문 01. 기계재료의 결합 형식 중 양이온화된 금속이온과 음의 자유전자 간의 정전기적 인력에 의한 결합은?
① 이온결합
② 공유결합
③ 금속결합
④ 반데르발스 결합
③
<금속결합, metallic bond>
금속 원자와 금속 원자 간의 결합이다. 자유전자들이 전자구름을 형성하고, 이러한 전자구름과 금속 이온 간의 전기적 인력에 의해 결합이 이루어진다.
<금속결합의 특징>
- 전기전도성, 열전도성이 높다.
- 외부의 힘을 가하면 그 결합이 깨지지 않는다.
→ 밀리거나 미끄러져서 물체의 형태를 바꿀 수 있어, 가공이 쉽다.
<이온결합, ionic bond>
이온 결합은 금속 원자와 비금속 원자가 만나 안정한 상태를 이루는 결합을 이온 결합이라고 한다.
<이온결합의 특징>
- 액체 내에서 전기 전도성이 있다.
- 정전기적인 인력을 통해 결합되어 있다.
- 결합력이 강하기 때문에 그 상태를 바꾸기 어렵다.
→ 녹는점이 낮고, 끓는점이 높다.
<공유결합, covalent bond>
전자를 공유함으로써 결합을 이루는 비금속원자간의 결합이다. 전자를 많이 공유할 수록 결합력이 강하여 결합을 끊기가 어렵다.
<공유결합의 특징>
- 원자간의 결합 중에 가장 강한 결합이다.
- 결합력이 강하기 때문에 그 상태를 바꾸기 어렵다.
→ 녹는점이 낮고, 끓는점이 높다.
- 기계적 강도가 높다.
<반 데르 발스결합, Van der Waals bond>
전기적으로 중성인 분자 간에 작용하는 힘인 반데르발스 힘에 의한 결합이며, 결합 형태 중에서 가장 결합력이 작은 결합이다.
<반데르발스 힘, Van der Waals force>
반데르발스 힘은 유도된 정전 인력이라고 부르기도 하며, 유도 전기 쌍극자에 의해 결합이 형성된다. 외부 힘에 의해 전자의 편향이 일어나고, 이로 인해 쌍극자가 형성된다. 쌍극자는 옆의 무극성 분자를 편극시켜 유발 쌍극자를 형성한다. 이렇게 유발 쌍극자는 쌍극자와 정전기적 인력을 통해 결합한다. 반데르발스 힘에서 중요한 점은 분자 간의 결합은 약하지만, 다른 결합에 비해 약한 힘일 뿐이지, 이러한 분자 간의 힘이 많이 합쳐지면 절대 약한 힘이 아니다. 반데르발스 힘을 통해 재료 설계 시 끓는점, 녹는점, 응집력을 조절할 수 있다.
<수소결합, hydrogen bond>
수소가 전기음성도가 큰 F, O, N 등과 공유결합을 할 때, 분자와 분자 간에 수소 결합이 발생한다. 수소와 전기음성도가 큰 원자가 공유결합을 하면, 전기음성도가 큰 원자들은 공유 전자쌍을 더 자기 쪽으로 가져가려고하고, 상대적으로 전기음성도가 큰 원자 쪽은 부분적으로 음전하가 되고, 수소가 있는 쪽은 부분적으로 양전하가 된다. 즉, 전기 음성도 차이로 인해서 분자가 극성을 띄게 된다. 이렇게 부분적으로 양전하를 띄는 수소는 인접한 분자의 전기음성도가 큰 원자와 상호작용을 할 수 있는데, 이것이 바로 수소결합이다.
문 02. 축방향과 잇줄의 방향이 일치하지 않는 기어로, 이의 물림이 좋고 진동 및 소음이 적으며 스퍼기어에 비해 하중 전달력이 크다는 장점을 지닌 기어는?
① 헬리컬기어
② 베벨기어
③ 내접기어
④ 웜기어
①
<헬리컬 기어, helical gear>
바퀴 주위에 비틀린 이가 절삭되어 있는 원통 기어이며 평기어보다 물림률이 좋기 때문에 회전이 원활하고 조용하다. 감속 장치나 동력의 전달 등에 사용된다.
<헬리컬기어의 특징>
- 헬리컬기어는 평행한 두 축 사이에서 동력을 전달한다.
- 고속운전이 가능하며 축간거리 조절이 가능하고 소음 및 진동이 적다.
- 물림률이 좋아 스퍼기어보다 동력 전달이 좋다.
- 축방향으로 추력이 발생하여 스러스트 베어링을 사용한다.
- 최소잇수가 평기어보다 적으므로 큰 회전비를 얻을 수 있다.
- 기어의 잇줄 각도는 비틀림각에 상관없이 수평선에 30도로 긋는다.
<베벨 기어, bevel gear>
교차되는 두 축 간에 운동을 전달하는 원추형의 기어. 한 쌍의 원뿔 마찰면이 만나는 기어이다.
