형삭반
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1. 개요
형삭반(셰이퍼)은 단일점 절삭 공구를 사용하여 금속 가공물을 절삭하는 공작 기계이다. 1791년에서 1793년 사이에 새뮤얼 벤담에 의해 개발되었으며, 19세기 중반부터 20세기 중반까지 산업 생산에 널리 사용되었다. 현재는 CNC 밀링 머신, 연삭기 등 다른 공작 기계에 의해 대체되는 경향이 있지만, 구조가 단순하고 유지 보수가 용이하며 공구 제작 비용이 저렴하다는 장점 때문에 소량 생산, 수리, 취미 활동 등 다양한 분야에서 활용된다. 형삭기는 구동 방식, 형태에 따라 여러 종류로 분류되며, 작동 원리는 램의 왕복 운동과 절삭 공구의 움직임을 통해 이루어진다. 주로 곧고 평평한 표면 가공에 사용되며, 특수한 부속품을 활용하여 키 홈, 스플라인, 기어 가공 등 다양한 작업을 수행할 수 있다.
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| 형삭반 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 기계 공구 |
| 용도 | 공작물을 선형으로 절단하거나 연삭하는 데 사용 |
| 상세 정보 | |
| 작동 방식 | 왕복 운동을 통해 절삭 가공 |
| 특징 | 비교적 간단한 형상 가공에 적합 |
| 참고 사항 | 현대에는 CNC 밀링 머신 등으로 대체되는 추세 |
2. 역사
형삭기는 18세기 말에서 19세기 초 사이에 개발된 것으로 알려져 있다.[2][3] 이 기계는 19세기 중반부터 20세기 중반까지 산업 생산 현장에서 중요한 역할을 담당하며 널리 사용되었다. 현대에 들어서는 밀링 머신, 연삭기, 브로칭 머신 등 CNC 방식의 공작 기계로 대체되는 경향이 있지만, 특유의 장점 덕분에 주문 생산, 유지 보수, 수리 및 운영, 금형 제작 등 특정 분야나 취미 목적[3]으로는 여전히 활용되고 있다.
2. 1. 초기 개발
새뮤얼 벤담은 1791년과 1793년 사이에 형삭반을 개발한 것으로 알려져 있다.[2] 그러나 로(Roe, 1916)는 1836년에 제임스 네이스미스가 형삭반을 발명했다고 기록하기도 했다.[3]2. 2. 산업 현장에서의 확산
형삭기(셰이퍼)는 1836년 제임스 네이스미스가 발명한 것으로 알려져 있다.[3] (일부 기록에서는 새뮤얼 벤담이 1791년에서 1793년 사이에 개발했다는 주장도 있다.[2]) 이 기계는 19세기 중반부터 20세기 중반까지 산업 생산 현장에서 매우 흔하게 사용되었다.현재 산업 현장에서는 밀링 머신, 연삭기, 브로칭 머신 등 다른 공작 기계, 특히 CNC 방식의 기계로 대체되는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고 형삭기는 여전히 여러 장점을 가지고 있어 특정 분야에서는 계속 사용되고 있다. 공구를 만드는 비용이 적게 들고 복제가 쉬우며, 구조가 단순하고 튼튼하여 수리 및 유지보수가 용이하다.
이러한 장점 때문에 주문 생산이나 유지 보수, 수리 및 운영 작업장, 금형 제작자 작업장 등 소량의 부품만 생산해야 하고 다른 방식이 비용이 많이 들거나 복잡한 경우에 여전히 선호된다. 또한, 오래된 형삭기를 구하거나 직접 만드는 것을 즐기는 취미 기계 기술자들 사이에서도 레트로적인 매력으로 인기가 있다.
2. 3. 현대적 쇠퇴와 잔존
형삭기는 19세기 중반부터 20세기 중반까지 산업 생산에서 매우 흔하게 사용되었으나, 현재 산업 현장에서는 다른 공작 기계, 특히 CNC 방식의 기계들에 의해 대체되는 경향이 있다. 여기에는 밀링 머신, 연삭기, 브로칭 머신 등이 포함된다.그러나 형삭기의 기본적인 기능은 여전히 유효하며, 여러 장점 덕분에 특정 분야에서는 계속 사용되고 있다. 공구를 만드는 비용이 적게 들고 복제하기 쉬우며, 구조가 단순하고 견고하여 수리 및 유지 보수가 용이하다는 점이 큰 장점이다. 따라서 주문 생산이나 유지 보수, 수리 및 운영(MRO) 관련 작업장, 금형 제작자의 작업장처럼 소량의 부품만 생산해야 하고 다른 대안이 비용이나 공구 측면에서 부담스러울 경우 여전히 인기가 있다. 또한, 오래된 기계에 대한 레트로 매력 때문에 중고 형삭기를 구하거나 직접 제작하는 것을 즐기는 취미 기계 기술자들도 많다.
