공작기계란?
공작기계란 기계나 기계부품을 만드는 데 사용하는 동력기계를 말한다. 넓은 뜻으로는 단조에 사용되는 공구와 프레스도 포함한다. 하지만 보통은 금속 공작물을 절삭하거나 연마하는 기계만을 공작기계라고 한다. 공작기계는 자전거, 자동차, 라디오, 냉장고, 텔레비전과 같은 제품의 부품을 만들 때 사용한다. 또한 책, 가구, 직물과 같은 제품을 만드는 기계도 공작기계로 만든다. 공작기계에는 약 500종류가 있는데, 한 가지 작업만 알 수 있는 것도 있지만, 여러 작업을 할 수 있는 머시닝센터 같은 것도 있다. 머시닝센터에는 자동으로 공구를 교환하는 장치가 있어 100개 이상의 공구를 사용할 수 있다. 또한 공작기계들을 서로 연결해서 각기 다른 가공작업을 할 수도 있다. 한 공작기계에서 가공된 공작물은 컨베이어벨트나 로봇, 기타 자동이송장치로 옆에 있는 다른 공작기계에 이동되어, 여러 작업 과정을 거쳐 만들어진다. 공작기계에는 대부분 수치제어장치가 있어 컴퓨터에 공작물의 작업에 필요한 자료만 입력하면 자동으로 기계부품을 만든다. 공작기계의 크기는 휴대할 수 있는 연삭기에서 대형 선반까지 다양하며, 만들어진 공작물의 크기도 손목시계에서 선박의 프로펠러까지 다양하다.
기본 작업 방식
절삭과 연마는 기본 작업이다. 구멍뚫기, 구멍넓히기, 자르기, 평면깎기, 표면다듬기와 같은 다양한 절삭가공과 연마로 여러 가지 기계부품을 만든다. 절삭가공과 연마를 하는 주요 공작기계로는 선반, 셰이퍼, 플레이너, 드릴링머신, 보링머신, 밀링머신, 호빙머신, 연삭기 따위가 있다. 선반은 가장 많이 사용하는 공작기계로, 절삭공구는 고정하고 공작물은 회전시켜 가공물을 주로 둥근 모양으로 깎는 공작기계이다. 선반으로 둥근 모양을 만드는 것을 선삭이라고 한다. 드릴링머신과 보링머신은 공작물에 구멍을 뚫거나 넓히는데 사용한다. 드릴링머신은 공작물을 고정하고 절삭공구인 드릴을 회전시켜 구멍을 만든다. 보링머신은 구멍뿐만 아니라 평면을 만들 때도 사용된다. 작은 보링머신은 절삭공구를 회전시켜 기계부품을 만들지만, 큰 보링머신은 공구는 고정하고 공작물을 회전시켜 만든다. 밀링머신은 원통 둘레에 가공 날이 여러 개 붙은 밀링커터를 회전시켜 공작물에 다양한 평면을 만든다. 또한 밀링머신은 호빙머신처럼 기어도 만들 수 있다. 셰이퍼와 플레이너는 평면을 만드는 데 사용하는 공작기계이다. 절삭공구를 직선으로 움직여 평면을 만드는 기계인 셰이퍼로는 작은 기계부품을 만든다. 플레이너는 큰 공작물을 직선운동시켜 평면을 만든다. 오늘날에는 플레이너와 셰이퍼 대신 밀링머신을 많이 사용한다. 브로칭머신은 둥근 구멍을 사각 구멍으로 바꾸거나 다양한 모양의 구멍을 만든다. 연삭기는 공작물의 표면을 매끄럽게 마무리하는 연마작업에 사용된다. 이 밖에도 공작물을 자르는 데 톱을 이용하기도 한다.