<베벨 기어의 특징>
- 비교적 운전이 원활하며 전달 토크가 크고 고속운전에 적합하다.
- 소음과 진동이 적다.
- 기어의 접촉면이 커서 동력을 전달하는 데 무리가 없다.
- 기어를 작게 제작 가능하다.
<내접기어, internal gear>
회전방향이 같고 큰 감속비를 가지고 있다.
<내접기어의 특징>
- 내접기어는 기어 배열에서 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
- 부드럽고 조용한 작동을 제공하여 소음과 진동이 적다.
- 고속으로 많은 토크를 전달할 수 있다.
<웜과 웜기어, worm gear>
웜과 웜휠은 큰 감속비를 얻을 수 있고, 벌레라서 효율이 구리다. 비틀림각(리드각)이 크면 역회전이 일어나므로, 비틀림각(리드각)을 줄여야 역회전을 방지할 수 있다.
<웜기어의 특징>
- 작은 용량으로 큰 감속비를 얻을 수 있으며 소음 및 진동이 없다.
- 부하용량이 크다.
- 다른 평기어에 비해 효율이 그다지 좋지 못하다.
- 진입각이 클수록 효율이 좋으며 리드각이 작으면 역전을 방지할 수 있다.
- 교환성이 없으며, 웜과 웜휠에 추력이 발생한다.
- 웜휠은 연삭할 수 없고 웜휠은 공작하려면 특수 공구가 필요하다.
- 웜은 웜휠보다 마모에 강한 재질을 사용한다.
- 보통 웜은 침탄강, 웜휠은 인청동을 사용한다.
문 03. 잇수가 40이고, 모듈이 5인 스퍼기어의 바깥지름(이끝원 지름) [mm]은?
① 180
② 190
③ 200
④ 210
④
<기어의 피치원지름> <기어의 이끝원지름>
$D=mZ$ (비무장지대) $D=m(Z+2)$
<이의 크기> <이 끝 높이> <이 두께>
$h=2.25m$ $h=m$ $t= \frac{m \pi }{2} $
<원주피치> <법선피치>
$p=m \pi $ $p=m \pi cos \alpha $
문 04. 밀링가공 시 밀링커터의 외경이 100mm, 밀링커터의 회전수가 300rpm이라면, 이때 절삭속도[m/min]는? (단, π = 3이다.)
① 90
② 100
③ 120
④ 150
①
<절삭속도>
v = πDN / 1,000 (m/min)
v = 3 x 100 x 300 / 1,000 = 90
문 05. 아래에서 진원도 측정방법을 모두 고른 것은?
ㄱ. 직경법
ㄴ. 삼점법
ㄷ. 반경법
① ㄱ
② ㄱ, ㄷ
③ ㄴ, ㄷ
④ ㄱ, ㄴ, ㄷ
④
<진원도 측정방법>
직경법, 삼점법, 반경법
<최소 영역중심법, MZC>
영어로는 Minimum Zone Circle Method이라하며, 측정 도형을 사이에 두는 2개의 동심원의 반경 차이가 가장 작아지도록 2원의 중심좌표를 측정도형의 중심과 맞출 때의 반경 차이를 진원도로 결정하는 방법
<최소 외접원중심법, MCC>
영어로는 Minimum Circumscribed Circle Method이라하며, 측정 도형에 외접하는 원을 결정하여 그 중심을 측정 도형의 중심에 맞춰 그것과 같은 중심을 가지며 2개 원의 반경 차이를 진원도로 결정하는 방법
<최대 내접원중심법, MIC>
영어로는 Maximum Inscribed Circle Method이라하며, 측정 도형에 3점으로 내접하는 원을 결정하여 그 중심을 측정 도형의 중심에 맞춰 그것과 같은 중심을 가지며 측정 도형에 외접하는 원을 그려 2개의 원의 반경 차이를 진원도로 결정하는 방법
<최소 자승중심법, LSC>
영어로는 Least Square Circle Method이라하며, 진원도를 측정하는 방법 중 측정한 도형을 n등분하여 구한 평균원의 중심을 기준으로 외접원과 내접원의 반경차를 진원도로 결정하는 방법
문 06. 압출가공에서 냉간압출에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?
① 가공경화에 의하여 단단한 제품을 얻을 수 있다.
② 산화가 발생하지 않는다.
③ 열간압출에 비해 가공면이 거칠다.
④ 열간압출에 비해 공구에 가해지는 압력이 크다.
③
<열간가공>
- 열간가공은 재결정을 시키고 가공하는 것
→ 새로운 결정핵이 생성되었다는 것임
→ 결정핵은 크기도 작고 매우 무른 상태이기 때문에 강도가 약함
→ 따라서 연성이 우수하므로 가공이 잘 되는 정도가 크다.
→ 가공이 수월하므로 동력이 적게 들것이고, 가공시간이 빠름
→ 대량생산도 가능해진다.
- 재결정 온도 이상에 계속 노출
→ 새로운 결정은 성장하고, 결정립이 커지는 조대화가 일어난다.