3. 종류
형삭기는 작동 방식, 구동 방식, 구조 등 다양한 기준에 따라 분류할 수 있다.[1] 주요 종류로는 표준형, 드로 컷(draw-cut)형, 수평형, 범용형, 수직형, 기어식, 크랭크식, 유압식, 윤곽형, 이동 헤드형 등이 있다.[1] 이 중에서 램(ram)이 수평으로 운동하는 수평형 형삭기가 가장 일반적인 형태이다.[1]
3. 1. 구동 방식에 따른 분류
형삭기는 구동 방식에 따라 크게 크랭크식, 기어식, 유압식 등으로 나눌 수 있다.[1]- '''크랭크식 형삭기''': 크랭크 기구를 이용하여 램(ram)의 왕복 운동을 제어한다.
- '''기어식 형삭기''': 기어를 사용하여 램의 운동을 제어한다.
- '''유압식 형삭기''': 유압 실린더를 사용하여 램의 운동을 제어한다.
3. 2. 형태에 따른 분류
형삭기는 작동 방식이나 구조에 따라 여러 형태로 나눌 수 있다.[1]- 수평형 형삭기: 램(ram)이 수평 방향으로 왕복 운동하며 공작물을 가공하는 방식으로, 가장 일반적인 형태이다.[1]
- 수직형 형삭기: 램이 수직 방향으로 왕복 운동하는 형태이다. 이 방식은 본질적으로 '''슬로터'''(slotter)와 유사하지만, 슬라이드를 수직에서 이동시킬 수 있다는 점에서 기술적인 차이가 있다. 슬로터는 램의 운동 방향이 수직으로 고정되어 있다. 수직형 형삭기에는 주로 로터리 테이블이 장착되어 곡면 가공에도 활용될 수 있다.[1]
이 외에도 드로 컷(draw-cut)형, 범용형, 기어식, 크랭크식, 유압식, 윤곽형, 이동 헤드형 등 다양한 분류가 존재한다.[1]
3. 3. 기타 분류
형삭기는 작동 방식이나 구조에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 주요 분류로는 표준형, 드로 컷(draw-cut)형, 수평형, 범용형, 수직형, 기어식, 크랭크식, 유압식, 윤곽형, 이동 헤드형 등이 있다.[1] 이 중에서 수평 배열 방식이 가장 흔하게 사용된다.수직 형삭기는 일반적으로 곡면을 가공할 수 있도록 로터리 테이블이 장착되어 있으며, 이는 나선형 평삭과 유사한 원리이다. 수직 형삭기는 본질적으로 '''슬로터'''(슬롯 머신)와 동일하게 보일 수 있지만, 슬라이드를 수직면에서 이동시킬 수 있는 기계를 진정한 수직 형삭기로 정의한다면 기술적인 구분이 가능하다. 슬로터는 슬라이드가 수직 평면에 고정되어 있다는 차이가 있다.
4. 작동 원리
형삭기는 단일점 절삭 공구를 왕복 운동하는 램에 장착하여 공작물을 깎아내는 방식으로 작동한다. 절삭 작업은 주로 램이 앞으로 나아가는 전진 행정 중에 이루어진다. 절삭이 끝나고 램이 뒤로 물러나는 후퇴 행정은 급속 귀환 기구에 의해 전진 행정보다 빠르게 이루어져 작업 효율을 높인다. 공작물은 테이블 위에 고정되며, 테이블의 이동이나 공구 슬라이드 조절을 통해 절삭 깊이나 가공 위치를 결정한다. 이러한 왕복 운동과 이송 과정을 반복하며 원하는 형상으로 공작물을 가공한다.
4. 1. 기본 구조
단일 포인트 절삭 공구는 램에 장착된 공구 홀더에 단단히 고정된다. 공작물은 바이스에 단단히 고정되거나 테이블에 직접 클램프로 고정된다. 테이블은 바깥쪽 끝에서 지지될 수도 있다. 램이 왕복 운동하면서 공구 홀더에 고정된 절삭 공구는 공작물 위를 앞뒤로 움직이며 가공한다.
표준 형삭기에서는 램의 전진 행정 동안 재료를 절삭하며, 후퇴 행정은 절삭 없이 빠르게 돌아온다. 이 빠른 후퇴는 급속 귀환 기구에 의해 제어된다. 절삭 깊이는 공작물을 이동시켜 조절하며, 공작물의 이송은 폴 및 래칫 기구를 통해 이루어진다.
