[9급 국가직 기계일반] 19년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

큰 토크를 전달해 자동차 변속기 등에 주로 쓰이는 것은 스플라인(spline)이다.
스플라인은 축 둘레에 여러 개의 키를 축과 일체로 깎아 놓은 것과 같아 접촉 면적이 넓어 큰 토크를 전달하며, 보스가 축 방향으로 미끄럼 이동할 수 있어 변속기어 축에 적합하다.
원뿔키(cone key): 축과 보스를 원뿔 쐐기로 마찰 고정하는 방식으로, 편심 없이 고정하는 데 쓰이며 큰 토크용이 아니다.
안장키(saddle key): 축에 홈을 파지 않고 마찰력만으로 전달하므로 경하중용이다.
평키(flat key): 축의 평평한 면에 얹는 키로 안장키보다는 크지만 중·경하중용에 그친다.

관통 구멍이 있는 공작물을 끼워 고정하는 선반 부속장치는 심봉(mandrel)이다.
심봉은 구멍에 끼워 넣는 축으로, 양 센터 사이에 지지해 구멍과 동심인 외경을 가공할 때 쓴다(기어 블랭크·풀리 등).
센터(center): 공작물 양 끝의 센터 구멍을 지지하는 부품이다.
콜릿(collet): 가늘고 둥근 봉재를 척처럼 물어 고정하는 장치이다.
면판(face plate): 척으로 물기 어려운 불규칙한 형상의 공작물을 볼트 등으로 고정하는 원판이다.

판재 끝단을 접어 포개어 강성을 높이고 날카로운 모서리를 없애는 공정은 헤밍(hemming)이다.
헤밍은 판 가장자리를 180° 가까이 접어 겹치는 가공으로, 자동차 도어·후드 외판 결합이나 모서리 안전·외관 개선에 쓰인다.
플랜징(flanging): 판 가장자리를 일정 각도(주로 90°)로 굽혀 턱(플랜지)을 만드는 가공이다.
비딩(beading): 판에 좁은 돌기 줄(비드)을 성형해 강성을 높이는 가공이다.
딤플링(dimpling): 구멍 주위를 오목하게 성형해 접시머리 리벳·나사가 묻히게 하는 가공이다.

고속도강을 단순히 고탄소강을 담금질한 공구강이라고 한 설명이 옳지 않다.
고속도강(HSS)은 탄소강에 W·Cr·V·Mo 등 합금원소를 다량 첨가한 합금 공구강으로, 담금질·뜨임 후 고온에서도 경도를 유지(적열경도)하는 것이 특징이다.
합금강: 탄소강에 하나 이상의 합금원소를 첨가한 강이라는 설명은 옳다.
아공석강: 탄소량이 늘수록 펄라이트 양이 늘어 강도·경도가 증가한다는 설명은 옳다.
스테인리스강: 크롬을 첨가해 표면에 부동태 피막을 만들어 내식성을 높인 강이라는 설명은 옳다.

이상(카르노) 효율은 약 67%이다.
카르노 효율은 고온·저온 열원의 절대온도로 정해진다.
$\eta = 1 - \dfrac{T_L}{T_H}$
절대온도로 환산하면 $T_H = 627 + 273 = 900\,\mathrm{K}$, $T_L = 27 + 273 = 300\,\mathrm{K}$이다.
$\eta = 1 - \dfrac{300}{900} = 0.667$ → 약 67%
발전소 출력(100 MW)은 효율 계산과 무관하며, 섭씨온도를 그대로 넣어 계산하면 틀린 값이 나온다.

마찰계수가 작을수록 최대 롤압력 점이 입구 쪽으로 간다는 설명이 옳지 않다.
롤압력이 최대인 점은 롤과 판의 상대 미끄럼 방향이 바뀌는 중립점이며, 마찰계수가 작아질수록 중립점은 출구 쪽으로 이동한다(마찰이 거의 없으면 롤이 미끄러지며 중립점이 출구에 접근).
압하율 감소: 접촉 길이가 짧아져 최대 롤압력이 작아진다는 설명은 옳다.
고온 압연: 소재의 유동응력이 낮아져 압하력이 감소한다는 설명은 옳다.
길이 방향 장력(전방·후방 장력): 판재의 압축 유동응력 부담을 줄여 압하력을 줄인다는 설명은 옳다.

