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공작기계
편집공작기계
편집工作機械
고대사(古代史)를 보면 석기시대·청동기시대란 이름의 연대가 나온다. 이것은 인류가 수렵·벌채 등의 도구로서 오로지 석기나 청동기만을 사용한 시대임을 보여주고 있다. 생활상 필요했던 도구는 그것을 만드는 도구에 의해서 발전을 거듭하고, 드디어 오늘날처럼 기계로 기계를 만드는 단계에까지 발전하였다.
공작기계는 각종 기계를 만드는 기계이다. 기계의 중요한 부분은 절삭·소성(塑性)가공·전기적 가공법 등으로 만들어 내는데, 이와 같은 가공을 하는 기계는 모두 공작기계라고 불러도 좋지만, 대체로 금속 절삭 공작기계만을 공작기계라 부르는 경우가 많다.
이 경우 소성가공 공작 기계는 금속가공기계라고 부른다. 또 공작기계에 의해 가공되는 물건을 공작물이라 한다.
공작기계의 성능은 좋은 제품을 빠르고 싸게 만드는 목표를 향해서 항상 개량되어 왔으며 우수한 공작기계를 고안하고 또 제작할 수 있는 나라는 결국 다른 모든 기술수준도 높다고 보아야 할 것이다.
공작기계의 성능과 진보
편집工作機械－性能－進步
좋은 제품이란 형상(形狀)·치수가 정확하고 표면의 요철(凹凸)이 적은 것을 말한다. 실린더의 구멍이 부정확하면 피스톤의 형태가 정확한 원(圓)일지라도 조립시켰을 때 틈새가 생겨 성능이 불량해진다. 또한 실린더가 정확한 원일지라도 길이의 방향으로 직경이 고르지 못하고 호리병박 같은 형상을 하고 있어도 곤란하다. 둥글어야 할 것은 둥글게, 똑바라야 할 것은 똑바르게 가공되지 않아서는 성능이 좋을 리 없다. 그러므로 결국 공작기계 자체의 운동이 정확하게 진행되지 않아서는 안 된다. 그러나 공작기계도 부분품의 조립으로 이루어진 것인 이상 완전한 것일 수는 없으며, 조금씩 개량하면서, 일보일보 끈기 있게 완전한 원(圓)이라든가 직선적인 것을 만들 수 있는 단계로 발전을 계속해 왔다. 오늘에 와서는 0.001㎜(1마이크론) 단위로 제품의 양부(良否)를 논하는 단계에까지 이르게 되었다.
생산의 속도를 높이기 위해서는 공작기계가 일정시간 안에 처리하는 공작물의 수를 늘리지 않으면 안 된다. 우선 동일시간 내에 될수록 많이 절삭(切削)할 수 있도록 해야 하며 그러기 위해서는 고속화하기도 하고, 한번에 많은 양을 깎아낼 수 있도록 강력한 것으로 한다. 고속화하면 다듬질면(面)이 고와지는 효과도 있다. 또한 공작물이나 공구를 붙이고 떼는 조작을 짧은 시간 내에 할 수 있도록 하고 기계의 조작(操作)에서 실수가 생기지 않도록 간편하게 해 준다.
동일 종류의 공작물을 계속해서 가공할 때에는 공작물이라든가 공구를 이리저리 움직이는 일과 공구를 부착하고 떼어내는 조작을 자동화한다. 이처럼 능률을 높이는 여러 가지 조건에 맞추어 만들어진 튼튼하고 좋은 장비의 공작기계는 당연히 값이 비싸지만 가격이 높은 기계를 사용하더라도 능률이 향상되고 좋은 질의 제품을 생산해 낼 수만 있다면 도리어 유리한 것이다.
한마디로 공작물이라고 하지만 큰 것과 작은 것, 생김새가 간단한 것과 복잡한 것, 한 종류의 것을 몇 개밖에 만들지 않는 것과 대량으로 만들 필요가 있는 것 등 여러 가지가 있다. 자동차라든가 전화제품처럼 동일 부품을 수만 개나 만들 경우에는, 그 부품 전용(專用)의 공작기계를 사용하는 편이 경제적이고 능률적이다. 이와 같은 것을 전용(專用)공작기계라고 하는데 이와는 반대로 다종소량생산(多種少量生産)을 하기에 알맞는 용도(用途)가 넓은 공작기계는 범용(汎用)공작기계라고 한다.
전용공작기계는 작업 내용이 정해져 있으므로 자동화하기 쉽고, 또 자동화해서 능률을 올리는 편이 유리하다. 범용공작기계로 다루는 공작물은 자주 변동되므로 자동화(自動化)하기는 어려우며, 숙련작업자(熟練作業者)의 솜씨 여하에 따라 공작물의 질과 가공시간이 좌우된다.
그러나 최근에는 전자(電子)장치를 도입하여 기계를 지령(指令)대로 가동(稼動)시킬 수 있는 수치제어(數値制御) 방식이 실현되었다. 이것을 이용하면 다종 소량생산이라도 지령테이프를 바꾸는 것만으로써 각종 작업을 자동적으로 하게 되므로, 작업자는 미숙련자라도 차질이 없게 되었다.
공작기계의 종류
편집(工作機械－種類) 공작기계는 공작물과
공구 사이에 상대운동(相對運動) 부여함으로써, 공작물을 원하는 형상과 치수로 만들어
내는 것인데, 운동은 기본적으로는 직전운동과 회전운동의 조합으로써 이뤄졌다(〔그림〕－1).
가령 원통형으로 깎는 선반(旋盤)의 경우 공작물을 회전시키면서 바이트를 가져다
대면 둥글게 깎인다. 바이트를 회전축에 평행인 방향으로 이동해 가면 원통으로 깎여진다.
직경을 바꾸려면 바이트를 공작물의 반경 방향으로 직진시키면 된다. 바이트 대신에
숫돌바퀴를 사용하면 원통형 연삭(硏削)이 가능하다. 이것이 롤 연삭기인데, 선반의
운동에 원형 연삭 숫돌의 회전운동이 첨가된 것이다.절삭운동을 주운동(主運動)으로
하고 절삭위치를 조금씩 이동하는 절삭이송 운동과, 파고 들어가는 위치를 바꾸는
이송운동(移送運動)을 종운동(從運動)이라 한다면, 이것들에 대하여 직진·회전 중의
어느 것을 부여하느냐에 따라서 여러 가지 공작기계가 생산된다. 주요한 범용공작기계를
살펴보면 〔표〕－1과 같다.
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절삭가공
편집환봉절삭
편집丸棒切削
선반(旋盤)의 주축(主軸)에 소재(素材)를 고정하여 회전시키고 이에 바이트를 지그시 갖다 대면 바이트에 접촉된 부분은 절삭되어 소재는 원형으로 깎인다. 바이트를 회전축의 중심선에 평행으로 천천히 이송하면 둥글게 깎인 부분이 계속적으로 확대되어 둥근 막대가 만들어진다. 공작물의 반경 방향으로 바이트의 위치를 바꿔 주면 단 (段)이 있는 축 (軸)·원추형·호리병박형 등의 축을 마음대로 만들 수 있다.