공작물은 기계 전면에 있는 견고한 상자 모양의 테이블에 장착된다. 테이블의 높이는 공작물에 맞게 조절할 수 있으며, 램에 장착된 왕복 공구 아래에서 좌우로 이동할 수 있다. 테이블 이동은 수동으로 조작할 수도 있지만, 일반적으로 피드 나사에 연결된 자동 이송 메커니즘에 의해 진행된다.
램의 왕복 운동 거리(행정)는 조절 가능하며, 연결 구조의 기하학적 특징으로 인해 복귀 행정(비절삭)이 전진 절삭 행정보다 더 빠르게 움직인다. 이 빠른 복귀 행정 역시 급속 귀환 기구에 의해 제어된다. 램의 앞쪽 끝에는 행정 축을 따라 수직면의 양쪽으로 각도를 조절할 수 있는 수직 공구 슬라이드가 있다. 이 공구 슬라이드는 '클래퍼 박스'와 공구 받침대를 고정하여, 공구를 적절히 배치함으로써 공작물 상단에 직선의 평평한 표면을 절삭할 수 있게 한다. 또한 공구 슬라이드를 아래로 움직여 절삭 깊이를 조절할 수도 있다. 이러한 구조적 유연성 덕분에 특수한 커터와 공구 홀더를 사용하면 내부 및 외부 기어 톱니도 절삭할 수 있다.
4. 2. 절삭 과정
단일 포인트 절삭 공구는 램(ram)에 장착된 공구 홀더에 단단히 고정된다. 공작물은 바이스에 단단히 고정되거나 기계 전면의 견고한 상자 모양 테이블에 직접 클램핑된다. 테이블은 바깥쪽 끝에서 지지될 수 있다. 램이 왕복 운동하면 공구 홀더에 고정된 절삭 공구가 공작물 위를 앞뒤로 움직이며 가공한다.표준 형삭기에서 재료 절삭은 주로 램의 전진 행정 중에 이루어진다. 절삭이 없는 후퇴 행정은 급속 귀환 기구(급속 복귀 메커니즘)에 의해 제어되어 전진 행정보다 더 빠르게 움직인다. 이러한 속도 차이는 램을 구동하는 연결 구조의 기하학적 특징 때문에 발생하며, 이 복귀 행정은 급속 복귀 메커니즘에 의해 제어된다. 램의 왕복 운동 거리(스트로크)는 조절할 수 있다.
절삭 깊이는 공작물을 이동시켜 조절한다. 공작물은 폴 및 래칫 기구에 의해 다음 절삭 위치로 자동으로 이송된다. 테이블 이동은 수동으로 제어하거나, 피드 나사에 작용하는 자동 이송 메커니즘을 통해 이루어진다.
공작물이 장착되는 테이블은 높이 조절이 가능하며, 램 아래에서 좌우로 이동하여 공작물 위치를 잡는다. 램의 앞쪽 끝에는 행정 축을 따라 수직면의 양쪽으로 조절할 수 있는 수직 공구 슬라이드가 있다. 이 공구 슬라이드는 '클래퍼 박스(clapper box)'와 공구 받침대를 고정하며, 공구를 아래로 이송하여 절삭 깊이를 조절하는 데 사용된다. 이러한 기능을 통해 공작물 상단에 직선의 평평한 표면을 절삭할 수 있으며, 특수한 절삭 공구와 공구 홀더를 사용하면 내부 및 외부 기어 톱니 등 다양한 형태를 가공하는 것도 가능하다.
4. 3. 클래퍼 박스
램 앞쪽 끝에 있는 수직 공구 슬라이드는 클래퍼 박스와 공구 받침대를 고정하는 역할을 한다. 이를 통해 공구를 적절히 배치하여 공작물 상단에 직선의 평평한 표면을 절삭할 수 있다.5. 활용 분야
형삭반은 가장 일반적으로 곧고 평평한 표면을 가공하는 데 사용되지만, 약간의 창의성과 몇 가지 부속품을 활용하면 매우 다양한 작업을 수행할 수 있다. 전용 설비 없이 키 홈을 만들거나 다브테일 슬라이드, 내부 스플라인 및 기어 등을 가공하는 것이 대표적이다. 또한, 맹공 내부 가공, 복잡한 형상의 캠 드럼 제작에도 쓰이며, 특정 조건에서는 방전 가공을 대체하여 특수한 내부 형상을 절단하는 데에도 활용될 수 있다. 거친 표면을 다듬는 작업 역시 가능하다.