최소 펀치 하중은 370 kgf이다.
블랭킹 하중은 전단 길이(블랭크 둘레) × 두께 × 전단강도이다.
$P = L \cdot t \cdot \tau$
둘레: 직사각형 $2(50+30)=160\,\mathrm{mm}$에, 폭 6 mm·깊이 10 mm 홈은 위 변 6 mm가 홈 바닥 6 mm로 바뀌고 양 옆면 $2\times 10 = 20\,\mathrm{mm}$가 더해진다.
지름 10 mm 반원 홈은 직선 10 mm가 반원호 $\dfrac{\pi \times 10}{2} = \dfrac{3\times 10}{2} = 15\,\mathrm{mm}$로 바뀌어 5 mm가 늘어난다.
$L = 160 + 20 + 5 = 185\,\mathrm{mm}$
$P = 185\,\mathrm{mm}\times 1\,\mathrm{mm}\times 2\,\mathrm{kgf/mm^2} = 370\,\mathrm{kgf}$ → 370 kgf

결정립이 커질수록 항복강도가 증가한다는 설명이 옳지 않다.
결정립계는 전위 이동을 막는 장애물이므로 결정립이 미세할수록 강도가 높아진다(홀-페치(Hall-Petch) 관계: 항복강도는 결정립 지름의 제곱근에 반비례해 증가). 즉 결정립이 커지면 항복강도는 감소한다.
다결정 형성: 응고 시 여러 곳에서 핵이 생겨 성장하므로 일반적으로 다결정이 된다는 설명은 옳다.
결정립계 반응성: 입계 원자는 배열이 불규칙하고 에너지가 높아 부식되기 쉽다는 설명은 옳다.
급랭: 과냉도가 커져 핵생성률이 증가하고 결정립이 미세해진다는 설명은 옳다.

크리프가 결정립계를 가로지르는 전위에 기인한다는 설명이 옳지 않다.
크리프는 일정 하중 아래 고온에서 시간에 따라 변형이 진행되는 현상으로, 원자 확산·전위 상승(climb)·결정립계 미끄럼 같은 열활성 과정이 주된 원인이다. 결정립계는 오히려 전위 이동을 가로막는 장애물이다.
크리프 속도: 시간에 대한 변형률 변화율을 크리프 속도라 한다는 설명은 옳다.
고온 부품 설계: 터빈 블레이드·보일러 관 등 고온 부품 설계에서 중요하게 고려된다는 설명은 옳다.
온도·하중 영향: 온도와 하중이 높을수록 크리프 속도가 커진다는 설명은 옳다.

길이가 절반이 되면 고유진동수는 2√2f가 된다.
자유단에 집중하중을 받는 외팔보의 처짐은 $\delta = \dfrac{PL^3}{3EI}$이므로 등가 스프링 상수는 $k = \dfrac{3EI}{L^3}$이다.
고유진동수는 $f = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{k}{m}} \propto L^{-3/2}$이다.
단면($I$)과 재료($E$), 질량은 그대로이므로
$\dfrac{f'}{f} = \left(\dfrac{L}{L/2}\right)^{3/2} = 2^{3/2} = 2\sqrt{2}$
길이를 줄이면 보가 더 강해져(k가 8배) 진동수가 커지므로, 진동수가 그대로이거나 줄어드는 값(f, ½f)은 맞지 않고, 2f는 k가 4배일 때의 값이다.

