[7급 국가직 기계공작법] 25년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

비커스 경도 시험은 대면각 136°의 다이아몬드 사각뿔(피라미드) 압입체로 누른 자국의 대각선 길이로 경도를 구한다.
압입체가 기하학적으로 닮은 자국을 만들므로 하중에 관계없이 경도값이 일정하고, 연한 재료부터 매우 단단한 재료까지 측정할 수 있다.
해머를 낙하시켜 튀어 오른 높이로 재는 것은 쇼어 경도 시험이다.
지름 10 mm 강구로 누르는 것은 브리넬 경도 시험이다.
원추형 압입체에 기준하중(부하중) 후 주하중을 가해 깊이 차로 재는 것은 로크웰 경도 시험이다.

표면의 압축 잔류 응력은 균열의 발생·진전을 억제하므로 피로 수명과 파단강도를 향상시킨다. 저하시킨다는 설명이 틀렸다.
쇼트피닝·표면 롤링으로 일부러 표면에 압축 잔류 응력을 넣는 것도 이 때문이며, 반대로 표면의 인장 잔류 응력이 피로 수명을 떨어뜨린다.
용접의 국부 가열·냉각에 따른 불균일 팽창·수축은 잔류 응력의 대표 원인이다.
위치별로 소성 변형이 불균일하면 탄성 회복 차이로 잔류 응력이 남는다.
잔류 응력은 외력을 모두 제거한 뒤에도 부품 내부에 남아 있는 응력을 말한다.

플랭크 마모는 절삭날 아래 여유면이 가공된 공작물 표면과 마찰해 생기는 마모로, 설명이 옳다.
나머지 설명은 마모 형태의 정의를 서로 바꿔 놓은 것이다.
크레이터 마모는 칩이 경사면 위를 미끄러질 때의 마찰·고온 확산으로 경사면이 오목하게 패이는 마모다. 충격으로 날 끝이 떨어져 나가는 것은 결손(치핑)이다.
경사면이 오목하게 패이는 것은 크레이터 마모이며, 응착은 고온·고압에서 칩이 공구에 붙었다 떨어지며 생기는 마모다.
결손(치핑)은 충격·진동으로 날 끝 일부가 깨져 나가는 것이며, 칩이 붙었다 떨어지는 현상은 응착이다.

연삭은 미세한 입자가 큰 음의 경사각으로 작은 칩을 깎아내므로 단위 체적당 에너지(비에너지)가 절삭 가공보다 훨씬 크다. 에너지 소모가 적다는 설명이 틀렸다.
입자 하나당 절삭 깊이가 매우 작아 마찰·쟁기질(ploughing)에 쓰이는 에너지 비중이 커지기 때문이다.
숫돌 입자가 매우 단단하므로 담금질강 등 경도가 높은 재료도 가공할 수 있다.
미소 절삭이 반복되어 높은 치수 정밀도와 좋은 표면 거칠기를 얻는다.
무뎌진 입자가 탈락·파쇄되며 새 날이 드러나는 자생작용이 일어난다.

방전 가공은 전극과 공작물 사이에 불꽃 방전을 일으키는 공정이므로 전극은 전기 전도성이 있어야 한다. 부도체인 세라믹은 전극으로 쓸 수 없다.
전극 재료는 전도성이 좋고 방전에 의한 소모가 적으며 가공이 쉬워야 한다.
구리는 전도성이 우수해 가장 널리 쓰이는 전극 재료다.
황동은 가공이 쉽고 값이 싸서 와이어·전극으로 사용된다.
흑연은 융점이 높아 전극 소모가 적고 가공이 쉬워 많이 쓰인다.

주철 같은 취성 재료를 저속으로, 또는 큰 이송·절삭깊이로 깎으면 전단면에서 파단이 반복되어 불연속형 칩이 생긴다.
재료가 소성 변형을 충분히 견디지 못해 칩이 조각조각 끊어지는 것이다.
연속형 칩은 연성 재료를 고속·작은 이송으로 깎을 때 생긴다.
톱니형 칩은 티타늄 합금처럼 열전도가 낮은 재료에서 국부 전단이 집중될 때 생긴다.
구성인선 칩은 연성 재료를 저속 절삭할 때 칩 일부가 공구 날 끝에 용착되어 생긴다.