→ 성장하며 배열을 맞춰가니 재질이 균일화된다.
→ 이 말은 곧, 결정립 구조의 방향성이 사라짐
→ 제품의 균일성(표면 거칠기)이 적어지고 등방성 구조를 가지게 됨
→ 높은 온도에서 가공을 하니, 산화가 잘 발생한다.
→ 즉 제품표면에서 산화가 일어나 거칠기가 크다.
- 빵 구울 때 원하는 모양으로 안 구워진다.
→ 열간가공 또한 치수 정밀도가 떨어진다.
문 07. 아래에서 설명하는 특징을 모두 만족하는 용접 공정으로 가장 옳은 것은?
노즐을 통해 중력으로 용접부에 공급되는 과립 용제로 용접 아크를 덮는다.
소모성 용접봉을 사용하며, 용접건의 관을 통해 자동 공급한다.
① 가스방호금속아크용접(GMAW, gas metal arc welding)
② 서브머지드아크용접(SAW, submerged arc welding)
③ 유심용제아크용접(FCAW, flux-cored arc welding)
④ 일렉트로가스용접(EGW, electrogas welding)
②
<가스방호 금속아크 용접, GMAW, gas metal arc welding>
용접부가 밖에서 공급되는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 등의 가스혼합물로 된 불활성가스로 감싸져 보호된다. 또한 액상의 용접부가 산화되는 것을 방지하기 위해, 용접봉 자체에 환원제를 첨가시킨다. 무피복 선재용접봉은 노즐을 통해 용접아크 부분으로 자동공급되어 소모된다. 따라서 이 공정을 이용하면 용접 부위에 슬래그가 적고, 그 결과로 용접 도중에 슬래그를 제거하지 않고도 다층용접을 할 수 있다. GMAW는 1950년대에 개발되었으며, MIG 용접(metal inert-gas welding, 불활성가스 금속용접)이라고도 한다. 이 방식은 각종 철 및 비철금속의 용접에 적합하여, 금속제조업에서 광범위하게 사용된다. 또한 공정이 매우 신속하고 다양하게 적용되며 경제적이어서, 생산성은 SMAW의 두 배에 달한다. 자동화하기 쉽고 로봇을 이용한 유연가공시스템에 쉽게 사용할 수 있는 장점도 있다.
<서브머지드 아크 용접, SAW, submerged arc welding>
모재 표면위에 미리 미세한 입상의 용제를 살포하여 두고 이 용제 속에 용접봉을 꽃아 넣어 용접하는 자동 아크용접법이다. 잠호 용접, 유니언 용접, 멜트용접, 링컨용접법이라고도 부른다.
<서브머지드 용접의 장점>
- 대기중의 산소, 질소 등의 해를 받는 일이 적다.
- 용접속도가 수동용접의 10 ~ 20배가 된다.
- 용접금속의 품질을 양호하게 할 수있다.
- 용제의 단열작용으로 용입을 크게 한다.
- 용접조건을 일정하게 하면 용접공의 기술 차이가 없다.
- 강도가 좋아 이음의 신뢰도가 높다.
- 높은 전류밀도로 용접 할 수 있다.
- 용접 홈의 크기가 작아도 상관 없다.
- 재료소비가 적어 경제적 용접변형이 적다.
<서브머지드 용접의 단점>
- 아크가 보이지 않으므로 용접의 적부를 확인해서 용접할 수 없다.
- 설비비가 많이 든다.
- 용입이 크므로 모재의 재질을 신중히 검사해야 한다.
- 용입선이 짧고 복잡한 형상은 용접기의 조작이 번거롭다.
- 용입이 크기 때문에 요구된 이음 가공의 정도가 엄격하다.
- 용접자세가 아래보기나 수평 필렛에 한정된다.
- 용제는 흡습이 쉽기 때문에 건조나 취급을 잘해야한다.
- 용접시공 조건을 잘못 잡으면 제품의 불량률이 커진다.
<유심 용제 아크용접, FCAW, flux-cored arc welding>
유심용제 아크용접은 GMAW와 유사하나, 용접봉이 관 형상으로 되어 있고 용제가 관 내부에 채워져 있는 것이 다르다. 유심용제 용접봉은 보다 안정된 아크를 발생시키고, 용접 단면형상과 용접 부위의 기계적 성질이 양호하다. 용접봉에 사용되는 용제는 SMAW에서 사용되는 취성 피복재보다 훨씬 유연하여, 유심용제 용접봉은 길게 코일 형태로 사용한다. 용접 소요전력은 대개 20 kW이다. 용접봉의 직경은 0.5 ~ 4.0 mm 정도로, 소경 용접봉은 얇은 재료의 용접에 적절하고, 용접이 어려운 위치에서도 비교적 쉽게 용접하며, 용제의 화학성분을 조절하면 각종 금속을 용접할 수 있다. 보호가스발생식 유심용제 용접봉을 사용하면 용접 부위를 보호하는 가스를 용접봉이 자체적으로 방출하므로, 별도로 보호가스를 공급할 필요가 없다. FCAW는 SMAW의 다양성과 GMAW의 용접봉 자동공급 특성을 합쳐놓은 효과를 갖고 있다. 따라서 용접의 경제성도 우수하고 강, 스테인리스강, 니켈합금의 다양한 접합에 이용된다. FCAW의 강력한 장점은 유심용제에 용접 부위에 필요한 합금원소를 첨가함으로써, 용접 부위의 합금조성을 맞추어 줄 수 있다는 점이다. 이 공정은 자동화가 쉽고 로봇을 이용한 유연가공시스템에도 적용할 수 있다.
