17년 1회차

회전 중에 임의로 동력을 끊을 수 없는 요소는 커플링(coupling)이다.

커플링은 두 축을 영구적으로 연결하는 축이음으로, 동력을 끊으려면 기계를 정지하고 분해해야 한다. 반면 클러치는 운전 중에도 단속이 가능하도록 만든 축이음이다.

• 맞물림 클러치: 턱(jaw)을 맞물리거나 떼어 운전 중 동력을 단속한다(정지 또는 저속 상태에서 조작).
• 마찰 클러치: 마찰면을 접촉·분리하여 회전 중에도 동력을 끊거나 연결할 수 있다.
• 마찰차: 두 바퀴를 서로 밀어붙이거나 떼어 놓아 회전 중에도 동력 전달을 단속할 수 있다.

무단 변속장치에 쓰이지 않는 마찰차는 원통 마찰차이다.

원통 마찰차는 두 평행축 사이에서 접촉 반지름이 고정되어 있어 속도비가 일정하다. 무단 변속은 접촉점의 반지름을 연속적으로 바꿀 수 있는 형상이어야 가능하다.

• 원판 마찰차: 원판 면 위에서 상대 바퀴의 접촉 위치를 반지름 방향으로 옮겨 속도비를 연속 변화시킨다.
• 원뿔 마찰차: 원뿔 모선을 따라 접촉 위치를 이동시켜 접촉 지름을 바꾼다.
• 구면 마찰차: 구면 위 접촉점의 위치를 바꾸어 유효 반지름을 연속적으로 조절한다.

주물사의 조건이 아닌 것은 수축성이 없어야 한다는 설명이다.

쇳물은 응고·냉각하면서 수축하므로, 주형이 이를 구속하면 주물에 균열이나 내부응력이 생긴다. 따라서 주물사는 주물의 수축에 따라 함께 줄어들거나 무너지는 가축성·붕괴성(collapsibility)을 가져야 한다.

• 성형성: 모형의 형상을 정확히 옮기고 형태를 유지해야 한다.
• 통기성: 주입 시 발생하는 가스와 수증기가 빠져나가야 기공 결함이 줄어든다.
• 낮은 열전도도: 쇳물의 열을 급격히 빼앗지 않아야 유동성이 유지되어 주탕 불량을 막는다.

수격현상 방지 대책으로 옳지 않은 것은 송출관 유속을 빠르게 하는 것이다.

수격현상(water hammer)은 유속이 급변할 때 관내 압력이 급상승·급강하하는 현상으로, 압력 변화는 유속 변화량에 비례한다. 그러므로 관 지름을 크게 하여 유속을 낮추는 것이 대책이다.

• 플라이휠 설치: 펌프 정지 시 회전속도가 서서히 줄어 유속 변화가 완만해진다.
• 공기실 설치: 공기의 압축·팽창이 압력 변동을 흡수한다.
• 급정지 회피: 유속의 급격한 변화 자체를 줄인다.

온도 상승 시 나타나는 현상으로 옳지 않은 것은 변형률속도의 영향이 감소한다는 설명이다.

금속은 고온일수록 강도가 변형률속도에 민감해져, 변형률속도 민감도 지수가 커진다. 즉 온도가 오를수록 변형률속도의 영향은 오히려 증가한다.

• 인성 및 연성 증가: 원자 이동과 전위 활동이 쉬워져 소성변형 능력이 커진다.
• 인장강도 감소: 원자 간 결합력이 약해져 강도가 떨어진다.
• 탄성계수 및 항복응력 감소: 고온에서 강성과 항복점이 모두 낮아진다.

피로 수명에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 노치를 제거하면 피로 수명이 감소한다는 내용이다.

노치는 응력집중을 일으켜 피로 균열의 발생점이 되므로, 노치를 제거하면 피로 수명은 증가한다.

• 피로 수명의 정의: 파손에 이르기까지의 반복 응력 사이클 수를 말한다.
• 숏피닝: 표면에 압축 잔류응력을 부여해 균열 발생·성장을 억제하므로 피로 수명이 늘어난다.
• 평균응력의 영향: 인장 평균응력이 클수록 같은 응력 진폭에서도 피로 수명이 줄어든다.

디젤노크 저감 방법으로 옳지 않은 것은 연소실 벽의 온도를 낮추는 것이다.

디젤노크는 착화지연이 길어져 그동안 쌓인 연료가 한꺼번에 연소할 때 생긴다. 착화지연을 줄이려면 연소실 벽 온도와 압축 온도를 높여야 한다.

• 발화성이 좋은 연료: 세탄가가 높은 연료는 착화지연이 짧아 노크가 줄어든다.
• 착화 전 분사량 감소: 착화지연 기간에 쌓이는 연료량이 줄어 급격한 압력 상승이 완화된다.
• 가솔린 기관과 반대: 가솔린 기관은 자기착화를 억제해야 하고 디젤기관은 착화를 촉진해야 하므로 대책이 정반대이다.