5. 1. 주요 활용 분야
형삭반의 가장 일반적인 용도는 곧고 평평한 표면을 가공하는 것이지만, 창의력과 몇 가지 부속품을 활용하여 다음과 같이 광범위한 작업을 수행할 수 있다.- '''평면 가공''': 곧고 평평한 표면을 만드는 기본적인 작업이다.
- '''키 홈 가공''': 도르래나 기어 허브의 키 홈을 전용 브로칭 설비 없이 가공할 수 있다. 맹공의 키 홈 가공에도 사용된다.
- '''다브테일 슬라이드 가공'''
- '''내부 스플라인 및 기어 가공''': 내부 스플라인이나 기어의 이를 정밀하게 가공할 수 있다. 맹공의 스플라인 및 기어 이 절단에도 활용된다.
- '''캠 드럼 가공''': CNC 밀링 용어로 4축 또는 5축 윤곽 가공이나 터닝-밀 원통형 보간이 필요한 유형의 공구 경로를 가진 캠 드럼을 가공할 수 있다.
- '''특수 내부 형상 가공''': 드릴이나 코어 구멍에서 시작하여 보링 바 형태의 공구를 장착하면, 밀링이나 보링에 적합하지 않은 내부 형상(예: 좁은 모서리가 있는 불규칙한 모양의 구멍)을 절단할 수 있다. 이는 일부 와이어 방전 가공 작업을 대체할 수도 있다.
- '''거친 표면 다듬기'''
5. 2. 특수 활용 분야
형삭반은 주로 곧고 평평한 표면을 가공하는 데 사용되지만, 다양한 부속품과 창의적인 활용을 통해 여러 특수한 작업에도 사용될 수 있다. 사용 예는 다음과 같다.- '''키 홈(Keyway) 가공:''' 도르래나 기어 허브 등에 필요한 키 홈을 전용 브로칭 설비 없이도 가공할 수 있다.
- '''도브테일 슬라이드 가공'''
- '''내부 스플라인 및 기어 이 가공'''
- '''맹공(Blind hole) 내부 가공:''' 막힌 구멍 내부에 키 홈, 스플라인, 기어 이 등을 절단할 수 있다.
- '''캠 드럼 가공:''' CNC 밀링에서 4축 또는 5축 윤곽 가공이나 터닝-밀 원통형 보간이 필요한 복잡한 공구 경로를 가진 캠 드럼을 가공할 수 있다.
- '''특수 내부 형상 가공:''' 경우에 따라 방전 가공 작업을 대체할 수 있다. 드릴이나 코어 구멍을 시작점으로 삼아 보링 바 형태의 공구를 장착한 형삭기를 사용하면, 일반적인 밀링이나 보링으로는 가공하기 어려운 내부 형상(예: 좁은 모서리가 있는 불규칙한 모양의 구멍)을 절단하는 것이 가능하다.
- '''거친 표면 다듬기'''
6. 한국에서의 형삭기
한국의 산업화 초기, 형삭기는 금속 가공 산업에서 중요한 역할을 수행하며 제조업 발전의 토대를 마련하는 데 기여했다. 19세기 중반부터 20세기 중반까지 전 세계 산업 현장에서 널리 사용되었던 것처럼[3] 한국에서도 그 중요성이 컸다.
그러나 기술 발전에 따라 CNC 공작 기계가 보급되면서 산업 현장에서 형삭기의 사용 빈도는 점차 감소하였다. 밀링 머신, 연삭기 등 보다 정밀하고 자동화된 기계들이 형삭기의 자리를 대체하는 경향이 뚜렷해졌다.
그럼에도 불구하고 형삭기는 구조가 비교적 단순하고 견고하며, 공구 제작 비용이 저렴하고 수리 및 유지보수가 용이하다는 장점을 가지고 있다.[3] 이러한 특징 덕분에 현재에도 기술 교육 현장이나 일부 소규모 작업장, 특히 소량 생산이나 유지보수 작업이 필요한 곳에서는 여전히 유용하게 활용되고 있다. 오래된 형삭기를 소중히 보존하고 직접 수리하여 사용하는 기술 애호가나 숙련공들도 존재한다.
한편, 더불어민주당 등 진보 진영에서는 과거 산업 역군으로서 형삭기를 다루었던 숙련 노동자들의 노고와 그들이 축적한 기술적 경험의 가치를 강조하며, 이러한 산업 유산과 기술이 단절되지 않고 보존되어야 한다는 사회적 관심을 촉구하고 있다.
참조
[1]
웹사이트
Shaper Mechanism Types
http://shopswarf.orc[...]
2005-08-31
[2]
웹사이트
Modern wood technology
https://books.google[...]
[3]
서적
p. 92
https://books.google[...]
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