소재(素材)를 주축에 고정하는 데는 착(chuck)으로 물리는 방법, 면판(面板)이라 불리는 원판(圓板)에 볼트로 꽉 죄는 방법, 소재 양 단면(端面)의 중심에 조그만 구멍을 내서, 그 곳을 센터로 지탱하는 방법 등이 있다. 직경에 비하여 길이가 짧은 소재는 착으로 물리지만 긴 공작물은 다른쪽 끝을 센터로 지탱하기도 하고 착을 사용하지 않고 양단을 센터로 지탱한다. 센터는 정각(頂角)이 60° 혹은 90°인 원추형으로 되어 있는데, 큰 공작물에는 90°의 센터를 사용한다(〔그림〕－3).
커다란 공작물에서 길이가 짧은 것은 회전축이 수직방향을 향한 직립선반(直立旋盤)을 사용한다. 직립선반은 공작물이 무거워 착만으로는 가로방향으로 지탱하기 어려운 경우에 사용되는 것으로, 착을 위쪽을 향하게 하여 공작물을 그 위에 싣는 구조로 된 것이다. 직립선반인 경우, 착이나 면판에 해당하는 부분을
테이블이라 부른다.
다듬질한 면을 한층 더 매끄럽게 하고 치수를 정확하게 하고자 할 때에는 바이트 대신에 원형 연삭숫돌로 연삭(硏削)한다. 이 때 공작물은 천천히 연삭숫돌의 회전방향과 반대방향으로 돌린다. 공작물을 양단의 센터로 지탱하는 방식은 롤 연삭기이며, 공작물을 조정숫돌(調整砥石)과 받음판(受板)으로 지탱하는 방식을 센터리스 연삭기라 한다. 간단한 형상의 것을 대량생산하는 데는 센터리스 연삭기가 편리하다.
둥근 구멍의 절삭
편집－切削
보통 소재(素材)에 구멍을 뚫는 데에는 드릴을 회전시키면서 밀어 넣는다. 보통의 드릴은 트위스트 드릴로서, 선단(先端)에 2개의 칼날이 붙어 있다. 2줄의 홈은 절삭부스러기를 배출해 내는 데 도움이 된다. 특히 깊은 구멍에는 건드릴, 굵고 긴 구멍에는 BTA방식드릴이라 불리는 것이 쓰인다.
보통의 트위스트드릴로 뚫은 구멍은 거칠고 구멍의 표면은 울퉁불퉁한 꼴이 되는데 정확한 형상·치수로 하기 위해서 작은 구멍의 경우는 리마라 불리는 공구로 다듬질하고 큰 구멍일 때는 보링 다듬질을 한다. 보링이란 바이트로 구멍을 깎는 것이다.
구멍뚫기 작업에는 볼트의 구멍, 축(軸)을 통과시키는 구멍 등 종류가 매우 많으므로 쓰이는 기계의 종류도 많다.
드릴링머신에는 주축(主軸) 끝에 구배(勾配)가 붙은 테이퍼구멍이 있으며, 여기에 드릴이나 리마 등의 자루 부분(테이퍼 있음)을 끼운다. 가느다란 드릴이나 리마에는 자루에 테이퍼가 없고 드릴착을 주축 테이퍼 구멍에 꽂고, 그 착의 선단(先端)에 물린다.
드릴링머신에는 탁상드릴링머신·직립드릴링머신·레디얼드릴링머신 등이 있는데 큰 경(徑)의 구멍을 뚫을 수 있는 기계는 보링도 할 수 있다. 직립보링머신, 수평보링머신은 보링에 의해 구멍을 정확히 다듬질하는 것을 목적으로 한 것으로 공구주축(工具主軸)이 각각 수직·수평방향으로 마련되어 있으며 직립형(直立型)은 가공의 정확성을, 수평형(水平型)은 가공의 능률을 우선적(優先的)으로 고려한 것이라 할 수 있다. 최근에는 이들 기계는 밀링커터에 의한 평면 가공도 할 수 있게 되었으며, 보링밀링머신이라 부르는 편이 적절하다.
구멍의 정밀가공에는 정밀 보링머신에 의한 보링, 내면 연삭기에 의한 구멍 연삭 등이 적절한 방법이다. 내연면삭기의 경우 공작물은 착(chuck)에 의해 고정되며, 조그만 원형연삭숫돌이 고속으로 회전하면서 연삭한다. 숫돌은 주속(周速)이 낮으면 연삭효과가 좋지 않으며 숫돌의 소모가 커지므로 알맞는 주속(周速) (每分 1,000∼1,800m)이 되도록 고속회전할 필요가 있으며, 매분 수만 번 회전하는 것도 드물지 않다(〔그림〕－9·10). 구멍연삭은 정밀가공에 적합하기는 하나 가공능률이 높지 않아 대량생산용으로서는 불리하다. 그 때문에 보링을 한 뒤의 표면을 0.02∼0.05㎜ 정도 숫돌로 가볍게 깎아 내는 호닝이라 불리는 방법이 고안되었다. 용수철로 지탱되는 몇 조각의 숫돌을 쐐기로 버티거나 유압(油壓)으로 공작물에 밀어대면서 운동시켜 가볍게 연삭(硏削)하는 작업이다. 구멍의 호닝에서는 회전하는 숫돌을 축방향으로 왕복시킨다. 호닝은 표면 거칠기를 줄이고 구멍의 비뚤림을 수정하는 작용이 있으며, 대량생산에 적합한 방법인데, 긴 구멍가공도 할 수 있으므로 자동차 엔진의 실린더를 비롯하여 각종 실린더 다듬질에 쓰인다.
볼베어링(ball bearing)의 알이 구르는 궤도면은, 극히 사소한 요철(凹凸)이 있어도 소음의 원인이 되므로 아주 매끈하게 다듬질해야 한다. 그 때문에 내면연삭으로 다듬질한 뒤를 초(超)다듬질한다. 초다듬질은 조그만 숫돌을 가볍게 밀면서 이동시키고, 이동시키는 방향에 직각으로 진동을 부여하는 것으로, 연삭한 후에 남는 조흔(條痕)을 깎아 내는 정도로 멈춘다.
평면절삭
편집平面切削
평면은 직선을 가로로 쭉 늘어놓은 것이다. 그러므로 바이트를 직선으로 움직이면서 공작물을 옆으로 이송하면 평면이 깎인다. 이 방법은 형삭(形削)이라고 하며 셰이퍼(spaper)로 작업한다. 공작물이 큰 경우는 반대로 공작물을 직선운동시키고 바이트를 옆으로 이송한다. 이 작업도 평삭이라 불리며 플레이너(planer)를 사용한다. 보통 한 방향으로 갈 때만 깎고 돌아올 때는 깎지 않고 빠른 속도로 되돌린다.
