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| 화천기계의 선반 |
1. 개요
범용선반(universal lathe, manual lathe, engine lathe)은 물체를 단단히 물린 채 회전시켜서 가공하는 기계로, 아주 오래전부터 존재하던 공작기계의 시초이며 사실상 19세기부터 시작된 정밀산업의 발전의 그 시작이며 선반이 밀링머신보다 먼저 나왔다.기계를 다루기 위해선 수학이나 물리학에 관한 지식이 어느 정도 있어야 하며, 기본적인 화학 지식도 필요하다.
2. 구조
2.1. 스핀들(주축)
매우 중요한 부분으로 물체를 회전시켜주는 부속이다. 이 스핀들에 부착된 척에 물체를 고정시키고 회전시킨다.스핀들이 기계 왼쪽에 위치하는데 이 스핀들은 초정밀 P4등급 테이퍼 롤러베어링에 정해진 예압이 걸린채로 조립되어 있어서 엄청난 강성과 상당한 정밀도를 보장하며 조립되기 전에 밸런스 검사를 통해 미리 밸런스가 잡혀 있어 진동에도 강하다. 만약 스핀들이 진동하고 진원도[1]가 나오지 않으면 깎아도 물체가 찌그러진 원형태로 나오게 된다.
2.1.1. 척
가공물을 고정하는 부분으로, 드릴의 그것과 비슷하다.척에 핸들을 꽂아 돌렸을 때 3개의 척이 함께 움직이면 연동척, 4개의 척이 각각 따로 움직이면 단동척이다. 단동척은 가공 전 게이지를 이용해 가공물의 중심을 맞출 필요가 있다.
2.2. 베드
선반에서 가장 중요하다. 스핀들보다 더 중요하며 사실상 선반의 생명이다. 이 베드가 상태가 나쁘면 사실상 그 선반은 고철이나 다름이 없다.베드는 물체를 깎아주는 공구를 이동시킬 때의 슬라이드 가이드 역할을 하며 그렇기 때문에 베드의 진직도[2]와 평탄도[3]가 나오지 않는다면 물체를 깎아도 물체가 종이컵처럼 각도가 진 채로 나오게 된다.
베드는 정밀가공 후 고주파 열처리 된 후에 정밀연삭하여 만들어진다. 보통 경도 HRC 53~60사이이며 내마모성이 우수하다. 시간이 흐르면서 생기는 변형방지를 위해 주조 된 후에 응력제거 열처리후 제품을 방치하는 시즈닝(6 ~ 36개월 사이로 방치)하여 미리 변형을 충분히 생기게 만든 뒤 쇼트작업하여 녹을 전부 제거 후에 가공에 들어간다.
선반의 베드길이에 따라 센터간 거리가 600 ~ 750mm정도면 다섯자선반, 1000 ~ 1100정도면 여섯자, 1500정도면 여덟자, 2000정도면 열자 선반이라 부른다. 그 이외에는 초장축 선반이라 부른다. 베드 길이만 10미터에 달하는 선반도 있다.
2.3. 주축기어박스
선반의 속도 RPM을 바꿔주는 부분이다. 내부 구조가 굉장히 복잡하며 하단부의 모터가 각종 축과 기어들로 연결되어 스핀들에 동력을 전달해준다. 외부에서 사용자가 단순히 레버를 조작하여 손쉽게 RPM을 바꿀 수 있다.2.4. 이송기어박스
선반의 자동이송 속도를 바꾸어주는 부분이다. 또한 나사가공역시 이곳에서 제어한다. 외부에서 레버 조작으로 제어할수 있다.2.5. 왕복대, 횡이송대, 공구대
서로가 전부 붙어있다. 왕복대는 좌우로 이동을 담당하고 횡이송대는 전후 이동을 담당하고 공구대는 공구를 부착하는 부분이며 각도를 조절하여 다양한 방향으로 공구를 100~150mm정도 이동시켜 테이퍼가공을 가능하게 한다.정밀도를 위해 정밀연삭후 수작업 스크래핑 처리되어있다. 선반을 오래오래 정밀하게 쓰려면 이 부분들에서 습동유가 잘 나와야 한다.