항복강도는 결정립 크기에 반비례하고, 주조 시 결정립 크기는 냉각속도에 반비례한다. 옳은 것은 ㄴ, ㄹ이다.
홀-페치 관계 $\sigma_y = \sigma_0 + k\,d^{-1/2}$에 따라 결정립 지름이 작을수록 입계가 전위 이동을 더 많이 막아 항복강도가 커진다.
주조에서는 냉각속도가 빠를수록 핵 생성이 많아지고 성장 시간이 짧아져 결정립이 미세해진다.
항복강도가 결정립 크기에 비례한다는 ㄱ은 관계를 거꾸로 쓴 것이다.
결정립 크기가 냉각속도에 비례한다는 ㄷ도 관계를 거꾸로 쓴 것이다.

플래시는 얇게 빠져나와 금형과 접촉 면적이 넓으므로 금형 공동 내 소재보다 빠르게 냉각된다. 느리게 냉각된다는 설명이 틀렸다.
빨리 식은 플래시는 유동 저항이 커져 소재가 공동을 끝까지 채우도록 돕는 역할을 한다.
복잡한 형상은 블로커·피니셔 등 여러 단계의 형단조로 완성한다.
마지막 단계에서 플래시가 얇아져 유동 저항이 커지므로 최대 성형력은 공정 말기에 나타난다.
플래시는 공동을 채우고 남은 재료가 금형 분할면 사이로 밀려 나온 것이다.

과도굽힘 보정은 스프링백으로 벌어질 만큼 미리 더 굽히는 것이므로 펀치각과 반경을 최종 제품보다 작게 만든다. 크게 제작한다는 설명이 틀렸다.
스프링백은 굽힘 후 하중을 제거할 때 탄성 변형분이 회복되며 굽힘각이 줄고 반경이 커지는 현상이다.
스프링백의 원인은 소재의 탄성복원이다.
탄성 계수가 작고 항복강도가 클수록 스프링백이 커지므로 탄성 계수의 영향을 받는다.
펀치 끝에서 굽힘부에 국부적인 높은 압축 응력을 가하는 바닥치기(코이닝)로 스프링백을 줄일 수 있다.

공작물 길이 방향을 따라 연속적으로 눌러 단면을 줄이고 길이를 늘이는 자유단조는 코깅(cogging)이다.
잉곳·빌릿의 단면을 단계적으로 줄일 때 쓰며 드로잉 아웃이라고도 한다.
엣징은 형단조 전 소재를 특정 부위로 모아 단면을 늘리는 예비 성형이다.
허빙은 경화된 펀치를 금형 블록에 눌러 공동을 만드는 금형 제작법이다.
풀러링은 볼록한 공구로 특정 부위의 단면을 국부적으로 줄여 재료를 양쪽으로 밀어내는 작업이다.

총형 가공(form turning)은 가공할 윤곽과 같은 형상의 총형 공구를 반경 방향으로 밀어 넣어 한 번에 윤곽을 만드는 작업이다. 공구가 곡선 경로로 이송하는 것은 윤곽 가공(contour turning)이므로 설명이 틀렸다.
두 작업 모두 윤곽을 만들지만, 형상을 공구가 가지고 있느냐 이송 경로가 만드느냐가 다르다.
선반에서 드릴을 심압대에 물려 회전축 방향으로 구멍을 뚫을 수 있다.
단면 가공은 공구를 축에 직각으로 이송해 끝단 평면을 만든다.
보링은 이미 있는 구멍을 넓히거나 내부 홈을 가공한다.

경납접은 모재를 녹이지 않고 용가재만 녹여 접합하므로 용가재의 용융점은 모재보다 낮아야 한다. 높아야 한다는 설명이 틀렸다.
납접은 녹은 용가재가 모세관 현상으로 틈에 스며들어 붙는 원리이며, 용가재 용융점이 약 450 °C 이상이면 경납접, 그 미만이면 연납접으로 구분한다.
연납접도 납접이므로 모재는 용융되지 않는다.
마찰·초음파·확산 용접은 모재를 녹이지 않고 압력·열(마찰열 포함)로 접합하는 고상 접합이다.
열영향부는 녹지 않았으므로 조성은 모재와 같지만 열 이력으로 조직과 기계적 성질이 변한다.