입도가 작고 연한 숫돌을 낮은 압력으로 접촉시켜 미세 진동을 주며 다듬는 가공은 슈퍼 피니싱(superfinishing)이다.
슈퍼 피니싱은 숫돌에 축 방향의 짧고 빠른 진동을 주면서 공작물을 회전시켜 변질층이 거의 없는 초정밀 표면을 얻는 정밀 입자가공이다.
호닝: 혼(honing stone)을 회전·왕복시켜 주로 구멍 내면의 진원도·진직도와 표면을 다듬는 가공이다.
숏피닝(shot peening): 작은 강구를 고속으로 투사해 표면에 압축 잔류응력을 주어 피로강도를 높이는 가공이다.
와이어브러싱: 회전하는 와이어 브러시로 표면의 녹·버를 제거하는 가공이다.

사이클로이드 치형이 중심 거리가 변해도 각속도비가 변하지 않는다는 설명이 옳지 않다.
중심 거리가 다소 변해도 각속도비가 일정하게 유지되는 것은 인벌류트 치형의 특징이다. 사이클로이드 치형은 중심 거리가 정확해야 하며 어긋나면 정확한 물림이 깨진다.
사이클로이드 치형의 마멸: 미끄럼률이 균일해 마멸이 고르고 치형 오차가 적다는 설명은 옳다.
인벌류트 치형의 보급: 대부분의 기어에 인벌류트 치형이 쓰인다는 설명은 옳다.
인벌류트 치형의 가공: 직선 치형의 랙 커터로 창성 절삭해 정확한 치형을 쉽게 얻는다는 설명은 옳다.

화살표 경로는 오스포밍(ausforming)이다.
그림에서 강을 S곡선의 코를 피해 급랭한 뒤, Ms점 위의 준안정 오스테나이트 상태에서 소성가공하고, 이어 Ms~Mf 구간을 지나도록 담금질해 마르텐사이트로 만든다. 가공 경화와 마르텐사이트 변태가 겹쳐 강도·인성이 함께 높아진다.
마르템퍼링(martempering): Ms 아래(Ms~Mf 사이) 온도의 염욕에서 항온 유지해 마르텐사이트와 베이나이트 혼합 조직을 얻는 처리로, 소성가공 과정이 없다.
마르퀜칭(marquenching): Ms 바로 위 염욕에서 내·외부 온도를 균일하게 한 뒤 공랭해 마르텐사이트를 얻는 처리로, 담금질 균열·변형을 줄이는 것이 목적이며 소성가공이 없다.
오스템퍼링(austempering): Ms 위에서 항온 유지해 S곡선을 통과시켜 베이나이트를 얻는 처리로, 그림처럼 변태 전에 다시 급랭하지 않는다.

펠턴 수차가 저낙차·대수량에 적합하다는 설명이 옳지 않다.
펠턴 수차는 노즐에서 분사한 고속 제트로 버킷을 때리는 충격수차로, 고낙차·소수량 지점에 적합하다. 저낙차·대수량에는 프로펠러(카플란) 수차 같은 축류 반동수차가 쓰인다.
충격수차: 위치에너지를 노즐에서 속도에너지로 바꿔 대부분의 에너지를 물의 속도로부터 얻는다는 설명은 옳다.
프로펠러 수차: 물이 회전차의 축 방향으로 통과하는 축류형 반동수차라는 설명은 옳다.
반동수차: 회전차를 지나는 물의 압력·속도 감소에 따른 반동으로 에너지를 얻는다는 설명은 옳다.

셰브론 균열(chevron cracking)은 연삭 열에 의한 표면 현상이 아니므로 옳지 않다.
셰브론 균열은 압출·인발에서 소재 중심부에 화살촉 모양으로 생기는 내부 결함(중심 파열)이다. 연삭 열로 생기는 균열은 표면의 열균열(heat checking)이다.
잔류응력: 온도 변화와 온도구배로 표면에 잔류응력이 생긴다는 설명은 옳다.
버닝(burning): 과열로 표면이 산화·변색되는 연삭 버닝이 생긴다는 설명은 옳다.
템퍼링: 열처리된 강의 표면이 다시 뜨임되어 연화된다는 설명은 옳다.

