절삭학 및 응용

切削學 및 應用 서 남 섭 저, 동명사 발행, B5판 / 374면, ISBN 89-411-0158-1

원저자의 말

40여년전에 본서가 출판될 당시에는, 극소수의 고급기술자들을 제외한 아무도 chip에의한 금속의 제거가 한 나라의 경제와 생활수준에 어떤 의미를 갖고 있는지 알지 못하였다.
본인은 독일에서만 매년 chip생성에 약 35억 시간이 소요된다는 계산 내용을 1927년 본서의 초판에 실었으며, 이것은 그 당시 임금으로 환산하면 ＄35억에 해당하였다.
본인이 1963년 5월에도 미국 공작기계 및 생산학회에서 발표할 기회가 있었지만,미국에서는 약＄340억 이라는 돈이 chip생성에 소비되고 있다. 실제에어서는 chip의 생성이 목적이 아니고 선삭, milling, 평삭 및 연삭 등에 의하여 기계, 자동차. 비행기, 완구 등 수많은 물건을 제작하는 것이 우리의 목적이다.
젊은 기술자, 법률가 및 그외의 많은 사람들은 우리의 생활 수준이 이상의 부품이 만들어지는 수많은 기계공장에 달려 있다는 사실을 인식하여야 한다. 산업체에서 이러한 목적에 쓰여지는 돈의 총액수는 놀라울 정도로 거액이다. 따라서 우리들이 기본원리를 연구하여 인간문명을 촉진시키는 방법을 향상시키고, 금속취급산업의 이익을 위하여 이러한 문제를 연구하는 것은 바람직한 일이다.
본서는 두 가지의 공학적 목적을 갖고 쓰여졌다. 즉 하나는 과학의 "왜"라는 물음에 대한 답이고, 다른 하나는 실기자들의 "어떻게"라는 질문에 대한 답이다. 시초에는 과학적 금속절삭과 절삭의 연구에 관심을 갖는 기술자는 소수였으나 이제는 세계도처에 걸쳐서 무수한 수이다.
첫째 우주산업과 같은 새로운 분야에 의하여 정밀도의 요구가 급증하였다. 이것은 바로 공작기계의 진동과 변형이 없어야 한다는 것을 요구하게 되었는데, 이러한 것은 바로 절삭력, 절삭속도 및 관련된 제절삭관계량에 의존하며, 이러한 것을 취급하는 것이 본서의 과제이다.
수치제어공작기계의 도래가 절삭학에 대한 관심을 증가시킨 또 하나의 계기이다. programming을 하는 사람은 절삭속도, 절삭력, 공구수명, 절삭깊이, 절삭날의 기하학, 동력, 진동, 생산시간 등을 알고 있어야 최적 결과를 얻을 수 있다.
초기의 투자비만 감소된다면 중소기업에서 수치제어 공작기계의 사용이 한층 더 증가될 것이다.
내열제료와 같은 새로운 금속의 출현이 금속절삭 연구에 대한 또 다른 필요성을 요구한다. 이들 재료들은 흔히 절삭하기 곤란하여 절삭속도를 감소시켜야 하는 경우가 있어 동일단위의 제품을 생산할 때, 상용재료에서보다도 더 많은 공작기계 및 공간을 필요로 하기 때문에 투자비가 증가한다.
금속절삭학 연구는 1920년대 초에 미국과 독일에서 거의 동시에 시작되었다. 본인도 참가한 바 있는 Berlin에 있는 VDI-building에서 개최된 위원회는 다음과 같은 결의를 하였다.
금속절삭의 철저한 연구의 필요성은 극히 당연하며, 과거에서 처럼 단일 인자를 취하는 것으로는 충분하지 못하고 금속절삭에 영향을 주는 제인자들의 상호 관계성을 조사하여야 한다. chip의 압축에 대한 연구가 주연구과제가 될 것이다….
이상과 유사한 결의가 1924년 1월에 발간된 기계공학지에 다음과 같이 발표되었다. 연구과제 : …본 위원회는 아래에 열거된 인자들이 대단히 중요하다는 것을 실감한다. 공구의 성능과 기타 많은 독립변수간의 관계, 즉 공구설계의 인자로서 공구의 형상 및 강성, 측경사각, …여유각, 가공물의 속도, 절삭깊이, 이송, 관련 재료의 성질(공구, 가공물, 절삭유제), 온도, 윤활 및 냉각방법 등, 우리들은 절삭날에 일어나는 현상에 대하여 너무도 모르고 있다. 즉 속도, 이송, 및 절삭깊이, ……에 대한 법칙이 미비하기 때문에 chip생성에 대한 만족할만한 이론이 확립되지 못하고 있다. 그 이후 우리는 상당한 발전을 이루었으며, 앞에서 인용한 관계를 확립하고자 하는 것이 애초부터 본서의 목적이었다.
이러한 목적은 금속절삭에 관련된 인자들을 해석하고 상호 관련시켜서 기계공장에서 응용할수 있고, 보다 심오한 연구에 기초가 될 수 있도록 상호의존성을 갖는 이론적 방정식을 도출함으로써 달성되었다.
많은 공업국가들의 절삭 data에 대한 평가와 비교를 할 수 있도록 공분모를 결정하기 위한 방법으로서 절삭속도, 절삭력인자(Cv, Cp 및 지수 z, zp)가 정하여졌다. 이러한 방법에의하여 기계공장 및 기술자의 사무실에서는 더 이상 이제 비과학적인(우연적인) data에 의존하지 않고 논리적인 정보계와 접할 수 있게 되었다.