피복제가 만든 슬래그는 용접부를 덮어 냉각 속도를 느리게 하므로, 냉각을 빠르게 한다는 설명이 틀렸다.
서랭은 급랭에 따른 경화·균열을 막아 용접부의 성질을 개선하는 쪽으로 작용한다.
피복제의 이온화 성분이 아크를 안정시킨다.
녹아서 용융점이 낮고 점성 있는 슬래그를 만들어 용착 금속을 덮고 불순물을 흡수한다.
분해 가스가 중성·환원성 분위기를 만들어 대기 중 산소·질소의 침입을 막는다.

인베스트먼트 주조의 첫 코팅에는 주물 표면을 매끄럽게 하기 위해 미세한 입자를 쓰고, 이후 두께를 빠르게 키우기 위해 굵은 입자를 쓴다. 순서를 거꾸로 쓴 설명이 틀렸다.
왁스 모형 표면에 직접 닿는 첫 층이 주물 표면 품질을 결정하기 때문이다.
복잡한 형상의 정밀 부품(기어·밸브·터빈 블레이드 등) 제작에 주로 쓰인다.
치수 정밀도와 표면이 좋아 후가공이 거의 필요 없다.
주형에서 녹여 낸 왁스는 회수해 다음 모형 제작에 재사용할 수 있다.

절삭유는 공구-칩 경계면의 마찰을 줄여 전단각을 증가시킨다. 전단각이 감소한다는 설명이 틀렸다.
머천트 관계 $\phi = 45^\circ + \dfrac{\alpha}{2} - \dfrac{\beta}{2}$에서 마찰각 $\beta$가 작아지면 전단각 $\phi$가 커진다.
전단각이 커지면 전단면이 짧아져 칩 두께가 감소한다.
냉각 작용으로 가공부의 열을 제거해 온도를 낮춘다.
윤활 작용으로 공구와 칩 경계면의 마찰력을 줄인다.

파이프 결함은 컨테이너 벽과 빌릿 사이 마찰로 표면의 산화물·불순물이 중심으로 끌려 들어가는 결함으로, 빌릿이 컨테이너에 대해 움직이는 직접압출에서 주로 생긴다. 간접압출에서 주로 생긴다는 설명이 틀렸다.
간접압출은 빌릿과 컨테이너 사이 상대 운동이 없어 이러한 유동 불균일이 적다.
압출 속도·온도가 너무 높으면 표면 온도 상승으로 표면 균열이 생긴다.
중심부의 세브론 균열처럼 육안으로 확인할 수 없는 내부 결함도 있다.
세브론 균열은 중심선을 따라 작용하는 정수압적 인장 응력으로 생긴다.

CBN은 고온에서도 철계 금속과 화학적으로 안정해 철·니켈 절삭 시 확산 마모가 거의 없다. 확산 마모가 발생한다는 설명이 틀렸다.
철과의 확산 반응으로 마모되는 것은 다이아몬드 공구의 약점이며, 그래서 철계 고경도 재료에는 CBN을 쓴다.
칠드 주철, 담금질강, 초내열 합금 같은 고경도 재료 가공에 쓰인다.
고온·고압에서 소결한 CBN 층을 초경합금 모재에 결합해 인서트로 만든다.
고온의 공구-칩 경계면에서도 화학적 안정성이 우수하다.

알루미늄은 용탕이 철계 장비를 침식하고 융점이 비교적 높아 냉가압실(cold chamber) 다이캐스팅으로 주로 제작한다. 열가압실 장비라는 설명이 틀렸다.
열가압실 방식은 아연·주석·납 등 융점이 낮은 합금에 쓴다.
금형 분할면 사이로 용탕이 새어 나와 플래시가 생길 수 있다.
금형 제작비가 높으므로 대량 생산이어야 경제적이다.
고압 주입 시 공동 내 공기·가스를 빼내는 통기구(벤트)가 필요하다.

CNC에서 O는 프로그램 번호이며, 블록에 순서 번호를 부여하는 것은 N(전개 번호)이다. O를 순차 번호라 한 설명이 틀렸다.
하나의 블록은 N·G·X/Z·F·S·T·M 등 어드레스와 수치로 구성된다.
F는 이송속도를 지령한다.
G는 준비 기능으로 직선·원호 보간 등 동작 모드를 지령한다.
M은 주축 회전·정지, 공구 교환, 절삭유 공급 등 보조 기능이다.