바이트 대신에 몇 개의 칼날이 달린 회전공구, 즉 밀링커터로 바꿔 놓은 것이 밀링머신으로서, 밀링커터가 통과하는 가장 낮은 곳을 옆으로 연결하면 대략 평면이 된다. 밀링커터는 원통형이나 원판형(圓板形)으로 되었으며 통면(筒面)에 날이 달린 것과 접시형이나 봉상 단면(棒狀端面)에 날이 달린 것이 있다.
접시형의 큰 것은 식인정면(植刃正面) 밀링커터라고 하며, 평면을 만드는 데 있어서 가장 능률 좋은 공구이다. 막대모양의 엔드밀은 프레스형과 같이 복잡한 입체형상의 것을 만드는 데 편리하다(〔그림〕－13). 밀링커터를 부착하는 주축이 수평으로 위치한 것을 수평형, 수직으로 위치한 것을 직립형(直立型) 밀링머신이라 한다.
최근에는 식인정면 밀링머신이라든가 엔드밀을 사용하기 쉬운 직립형이 흔히 쓰인다.
밀링커터를 원형연삭숫돌 대신 쓰고 있는 것이 평면연삭기이다. 테이블이 각형(角形)이며 왕복운동(往復運動)하는 형식과 테이블이 원형이며 회전운동하는 형식 등이 있다. 원형연삭숫돌에도 원판상(圓板狀)의 것과 접시형의 것이 있다. 연삭은 표면이 평활(平滑)하며 치수가 정확한 평면을 얻기 위한 공정으로서 최근 아브레지브 머시닝(abrasive machining)이라고 해서, 거친 원형연삭숫돌을 고속도로 회전시키면서 고속도로 이송하는, 매우 고능률적 가공법이 고안되었다. 이 법은 깎기 거북한 재료의 절단이라든가 표면 절삭에 쓰이는데 표면의 평활성(平滑性)은 기대할 수 없다.
홈·곡면의 절삭
편집－曲面－切削
대개의 공작물은 원통과 평면의 초합(組合)으로 이루어진 것이 많다. 일견 복잡하게 보이는 부품, 가령 엔진의 실린더블록이라도 기계가공하는 부분은 대부분이 평면과 원통형으로 되었는데, 그것은 공작기계의 각 부분의 운동이 직진운동과 회전운동 중의 하나이며, 그 조합에 의해 원통이나 평면이 절삭되므로 실현이 수월한 점, 측정이 정확히 된다는 것 등 때문이다.
그런데 볼베어링(ball bearing)의 외륜(外輪)과 내륜에는 볼이 구르는 홈이 있는데 이 홈은 원호형(圓弧形)을 하고 있다. 이를 깎는 데에는 끝이 뾰족한 보통의 바이트로는 세로와 가로의 이송을 적당히 조합하여 원호상(圓弧狀)으로 움직이지 않으면 안 되고, 조작이 복잡해져 잔손이 많이 들 뿐 아니라 정확하게 깎기도 어렵다. 거기에서 날끝이 깎으려는 홈과 동일한 원호형태를 한 바이트를 사용하면, 바이트를 소재(素材)의 반경방향으로 이송할 뿐으로 정확한 홈이 만들어진다.
이처럼 깎고자 하는 공작물의 어떤 부분의 형상에 맞춘 바이트를 '총형(總形)바이트'라 부르며, 이에 의한 절삭법을 '총형절삭'이라 한다. 복잡한 형태로 된 부분을 절삭하는 데 흔히 쓰이는 방법이다(〔그림〕－8).
총형절삭의 결점은, 바이트의 형상을 정확하게 만드는 데에 시간이 걸린다는 점이다. 그 때문에 1개의 바이트로 여러 개를 깎을 경우, 혹은 공작물이 커서 깎은 뒤에 검사하기 힘들어 바이트를 정확하게 만드는 편이 유리한 경우에 한해서 사용하지 않으면 오히려 손해가 된다.
그런데, 끝이 뾰족한 바이트를 사용하더라도 바이트를 공작물과 동일하게 만든 형(型)에 따라 이송할 수 있다면 총형절삭의 결점을 보완(補完)할 수 있을 뿐 아니라 공작물의 크기에 관계없이 복잡한 형상의 것을 가공하는 데에도 효과적인데, 이것이 '모방절삭'이다. 특히 최근에 많아진 강판(鋼板)의 프레스가공용의 형(型), 플라스틱을 성형(成形)하는 데 쓰이는 형 등을 밀링커터 가공으로 만드는 경우에도 이 모방절삭 방식은 매우 편리하다.
모방절삭(切削)의 원리는 오래 전부터 이용되어 왔으며 네임(name)을 조각하는 조자기(彫字機)는 그 한 예이다. 형(型)에 상당하는 글자를 따라 움직이면 팬터그래프기구(機構)로 운동이 확대 또는 축소되어 형(型)대로 커터가 움직여서 조자(彫字)된다(〔그림〕－14). 그런데 이것을 일반적인 절삭(切削)에 적용하려면 절삭 중에 바이트나 커터에 작용하는 힘 이상의 커다란 힘으로 형(型)을 눌러야 하기 때문에 형이 닳기 쉽고 누르는 힘으로 인하여 변형되는 등의 원인으로 정확성이 저하한다. 이러한 결점을 제거하기 위해 형을 누르는 힘은 작게 하고 그 힘을 확대하는 기구(機構)를 사이에 넣어, 확대된 힘으로 공구를 움직이게 하는 방법이 이용된다. 그러한 기구로는 촉침(觸針)을 약한 용수철로 밀어 형(型)의 요철을 따라 촉침이 움직이게 하고 그 움직임을 유압(油壓) 또는 전압으로 바꾸어 유압이나 전압의 증폭작용을 이용하여 공구를 유압 실린더라든가 전동기로 움직이는 방법이 일반적으로 채택되고 있다.
모방절삭은 편리하지만 촉침(觸針)의 움직임에 따라 공구가 추수적(追隨的)으로 움직이는 방법이므로 촉침에 대한 공구의 움직임은 다소나마 늦게 마련이며 이것이 곧 가공의 오차로 나타난다. 따라서 변화가 급한 곡선을 모방할 때에는 이송하는 속도를 더디게 하지 않으면 오차가 커진다. 이송을 더디게 한다는 것은 능률을 저하시키는 것이며 바람직한 일이 못 된다. 그 때문에 좁은 범위에서, 곡선 변화가 심할 경우에는 총형절삭 쪽이 정확하기도 하고 능률도 높아서 유리하다.
치형과 나사의 절삭
편집齒形－螺絲－切削
톱니바퀴가 유연하게 맞물려 힘과 회전을 전달할 수 있는 까닭은 치형이 인볼류트(involute)·사이클로이드(cycloid) 같은 곡선으로 만들어져 있기 때문이다. 보통의 동력 전달용 톱니바퀴는 인볼류트, 시계처럼 작은 힘으로 회전(回轉)을 전달해야 할 톱니바퀴에는 사이클로이드 치형을 쓴다.