2.6. 심압대
선반에서 가장 오른쪽에 위치한다. 드릴 가공시, 긴 물체 가공시에 사용한다. 심압대 자체가 이동가능하며 심압대 핸들로 심압대를 빼내거나 다시 집어넣을 수 있다.3. 가공
선반에는 정회전과 역회전이 있는데, 나사를 가공하는 경우를 제외하고는 역회전은 거의 쓰이지 않는다. 역회전을 하면 절삭공구가 망가지기 때문에 주의 해야 하는데, CNC의 경우에는 사이클 정회전 버튼만 누르면 되지만, 범용의 경우에는 레버를 중립 기준에서 위로 올리고 내리고로 정회전 역회전을 조작하는데, 기계마다 정회전, 역회전의 방향이 다르다. 그렇기 때문에 가공 전에 정회전을 확인 해야 하는데, 주축 윗 부분의 면이 자신 쪽으로 오는 것이 정회전이다. 이래도 잘 모르겠다면, 공작물 윗 면이 공구대에 설치한 바이트 팁의 평평한 면 쪽으로 마주 치면서 회전하는 것이 정회전이라고 보면 된다. 그 반대로 공작물 아랫 면이 바이트 밑 부분에 마주치면서 회전한다면 역회전이다. 그리고 주축 회전 중에는 절대 기어를 변경하면 안 된다.4. 위험성
애초에 위험하지 않은 공작기계는 없지만 특히나 선반은 무거운 공작물이 회전하기에 엄청 위험하다.4.1. 공작물 이탈
만약 고속으로 회전하던 공작물이 튕겨져나와 사람이 맞게되면 거의 무조건적으로 사망에 가깝다. 10미터 이상 날라가서 벽에 굉음을 내며 박힐정도인데 사람이 맞는 경우 머리에 맞으면 머리가 깨지고, 목에 맞으면 목이 부러지고, 가슴에 맞으면 가슴이 함몰되어 사망할 것이다. 반드시 공작물 고정이 잘 되어 있는지 확인하고 특이한 형태의 공작물은 고정방법을 잘 고려해야 하며 직경이 크고 무거운 물체는 RPM을 낮추고 작업해야한다.4.2. 회전체에 말림
선반은 공작물을 회전시키는 척과 회전하는 공작물이 있는데 이곳에 말리는 경우가 의외로 많다. 넥타이나 목도리는 반드시 풀고 작업에 들어가고 코트나 실험·실습복, 스웨터 같은 헐렁한 옷은 입지 않으며 머리가 긴 경우 머리가 말려들어가기에 반드시 묶거나 자르는 것이좋다.가급적이면 장갑도 끼지 않기를 권하며 사포 작업은 선반에 능숙하더라도 하지 말 것을 권한다. 특히나 칩을 털어내거나 절삭유 노즐을 조절하면서 말려들어가는 경우가 종종 있으니 실력자도 역시 조심해야 한다. 또 긴 형태의 공작물 가공시에는 정말로 위험하니 더욱 더욱 더 조심해야한다.
만약 선반 공작물에 말리게 되면 선반 회전 방향에 따라 공작물과 베드 사이 공간으로 몸전체가 통과해야 한다. 선반은 최소 5마력이며 감속되어 있는 상태로 가공하니 선반이 멈추는 일은 발생하지 않는다. 공작물과 베드 사이 공간은 200mm 도 채 되지 않을 것인데 선반은 멈추지 않으니 온몸이 박살나면서 그곳으로 말려들어가게 된다. 손뼈가 박살나고 팔이 부러지면서 말려들어가기 시작하여 어깨, 머리, 몸통, 결국엔 온 몸이 말려들어가게 된다. 당연히 몸이 더 클테니 그 틈으로 말려들어가기 위해 온몸의 뼈와 장기들이 으깨져야 한다. 그렇게 사망한 채로 선반 공작물과 같이 돌다가 원심력에 의해 바깥으로 다시 내뱉어내지게 되는데, 인간 가죽은 별로 찢어지지 않고 내부는 작살난 슬라임처럼 나오게 된다. 2020년 러시아의 한 공장에서 일하던 근로자가 수동선반(범용선반)에 말려들어가 사망하는 사건이 발생했는데, 이때 원심력에 의해 사지가 분해되고 살점이 사방으로 튀는 끔찍한 모습으로 사망했다. 이 모습이 CCTV에 고스란히 찍혀서 인터넷에 유포되었는데, 현재도 검색하면 찾아볼 수는 있으나 주의를 요한다.
이렇게 되는 시간은 총 1초가 걸리지 않는다. 주변 누구도 1초 내에 당신을 구하러 올 수 없기에 사고 자체를 막을 수 없다. 운이 좋다면 공작물이 선반척에서 튕겨져 나와주어서 사는 경우도 있겠으나 그래도 역시 심각한 부상을 입은 상태일 것이다.
반드시 조심하길 강하게 권하며 선반을 알려줄 사수가 없다면 결코 혼자서 독학하지 말아야 한다.
4.3. 칩에 의한 부상
역시나 이것도 치명적이다. 칩은 온도가 300 ~ 400도 사이이며 깎여나왔기 때문에 굉장히 뾰족한데 양말에 들어가면 따갑고 뜨겁고 아프고, 옷깃을 통해 옷안으로 들어가면 따갑고 뜨겁고 아프다.이러면 다행이지 눈에 들어가면 운이 좋아야 실명을 안한다. 칩이 눈을 지지면서 눈안으로 파고 들어가기에 1~2cm는 파고 들어갔다가 다시 빠져나오는데 말그대로 눈이 지져지는 것이다. 눈이 너무 아파서 질끈 감은채 두손으로 감싸쥐고 실명했을까봐 눈을 뜨기가 무서워 덜덜 떨면서 으으거리는 일이 발생한다. 반드시 조심하자.
