기술지도사 기계분야 2020년 제 35회 기출문제 기계공작법(풀이)

기술지도사 기계분야 2020년 제 35회 기출문제

 

기계공작법

 

1. 분말야금에 관하여 다음 물음에 답하시오(30점)

 

(1) 분말야금의 일반적인 성형법 3가지만 쓰고 각각을 설명하시오.(15점)

① 분말 프레스에 의한 압축성형(다이 성형법)

 - 전통적인 기술로 가장 많이 쓰인다.

 - 분말 프레스에 금형을 장착하고 금형속에 분말을 주입한 후 펀치로 압력을 가해 성형한 후 취출한다.

 - 일련의 과정이 완전 자동으로 이루어 질 수 있다.

- 분말에 따라 압축성이나 유동성이 달라 제품에 따라 밀도가 균일하지 않을 수도 있다.

- 압력을 가하는 방법에 따라 기계식과 유압식이 있다.(기계식은 작은 성형체, 빠른 성형속도 20~100개/분, 유압식은 큰 하중, 다단성형, 느린 속도 10개/분)

② 분말 단조

- 높은 응력을 가하면서 소성변형을 하여 고밀도의 제품 제조

- 공정 : 예비성형품 제조 - 성형품 압축 - 소결 - 정밀단조 - 기계가공

- 자동차용 컨넥팅로드 및 일부 공구 제조에 적용

 

③ 분말 사출 성형법

- 플라스틱 사출성형 기술을 분말야금 기술에 응용

- 복잡한 소형 부품을 대량 생산할 수 있으나 직각으로 홀이 있거나 나사모양 등은 성혈 할 수가 없다.

- 우수한 표면과 정밀한 치수로 후가공이 불필요

 

④ 온간 성형

- 분말 성형 시 고분자의 결합력을 활용하는 성형방법으로 고분자로 피복한 분말과 금형을 동시에 가열하여 150℃에서 성형하는 방법

- 낮은 압력으로 높은 성형 밀도를 갖는 성형체를 제조 할 수 있음

- 고분자 결합제로는 스테아레잍, 테프론 등

 

⑤ 분말 압출

- 분말을 캐닝(canning) 한 후 압출- 반제품 제조 - 후가공

- 압출캔은 Cu, AL등의 연질 재료를 사용하며 성형체 밀도가 매우 높음

- 공정 : 모합금제조 - 분말제조 - 금속분말의 성형 혹은 캐닝 - 탈 가스 - 압출 - 최종가공

 

(2) 분말야금에서 고려(선택)해야 할 분말의 중요한 성질 3가지만 쓰고 각각을 설명하시오(15점)

① 유동도(유동성) : 분말이 금형내부를 채우는 신속도 또는 용이성

② 겉보기 밀도 : 분말이 보부 압력없이 소요공간을 충만 시키는 능력

③ 압축성 : 분말의 밀도를 높이는데 필요한 압력

④ 초기강도 : 압축된 직후의 제조품의 강도

 

 

① 입도

- 분말야금에 쓰이고 있는 입자의 크기는 현미경으로 볼수 있는 0.1㎛부터 육안으로 볼수 있는 1mm까지의 범위를 사용한다.

- 입자가 작은 분말은 표면적이 넓어서 입자간 접촉면적이 충분하여 성형이 쉬우면 소결이 잘 되나 충전 및 가압 시 많은 공기를 수반하므로 성형 시 주의 하여야 한다.

- 입자의 모양은 구형이 아니라 다양한 모양이므로 모양에 따라 충진 및 성형에 영향을 준다.

② 밀도

- 겉보기 밀도 : 분말을 용기에 담았을 때의 중량을 그 용기의 용적으로 나눈값

③ 유동성

- 분말이 경사면을 흐르는 성질을 말하며, 금형의 충진 및 성형에 영향을 미친다.

④ ⑤

 

 

2. 플라스틱 가공법에 관하여 다음 물음에 답하시오.(30점)

 

(1) 열가소성 수지와 열경화성 수지의 특성에 관해서 설명하시오.(10점)

열 가소성 수지 : (열 가역성 수지)한 번 가열한 뒤 재차 가열해도 녹는 수지로 용제 또는 열을 가하면 녹는다.