개재물(inclusion)을 넣으면 유동성이 향상된다는 설명이 옳지 않다.
산화물 등 개재물은 용탕의 점성을 높이고 흐름을 방해하므로 유동성을 저하시킨다.
응고범위: 응고범위가 넓은 합금은 고·액 공존 구간이 길어 수지상정이 흐름을 막으므로 유동성이 저하된다는 설명은 옳다.
과열도: 과열 정도가 높으면 응고 시작까지 시간이 길어져 유동성이 향상된다는 설명은 옳다.
표면장력: 표면장력이 크면 좁은 단면으로 흘러들기 어려워 유동성이 저하된다는 설명은 옳다.

구름 베어링이 반지름 방향과 축 방향 하중을 동시에 받을 수 없다는 설명이 옳지 않다.
앵귤러 볼 베어링·테이퍼 롤러 베어링 등은 접촉각이 있어 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 동시에 받을 수 있고, 깊은 홈 볼 베어링도 어느 정도의 축 방향 하중을 함께 받는다.
축심 유지: 궤도와 전동체 사이 틈새가 매우 작아 축심을 정확히 유지한다는 설명은 옳다.
리테이너: 전동체를 고르게 배치하고 서로 접촉하지 않게 하여 마모·소음을 줄인다는 설명은 옳다.
전동체 형상: 구(볼), 원통, 원추(테이퍼), 구면 롤러 등이 있다는 설명은 옳다.

토크컨버터에서 구동축과 출력축 사이에 토크 차가 생기지 않는다는 설명이 옳지 않다.
토크컨버터는 펌프·터빈 외에 스테이터가 유체 흐름 방향을 바꿔 주므로, 저속 영역에서 출력축 토크가 입력축 토크보다 커지는 토크 증대 작용을 한다. 토크 차가 생기지 않는 것은 스테이터가 없는 유체 커플링의 특성이다.
무단변속: 유체를 매개로 속도비가 연속적으로 변하는 무단변속이 가능하다는 설명은 옳다.
진동·충격 흡수: 유체를 통해 동력이 전달되어 비틀림 진동과 충격이 흡수된다는 설명은 옳다.
원동기 정지 방지: 출력축이 멈춰도 유체가 미끄러지므로 부하 때문에 원동기가 멈추지 않는다는 설명은 옳다.

압축링의 장력이 크면 유막이 두꺼워져 블로바이가 생기기 쉽다는 설명이 옳지 않다.
링 장력이 크면 실린더 벽에 강하게 밀착해 유막이 얇아지고 기밀이 좋아진다. 블로바이는 오히려 장력이 작아 밀착이 불량하거나 링이 마모되었을 때 일어나기 쉽다.
오일링: 실린더 벽의 과잉 오일을 긁어내리는 것이 주 기능이고 기밀 작용과는 거의 관계없다는 설명은 옳다.
열전달: 피스톤 헤드가 받은 열의 대부분을 링을 통해 실린더 벽으로 전달한다는 설명은 옳다.
이음 간극: 간극이 너무 작으면 열팽창으로 이음부 끝이 맞닿아 파손되기 쉽다는 설명은 옳다.

제네바 기어가 회전하는 동안 각속도가 일정하다는 설명이 옳지 않다.
구동기의 핀이 홈에 들어가 빠져나올 때까지 핀과 제네바 휠 중심 사이의 거리가 계속 변하므로, 제네바 휠은 정지 상태에서 가속했다가 감속해 다시 정지한다. 즉 회전하는 동안 각속도가 변한다.
회전각: 그림의 제네바 휠은 홈이 6개이므로 구동기 1회전마다 $360^\circ/6 = 60^\circ$씩 회전한다는 설명은 옳다.
캠과 같은 기능: 연속 회전을 간헐적 회전운동으로 바꾸므로 캠과 같은 기능을 한다는 설명은 옳다.
4절 링크로의 해석: 핀과 홈의 접촉을 구름-미끄럼 조인트로 보면 커플러가 이 조인트로 대체된 4절 링크 장치로 볼 수 있다는 설명은 옳다.