공업국가들의 대대적인 호응에 접하고 본서의 초판을 그들 국가들로 하여금 출판하도록 허용하였으며, 여러 외국어로 번역되었고, Dubbel's Handbook, Tool Engineers Handbook 및 기타의 곳에 요약이 게재되었다는 사실만으로도 본서의 내용이 원리로서 인정을 받았다는 하나의 증거이다.
우리는 금속절삭에서 발전된 법칙을 보존하고 그 법칙을 보다 확장하여 또 다른 결과를 얻을 수 있다. 요점을 정리하면 다음과 같다.
예로서 Berlin 공대에서 절삭력 연구에 Stanton 과 Heyde(영국인)가 열중하여 절삭력과 유효경사각의 관계식을 확립하고, 그것으로부터 일찍이 소위 치수효과라 하는 내용을 내포한 간단한 절삭력표를 만들었다.
출처가 다른곳의 data를 비교 및 평가하기 위하여 같은 방법으로 절삭속도표를 만들어 놓았다.
2개의 절삭상수(Cv,Cp), 절삭속도 및 절삭력법칙은 chip의 크기뿐 아니라 그 단면의 형상도 포함한다. 이와 같은 방법에 의하여 절삭깊이가 표시되지 않은 AWF series와 같은 data를 얻고, 절삭력이 20000 lb 한도이었기 때문에 외삽법을 요하지 않는 Berlin공대 등의 data와도 비교할 수 있었으며, ASME 또는 다른 data와 비교가 가능했다.
35년 전의 약 6∼7배의 절삭률(in3/min)을 얻고 있다는 것을 본실험 data, 절삭속도와 공구수명식에 의하여 볼 수 있다. 이와 같은 발전은 전에 비하여 6∼7배의 동력에 견딜 수 있고, 또 전달할 수 있는 공구 및 공작기계를 사용할 수 있다는 데 있다.
그러나 주어진 재료와 주어진 공구의 기하학에 대하여 마력당 절삭률(in3/min/HP)은 변하지 않았다. 왜냐하면 절삭력이라는 것은 위의 발전에 영향을 받지 않기 때문이다. 비절삭력과 마력당 절삭률(in3/min/HP)은 어떤 상수를 곱한 동일량의 역수값에 불과하다는 것을 인식할 필요가 있다. 여기에는 공구수명이 고려되어 있지 않으므로, 절삭속도와 관련시키는 것보다는 절삭력에 대한 장을 먼저 논하도록 하였다.
기초절삭학에 대한 공헌은 공학자들에 의해서 보다는 물리학자등에 의하여 조사 연구되는 경우도 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 물리학과 금속절삭학간에 기술용어의 부분적인 차이 때문에 어려움이 있을 때도 있다. 금속절삭에서 마찰계수라는 오해의 소지가 않은 용어를 들수 있다. 생산기술자들은 마찰계수의 감소를 마찰력의 감소와 관련시키는 일이 많다. 그러나 금속절삭에서는 운동체인 chip의 소성변형 및 보통 마찰에서는 발생하지 않는 변형 때문에 위의 관계가 역으로 되는 경우가 흔히 존재한다.
또 하나의 예로 물리학자들에 의한 용어인 금속의 단위체적당 제거량에 대한 일"과 공작기계 학자의 용어인 비절삭력이 동일한 내용임에도 불구하고 제각기 사용되고 있다. 한편 공작기계 학자들은 물리학자의 공헌을 대수롭지 않게 생각하기도 한다. 따라서 공작기계의 학자와 물리학자간의 간격에 교량역할을 하는 것이 필요하며, 본서가 이러한 점에서도 도움이 될것으로 기대한다.
미국의 급속한 공업발전은 기초금속절삭학에서 chip의 압축 및 절삭력 등과 같은 새로운 사실을 찾아내는 데 크게 도움이 되었다. 금소절삭에 처음으로 차원해석법을 적용하여 결론을 이끌어내고, 연구에 대한 새로운 진로를 터주는 데 저자의 공헌이 컸다고 생각한다. 본서는 기초연구와 실험적 연구 및 실제응용의 두 주요 부분으로 구성되어 있다.
기초연구(제 1편)의 목적은 절삭가공에서 발생하는 현상의 원인 및 기원을 탐구하는 데 있다. 따라서 마찰, chip압축, 전단, 응력, 분자 및 원자구조, 차원해석, 열 등의 문제가 기초연구의 편에서 취급된다.
반면에 금속절삭에서 실험적 연구(제 2편)의 목적은 생산성의 증가 및 향상에 있으며, 이 목적은 절삭가공에 포함된 제량간의 관계를 확립함으로써 달성될 수 있다.
따라서 여기에서는 공작기계를 최적조건에서 사용하기 위하여 공구수명, 절삭속도, 절삭력, 진동, chip단면적, 동력, 이송, 절삭깊이(또는 물림깊이), 절삭률 등의 상호 관계에 관심을 둔다.
연구자 및 기능인을 위한 최적추천값, 미국 및 독일제 강의 성분과 명칭비교 등의 관련 정보를 부록에 수록하였다.
이론편(기초연구편)에서 개발된 원리가 단인절삭에서 확립된 것이나 여타의 조건에서도 적용된다는 것을 기억하여 주기 바란다.

