20년 1회차

황동(brass)은 구리(Cu)와 아연(Zn)의 합금이다.

아연 함량에 따라 성질이 달라지며, 대표적으로 7:3 황동과 6:4 황동(문츠메탈)이 있다.

• Cu, Pb: 구리에 납을 넣은 합금은 베어링용 켈밋(kelmet) 계열로, 황동의 주성분 조합이 아니다.
• Cu, Sn: 구리-주석 합금은 청동(bronze)이다.
• Cu, Al: 구리-알루미늄 합금은 알루미늄 청동이다.

스프링(spring)은 부품을 결합하는 체결용 요소가 아니라 에너지를 흡수·저장하는 완충용 요소이다.

기계요소는 흔히 체결용(나사·볼트·리벳·키·핀 등), 축계(축·축이음·베어링), 전동용(기어·벨트·체인), 완충·제동용(스프링·브레이크 등)으로 나눈다.

• 볼트 및 너트: 분해할 수 있는 대표적 체결용 요소이다.
• 리벳: 판재를 영구적으로 결합하는 체결용 요소이다.
• 키: 축과 보스(기어·풀리)를 결합해 토크를 전달하는 체결용 요소이다.

드로잉된 컵의 벽을 얇고 균일하게 만드는 공정은 아이어닝(ironing)이다.

아이어닝은 펀치와 다이 사이 틈새를 원래 벽 두께보다 작게 하여 컵 벽을 훑어 늘리면서 두께를 줄이고 고르게 한다. 음료 캔 몸체 제작이 대표적이다.

• 블랭킹(blanking): 판재에서 원하는 윤곽을 펀칭해 떼어 내는 전단 가공으로, 떨어져 나온 쪽이 제품이다.
• 엠보싱(embossing): 얇은 판재에 요철 무늬를 내는 가공으로, 뒷면에도 반대 요철이 생긴다.
• 랜싱(lancing): 판재 일부에 절단과 굽힘을 동시에 주어 루버·탭 등을 만드는 전단 가공이다.

행정(stroke)은 상사점과 크랭크축 사이가 아니라 상사점과 하사점 사이의 거리이다.

피스톤은 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이를 왕복하며, 두 점 사이의 거리인 행정은 크랭크 반지름의 2배이다.

• 상사점: 피스톤이 크랭크축에서 가장 멀어 실린더 체적이 최소가 되는 위치이므로 옳다.
• 행정체적: 피스톤이 한 행정 동안 밀어낸 체적(배기량)이므로 옳다.
• 간극체적: 피스톤이 상사점에 있을 때 남는 실린더 체적(연소실 체적)이므로 옳다.

진변형률을 지름비 D/$\mathrm{D}_{0}$의 자연로그로 나타낸 식은 옳지 않다.

정의: $\varepsilon=\ln\left(\dfrac{l}{l_0}\right)$
체적 일정: $A_0l_0=Al\ \Rightarrow\ \dfrac{l}{l_0}=\dfrac{A_0}{A}$
원형 단면: $\dfrac{A_0}{A}=\left(\dfrac{D_0}{D}\right)^{2}$이므로 $\varepsilon=2\ln\left(\dfrac{D_0}{D}\right)$

• $\ln\left(\dfrac{l}{l_0}\right)$: 진변형률의 정의 그대로이다.
• $\ln\left(\dfrac{A_0}{A}\right)$: 체적 일정 조건에서 길이비와 같으므로 옳다.
• $2\ln\left(\dfrac{D_0}{D}\right)$: 단면적이 지름의 제곱에 비례하므로 옳다.

인장 시 $D\lt D_0$이므로 $\ln\left(\dfrac{D}{D_0}\right)$는 음수이고 크기도 절반이어서, 부호와 계수가 모두 틀린 식이다.

담금질은 오스테나이트를 급랭해 페라이트가 아니라 마르텐사이트로 변태시켜 강을 경화하는 열처리이다.

페라이트는 천천히 냉각할 때 생기는 연한 조직이므로, 강을 강화하려는 담금질의 목적과 맞지 않는다.

• 풀림(annealing): 가열·유지 후 서랭해 가공경화와 잔류응력을 제거하고 연화시키므로 옳다.
• 뜨임(tempering): 담금질한 강을 재가열해 취성을 줄이고 연성·인성을 회복시키므로 옳다.
• 불림(normalizing): 가열 후 공기 중에서 냉각해 결정립을 미세하고 균질하게 하므로 옳다.

구름 베어링은 전동체 접촉 때문에 진동·소음이 생기기 쉽고, 미끄럼 베어링은 유막이 있어 비교적 조용하다.

미끄럼 베어링은 유막이 충격·진동을 흡수하므로 충격하중에 강하고 정숙하지만, 그만큼 윤활 관리가 중요하다.