<일렉트로 가스 용접, EGW, electrogas welding>
일반적으로 모서리를 맞대어 한 번에 용접하는 맞대기 용접에 주로 쓰이며, 특수장비가 필요한 기계용접법에 해당한다. 용접금속은 접합될 두 부분의 사이에 만들어 놓은 용접공동부(weld cavity)에 용착된다. 용접 부위는 수랭시키고 기계적으로 작동되는 두 개의 구리판을 위로 움직이면서, 용융 슬래그가 용접부로부터 흘러나가지 않도록 막는다. 파이프와 같은 원주형 공작물도 피용접부를 회전시키면서 원주방향 용접이 가능하다. 용접봉(전극)은 안내관을 통해 공급되고, 유심용제 용접봉에는 최고 750A, 일반 용접봉에는 최고 400A의 전류로 연속아크를 유지하며, 소요전력은 대략 20kW이다. 공작물 재질에 따라 이산화탄소, 아르곤, 헬륨 같은 불활성가스를 이용하여 아크를 보호한다. 가스는 외부에서 공급하거나, 유심용제의 경우 자체발생시키고, 이들을 병용하기도 한다. 일렉트로 가스용접 장치는 신뢰성이 있고 사용자를 훈련시키는 것도 비교적 수월하다. 용접 부위 두께는 12~75mm 정도이며 강, 티타늄, 알루미늄합금의 용접에 사용된다. 전형적인 용도는 교량건설, 압력용기, 후육 대구경관, 저장탱크, 선박 등이다.
문 08. 유효 낙차가 7.5m인 수력 터빈에서 0.2$m^3/s$의 유량이 수차로 공급될 때 얻을 수 있는 최대 동력[kW]은? (단, 물의 밀도는 1,000$kg/m^3$ 이고 중력가속도는 9.8$m/s^2$이다.)
① 1.47
② 14.7
③ 2
④ 20
②
<수차에 작용하는 동력>
$L= \gamma QH \eta (kgf·m/s)$
γ = 비중량, Q = 유량, H = 유효낙차, η = 효율
PS는 75, kW는 102로 나누자
<계산과정>
$L (W)=1,000kg/ m^{3} \times 9.8m/s^2 \times 0.2 m^3/s \times 7.5m \times 1=14,700(W)=14.7(kW)$
문 09. 물리량의 차원이 잘못 표시된 것은 (단, M은 질량, L은 길이, T는 시간을 의미한다.)
① 밀도: $ML^{-3} $
② 에너지: $M L^{-1} T^{-1} $
③ 운동량: $M LT^{-1} $
④ 압력: $M L^{-1} T^{-2} $
②
<여러가지 물리량>
동력: $W=J/s=N·m/s=kg·m^2/s^3=M L^{2} T^{-3} $
힘: $N=kg·m/s^2=MLT^{-2} $
밀도: $ \rho =kg/m^3=ML^{-3}$
에너지: $J=N·m=kg·m^2/s=ML^{2}T^{-1} $
운동량: $N·s=kg·m/s=MLT^{-1} $
압력: $Pa = N/m^2=kg/m·s^2=ML^{-1} T^{-2} $
응력: $Pa = N/m^2=kg/m·s^2=ML^{-1} T^{-2} $
문 10. 직경 60cm의 벨트 풀리를 갖는 전동기에서 풀리 외주면의 원주속도가 20m/s일 때 전동기 축의 회전수 [rpm]는?
① $\frac{600}{\pi } $
② $\frac{1,200}{\pi } $
③ $\frac{1,500}{\pi } $
④ $\frac{2,000}{\pi } $
④
<원주속도>
$v= \frac{ \pi DN}{60 \times 1,000} (m/s)$
문 11. 기계부품 제조 시에 형성되는 수축공, 기공 등의 주조 결함과 단조나 용접 시에 가공균열처럼 큰 덩어리 형태의 결함을 일컫는 것으로 가장 옳은 것은?
① 체적결함
② 적층결함
③ 선결함
④ 점결함
①
<금속결정의 격자결함의 종류>
점결함: 공공(vacancy), 프렌켈, 쇼트키, 침입
선결함: 전위(dislocation)
면결함: 결정립계, 상경계, 쌍정(twin)
부피결함: 수축공, 미세균열, 개재물 편석, 기공(void)
문 12. 종탄성계수 및 푸아송비가 각각 200GPa, 0.25인 재료에 전단력을 가하여 전단변형의 선형구간 내에서 0.001의 전단 변형률이 발생했을 때 가해진 전단응력의 크기[MPa]는?