① 내열, 내용성은 취약하다.

② 압출, 사출성형에 의 한 가공

③ 가열 시 소성변형 냉각시 가역적 고결

④ 결정성과 비결정성으로 분류한다.

⑤ 고체상태의 고분자 물질로 구성

⑥ 결정성-PE, PP, NYLON,폴리아세탈, 비결정성- 염화비닐, 폴리스틸렌, ABS, 아크릴 수지

 

열 경화성 수지: (열이 가해지면 영구적인 경화)한 번 가열 성형한 뒤 재차 가열하면 녹지않는 수지

① 내열, 내용제, 내약품성, 전기절연성

② 섬유강화 플라스틱 제조

③ 큰 응력을 가해도 변형되지 않는다.

④ 축중합형과 첨가중합형으로 분류

⑤ 비교적 저분자량의 물질로 구성

⑥ 축중합형- 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 첨가중합형- 에폭시, 포리에스테르, 멜라민

 

(2) 플라스틱 가공에서 1차 가공에 의한 성형가공법 중 4가지만 제시하고 각각의 성형가공법 특징에 대해서 설명하시오. (20점)

① 압축성형 : 성형 재료를 금형의 빈 공간에 넣고 열을 가한 후 높은 압력을 가하여 최종 제품의 모양으로 성형하는 방법

- 열경화가 일어나는 플라스틱을 우선 열경화가 이렁나지 않은 조건으로 압축 한 후 다시 가열하여 경화 시킨다.

- 욕조와 같은 대형 구조물을 성형할 때 자주 사용

 

② 캘린더 성형(압연성형)

- 온도를 가하여 고분자를 연화 시킨후 가열된 롤러사이를 통과시켜 얇은 판상의 제품을 성형하는 방법

- 인접한 두 롤러 중 한 롤러는 고정되어 있고 한 롤러는 힘을 가하여 두 롤러가 밀착되어 얇은 시트형 판을 만든다.

- 주로 PVC 시트를 만들 때 사용, 장판이나 나무무늬로 코티아하는 시트도 제작

- 가공속도가 매우 빠르지만 얇은 필름은 성형하기 어렵다.

 

③ 압출성형 : 압출기를 사용하여 펠렛이나 칩상의 재료를 용융시킨 후 높은 압력으로 고분자 용융체를 압출다이을 통과 시켜 일정한 단면의 제품 성형

- 다이를 통과한 제품은 물이나 공기중에서 냉각

- 적당한 길이로 절단하여 제품화 (연속으로 가능)

- 둥근 모양의 틈을 가진 링다이를 통과 시켜 내부에 공기를 불어넣어 얇은 원통형 필름을 제조할 수 있다.

- 두께가 얇고, 폭이 넓은 필름에 많이 사용한다.

 

④ 섬유방사

- 고분자 플라스틱을 압출 다이로 압출하여 작은 구멍을 가진 다이 스피너렛(die spinneret)속으로 통과 시킨 후 고화 시킨후 연신 시켜 섬유를 만든다

- 고화하고 연신하기 때문에 단순하고 비용이 적게 든다.

- 고분자가 열분해가 일어나는 경우에는 사용할 수 없다.

- 건식방사 : 방사한 후 뜨거운 기체로 용매를 증발시켜 고분자를 고화하는 방법

습식방사 : 방사한 후 비용매가 채워진 응집로에서 고화시키는 방법

- 주로 건식 방사 방식을 사용하며, 습식방사는 생산성이 좋지 않고, 균일한 제품으로 제조하기 어렵다.

 

⑤ 사출성형

- 사출기에서 펠렛상태의 원료를 가열하여 스크류를 이용하여 금형에 사출하여 제품을 성형하여 냉각 고화시킨다.

- 사출기는 고온을 유지하고, 금형은 저온을 유지하여 빨리 냉각될 수 있도록 한다.

- 금형 내에서 플라스틱이 냉각될 때 수축하므로 유압으로 스크류를 밀어 가압한다.

- 사출성형은 용융단계 - 충전단계 - 가압단계 - 냉각단계를 반복한다.