이들 치형을 절삭하는 데에는 성형법(成形法)과 창성법(創成法)이 있다. 치형의 곡선은 개개 톱니바퀴의 이의 크기·이의 기울기·이의 개수에 따라서 다른데, 어떤 특정 톱니바퀴의 치형 자체가 보여주는 형(形), 바꿔 말하면 이와 이 사이의 홈 형상을 한 바이트나 커터를 써서 형삭(形削)이나 밀링절삭을 하면 톱니바퀴를 만들 수가 있다. 이 방법을 성형법이라 한다(〔그림〕－15). 깎고자 하는 톱니바퀴와 맞물릴 수 있는 톱니바퀴의 형태 또는 웜(worm)형의 커터를 써서, 소재와 커터가 마치 맞물려서 운동하고 있는 것 같은 관계로 조정(調整)한 뒤에 형삭이나 밀링절삭을 함으로써 톱니바퀴를 만들 수도 있다. 이 방법이 창성법이다. 톱니바퀴형의 커터를 피니온커터(pinion cutter), 웜형커터를 호브(hob)라 한다.
창성법에 의하면 절삭하는 톱니바퀴의 이빨 수가 변하여도 동일한 커터로 절삭하여 올바른 치형(齒形)을 만들 수 있고, 완성된 크고 작은 톱니바퀴끼리는 정확하게 이가 맞는다. 성형법의 경우는 1개의 커터는 1종류의 톱니바퀴에만 대응하므로 톱니 수효가 다른 톱니바퀴를 만들면 이빨의 형태가 불량하게 된다. 그러나 다소의 치형오차(誤差)가 용납될 수 있다면 1개의 커터로 어떤 범위 내의 이빨수를 가진 톱니바퀴를 깎을 수가 있다. 따라서 성형법은 같은 톱니바퀴의 대량생산이라든가 정도(精度)가 그다지 필요하지 않고 톱니수가 적은 톱니바퀴를 생산하는 데 알맞다. 창성법은 올바른 톱니바퀴의 절삭이 가능하므로 정밀성이 요구되는 용도의 톱니바퀴 가공에 알맞다.
베벨기어(bebel gear)의 가공법에도 성형법과 창성법이 있는데, 톱니수가 많아 가공시간이 많이 소요되는 큰 톱니바퀴는 능률이 높은 성형법으로, 그리고 톱니수가 적고 치형을 정확하게 절삭하기 힘든 작은 톱니바퀴는 창성법으로 가공하여 조립하는 방법이 많이 쓰인다.
보다 정밀한 톱니바퀴 가공에는 셰이빙 및 연삭(硏削) 등의 방법이 쓰인다. 셰이빙은 치면(齒面)에 세로로 홈을 넣고 그 모서리를 절인(切刃)으로 한 셰이빙커터를 사용하며 상대되는 톱니바퀴와 서로 맞물린 상태에서 치면을 깎아 내는 것으로서, 대량생산시에 쓰인다(〔그림〕－16). 최고급 톱니바퀴는 원형연삭숫돌을 사용한 연삭반으로 다듬질한다.
나사에는 수나사와 암나사가 있으며, 가공에 쓰이는 공구도 다르다. 나사를 만드는 데는, 수나사는 암나사의 외경(外徑), 암나사는 곡경(谷徑) 사이즈의 원통(圓筒)을 우선 만들고, 여기에 나사산(山)을 만든다. 작은 나사라면, 암나사용에 탭(tap), 수나사용으로는 다이스(dies)라는 공구를 쓴다. 이것들은, 각각 수나사와 암나사의 형태를 하고 있는데, 보통 주위 수개의 세로 절삭(切削) 부스러기용 홈이 파져 있다. 커다란 나사, 정밀한 나사는 선반을 사용하여 나사절삭 바이트를 써서 깎는다. 나사의 진행에 따른 바이트의 이송은 선반에 붙어 있는 모형(母型) 나사에 따른다. 따라서 모형나사가 정확하지 않으면 좋은 나사를 만들 수 없다.
바이트 대신에 나사치형(齒形)을 지닌 회전공구(回轉工具)로 수나사를 깎는 방법도 있다. 큰 나사 또는 긴 나사를 가공할 때는 나사밀링커터법을 이용하는 편이 바이트법보다 능률이 좋다.
특히 정밀한 나사는 나사홈 형태를 가진 원판상(圓板狀) 연삭 숫돌을 사용하는 나사연삭(硏削)에 의하여 다듬질을 하는 것이다.
지립에 의한 가공
편집砥粒－加工
연삭가공에 쓰이는 숫돌은 지립(砥粒)을 결합제(結合劑)로 굳힌 것이며, 연삭작용을 하는 것은 그 가운데의 지립이다. 때문에 분말 상태의 지립일지라도 알맞는 사용법을 활용하면 연삭에 사용할 수 있을 것이다. 금속의 조직을 현미경으로 관찰하려 할 때, 절단면을 사포(sand paper)로 연마(硏磨)한 다음 산화크롬의 녹색가루를 사용해서 닦는데, 이것은 일종의 지립가공이다.
톱니바퀴가 절삭(切削)에 의해 완성된 뒤, 1쌍을 맞물린 상태로 회전시키고, 서로 맞물린 부분에 탄화규소라든가 알루미나의 가루를 기름에 풀어서 주입(注入)하면, 표면의 높은 부분이 조금씩 깎여져서 평활(平滑)해진다. 이와 같이 금속의 접촉부에 숫돌알갱이를 주입함으로써 표면을 다듬질하는 방법을 래핑(lapping)이라고 하며, 숫돌알갱이는 랩제(lap 劑)라 한다.
무른 금속과 굳은 금속으로 래핑하면, 무른 쪽으로 지립이 파고들어 가서 숫돌같이 되고, 상대의 굳은 쪽을 보다 많이 깎는다(무른 금속보다). 특수강이라도 주철(鑄鐵)을 상대로 하여 래핑하면 특수강 쪽이 깎여서 깨끗이 다듬질된다.
특히 래핑을 하기 위해서 선택된 상대되는 부재(部材)는 랩(lap)이라고 불린다. 시계의 베어링에 쓰이는 보석인 인조 루비의 가공이나 반지 등에 쓰이는 금강석을 가공하는 데는 보다 훨씬 무른 구리판(銅板)을 랩으로 사용하고, 공업용 다이아몬드의 가루를 랩제로 쓰고 있다.
지립(砥粒)을 기류(氣流)·수류(水流)와 함께 분출(噴出)시키거나, 지립을 원심기(遠心機)로 뿜어 공작물에 충돌케 하면 그 충돌에 의해 공작물(工作物)의 표면을 연삭할 수가 있다.