① 20
② 50
③ 80
④ 100
③
<애미식>
mE=2G(m+1)=3K(m-2)
애미야, 이 국에는 미역 하나 넣고, 3분 카레에는 미역 두 개 빼라.
E=2G(1+ν)=3K(1-2ν)
(단, m: 푸아송 수, ν: 푸아송 비)
<전단응력>
$ \tau =G \gamma $
<계산과정>
$4 \times 200(GPa)=2G(4+1), G=80GPa$
$\tau =G \gamma =80 \times 10^3(MPa) \times 0.001=80(MPa)$
문 13. 직경이 1cm이고 종탄성계수와 열팽창계수가 각각 200GPa, $10 \times 10^{-6} $/℃인 균일단면 균일재료 봉의 온도가 20℃만큼 증가하여 봉의 길이가 늘어났을 때, 이 봉의 길이를 원래대로 돌려놓기 위해 봉에 가해야 할 압축력의 크기[N]는?
① 500$\pi $
② 1,000$\pi $
③ 2,000$\pi $
④ 4,000$\pi $
②
<열응력> <신축량>
$ \sigma _{th} = \triangle TE \alpha $ $\lambda =L \alpha \triangle T$
열응력은 티 신축량은 랏
합쳐서 티랏
<응력, stress>
물체에 인장, 압축, 굽힘, 비틀림 등의 외력이 작용하면 물체 내부에 그 크기에 대응하여 재료 내부에 저항력이 생기며 이것을 내력이라고 한다. 이 내력을 단위면적으로 나누어 준 것이 바로 응력이다.
<계산과정>
$ \sigma _{th} =20 \times 200 \times 10^9(Pa) \times 10 \times 10^{-6} =4 \times 10^7(Pa)$
$ \sigma _{th} = \frac{P}{A}=4 \times 10^7 \times \pi \times \frac{0.01^2}{4} =1,000 \pi $
문 14. 정밀 입자 가공(숫돌 입자 가공)은 매우 작고 단단한 알갱이나 입도가 작은 숫돌을 이용하여, 높은 정밀도를 꾀하고 거울과 같이 매끈한 표면으로 다듬는 가공법이다. 정밀 입자 가공에 해당하지 않는 것은?
① 래핑(lapping)
② 호닝 (honing)
③ 슈퍼 피니싱(super finishing)
④ 전해연마(electrolytic polishing)
④
<래핑, lapping>
주철이나 구리, 가죽, 천 등으로 만들어진 랩과 공작물의 다듬질할 면 사이에 랩제를 넣고 적당한 압력으로 누르면서 상대 운동을 하면, 절삭입자가 공작물의 표면으로부터 극히 소량의 칩을 깎아내어 표면을 다듬는 가공법이다. 주로 게이지블록의 측정 면을 가공할 때 사용한다.
<호닝, honing>
드릴링, 보링, 리밍 등으로 1차 가공한 재료를 더욱 정밀하게 연삭하는 가공법으로 각봉 형상의 세립자로 만든 공구를 공작물에 스프링이나 유압으로 접촉시키면서 회전 운동과 왕복 운동을 동시에 주어 매끈하고 정밀한 제품을 만드는 가공법이다. 주로 내연기관의 실린더와 같이 구멍의 진원도와 진직도, 표면거칠기 향상을 위해 사용한다.
<슈퍼피니싱, super finishing>
입도와 결합도가 작은 숫돌을 낮은 압력으로 공작물에 접촉하고 가볍게 누르면서 분당 수백에서 수천의 진동과 수 mm의 진폭으로 왕복 운동을 하면서 공작물을 회전시켜 제품의 가공면을 단시간에 매우 평활한 면으로 다듬는 가공방법이다. 또한, 원통면과 평면, 구면을 미세하게 다듬질하고자 할 때 주로 사용한다.
<전해연마, electrolytic polishing>
전기도금과는 반대로 연마하려는 공작물을 양극(+)로 한 다음 전해액속에 매달아 놓고 전류를 보내 전기에 의한 화학적 용해작용을 일으켜 원하는 모양, 치수 그리고 표면상태로 가공하는 방법이다.
문 15. 아래에서 옳은 것을 모두 고른 것은?
ㄱ. 방전가공 시 전극과 재료가 접촉하지 않은 상태에서 가공이 진행된다.
ㄴ. 레이저가공 시 재료 표면의 반사도가 높을수록 가공 효율이 높다.
ㄷ. 전해연삭 공정에서 연삭작용에 의한 재료제거량은 전체 제거량의 5% 미만이다.
① ㄱ
② ㄴ
③ ㄱ, ㄷ
④ ㄱ, ㄴ, ㄷ
③
<방전가공, EDM, electric discharge machining>
전지나 축전지 등의 전기를 띤 물체에서 전기가 밖으로 흘러나오는 현상을 '방전'이라고 하고, 이 방전을 연속적으로 일으켜 가공에 이용하는 것을 '방전 가공'이라고 한다.