M.Kronenberg

역자의 말

저자가 앞에서 언급한 바와 같이 절삭의 기초원리를 이해하여 절삭가공의 각 중요성 정도 에 맞는 최적조건을 구하는 방법을 연구하는 것이 절삭학의 목표가 된다는 데에는 재론의 여지가 없겠습니다.
절삭학의 대부이고 대가인 M.Kronenberg저인 "Machining Science ＆ Application"을 제 가 번역하기로 한 것은 본서의 정량적인 data보다는 정성적인 내용에 매료 되었기 었기때문 이었습니다. 즉 연구자들의 실험 data를 분석하여 각각에서 논문 원저자도 간과한 중요한 새로운 결론, 또는 별개의 논문으로부터 종합적이고 일반적인 법칙 및 그 법칙을 도출하는 방법에 대한 idea등이 소개되어 있어, 어느 다른 책에서도 접할 수 없는 내용을 담고 있기 때문입니다.
역자는 본서를 단순히 직역하기 보다는 어떤 결론에 이르는 생략된 도출과정을 일일이 찾아내어 삽입함으로써 독자들께서 단시간에 본서의 내용을 이하는 데 도움을 주려고 노력 하였습니다.
본서의 내용중에는 현시대에 걸맞지 않는 것도 있으나, 본서의 것을 그대로 소개하는 것 도 의미가 있을 것으로 생각되어 빠짐없이 옮겨 놓았습니다. 우리말에 없는 전문술어는 본 의미를 전하는데 무리가 없도록 표현하였으므로 이 점을 이해하여 주시기 바랍니다. 금속절삭학에 대한 이론적 체계를 수립하기 위하여는 본번역서를 접하기 앞서 또는 동시 에 금속절삭이론, 서남섭 저, 동명사의 일독을 감히 권하는 바입니다.
번역판을 내놓음에 있어 원서의 내용이 충분히 담겨져 있는지, 또한 오역이 있지나 않은 가 하는 두려움이 있습니다만, 이와 같은 미비점에 대하여는 독자여러분의 편달을 받아 점차 보완하고자 합니다.

역자 서남섭

(1) 강의Note (1MB, 23매)

(2) 정오표 (152.8KB, 용지B5 2매)