Chvorinov 법칙에서 응고 시간은 (부피/표면적)²에 비례하므로, 라이저의 모듈러스(부피/표면적)가 주물 이상이면 된다. 최소 직경은 10 cm이다.
주물: $\dfrac{V}{A} = \dfrac{10^3}{6 \times 10^2} = \dfrac{10}{6}\ \mathrm{cm}$
라이저($H = D$): $V = \dfrac{\pi D^3}{4}$, $A = 2 \times \dfrac{\pi D^2}{4} + \pi D^2 = \dfrac{3\pi D^2}{2}$
$\dfrac{V}{A} = \dfrac{D}{6}$
$\dfrac{D}{6} \ge \dfrac{10}{6}$ 이므로 $D \ge 10\ \mathrm{cm}$

전단면 전단력을 전단면적으로 나누면 전단 강도는 150 MPa이다.
전단력: $F_s = F_c \cos\phi - F_t \sin\phi$
$F_s = 1500 \times 0.9 - 1200 \times 0.5 = 750\ \mathrm{N}$
전단면적: $A_s = \dfrac{w\, t_0}{\sin\phi} = \dfrac{5.0 \times 0.5}{0.5} = 5\ \mathrm{mm^2}$
전단 강도: $\tau = \dfrac{F_s}{A_s} = \dfrac{750}{5} = 150\ \mathrm{MPa}$

슈퍼피니싱은 호닝보다 낮은 압력으로 숫돌을 가볍게 누르며 짧은 행정·높은 진동수로 표면만 다듬는다. 높은 압력을 가한다는 설명이 틀렸다.
호닝은 비교적 높은 압력으로 구멍의 진원도·진직도까지 바로잡는 반면, 슈퍼피니싱은 표면 거칠기 향상이 목적이다.
슈퍼피니싱은 호닝보다 행정이 짧다.
슈퍼피니싱은 미세 진동을 주므로 호닝보다 진동수가 높다.
두 공정 모두 막대형 숫돌을 왕복 운동시켜 가공한다.

채터는 절삭력 변동이 기계 구조의 진동을 키우는 자려 진동이므로, 절삭력을 증가시키면 오히려 채터가 커진다. 절삭력을 줄여야 억제된다.
채터 억제에는 절삭 깊이·이송을 줄여 절삭력을 낮추고, 기계의 강성과 감쇠를 키우는 방법을 쓴다.
감쇠능이 크면 진동 에너지가 흡수되어 자려 진동이 억제된다.
동강성이 크면 같은 가진력에 대한 진폭이 작아져 채터가 줄어든다.
불연속형 칩은 절삭력이 주기적으로 변동해 진동원이 되므로 연속형 칩이 되도록 조건을 조정한다.

설계·제조 등 여러 엔지니어링 기능을 제품 개발 초기부터 통합해 병행하는 접근법은 동시 공학(concurrent engineering)이다.
순차적 설계에서 생기던 설계 변경·반복을 줄여 신제품 출시 기간을 단축한다.
공장 자동화는 생산 설비를 자동화하는 개념으로, 제품 개발 접근법이 아니다.
적시 생산 시스템은 필요한 시점에 필요한 양만 생산·조달해 재고를 줄이는 생산 관리 방식이다.
유연 생산 시스템은 CNC 기계·자동 반송·컴퓨터 제어를 묶어 다품종 생산에 대응하는 제조 시스템이다.

절삭 동력은 비에너지 × 재료 제거율이며, 선삭의 제거율은 평균 직경으로 계산한다. 최소동력은 13 kW이다.
평균 직경: $D_{avg} = 70 - 5 = 65\ \mathrm{mm}$
재료 제거율: $MRR = \pi D_{avg} N f d = 3 \times 65 \times 400 \times 0.4 \times 5 = 156000\ \mathrm{mm^3/min}$
$MRR = 2600\ \mathrm{mm^3/s}$
동력: $P = u \times MRR = 5 \times 2600 = 13000\ \mathrm{W} = 13\ \mathrm{kW}$