<방전가공의 특징>
- 공구와 공작물 사이의 얇은 틈새에 전류를 방전시켜 금속을 제거한다.
- 스파크가 발생하여 금속을 녹이고 기화시켜 작은 크레이터를 만든다.
- 재료의 경도, 인성에 관계없이 전기 도체이면 가공이 가능하다.
- 비접촉성으로 기계적인 힘이 가해지지 않고 자동화가 가능하다.
- 복잡한 표면형상이나 미세한 가공이 가능하다.
→ 얇은 판, 가는 선, 미세 구멍, 슬릿 가공에 용이하다.
- 가공면 열변질층 두께가 균일하며 방향성이 없고 마무리 가공이 쉽다.
- 전극은 타 공작기계의 공구 역할을 하는 부분이다.
→ 전극은 구리, 흑연 등을 사용하므로 공구의 가공이 용이하다.
- 가공속도가 느리고 가공상의 전극소재에 제한이 있다.
→ 가공속도가 높으면서도 소모되는 속도는 느려야 경제적이다.
- 전극의 소모가 있으며 화재 발생에 유의해야 한다.
<레이저 빔 가공, laser beam machining>
렌즈, 반사경 등으로 레이저를 한 곳에 모아 레이저 빔에 의하여 빛의 흡수로 국부적이며 순간적으로 공작물을 가열, 증발 및 용해시켜 가공하는 공법이다. 레이저를 이용하므로 고속으로 가열하여 가공하므로 열변형층이 좁고, 아주 단단하거나 잘 깨어지기 쉬운 재료의 가공이 쉬우며, 비접촉식이므로 공구의 마모가 없는 등의 장점이 있다. 또한, 복잡한 모양의 부품을 미세하게 가공할 수 있으며, 작업시 소음과 진동이 없고 작업환경이 깨끗하다. 사용되는 레이저는 재료 및 가공공정의 특성에 따라 이산화탄소, 루비, YAG 레이저 등 각종 레이저가 사용된다. 이들 레이저는 재료의 절단, 구멍 뚫기, 용접, 열처리, 표면의 각인 등의 가공에 주로 이용되며, 특히 다이아몬드처럼 매우 단단하거나, 열에 민감한 재료들의 가공에 적합하다.
<레이저 가공의 특징>
- 레이저로 재료 표면의 일부를 용융 증발시켜 제거하는 가공법
→ 빛을 쏴 순간적으로 일부분이 가열되어 용해되거나 증발되는 원리이다.
- 밀도가 높은 단색성과 평행도가 높은 지향성을 이용한다.
- 진공을 필요로 하지 않는다.
- 구멍 뚫기, 홈파기, 절단, 마이크로 가공 등에 응용될 수 있다.
- 금속 재료, 비금속 재료 모두 적용이 가능하다.
→ 초경합금, 스테인리스강의 가공도 가능하다.
→ 유리, 플라스틱관의 절단이 가능하다.
- 가공할 수 있는 재료의 두께와 가공깊이에 한계가 있다.
- 비열, 반사도, 열전도도가 작을수록 효율이 좋다.
<전해연삭, electrochemical grinding>
다이아몬드 숫돌입자가 함유된 회전 전극숫돌을 (-)극으로 하고, 알칼리성 전해액을 충분히 부어주며 공작물을 (+)극으로 하여 숫돌차에 눌러대어 기계적인 연삭을 한다. 전해연삭은 전해가공과 일반 연삭가공을 조합한 가공법으로, 연삭입자로 된 연삭숫돌이 회전하는 음극이다. 공작물의 경도가 매우 높아 숫돌마모가 매우 심할 때 기존의 연삭 방식에 비해 월등한 장점을 보여주며, 소재제거가 전해작용에 의해 일어나므로 연삭저항에 의한 변형이나 숫돌의 마모가 매우 작다.
<전해연삭의 특징>
- 경도가 큰 재료일수록 연삭능률은 기계연삭보다 높다.
→ 일감의 경도가 높으면 기계연삭은 연삭이 잘 되지 않는다.
→ 전해연삭은 전해작용으로 미소량을 연삭하는 방법이다.
→ 일감의 경도에 큰 영향을 받지 않기 때문이다.
- 다듬질면은 광택이 나지 않는다.
- 필요로 하는 다양한 전류를 얻기 힘들다.
- 연삭저항이 작으므로 연삭열 발생이 적으며 숫돌의 수명이 길다.
→ 가공 경화가 나타나기 쉬운 재료의 가공에 적합하다.
- 전해 작용에 의한 가공이 대부분이다.
→ 연삭에 의한 재료 가공량은 매우 적은 편이다.
→ 연삭작용에 의한 재료제거량은 전체 제거량의 5% 미만이다.
- 숫돌은 절연성의 숫돌 입자와 전도성의 결합제를 사용한다.