보안경도 그냥 보안경이 아니라 반드시 고글 형태의 보안경을 써야한다. 안 그러면 눈 밑이나 코 옆부분을 맞고서 그게 다시 눈으로 튕겨들어가기도 한다.
주물 같은 물체를 깎을경우 너무 퍽퍽 깎으면 갑작스럽게 칩이 많이 튀어나오는 경우가 종종 있고 그렇기에 주물은 가공할 때 더 조심해야 한다.
4.4. 의외의 요소
반응성이 큰 금속을 가공할 때 일반적인 수용성 절삭유를 쓰면, 가공열+수분에 금속이 반응한다. 그래서 반응성이 있는 금속을 가공할때는 광물성 절삭유(광유)나 압축공기를 사용해 냉각해야 한다.5. 범용선반의 미래
일반적으로 CNC 선반은 범용선반보다 훨씬 더 정밀하고 편하고 고속이며, 다음과 같은 장점이 있다.1. RPM이 가변이라 표면이 우수하다.
2. 볼스크류 + 서보모터 + 피치보정 등으로 훨씬 더 정밀하다
3. 기계 자체에 방어문이 달려 있어 사고 발생시에도 위험이 덜하다.
4. 베드 자체가 30도 경사진 베드여서 칩 배출이 용이하다.
5. 나사가공 등이 훨씬 더 빠르고 편하다.
등 CNC선반이 훨씬 더 정밀하고 편하기에 현재 범용선반은 CNC선반에 밀렸다.
일본의 모리세이키나 야마자키마작 같은 공작기계 회사들도 CNC선반 사업에 진출을 하면서 범용선반을 포기했으니 사실상 범용선반은 시대에 뒤쳐졌다고 볼 수 있다.
하지만 CNC선반을 이해하려면 범용선반을 먼저 이해하는 것이 이치에 맞고 CNC선반보다 범용선반의 기계값이 싸고 스윙폭이 크다는 점에서 아직까지 범용선반은 널리 쓰이고 있다.
그러나 무엇보다도 '범용성'면에서 CNC선반보다 압도적으로 우월하여 범용선반은 결코 사라지진 않을 것이다. CNC선반에서는 가공 할 수 없는 요상한 물건들이 범용선반에서는 손쉽게 가공되며 심지어는 범용선반을 개조하여 전용기로 쓰는 경우도 있다. 세상에는 다양한 형태의 제품들이 있고 그렇기에 정말로 복잡하고 이상한 형태의 물건을 가공해야 하는 경우가 생기는데 그런 경우에 범용선반이 CNC선반보다 이점이 많다. 이걸 한마디로 하면 '막 쓸 수 있다'는 것이다.
누군가는 정밀도와 정확도를 원하지만 누군가는 작업속도와 기계의 내구도를 원한다. 대부분의 사용자는 기계를 소중히 다루지 않고 험하게 다룬다. 유지관리는 귀찮고 번거로우며 작업하고 나면 쉬고 싶기에 기계는 뒷전이다. 이런 상황에서 저렴하지만 어느 정도 정밀하며 막써도 되는 기계가 환영받게 된다. 오히려 복잡하고 세심하고 성능좋은 기계가 불편하게 되는 것이다. 그렇기에 범용선반은 사라지지 않고 그 투박함을 강점으로 삼아 남아있을 가능성이 높다.
6. 기타
- 대한민국에는 화천, 남선(남선정공, GOMT), 통일(SAEIL, S&T), 한국공작기계, 광주남선, 대구중공업, 대우(이케가이), 대한중기(마작) 등의 선반이 있으며, 현재 화천, 남선, 통일이 제일로 많이 쓰이고 있다. 특히 화천의 경우는 세계적으로도 우수한 수준의 선반품질을 자랑한다. 상당히 넓은 왕복대, 공구대의 스크래핑, 기계적 자동 습동유 펌핑장치 등 설계부터가 우수하며 정밀도와 편리함에 대한 집착이 느껴질 정도로 설계가 잘 되어있다. 다만 문제점이라면 구형 화천 선반 같은 경우 MM나사와 인치나사 가공시에 별도로 기어를 꺼내어 바꿔줘야하는 불편함같은 것이 있고 720시리즈 같은경우는 자동펌핑장치가 빠진데다가 기계자체의 사이즈를 고려하지 않았는지 기어변속 레버가 너무 짧은 것 같은 점이 있다. 또 많이 쓰이는 통일선반 같은 경우도 이 역시 상당히 우수한 범용선반이다. 기어변속 방법이 화천에 비해 직관적이라 매우 편리하고 MM나사에서 INCH나사로 변경이 단순히 레버만 움직여주면 된다. 단점이라면 많이 쓰이는 여섯자 선반의 브레이크가 유압식이 아니고 사이즈가 화천에 비해 컴팩트하다는 점들이 있다. 특히 아직까지도 좌핸들인 상태인데 좌핸들이 일반적으로 우핸들보다 불편하다.