없다. 

종래의 공작기계에서는 가공이 불가능했던 경질재료(硬質材料) 또는 6각형이나, 7각형과 같은 복잡한 모양의 가공도 쉽게 할 수 있다. 

공작기계란 주로 금속재료를 절삭 또는 연마하여 기계부품을 제작하기 위한 기계를 말하였으나, 근래에는 방전(放電)·전해(電解)·초음파 가공기 등 절삭 또는 연마법에 의하지 않은 여러 가지 공작기계가 등장하게 되었다. 

금속소재를 가공하여 각종 기계부품이나 기계를 만들어내는 공작기계의 기능은 근대산업 발달상 중요한 위치를 차지해 왔기 때문에 공작기계를 기본적인 기계 또는 머더머신(mothermachine)이라고 하였으며, 공작기계를 만드는 산업, 즉 공작기계 공업이 전통적으로 국민경제발전을 위한 기술적인 기반이 되는 기간산업으로 간주되는 이유도 여기에 있다. 

** 또 다른 볼거리,

https://happyday6200.blogspot.com            

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https://happyday2100.tistory.com             

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