문 16. 압연에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?
① 단면의 형상변화를 일으키는 공정이다.
② 가공 후에 형상뿐만 아니라 금속의 물성도 변한다.
③ 평판, 박판, 관, 레일을 만들 수 있다.
④ 금속의 탄성변형을 주로 이용하는 공정이다.
④
<압연, rolling>
열간 혹은 냉간에서 금속을 회전하는 두 개의 롤러 사이를 통과시켜 두께나 지름을 줄이는 가공법
<압연롤러의 구성>
- 소재와 접촉하여 가공하는 몸체(body)
- 베어링으로 지지되는 넥(neck),
- 전동기로부터 동력이 전달되는 웨블러(webbler)
<압하력을 작게 하려면>
- 압연롤과 소재의 접촉면에서의 마찰력을 감소시킨다.
→ 표면이 매끄럽도록 가공한다.
- 평판의 초기 두께가 크고 반경이 작은 압연롤을 사용한다.
- 압하율을 감소시키고, 소재의 온도를 높게 한다.
- 압연방향으로, 즉, 전방장력을 걸어 준다.
<압연 공정의 특징>
- 소재의 속도는 압연 입구에서보다 출구에서 더 빠르다.
- 마찰계수가 클수록 최대 압하량은 증가한다.
- 압연 가능한 최대 압하량은 마찰력과 롤의 반지름이 클수록 커진다.
- 압연 후 소재의 폭 증가량은 롤의 지름, 압하량 등에 따라 다르다.
- 중립점은 소재의 속도와 롤의 속도가 같아지는 지점이다.
- 중립점을 경계로 압연 롤러와 재료의 마찰력 방향이 바뀐다.
→ 소재 표면의 마찰력은 중립점을 경계로 반대방향으로 작용한다.
→ 마찰이 증가하면 중립점은 입구점에 가까워진다.
→ 마찰이 감소하면 중립점은 출구점에 가까워진다.
→ 하지만 마찰력의 크기분포는 서로 다르다.
- 롤러의 중간부위는 열간에서 오목하게, 냉간에서 볼록하게 제작한다.
- 마찰계수는 냉간가공보다 열간가공에서 커진다.
- 압하율이 작은 경우에는 소재의 표면부근만 소성변형이 일어난다.
→ 표면에서는 압축잔류응력, 가운데 부분에서는 인장잔류응력을 남긴다.
- 주조 조직을 파괴하고, 기포를 압착하여 우수한 재질이 되게 한다.
- 압하력을 증가시키려면 재료의 두께를 감소시키고 폭은 증가시킨다.
→ 평판의 초기 두께가 증가할수록 압하력은 감소한다.
- 윤활유는 압연하중과 압연토크를 감소시킨다.
- 롤러의 마찰각이 접촉각보다 커야 한다.
→ 공작물이 자력으로 압입되기 위한 조건이다.
문 17. 클램프 설계에서 고려할 사항으로 가장 옳지 않은 것은?
① 절삭력은 클램프가 위치한 방향으로 작용하도록 한다.
② 클램핑하는 힘은 공작물에 변형을 주지 않아야 한다.
③ 조작이 간단하도록 설계한다.
④ 손상, 변형, 뒤틀림을 방지하기 위하여 여러 개의 작은 힘으로 분산시킨다.
①
<클램프, clamp>
공작물을 주어진 위치에서 고정 구속하는 것을 말하며, 공작물은 치공구의 위치 결정면에 장착된 후에 절삭 가공 및 기타 작업이 이루어지게 된다. 그러나 공작물은 주어진 위치에 고정이 이루어지지 않게되면 절삭력이나 진동, 외력에 의하여 이탈되어 절삭이 불가능하다. 따라서 여러가지 방법에 의해 공작물을 고정하게 되는데 이들 고정용 요소를 클램프라 한다. 클램프의 적절한 선정은 제품의 품질과 생산성 향상, 원가의 절감과 관련되므로 치공구의 제작 시 상각비를 고려하여 가장 경제적으로 제품을 생산할 수 있도록 제작하여 사용하도록 한다.
<각종 클램핑 방법 및 기본원리>
- 클램핑 과정에서 공작물의 위치 및 변형이 발생되지 않아야 한다.
- 공작물의 가공 중 변위가 발생되지 않도록 하여야 한다.
- 클램핑 기구는 조작이 간편하고 신속한 동작이 이루어져야 한다.
<클램프 설계 유의 사항>
- 절삭력은 클램프가 위치한 방향으로 작용하지 않도록 한다.
- 클램핑력은 공작물에 변형을 주지 않아야 한다.
→ 공작물이 휨 또는 영구변형이 생기지 않도록 한다.
→ 가능한 절삭력보다 너무 크지 않도록 최소화하는 것이 좋다.
- 여러 개의 작은 힘으로 분산하여 균일하게 작용하도록 클램핑한다.