샌드블라스트법(sand－blast 法)은 규사(硅砂)라든가 굳은 주철(鑄鐵)의 쇄립(碎粒)을 압축공기로 불어 내기도 하고 원심기로 뿜어 공작물에 충돌시키는 것으로서 주로 주물(鑄物)의 모래떨기, 주물 표면 경화부(硬化部)의 제거, 도금(鍍金)소재의 청정(淸淨) 등에 쓰인다. 액체를 사용하는 것에는 산화알루미늄이나 규석(硅石)의 고운 분말을 물에 타서 공작물에 뿜어대는 액체호닝법이 있다. 이것은 액체를 사용하기 때문에 미세한 분말을 연마재(硏磨材)로 사용할 수 있으므로, 한층 좋은 표면다듬질 작업을 할 수가 있다.
공구와 공작물을 접촉시키고 공구에게 2만사이클 정도의 초음파진동을 부여하고 공구와 공작물 사이에는 탄화규소 등의 지립(砥粒)을 물 또는 석유와 섞어서 주입하면, 공구의 타격으로 지립이 공작물을 조금씩 파괴해 나감으로써 깎아 낸다.
이 초음파지립가공은 굳기는 하나 잘 깨어지는 재질(材質)의 공작물 가공에 적합하며, 특수강철·탄화텅스텐 루비·유리 등의 가공에 이용된다. 도금을 한 뒤 광택을 내는 경우와 같이 표면의 윤내기에 쓰이는 방법에 퍼프(puff)다듬질이 있다. 바퀴숫돌과 같은 형태의 광목천을 여러 겹 겹쳐서 만든 천바퀴(布車)에다 고운 지립(砥粒)을 부착시켜 연삭작용을 갖게 한 것이다.
대량생산을 할 경우에는 한개씩 퍼프에 걸어서 오랜 시간이 소요되므로 불편하다. 그래서 커다란 물통 같은 데에 여러 개의 공작물을 메디아라 불리는 연마재와 함께 집어 넣고 물통을 회전시킨다. 공작물이나 메디아가 낙하할 때의 충격으로 연삭작용(硏削作用)이 생긴다. 메디아로는 천연적인 지립이나 톱밥·가죽부스러기 등이 쓰인다. 이것을 바렐(barrel)다듬질이라 한다.
공구재료
편집절삭공구의 재료
편집切削工具－材料
절삭에 사용되는 공구의 재료로는, 고온에서도 잘 마모하지 않고 연화(軟化)하지 않는 것이 바람직한데, 현재는 초경합금(超硬合金)과 고속 도강이 널리 쓰이고 있다. 초경합금은 탄화텅스텐과 코발트의 분말을 소결(燒結)해서 만든 것에서부터 시작되었다. 이 합금은 탄화물을 한 종류만 함유하므로 단일탄화물 합금(單一炭化物合金)이라고도 하며 주철이나 비금속의 절삭에 매우 알맞는 것이나, 강철과 같이 강인(强靭)한 재료를 고속으로 절삭하면 고열 때문에 융착마모(融著磨耗)가 일어나기 쉬우므로 탄화티탄을 가해 2원탄화물합금(二元炭化物合金)으로 한 것이 만들어졌으며 강철이 절삭에 이용된다. 또 강철의 단속절삭(斷續切削)에는 충격력이 크게 작용하므로, 이가 빠지는 것을 방지하기 위하여 탄화탄탈을 가한 3원탄화물합금이 쓰이게 되었다. 탄화티탄을 주체로 한 초경합금(超硬合金)은 티탄계 서메트(titan 系 cermet)라 불리며, 강철의 고속 절삭에 쓰이고 있다.
고속도 공구강(工具鋼)은 초경합금에 비하여 고온에서의 경도(硬度)가 낮기 때문에 저속도로 사용되지만, 탄력성이 강하므로 충격력이 작용하기 마련인 드릴·리머·다이스·밀링 공구·치절공구(齒切工具)에 많이 쓰인다. 고속도 공구강이란 명칭은 그것이 발명되었을 때, 이전에 쓰였던 탄소 공구강이나 합금 공구강보다도 고속으로 사용할 수 있는 획기적인 공구 재료였기 때문에 붙여진 이름이다. 고속도 공구강은 텅스텐을 12∼18% 함유하며 크롬·바나듐·코발트를 가한 텅스텐계(T 系)의 것과, 텅스텐을 줄이고 몰리브덴을 가한 몰리브덴계(M 系)의 것이 있다. 텅스텐계는 내열성(耐熱性)이 우수하나 무른데, 몰리브덴계는 충격에 대해서도 강하다. 그 때문에 드릴이나 치절공구용으로서 몰르브덴계 고속도공구강을 사용하는 일이 많아졌다.
산화알루미늄을 주성분으로 하여 소결(燒結)한 세라믹스 공구는 내열성이 높아서 초경합금보다 고속절삭에 편리한데 잘 깨지는 결점이 있다. 주로 주철의 절삭에 쓰인다. 다이아몬드는 한층 더 굳으므로 숫돌의 형태 바로잡기 등에 쓰인다. 다이아몬드는 큰 덩어리인 채로 얻을 수가 없으므로 절삭에 쓰인다고 해도 경절삭(輕切削)밖에 할 수 없으나 고속으로 깎으면 매우 아름다운 다듬질면을 얻게 된다. 쓰이는 공작기계로는 특히 진동이 적은 구조의 것을 고르는데 이런 선반을 다이아몬드선반이라 하기도 한다.
연삭공구의 재료
편집硏削工具－材料
숫돌이나 지립으로 쓰이는 재료(즉 지료)로는 주로 산화알루미늄(알루미나)이나 탄화규소가 있다. 알루미나에는 갈색의 A지료(砥料)와 순도 높은 백색의 WA지료가 있으며, 탄화규소에도 C지료와 녹색의 GC지료가 있다. A지료는 고속도공구강 등에, WA지료는 열처리강 등에, C지료는 주철 등에, GC는 초경합금 등의 연삭에 쓰인다.
지립의 크기는 미세한 것부터 거친 것까지 많으므로 체질하여 분류한다. 체(篩)의 규격은 쳇눈의 1변의 길이가 2.54㎝(1인치)의 몇 분의 1이냐에 따라 분류하는데 2.54㎝당 36개 있으면 그 체를 36번의 체라고 한다. 35번 체보다 1단계 고운 체는 45번 체이며, 36번의 체를 통과하고 46번 체에 걸린 지립은 36번의 입도(粒度)를 지닌 지립이라 불리며, #36으로 표시하기도 한다. 수가 늘수록 고운 지립인 셈이다. 고운 지립은 정밀다듬질이나 굳고 잘 깨어지는 재료의 연삭에 적합하며, 거친 지립은 능률이 중요시되는 초벌연삭(荒硏削), 유연(柔軟)하고 연성(延性)이 큰 재료를 연삭하는 데 적합하다. 지립과 지립은 결합제(結合劑)에 의해 성형되었는데, 결합제에도 여러 가지가 있으며, 비트리파이드·실리케이트·셀락·레지노이드·러버 등으로 분류된다. 비트리파이드는 점토(粘土)를 구운 것으로서, 이것을 사용한 숫돌은 절삭이 잘 되는 특징이 있다. 실리케이트는 물유리(규산 나트륨)를 결합제(結合劑)로 하여 구운 것으로, 윤활(潤滑)이 좋고 셀락은 천연수지(天然樹脂)를 사용한 것으로 탄성이 있어 잘 부러지지 않으며 레지노이드는 베이클라이트를 결합제로 한 것으로 산(酸)이나 알칼리에 강하다. 에보나이트를 주체(主體)로 하는 러버는 탄성이 커서 얇은 절단용(切斷用) 숫돌을 만들 수 있다.