- 대부분의 플라스틱 제품의 생산에 이용된다.

- 생산속도가 빠르며 대량생산에 적합하다.

- 제품이 형상에 따라 금형을 만들어야 하고 가격이 비싸다.

 

⑥ 중공성형(부르기 금형)

- 유리병을 만드는 방법처럼 압출기로부터 원통형의 파리슨(parison)을 만든다음 금형속에 넣고 공기를 불어넣어 성형, 고화한 후 꺼낸다.

- 압출기로 파리슨을 압출하면 공기중에 서냉되므로 성형품의 투명도가 떨어진다.

 

⑦ 진공성형

- 플라스틱 시트를 몰드위에 고정하여 가열, 연화 시킨 후 몰드의 작은 구멍으로 공기를 빼내 진공을 만들어 플라스틱 시트가 몰드에 밀착하여 성형되는 방법

- 각종 플라스틱이나 1회용 용기 또는 형상을 가진 포장재의 제조에 적합

 

 

 

3. 선반가공에 관하여 다음 물음에 답하시오 (10점)

(1) 테이퍼 절삭방법 3가지만 쓰고 각각의 특징을 설명하시오.(6점)

① 심압대 편위에 의한 방법

양센터를 공작물에 고정하고 심압대를 편위를 시킨다.

- 긴 공작물에 적당하다. 테이퍼량이 적은 때 사용한다.

- 자동이송을 할 수 있다.

심압대 편위량 e = L ( D- d)/(2 x ℓ)

② 복식공구대에 의한 방법

복식공구대를 돌려 놓는 방법으로 가공

- 테이퍼 길이가 짧고, 테이퍼 각이 큰 공작물

③ 테이퍼 절삭장치에 의한 방법

모방절삭과 같은 방법으로 선반부속장치를 이용

- 작업이 가장 쉽고, 정확한 가공,

- 센터구멍을 상하지 않는다.

- 공작물의 길이에 관계없이 동일한 테이퍼를 가공

- 선반의 모든 조절이 필요없고, 심압대 편위보다 더 넓은 범위의 테이퍼 가공

 

(2) 반지름이 50mm의 공작물을 선반을 이용하여 절삭속도 200mm/min로 가공할 때 필요한 주축의 회전수[rpm]를 계산하시오. (단, π는 3.14로 계산하고, 소수점 첫째자리에서 반올림하여 구하시오.) (4점)

,

n=1000V/πd=(1000x200)/(3.14x50)=1273.88 1274[rpm]

 

4. 특수주조법에 관하여 다음 물음에 답하시오.(10점)

(1) 원심 주조법에 대해서 중요한 특징 3가지에 대하여 각각을 설명하시오(5점)

주형을 300~3,000rpm으로 고속 회전시킨 상태에서 용융금속을 주입하면 원심력에 의해 주형내면에 균일하게 압착응고되어 코어없이 중공의 회전체인 원통을 제조할 수 있다.

특징

① 원심력에 의하여 주물의 조직이 치밀하고 균일하다

② 슬래그와 가스의 제거가 용이하다.

③ 코어, 탕구, feeder, riser 등이 불필요하다.

④ 대량생산에 적합하다.

 

(2) 다이캐스팅에 대해서 중요한 특징 3가지에 대하여 각각을 설명하시오(5점)

정밀주조법의 일종으로 제작된 금형에 용해된 알류미늄, 아연, 주석, 마그네슘 등의 합금을 가압 주입, 냉각, 응고 시켜서 정밀 주물을 만드는 방법이다.

특징

① 다른 주조법에 비해 정밀도가 높고, 표면이 깨끗하여 추가 가공이 필요치 않다.

② 고속 생산, 자동화가 용이하며 대량생산이 가능하다

③ 복잡하거나 얇은 주물도 만들 수 있다.

④ 고압을 가압하기 때문에 결정립이 미세화 되고 치밀한 조직을 얻을 수 있다.

⑤ 용융점이 높은 금속은 주조할 수 없고, 금형의 크기와 구조에 한계가 있고, 소량생산의 경우 금형비용이 많이 든다.