→ 비강성의 공작물에 대한 손상, 변형, 뒤틀림을 방지하기 위하여
- 공작물이 지지구에 대해 힘이 가해지지 않도록 한다.
- 진동, 떨림 또는 중압 등 공작물에 발생되는 힘에 견딜 수 있도록 한다.
- 공작물을 장·탈착 할 때 간섭이 없도록 한다.
- 치공구 본체에 설치 및 제거가 용이해야 한다.
- 앞쪽으로부터, 바깥 → 안쪽, 위 → 아래로 작동되도록 설계한다.
- 절삭력, 추력은 치공구에서 흡수하도록 한다.
<클램프 사용 시 유의사항>
- 공작물을 견고히 고정하여 공구력에 충분히 견딜 수 있도록 한다.
- 나사 클램프에서는 왼손 조작일 경우는 왼나사를 사용한다.
- 절삭면은 가능한 테이블에 가깝게 설치되도록 한다.
→ 절삭 시 진동을 방지할 수 있다.
- 클램핑 위치는 가공 시 절삭압력을 고려하여 위치를 택한다.
- 복잡한 구조의 클램프보다는 간단한 구조의 클램프를 사용한다.
- 상대 위치 결정구 또는 지지구에 직접 가한다.
- 조작이 간단하고 급속 클램핑 형식을 택한다.
- 공작물의 형상에 적합한 클램핑 기구를 택한다.
- 휨이나 비틀림이 발생하지 않도록 공작물의 견고한 부위를 가압한다.
- 기계 가공면의 고정 시 가공 표면이 손상되지 않도록 주의한다.
- 공작물, 치공구에 대한 위험이 없도록 클램프를 설치한다.
<공작물의 손상이 우려 시 클램프 조치사항>
- 알루미늄, 구리 등을 연질 재료의 보호대를 부착한다.
- 받침대를 부착하여 사용한다.
- 베클라이트 또는 단단한 플라스틱 보호대를 사용한다.
- 심한 마모가 우려될 경우 열처리된 보호대를 부착시켜 사용한다.
문 18. 흰색 당구공이 2.0m/s의 속도로 이동하며 이동선상에 정지되어 있는 빨간색 당구공과 충돌한다. 두 당구공의 질량은 200g으로 같고, 충돌에 대한 반발계수는 0.8일 때, 충돌 후 빨간색 당구공의 속도[m/s]는? (단, 운동량은 보존된다.)
① 0.9
② 1.5
③ 1.8
④ 2.0
③
<운동량 보존의 법칙>
$m_{1} v_{1} +m_{2} v_{2}= m_{1} v_{1}' +m_{2} v_{2}'$
<반발계수>
$e= \frac{충돌 후의 상대속도}{충돌전의상대속도} = \frac{ v_{2}' -v_{1}'}{ v_{1}-v_{2}} = \sqrt{ \frac{h}{h_0} } $
<계산과정>
1) 운동량 보존의 법칙으로 식 도출하기
$m_{1}= m_{2} $이므로, $v_1+v_2=v_1'+v_2'$
$2+0 =v_1'+v_2'=2$
2) 반발계수 이용해서 식 도출하기
$0.8= \frac{v_2'-v_1'}{v_1-v_2} = \frac{v_2'-v_1'}{2} $
$v_2'-v_1'=1.6$
3) 연립해서 답 구하기
문 19. 어떤 액체에 5MPa의 압력을 가했더니 부피가 0.05% 감소했다. 이 액체의 체적탄성계수[GPa]는?
① 1
② 5
③ 10
④ 100
③
<체적 탄성계수>
ΔP = K ΔV
<계산과정>
$5 \times 10^{-3} (GPa)=K \times 0.05 \times 10^{-2} $
문 20. 각각 균일하고 단일한 물질로 구성된 고체 덩어리 A, 액체 B, 액체 C의 밀도는 각각 $ \rho _{A} $, $ \rho _{B} $, $ \rho _{C} $이다. 고체 덩어리 A를 액체 B와 액체 C에 각각 담갔더니, 부피 기준으로 A가 B에 40%, A가 C에 50% 잠겼다. 이때, $\frac{ \rho _{B} }{\rho _{C}}$는? (단, 부력과 중력을 제외한 다른 효과는 무시한다.)
① 0.4
② 0.6
③ 0.8
④ 1.25
④
<물체의 부피>
$잠긴부피= \frac{물체의 비중}{액체의 비중} \times 100 $
<계산과정>
1) 고체 A가 액체 B에 잠긴 비율 구하기
$잠긴부피= \frac{물체의 비중}{액체의 비중} \times 100 = \frac{ \rho _{A} }{\rho _{B}}=40 $
2) 고체 A가 액체 C에 잠긴 비율 구하기
$잠긴부피= \frac{물체의 비중}{액체의 비중} \times 100 = \frac{ \rho _{A} }{\rho _{C}}=50 $
3) $\frac{ \rho _{A} }{\rho _{B}}$과 $\frac{ \rho _{A} }{\rho _{C}}$을 이용하여 답 구하기
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