절삭하지 않는 부품제작
편집정밀주조
편집精密鑄造
이전에는 주조에 의해서는 대체적인 형상밖에 만들 수 없었으므로 깎는다든지 연마하는 등 다듬질하는 것이 보통이었다. 그러나 주조의 기술이 발전해서 정확하기 때문에 기계다듬질이 거의 필요치 않을 만큼 정밀한 형태의 주물이 생산될 수 있게 되었다. 따라서 정밀주물은 나중에 가공하지 않더라도 그대로 부품으로 쓰인다.
이 정밀주조법에는 셸몰드법(shell mould 法)을 비롯하여 여러 가지 방법이 있다.
인베스트먼트주조법
편집investment 鑄造法
로스트왁스법이라고도 하며, 통기성(通氣性)이 좋은 인베스트먼트주형을 써서 소형 정밀주물(精密鑄物)을 만드는 방법이다.
주형(鑄型)은 다음과 같은 순서로 만들게 된다. ① 주로 납(蠟)으로 모형을 만든다. ② 모형에 에틸규산염과 같은 내화성(耐火性)이 높은 피막을 입힌다. ③ 이 피막이 화학반응하여 굳어진 뒤에 전체를 가열하면, 모형의 납이 녹아서 유동(流動)하고, 탕구(湯口)에서 흘러나온다. ④ 피막을 또다시 고온으로 가열 소성하고 주형으로 사용한다.
가까운 예로는 치과 의사가 충치에 금이나 합금으로 보철할 때에 이와 유사한 방법을 사용하고 있다. 목형(木型)을 사용하는 모형처럼, 나중에 주형에서부터 빼내는 것을 고려치 않아도 좋으므로 복잡한 형태의 것일지라도 주형을 2개로 분할한다든지 3개로 분할할 필요는 없으며 일체주조(一體鑄造)로 할 수가 있다. 그러므로 제품의 형태를 자유로이 선택할 수가 있으며, 주형의 통기성(通氣性)이 양호하고 가스가 남아 있지 않으므로 주피(鑄皮)에 요철이 없으며 표면이 매끄러운 주물을 만들 수 있다.
이 방법은 기계가공을 하기 거북한 내열합금의 가스터빈 날개 등의 주조에 알맞으며, 제트엔진의 발달에도 크게 공헌하고 있다. 모형인 납 대신 －40℃ 정도로 냉각 고화(固化)시킨 수은을 사용하는 방법은 마카스트법이라고 불리며 특히 정확한 주물이 만들어지는 특징이 있지만 한손으로 들 수 있을 정도의 작은 주물밖에 만들 수 없는 결점도 있다.
쇼프로세스
편집Shaw process
사형(砂型)을 모형(模型)으로 사용하는데, 이것을 받침 위에 놓고, 그 둘레에 테를 감아 고정하고, 로스트왁스법과 마찬가지로 에틸규산염을 물에 풀어 걸죽하게 한 것을 부어 넣음으로써 주형을 만드는 방법을 쇼프로세스라 한다.
부어 넣고 잠시 있으면, 화학반응을 일으켜 주형이 탄력성을 갖게 되므로 이 때 모형을 빼낸다. 모형은 사형만이 아니라 철형(鐵型)이라도 좋다. 모형을 빼낸 뒤의 주형을 가열하여 경화(硬化)시킨다. 이 쇼프로세스는 대형의 주물도 만들 수가 있으며, 복잡한 형태의 철형 제작에 쓰인다.
분말야금
편집粉末冶金 절삭에 사용하는 공구라든가 전기접점(電氣接點) 등에 쓰이는 재료는 사용도중 고온에 노출되어도 잘 마모(摩耗)하지 않아야 한다. 그러므로 제조 과정에서 용융(熔融)이 어려울수록 성능(性能)이 좋은 재료가 된다.
일반적인 방법으로 성능이 뛰어난 공구나 접점(接點)을 만드는 데에는 한계가 있다. 그 때문에 굳고 녹이기 힘든 재료를 분말로 만들어 결합재료를 가하고 형(型)을 넣어 압축하여 굳힌 다음 구우면, 원하는 성질을 가진 소재(素材)를 얻게 된다. 이 방법을 분말야금(粉末冶金)이라 한다.
분말야금으로 만든 것을 소결금속(燒結金屬)이라고도 하는데,
소결이란 가열에 의하여 분말입자 사이에 원자적인 결합을 발생케 하는 것이다. 일반적으로 가열온도는 분말의 융점
이하로 선택되므로
결정(結晶) 사이의 결합은 주로 고체 상태인 채 행해진다. 그 때문에 녹이기 힘든 금속이라도 적당한 결합재료를 선택하면 목적하는 형상대로 성형할 수 있게 된다. 무급유(無給油) 베어링이라든가 필터(여과기)처럼, 스펀지와 같은 기공(氣孔)이 많이 있는 소재를 만드는 데에도 분말야금이 이용되고 있다.
전조
편집轉造
전조가공은 전조(轉造)다이스라고 하는 담금질경화(燒入硬化)한 공구의 표면에 나사산이라든가 스플라인치형(spline 齒形)에 따른 형태를 파 놓고 소재(素材)에 강한 힘으로 밀어붙이면서 회전시켜 소재의 표층부분(表層部分)에 소성변형(塑性變形)을 일으켜 형(形)을 만드는 방법이다.
전조에는 열간전조(熱間轉造)와 냉간전조가 있는데 현재 널리 실용되고 있는 나사전조라든가 스플라인전조 등에는 냉간전조에 의한 것이 많다. 냉간전조의 경우는 가열할 필요가 없으며 전조 후의 제품크기를 상당히 정확히, 또 다듬질면(面)을 매끈하게 할 수가 있으며, 강도(强度)도 증가하는 특징이 있다. 나사전조에는 롤러형(形)의 나사형(롤러다이스)을 사용하는 방법과 평판상(平板狀)의 평(平) 다이스를 사용하는 방법 등이 있다.
롤러다이스법은 한쌍의 롤러다이스 사이에 그 소재를 끼우고 다이스를 회전시키면서 유압(油壓)으로 압박하여 소재인 나사홈의 골짜기 부분을 밀어내어 나사산의 정부(頂部)를 솟구쳐올림으로써 나사의 형태를 만드는 방법이다. 소재의 최초의 사이즈는 나사의 산과 골짝 중간의 직경(直徑)으로 되어 있다.