• 구름 베어링 중에는 축 방향·반경 방향 하중을 동시에 지지하는 것이 없다는 설명: 앵귤러 볼 베어링, 테이퍼 롤러 베어링이 두 하중을 함께 지지하므로 틀리다.
• 미끄럼 베어링은 윤활에 주의할 필요가 없다는 설명: 유막 형성이 성능을 좌우하므로 오히려 윤활이 매우 중요하다.
• 구름 베어링을 충격하중을 받는 곳에 주로 쓴다는 설명: 구름 베어링은 접촉면적이 작아 충격에 약하고, 충격하중에는 미끄럼 베어링이 유리하다.

얇은 중공 플라스틱 용기는 블로우성형(blow molding)으로 가장 널리 만든다.

압출 또는 사출로 만든 튜브 모양의 패리슨(parison)을 금형 안에서 공기압으로 부풀려 금형 내면에 밀착시켜 성형한다(PET 병 등).

• 반응사출성형(RIM): 두 액상 반응 성분을 혼합·주입해 금형 안에서 경화시키는 방법으로, 범퍼 같은 비교적 크고 두꺼운 부품에 쓴다.
• 캘린더링(calendering): 가열 롤 사이를 통과시켜 판·필름을 만드는 방법이다.
• 수지전이성형(RTM): 금형에 놓은 섬유 보강재에 수지를 주입해 복합재료 부품을 만드는 방법이다.

연신율은 네킹 시점이 아니라 파단 시점까지의 공칭변형률(파단 후 늘어난 길이 ÷ 원래 표점거리)이다.

네킹이 시작되는 최대하중 점까지의 공칭변형률은 균일연신율이며, 연신율은 네킹 이후의 국부 변형까지 포함한다.

• 비례한도 내 선형 관계와 기울기가 탄성계수라는 설명: 훅의 법칙 그대로이므로 옳다.
• 진응력-진변형률 소성영역이 log-log 척도에서 선형이라는 설명: $\sigma=K\varepsilon^{n}$(홀로몬 식) 관계로 네킹 전까지 직선이 되므로 옳다.
• 0.2% 오프셋으로 정하는 항복점: 항복점이 뚜렷하지 않은 재료의 항복강도 결정법이므로 옳다.

위험속도를 높이려면 축의 강성을 키워야 하므로 축의 지름을 증가시키는 것이 적절하다.

위험속도는 $\omega_c=\sqrt{\dfrac{k}{m}}$이고, 축의 굽힘 강성은 $k\propto\dfrac{EI}{L^{3}}$, $I=\dfrac{\pi d^{4}}{64}$이다(양단 단순지지 중앙 하중이면 $k=\dfrac{48EI}{L^{3}}$).
따라서 d와 E가 클수록, L과 m이 작을수록 위험속도가 높아진다.

• 축의 길이 증가: $k\propto 1/L^{3}$로 강성이 줄어 위험속도가 낮아진다.
• 회전체 질량 증가: 분모의 m이 커져 위험속도가 낮아진다.
• 탄성계수가 작은 소재: E가 작아 강성이 줄고 위험속도가 낮아진다.

두 표준 평기어의 축간 거리는 120 mm이다.

축간 거리는 두 피치원 지름 합의 절반이다.
$C=\dfrac{D_1+D_2}{2}=\dfrac{m(z_1+z_2)}{2}$

대입: $C=\dfrac{2\times(40+80)}{2}=120\ \mathrm{mm}$
압력각 20°는 축간 거리 계산에 쓰이지 않는 조건이다.

V벨트 전동 장치에 대해 옳은 것은 ㄱ·ㄴ·ㄷ이고, 엇걸기로 전달 동력을 늘릴 수 있다는 ㄹ은 옳지 않다.

V벨트는 사다리꼴 단면이 풀리 홈에 끼는 쐐기 작용으로 마찰력이 커서 평벨트보다 미끄럼이 적고 큰 동력을 전달한다. 그러나 홈에 끼워 쓰는 구조라 벨트를 꼬아 거는 엇걸기(십자걸기)를 할 수 없다.

• ㄱ(운전이 조용하고 고속 운전 가능): 이음매 없는 벨트와 쐐기 작용으로 진동·충격이 적어 옳다.
• ㄴ(미끄럼이 적고 큰 속도비): 미끄럼이 적어 축간 거리가 짧아도 큰 속도비를 얻을 수 있어 옳다.
• ㄷ(접촉 면적이 커서 큰 동력 전달): 홈 양 측면이 접촉해 마찰력이 커지므로 옳다.
• ㄹ(엇걸기로 전달 동력 증가): 엇걸기는 평벨트에서 회전 방향을 바꾸는 방법이며 V벨트에는 쓸 수 없으므로 옳지 않다.

M10 나사의 유효 지름은 버니어 캘리퍼스로 측정하기에 적절하지 않다.

유효 지름은 나사산 폭과 홈 폭이 같아지는 가상 원통의 지름이라 조(jaw)를 직접 댈 수 없고, 삼침법·나사 마이크로미터·공구현미경으로 측정한다.

• 두께 15mm 철판의 두께: 외측 조로 바로 측정할 수 있다.
• 지름 18mm 환봉의 외경: 외측 조로 측정할 수 있다.
• 지름 30mm 파이프의 내경: 내측 조로 측정할 수 있다.