특수 가공 종류
단단한 금속을 전기, 화학에너지, 열, 자기 따위를 이용해 복잡한 형태로 절삭한다. 특수 가공 공작기계는 자동차에 쓰이는 강철판을 만드는 데 주로 사용된다. 특수 가공에는 방전가공, 전해가공, 화학가공 따위가 있다. 먼저, 방전가공은 기존의 공작기계로 구멍을 뚫을 수 없었던 강철 합금과 같이 단단한 금속에 구멍을 뚫는 가공 방법이다. 방전가공은 복잡한 모양의 구멍을 매끄럽고 정밀하게 뚫을 수 있어 가장 널리 사용된다. 방전가공에는 전극을 이용하는데, 전극은 대부분 녹는점이 높은 흑연으로 전기를 전도한다. 전극은 공작물에 뚫으려고하는 구멍 모양과 같게 만든다. 전기를 전도하는 액체인 전해액에 전극과 공작물을 담근 다음 전극과 공작물 사이에 전류를 흘려보내면 전극 모양의 불꽃 방전이 일어난다. 이 불꽃으로 공작물에 똑같은 모양의 구멍이 뚫리게 된다. 전해가공은 전기를 이용해서 공작물에 있는 금속을 부식시키는 화학반응을 일으켜 가공하는 방법이다. 전기는 양으로 대전된 공작물에서 음으로 대전된 절삭공구로 흐른다. 공작물과 절삭공구 사이로 전해액을 뿜어넣어 전류가 흐르게 하면 공작물에 있는 금속을 부식시키는 전기화학반응이 일어난다. 완성된 공작물은 절삭공구 면과 같은 모양이 된다. 화학가공은 금속을 화학 용액에 담가 가공하는 방법이다. 이 가공에서 공작물은 화학반응이 일어나지 않는 보호물질로 싸이도록 하고, 가공할 부위에는 보호물질이 덮이지 않도록 한다. 공작물을 강한 화학 용액에 담그면 보호물질을 바르지 않은 부분의 금속만 녹아 원하는 모양으로 만들어진다. 기타 특수 가공 방식 가운데는 레이저 절삭가공이 있다. 레이저로 가는 집중 광선을 공작물에 쏘아 가공한다. 레이저광선을 아주 작은 영역에 비추면 온도가 5,500도 이상으로 올라간다. 레이저광선은 금속이나 기타 재료를 녹여서 작고 정확하게 절단하거나 구멍을 뚫을 수 있다. 플라스마가공에서는 플라스마라는 이온화된 가스증기를 뿜어 매우 단단한 금속에 구멍을 내는 것으로, 플라스마토치라는 기구로 공작물에 플라스마를 고속으로 분사한다. 이 가공과 비슷한 전자빔가공에서는 고속으로 이동하는 전자 흐름을 이용해서 공작물에 구멍을 낸다. 초음파가공으로도 매우 단단한 금속에 구멍을 낼 수 있다. 초음파 절삭기의 절삭공구는 공작물에 초당 2만 번 정도로 진동을 가한다. 초음파가공은 공작물에 연마액을 뿜고 공구를 진동시켜서 이 때 생기는 마찰로 가공한다. 수치제어라고 하는 것은 공작기계를 자동화하는 기술이다. 종이나 플라스틱으로 된 제어테이프에 숫자 코드 형태의 명령이 들어있는데, 이 테이프가 공작기계 안으로 들어가면, 기계에 있는 제어장치가 코드를 해독한다. 이 과정에서 코드에 해당하는 전자 신호가 만들어지며, 전자 신호에 따라 공작물에 가해지는 기계의 작업 방향과 속도가 제어된다. 숫자는 테이프에 구멍을 뚫거나 작은 자기물질을 묻혀 나타낸다. 제어테이프 대신 컴퓨터를 이용하는 공작기계도 있다. 컴퓨터 수치제어장치는 공작기계에 널리 사용하는 장치이다. 직접 수치제어장치는 컴퓨터 1대로 공작기계 100대 이상을 제어할 수 있다.