플라스틱 가공 설명으로 옳지 않은 것은 사출성형 제품은 냉각 수축이 거의 없다는 내용이다.

고분자는 용융 상태에서 고화하며 부피가 크게 줄어 성형 수축이 상당하므로, 금형 설계 시 수축률을 반영해 치수를 보정한다.

• 압출 공정: 고분자 재료에 압력을 가해 다이 오리피스를 통과시켜 일정 단면을 만든다.
• 사출성형: 용융 고분자를 금형 공동에 고압으로 주입해 고화시킨다.
• 압출품 단면 증가: 다이를 빠져나온 고분자가 탄성 회복으로 부풀어 오르는 다이 스웰(die swell) 때문에 단면이 다이 구멍보다 커진다.

리벳이음 파괴형태 설명으로 옳지 않은 것은 피치가 커지면 리벳 구멍 사이에서 판이 절단된다는 내용이다.

리벳 구멍 사이 판의 절단은 구멍 사이의 유효 단면적이 작을 때, 즉 피치가 작을 때 일어난다. 피치가 커지면 구멍 사이 판 단면이 넓어져 이 파괴에 대해 오히려 유리하다.

• 리벳 지름 감소: 리벳 단면적이 줄어 리벳의 전단 파괴가 일어날 수 있다.
• 판 끝 여유 감소: 구멍과 판 끝 사이가 좁으면 판 끝이 갈라지거나 전단된다.
• 판 두께 감소: 리벳과 구멍 접촉면의 압축응력이 커져 구멍 부분이 압궤된다.

풀리의 각가속도는 $\alpha=\dfrac{mgr}{I+mr^2}$이다.

블록의 병진 운동: $mg-T=ma$
풀리의 회전 운동: $Tr=I\alpha$
줄이 늘어나지 않으므로 구속 조건 $a=r\alpha$

첫 식에서 $T=mg-mr\alpha$를 얻어 둘째 식에 대입하면 $(mg-mr\alpha)r=I\alpha$
정리: $mgr=(I+mr^2)\alpha$ 이므로 $\alpha=\dfrac{mgr}{I+mr^2}$

• $\dfrac{mgr}{I}$: 장력을 $mg$로 본 값으로, 블록 자신의 관성($mr^2$ 항)을 빠뜨렸다.
• $\dfrac{mg}{I+mr^2}$: 분자에 반지름 r이 빠져 각가속도의 차원이 맞지 않는다.
• $\dfrac{mgr^2}{I+mgr}$: 분모에서 관성모멘트 I와 토크 mgr을 더하고 있어 서로 단위가 다른 양의 합이 되므로 성립하지 않는다.

공기를 이슬점 이하로 냉각해 수분을 응축·제거하는 방식은 냉각식(냉동식) 건조이다.

냉동기로 압축 공기를 냉각하면 포화 수증기량이 줄어 수분이 응축되고, 이를 배출하여 건조한다.

• 흡수식 건조: 염화리튬 등 흡수제와 수분이 화학적으로 결합하여 제거한다.
• 흡착식 건조: 실리카겔·활성 알루미나 등 고체 흡착제 표면에 수분을 물리적으로 흡착시킨다.
• 애프터 쿨러: 압축기 출구의 고온 공기를 1차로 냉각하는 장치로, 건조 방식 분류에 해당하지 않는다.

백래시가 적어 정밀 이송장치에 쓰이는 운동용 나사는 볼 나사이다.

볼 나사는 나사축과 너트 사이에 강구를 넣어 구름 접촉으로 운동을 전달하므로 마찰이 작고 효율이 높으며, 예압을 주어 백래시를 거의 없앨 수 있어 NC 공작기계 이송에 쓰인다.

• 사각 나사: 큰 힘의 전달에 쓰이나 미끄럼 접촉이어서 백래시 제거가 어렵다.
• 톱니 나사: 한 방향으로만 큰 하중을 받는 바이스·잭 등에 쓰인다.
• 사다리꼴 나사: 공작기계 리드스크루 등에 쓰이나 미끄럼 마찰과 백래시가 볼 나사보다 크다.

설명에 가장 적합한 소재는 형상기억합금(shape memory alloy)이다.

형상기억합금(Ni-Ti 등)은 변형시켜도 일정 온도 이상으로 가열하면 원래 형상으로 회복하는 성질과 초탄성을 가져 펼침식 우주선 안테나, 치열 교정 와이어, 안경 프레임에 쓰인다.
회복력으로 조여 붙는 성질을 이용하면 용접·납땜이 어려운 관도 이음쇠(커플링)로 연결할 수 있다.