절삭속도를 50% 줄이면 공구수명이 4배가 되어 300% 증가한다.

C가 같으므로 $V_1T_1^{\,n}=V_2T_2^{\,n}$
$\dfrac{T_2}{T_1}=\left(\dfrac{V_1}{V_2}\right)^{1/n}$

대입: $V_2=0.5V_1,\ n=0.5$이므로 $\dfrac{T_2}{T_1}=2^{2}=4$
증가율 $=\dfrac{T_2-T_1}{T_1}\times100=(4-1)\times100=300\ \%$

비율로 계산하므로 C=400은 결과에 영향을 주지 않는다.

작동유의 점도가 너무 높으면 누설은 오히려 감소하므로, 오일 누설이 증가한다는 설명이 옳지 않다.

누설 증가는 점도가 너무 낮을 때 나타나는 현상이다(내부 누설로 체적효율 저하, 유막 부족으로 마모 증가).

• 마찰에 의한 동력 손실 증가: 점성 저항이 커지므로 옳다.
• 관내 저항에 의한 압력 상승: 관로 손실이 커져 압력이 올라가므로 옳다.
• 응답성 저하: 작동유의 유동이 둔해져 작동이 늦어지므로 옳다.

방전와이어컷팅에도 절연액(가공액)이 반드시 필요하므로, 절연액이 필요 없다는 설명이 옳지 않다.

와이어컷 방전가공은 주로 탈이온수를 가공액으로 써서 방전 간극의 절연 회복, 냉각, 가공 칩 배출을 한다.

• 와이어 재료: 황동·텅스텐 등 도전성 가는 선을 쓰므로 옳다.
• 가공 원리: 전극 와이어와 피가공물 사이 방전의 열로 재료를 녹여 제거하며 절단하므로 옳다.
• 적용 범위: 전기도체이면 경도와 관계없이 가공할 수 있고 복잡한 윤곽도 가공하므로 옳다.

연마재 입자가 크면(거친 입도) 소재제거율은 커지지만 표면거칠기는 나빠진다.

입자가 클수록 한 입자가 깎아 내는 깊이가 커져 가공면이 거칠어지므로, 정밀 다듬질에는 고운 입자의 숫돌을 쓴다.

• 드레싱(dressing): 무뎌진 입자와 눈메움 층을 제거해 날카로운 새 입자를 드러내는 작업이므로 옳다.
• 트루잉(truing): 숫돌을 정확한 원형과 직선 원주면으로 다시 성형하는 작업이므로 옳다.
• 결합제: 연마입자를 붙잡아 숫돌의 형상과 조직을 이루므로 옳다.

인베스트먼트 주조에서는 용탕을 붓기 전에 주형을 가열해 왁스를 녹여 빼내므로, 주입 순간 왁스가 녹아 없어진다는 설명이 옳지 않다.

공정은 왁스 모형 제작 → 내화물 코팅 → 가열해 왁스 제거(탈랍) → 주형 소성 → 용탕 주입 순이다. 용탕이 닿는 순간 모형이 기화하는 것은 발포 폴리스티렌 모형을 쓰는 풀몰드법(소실모형주조)의 특징이다.

• 왁스 모형을 내열재로 코팅: 슬러리·내화물 입자를 여러 겹 입혀 주형을 만드므로 옳다.
• 로스트왁스공정·소모성주형: 주물을 꺼낼 때 주형을 부수므로 옳다.
• 정밀주조공정: 치수 정밀도가 높고 복잡하고 세밀한 주물을 만들 수 있으므로 옳다.

냉동기는 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기 순으로 순환하므로 ㄴ→ㄱ→ㄹ→ㄷ 순서가 맞다.

증기압축 냉동 사이클에서 냉매는 압축되어 고온·고압이 되고, 응축기에서 열을 버리며 액화한 뒤, 팽창밸브를 지나 저온·저압이 되어 증발기에서 열을 흡수한다.

• ㄴ 압축기: 저온·저압 기체 냉매를 흡입·압축해 압력을 높인다.
• ㄱ 응축기: 고온·고압 냉매 가스의 열을 방출해 냉매액으로 응축한다.
• ㄹ 팽창밸브: 좁은 통로로 교축 팽창시켜 저온·저압의 습증기를 만든다.
• ㄷ 증발기: 습증기가 주위 열을 흡수해 증발하며 냉동 효과를 낸다.

EBM(electron-beam melting)은 시트를 오려 쌓는 공정이 아니라 전자빔으로 금속 분말을 용융해 층을 쌓는 공정이다.

단면 외곽선대로 잘라 낸 시트를 접착·적층하는 공정은 LOM(laminated object manufacturing, 박판적층법)이다.

• STL(stereolithography, 광조형): 광경화성 액체 수지에 레이저를 주사해 층별로 경화시키므로 옳다.
• FDM(fused-deposition modeling): 가열된 압출헤드로 필라멘트를 녹여 적층하므로 옳다.
• SLS(selective laser sintering): 레이저로 분말을 소결해 층을 만들고 적층하므로 옳다.