평다이스법은 한쌍의 다이스를 나사의 곡경(谷徑)만큼 띄어 평행으로 두고 그 사이에 소재를 끼우고 서로 반대 방향으로 평행운동케 한다. 다이스는 끝부분이 사면(斜面)으로 깎여졌으며 이 부분에서 소재(素材)에 달라붙어 그대로 다이스와 소재는 서로 마주 회전하는 상태로 운동하면서 전조가 이루어진다.
전조에 의하여 만들어진 나사는 절삭에 의해 만들어진 나사처럼 소재(素材) 조직의 흐름을 절단치 않으므로 수명이 길다.
톱니바퀴의 전조(轉造)에서는 톱니가 위로 올라오기 어려우므로 조그만 톱니바퀴만이 냉간전조(冷間轉造)로 만들어지고 있으며 다소 큰 사이즈의 톱니바퀴의 열간전조(熱間轉造)도 실험적으로는 성공하고 있다.
스플라인축의 전조에는 원(圓)다이스를 반복해서 때리는 방법의 것이 있다.
냉간단조
편집冷間鍛造
금속소재를 그 재결정(再結晶)온도 이하의 온도에서 형(型) 사이에 끼워 압축·성형(成形)하는 것이 냉간단조이다. 열간단조에 비하여 정확한 사이즈를 얻게 되므로, 그대로 부품으로 사용할 수가 있다. 냉간단조에도 여러 종류가 있다. 즉 볼트의 두부(頭部)를 나사부 굵기의 환봉(丸棒)으로부터 두드려 만드는 '헤딩', 화폐나 메달과 같이 평평한 부분에 요철(凹凸)을 만드는 '코이닝', 굵고 짧은 소재를 가지고 단(段)이 달린 형(形)과 밑이 달린 튜브 등을 만드는 '압출(押出)', 막대와 관(管)에 굵기의 변화를 부여하는 '로터리스웨이지(rotary swage)' 등이다.
냉간단조는 능률 높은 가공법이므로 대량생산에 알맞지만, 소재로서 불순물이 적은 재료를 사용하지 않으면 가공 때에 틈이 생기기도 하고 제품(製品)의 질이 고르지 못하게도 된다.
프레스가공
편집press 加工
프레스를 사용하는 프레스가 공을 크게 나누면 전단가공(剪斷加工)·굽힘가공·드로잉가공(drawig 加工) 등이 된다.
전단가공은 판(板)을 자르기도 하고 필요한 형상(形狀)의 것을 판에서 쳐서 빼내기도 하고 기타의 가공으로 생긴 나머지 부분을 제거한다든지 하는 작업이다.
드로잉가공은 판(板)을 가지고 대접이나 주발과 같이 밑이 깊은 형태로 변형하는 작업으로서, 자동차의 보디와 같은 곡면(曲面)도 드로잉가공으로 평평한 철판으로부터 만들어진다(〔그림〕－28). 이러한 작업에는 상(上)·하(下)의 형(型)이 필요하며 양쪽 형의 단면(端面)사이의 간극(間隙)을 약간만 주면 전단이 이루어지며, 판 두께에 상당하는 간극을 부여하면 굽힘·드로잉이 이루어진다. 굽힘이나 드로잉에서는 판의 일부분이 늘어나는 결과가 되는데, 그 때문에 둘레를 끄떡도 안 하게 눌러놓지 않으면 안 된다.
자동차의 보디는 상(上)·좌·우·전(前)·후 등의 부분을 따로 따로 죄어서 접합(接合)시킨 것인데 각 부분은 완성치수보다 다소 크게 따내어 주변을 누르면서 드로잉 가공을 하고, 드로잉된 뒤에 둘레의 불필요부분(不必要部分)을 전단(剪斷)하여 필요한 치수로 다듬질한다. 깊은 형태라든가 복잡한 형태의 것은 단번으로는 완전히 드로잉되지 않으므로 몇 번으로 나누어 드로잉된다. 이처럼 몇 단계에 걸린 프레스작업을 계속해서 진행할 때는, 프레스기계를 늘어놓고, 기계 사이에 컨베이어를 설치하여 능률을 올린다. 조그마한 물건의 가공에서는 하나의 기계 속에 몇 종류의 형(型)을 늘어놓고 순차적으로 가공이 진행되도록 한 트랜스퍼프레스 등도 있다.
대량생산과 공작기계
편집공작기계의 자동화
편집工作機械－自動化
같은 제품을 계속하여 대량생산하는 경우에는 동일한 공정의 가공작업이 되풀이되므로 자동화하여 능률을 향상시킬 수 있다. 선삭(旋削)작업을 공작물의 탈착(脫著)을 포함하여 완전히 자동화시킨 것을 자동선반(自動旋盤)이라고 하며, 볼트·작은 나사·시계용 톱니바퀴의 축(軸)·만년필 축 등의 가공에 이용되어 왔다.
자동선반은 미리 기계에 부착한 몇 종류의 공구를 소정의 차례로 움직여 작업시키는 것인데, 이와 같은 공구의 변환, 공구나 공작물의 운송 등의 조작은 캠을 사용하는 기계적인 방법으로 실행된다.
한개의 공작물을 소재(素材)에서 완성품까지 같은 자리에서 차례로 가공하는 자동선반을 단축(單軸)자동선반이라고 한다.
한 대의 기계에 공작물을 물리는 축(軸)이 6개 내지 8개 정도가 달려 있어, 가공의 한 공정마다 공작물이 차례로 위치를 바꾸고 각각의 위치에 대응하는 공구가 소정의 가공을 하고, 모든 위치(位置：스테이션)를 한 바퀴 돌고 나면 공작물이 완성되는 것을 다축(多軸)자동선반이라고 한다. 6축자동선반의 경우 6개의 스테이션에 동시에 가공물이 물리며, 또 각 스테이션의 가공 정도는 전체 공정의 1／6씩 차이가 난다. 단축자동선반과 비교해 보면 기계가 복잡하고 비싸지만, 6배의 능률을 올릴 수 있으므로 규모가 큰 대량 생산에 적합하다.
같은 부품을 몇만개 생산하는 경우에는 작업 내용이 장기에 걸쳐 일정하므로 일반용의 공작기계를 사용하면 공정의 낭비가 많으며, 그보다는 전문적인 전용(專用)공작 기계를 만들어서 사용하는 편이 능률적이다. 전용 공작기계에도 공작물이 가공되어지는 위치가 1개소만이 단(單)스테이션형과 1개의 기계에서 순차적으로 이동하면서 가공하는 다(多)스테이션형이 있다.