• 압전재료: 기계적 압력을 가하면 전압이 생기고 전압을 가하면 변형되는 재료로, 센서·액추에이터에 쓰이며 형상 회복을 이용하지 않는다.
• 수소저장합금: 수소를 흡수·방출하여 저장하는 합금으로, 연료전지·2차전지 등에 쓰인다.
• 파인세라믹: 고순도 원료로 정밀 제조한 세라믹으로, 내열·내마모·전기적 특성이 우수하나 변형 후 형상 회복 기능은 없다.

필라멘트 소재를 사용하는 쾌속조형법은 융해융착모델(FDM)이다.

FDM은 열가소성 수지 필라멘트를 노즐에서 가열·용융하여 한 층씩 압출·적층해 형상을 만든다.

• 스테레오리소그래피: 액상 광경화성 수지에 자외선 레이저를 조사해 경화시킨다.
• 폴리젯: 광경화성 액상 수지를 잉크젯 헤드로 분사한 뒤 자외선으로 경화시킨다.
• 선택적 레이저 소결: 분말 소재를 레이저로 선택적으로 소결한다.

소성가공 설명으로 옳지 않은 것은 절삭가공에 비하여 생산율이 낮다는 내용이다.

소성가공은 금형으로 한 번에 형상을 만들 수 있어 절삭가공보다 생산율이 높고 대량생산에 적합하다.

• 강도 증가: 가공경화와 끊기지 않은 섬유상 조직(단류선) 덕분에 절삭 제품보다 강도가 크다.
• 취성 재료 부적합: 소성변형 능력이 작아 가공 중 균열이 생긴다.
• 재료 이용률: 칩이 발생하지 않아 재료 손실이 적다.

딥 드로잉 결함 설명으로 옳지 않은 것은 플랜지가 빨려 들어가며 수직 벽에 생긴 융기를 이어링이라 한 것이다.

그 현상은 벽 주름(wall wrinkling)이다. 이어링(earing)은 판재의 평면 이방성 때문에 컵 가장자리 높이가 불균일해져 귀 모양의 물결이 생기는 결함이다.

• 플랜지부 주름: 플랜지가 원주 방향 압축응력을 받아 방사상으로 주름이 생긴다.
• 스크래치: 펀치·다이 표면이 거칠거나 윤활이 부족하면 제품 표면이 긁힌다.
• 파열: 컵 바닥 부근 벽이 과도한 인장력을 받아 찢어진다.

드릴링 작업 설명으로 옳지 않은 것은 카운터 싱킹을 구멍 내면을 다듬어 정밀도를 높이는 작업이라 한 것이다.

구멍 내면을 다듬어 치수정밀도를 높이는 작업은 리밍(reaming)이다. 카운터 싱킹은 접시머리 나사의 머리가 묻히도록 구멍 입구를 원뿔형으로 가공하는 작업이다.

• 드릴 가공: 드릴링 머신의 기본 작업이다.
• 스폿 페이싱: 볼트 머리나 너트가 닿는 자리를 평탄하게 다듬는다.
• 카운터 보링: 볼트·나사 머리가 묻히도록 턱이 있는 원통형 자리를 판다.

$\mathrm{Fe{-}Fe_3C}$ 상태도 설명으로 옳지 않은 것은 공석강이 공정반응을 보인다는 내용이다.

공석강은 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 동시에 분해되는 공석반응(고상→두 고상)을 보인다. 공정반응은 액상이 두 고상으로 정출되는 반응으로, 주철 영역의 조성에서 일어난다.

• 오스테나이트: 공석변태온도보다 높은 온도에서 안정하게 존재한다.
• 아공석강: 0.5%의 탄소는 공석 조성보다 탄소량이 적으므로 아공석강에 해당한다.
• 시멘타이트: 사방정계 구조의 금속간화합물로 매우 단단하고 취약하다.

두랄루민 설명으로 옳지 않은 것은 주물용 알루미늄 합금이라는 내용이다.

두랄루민은 압연·단조 등에 쓰이는 가공용(단련용) 알루미늄 합금이다.

• 성분: Al에 Cu, Mg, Mn을 첨가한 합금이다.
• 비중: 알루미늄 기지라 연강의 약 1/3 수준으로 가볍고 강도가 높아 항공기 재료로 쓰인다.
• 시효경화: 용체화 처리 후 급랭하여 상온에 두면 석출에 의해 경화된다.

초소성 성형의 특징이 아닌 것은 높은 변형률속도로 성형이 가능하다는 내용이다.

초소성은 미세 결정립 재료가 고온에서 매우 낮은 변형률속도로 변형될 때 큰 연신을 보이는 현상이므로, 성형 속도가 느려 생산성이 낮은 것이 단점이다.

• 잔류응력: 낮은 유동응력에서 서서히 변형되므로 잔류응력이 거의 없다.
• 일체 성형: 큰 연신율로 복잡한 형상을 한 번에 만들어 2차 가공이 거의 필요 없다.
• 공구 비용: 성형 압력이 낮아 강도가 낮은 공구를 사용할 수 있다.