 

 

5. 표면경화법에 관하여 다음 물음에 답하시오(10점)

(1) 화학적 표면경화법으로 침탄법 3가지 방법과 질화법에 대하여 각각을 설명하시오.(6점)

침탄법의 종류

1) 고체침탄법 : (0.25~3.0mm)

장점 대형부품의 처리가 가능, 소량생산에 적합, 설비비가 저렴,

단점 경도가 불균일, 과잉침탄되기 쉽다 작업환경이 나쁨

2) 액체침탄법 : (0.05~1.0mm)

장점- 소형부품처리에 유리, 설비비가 저렴,

단점 -배수처리 설비가 필요, 침탄방지가 곤란

3) 가스침탄법 : (0.25~3.0mm)

장점 - 탄소농도의 조절이 가능 자동화가 용이, 대량생산에 적합,

단점 - 설비비가 고가, 양산체제가 아니면 처리비가 높아진다.

 

질화법 :

방법 : 암모니아(NH3) 가스와 같이 질소를 포함하고 있는 물질로 강의 표면을 경화시키는 방법

장점 : - 침탄법에 비해 경화층은 얇으나 경도는 높다.

- 퀜칭할 필요가 없다

- 내마모 및 내식성이 크다

- 고온이 되어도 연화되지 않는다

단점 - 열처리 시간 길다

- 생산비가 많이 든다

 

청화법 : 강을 CN 화합물에 유동성을 좋게하는 성분을 첨가한 액중에 침지시키는 방법으로 청화물(CN) 반응을 일으켜 철 중에 N과 C를 침투시켜 재질을 경화시킨다.

고온에서는 침탄이 진행되며, 저온에서는 질화가 진행되어 적당한 온도로 처리를 하면 침탄과 질화가 동시에 진행되는 장점이 있다.

 

(2) 금속침투법 4가지 방법을 쓰시오(4점)

강의 제품을 가열하여 그 표면에 다른 금속을 침투시켜 표면에 합금층 및 합금피복층을 만드는 방법

가) 크로마이징(크롬 침투)

나) 칼로마이징(알류미늄 침투)

다) 실리코나이징(규소를 침투)

라) 브로나이징( 붕소를 침투)

마) 세라다이징( 아연 침투)

 

참고사항

하아드 페이싱(hard facing) : 금속의 표면에 스텔라이트(stellite) , Co-Cr-W합금) 경합금 등의 특수 금속을 용착시켜 표면 경화층을 만드는 방법이다.

 

 

6. 강(steel)의 열처리에 관하여 다음 물음에 답하시오. (10점)

(1) 열처리 방법 4가지를 쓰시오. (4점)

① 담금질, 퀜칭  (quenching)

② 뜨임, 템퍼링 (tempering)

③  풀림, 어닐링(annealing) 

④ 불림, 노멀라이징(normalizing)

 

(2) 열처리 방법 4가지에 관하여 각각의 특징에 대하여 설명하시오.(6점)

- 담금질, 퀜칭 (quenching) : 강을 임계온도 이상의 상태에서 물또는 기름 같은 냉각재에 급랭시켜 재질을 경화한다. 이때 조직은 마르텐 사이트이다.

- 뜨임, 템퍼링(tempering) : 강을 담금질만 하면 대단히 경도가 높고 내부에 큰 응력이 발생하여 취약하므로 적당한 인성을 부여하기 위해 A1변태점 이하의 온도에서 가열하여 냉각한다.

- 풀림, 어닐링(annealing) : 강의 성질을 연화시키고 내부응력의 제거와 불순물의 방출 및 확산을 일으키게 한다. Ac1점 이상 40~60℃의 범위에서 가열하여 균일한 오스테나이트로 가열, 로내에서 서냉 처리한다.

- 불림, 노멀라이징(normalizing) : 금속조직의 불균일한 결정립을 미세화 시켜주는 것으로 Ac3점 혹은 Acm 변태점 이상 40~60℃의 범위에서 오스테나이트 조직으로 가열하여 공기중에 방냉처리, 결정립이 미세화되고 연신율이 좋은 미세한 층상의 퍼얼라이트 조직을 얻는다.