단(單)스테이션형의 전용(專用) 공작기계를 일렬로 배열하여 그 사이를 자동반송(搬送)장치로 연결하고 각 스테이션에서의 가공 시간을 정비하여 가공·반송을 일제히 할 수 있게 한 기계가
트랜스퍼머신이며 자동차 공장에서 엔진의 실린더 블록 따위에 쓰여지고 있다. 실린더 블록에는 피스톤·크랭크축·베어링·캠축베어링 따위가 들어가는 구멍이나 볼트 구멍이 많이 있다. 이들 구멍을 뚫고 보링을 하거나 나사내기(rapping) 작업을 연속하여 병렬(竝列)적으로 행한다. 부품은 이동·고정·가공·이동을 되풀이하여 순차적으로 다음 스테이션으로 보내어지는데, 이동에서 이동까지의 한 주기를 택트라고 한다. 최종 단계에서는 1택트마다 1개의 실린더 블록이 완성되어 나온다.
공작기계의 자동제어
편집工作機械－自動制御
가령 선반에 의해 공작물의 일부분을 직경 30㎜로 완성시키려고 한다면, 보통 작업자는 30㎜ 가까이까지 직경을 초벌절삭한 다음 정밀하게 깎아 내어 다듬질을 하는 순서로 작업하게 된다.
초벌절삭을 한 다음 공작물 직경을 노기스(Nonius)나 마이크로미터를 측정하여 32.10㎜라는 수치였다고 하면 다듬질에 남겨진 양은 2.10㎜이다. 바이트를 먹혀 들어가게 할 수 있는 양은 이 절반인 1.05㎜가 되기 때문에 기계의 눈금을 보면서 바이트를 1.05㎜만큼 전진시킨다.
이상에서 작업자는 공작물의 직경을 측정함으로써 바이트의 날끝의 위치를 검출하고, 이어서 최종 목표 위치와의 차이에 해당하는 거리를 계산하고 바이트를 목표위치로 전진시키는 작업을 했다.
이와 같이 현재위치를 검출하고 목표치(目標値)와의 편차(偏差)를 산출하고, 편차가 제로가 되도록 기계를 조작하는 자업을 사람의 손을 빌리지 않고 전기·유압(油壓)장치·광학기계를 사용하여 자동적으로 할 수도 있는데 이와 같은 방식을 자동제어(自動制御)라고 한다. 롤연삭기(圓筒硏削機)에서는 전기마이크로미터로 공작물의 직경을 직접 측정하여, 편차가 클 때에는 숫돌의 연삭을 거칠게, 편차가 작아지면 연삭을 작게 하여, 목표치(値)에 도달되었을 때 연삭을 중지하는 자동치수법이 흔히 채용되고 있다.
단(段)이 여러 개 있거나 원추(테이퍼)면이 있는 공작물을 선삭(旋削)하려면 제품을 모델로 하여 모방절삭을 하면 일이 빨라질 것이다. 모델(모형)은 제품이라도 좋고 판(板)에 제품의 윤곽을 새긴 것(템플레이트)이라도 좋다.
모방절삭은 밀링머신으로 프레스형(型)·플라스틱형을 만드는 데에도 흔히 사용되고 있다. 모델로는 나무나 석고의 본을 사용하는 수가 많다.
공작기계를 자동화할 경우에는 공구나 공작물을 어떤 위치에, 또한 어떤 직선·곡선·곡면(曲面)에 따라 움직이는가 하는 것 외에도 초벌깎기를 몇 번하고 나서 다듬질깎기로 들어가느냐 하는 등, 초벌깎기 때의 속도나 이송은 어떤 방법으로 하느냐 등의 작업의 순서결정(sequence)이 자동적으로 이루어지게 할 필요가 있다.
그 방법에는 몇 가지가 있으나, 그 중 프로그램제어법(program 制御法)을 예로 들어 보면 다음과 같다.
① 선반에서 절삭(切削)작업 개시의 스위치를 넣으면 바이트가 급속 전진하고 공작물에 근접한 위치에서 바이트 대(臺)가 리미트스위치를 두들김으로써 급속 전진(前進) 이송을 절삭전진 이송의 속도로 수정하도록 릴레이가 작동하고 그와 동시에 주축(主軸)이 정해진 속도로 회전을 시작한다.
② 정해진 길이만큼 깎아내면 리미트스위치가 작동하여 세로방향 이송은 정지되고, 이어서 바이트는 후퇴, 주축은 회전을 정지한다.
③ 다시 왕복대(往復臺)는 세로 방향으로 역주(逆走)하고 절삭 작업이 처음 위치로 돌아온다.
이런 작업의 반복(사이클)을 다듬질 깎이에서도 되풀이하면 시퀜스가 자동적으로 완성되는 것이다.
프로그램 제어법에서는 작업의 각 과정에서 어떤 릴레이를 작동시키느냐 하는 것은 플러그보드(plugboard)의 접속하기도 하고 카드를 브러시와 접점(接點)의 사이에 삽입하여 구멍 부분만이 도통(導通)하도록 하는 방법이 실용되고 있다.
공구의 작업순서나 작업 조건은 프로그램 제어로, 공구의 위치 조작은 모방 제어로 자동화하는 조합 방법을 채택할 수도 있다.
이 외에도 공작기계의 자동화 방식으로서 극히 유망한 것에
수치제어방식(數値制御方式)이 있다. 이것은 도면에 기입된 수치를 지령(指令)으로 주는 것만으로, 선반·드릴링머신·밀링머신 등의 공작기계가 공작물을 바른 순서로 정확하게 가공하는 방식이다.
예를 들면 어떤 위치에 구멍을 뚫어야 할 경우, 그 구멍의 좌표(X, Y)를 입력신호(入力信號)로서 제어 장치에 넣어 주면, 기계의 테이블 또는 공구가 구멍을 뚫는다. 드릴의 회전속도와 이송도 같은 방법에 의해 수치로 지령할 수 있다.
여러 가지 위치에 있는 구멍도 각각의 좌표를 지령하면 계속적으로 가공되며 구멍의 크기가 다를 때는 드릴을 교환하고 회전속도나 이송도 자동으로 바꾸어 가공을 계속한다. 구멍 뚫기와 같은 위치 결정 제어뿐만 아니라 프레스형과 같이 연속하여 외형이 변형되고 있는 공작물을 절삭하려면 밀링커터를 그 형상에 따라 이동시키며 작동시켜야 한다. 여기에는 곡면을 곡선의 집합이라고 생각하고, 곡선은 짧은 절선(折線)·직선·원호(圓弧)·포물선 등을 연속시킨 것과 근사시켜서 이음매의 좌표와 잇는 순서를 지령한다. 이 방식을 연속 통로 제어(連續通路制御) 또는 윤곽 제어(輪廓制御)라고 한다.
윤곽제어에서는 최소한 동시에 2좌표 방향으로 테이블 등이 움직여지게 되므로 제어장치는 복잡해진다.
현재로서는 X, Y, Z의 3축 방향의 직진(直進)운동과, 이들 중의 2축의 둘레를 선회하는 운동 등 합계 5방향의 동시제어가 가능한 제어장치와 공작기계(이른바 5축 머신)가 제작되어, 터빈날개의 절삭 등에 쓰여지고 있다.