선반 가공(터닝) 완벽 이해: 정의, 종류, 주요 작업 및 절삭 조건

터닝(Turning)이란?

터닝은 회전하지 않는 절삭 공구 비트(보통 단일 날)가 공작물이 회전하는 동안 직선적으로 이동하며 나선형 공구 경로(helix toolpath)를 그리는 기계 가공 공정입니다.

일반적으로 '터닝'이라는 용어는 이 절삭 작용으로 외부 표면을 생성하는 경우에 쓰이며, 같은 본질적 절삭 작용이 내부 표면에 적용되면 '보링(boring)'이라 부릅니다.

따라서 '터닝과 보링'은 선반 가공(lathing)으로 알려진 더 큰 공정군을 분류합니다. 터닝이나 보링 공구로 공작물 단면을 자르는 것은 '페이싱(facing)'이라 하며, 어느 범주에든 부분 집합으로 포함될 수 있습니다.

터닝은 기존 선반(continuous operator supervision 필요)으로 수동 수행하거나, 자동 선반으로 수행할 수 있습니다. 오늘날 가장 일반적인 자동화 형태는 컴퓨터 수치 제어(CNC)입니다.

터닝 시 공작물(목재, 금속, 플라스틱, 석재 등)이 회전하고 절삭 공구가 1, 2, 3축으로 이동해 정밀한 직경과 깊이를 만듭니다. 터닝은 실린더 바깥쪽(외경)이나 안쪽(내경, 드릴링이라고도 함)에서 수행해 다양한 형상의 관형 부품을 생산할 수 있습니다.

오늘날은 드물지만 초기 선반으로는 플라톤 입체 같은 복잡한 기하학적 형상도 만들 수 있었습니다. 다만 CNC 등장 이후 비컴퓨터화 공구 경로 제어로 이런 용도를 쓰는 경우는 거의 없습니다.

터닝 공정은 보통 선반에서 수행되며, 선반은 공작기계 중 가장 오래된 것으로 스트레이트 터닝, 테이퍼 터닝, 프로파일링, 외부 그루빙 등 다양한 유형이 있습니다.

이 터닝 공정으로 직선, 원뿔, 곡선, 홈 가공된 공작물 등 다양한 형상을 만들 수 있습니다. 터닝에서는 일반적으로 단순 단일 날 절삭(single-point cutting)을 사용합니다. 각 공작물 재료 그룹별로 수년간 개발된 최적의 공구 각도 세트가 있습니다.

터닝 작업에서 나오는 금속 폐기물은 칩(chips, 북미), 스와프(swarf, 영국), 또는 터닝스(turnings)라 부릅니다.

터닝 공정 (Turning Process)

터닝은 공작기계 가공의 한 형태인 재료 제거 공정으로, 불필요한 재료를 깎아내 회전 대칭 부품을 만듭니다. 터닝 공정에는 터닝 머신(선반), 공작물, 고정구, 절삭 공구가 필요합니다.

공작물은 미리 형상이 잡힌 재료로 고정구에 고정되며, 이는 터닝 머신에 부착돼 고속 회전합니다. 절삭 공구는 보통 단일 날 공구로 머신에 고정되지만, 일부 작업에서는 다중 날 공구를 쓰기도 합니다.

절삭 공구가 회전하는 공작물에 이송돼 작은 칩 형태로 재료를 제거하며 원하는 형상을 만듭니다.

터닝은 구멍, 홈, 나사산, 테이퍼, 다양한 직경 단차, 윤곽면 등 많은 특징을 가진 회전 대칭(보통 축대칭) 부품 제작에 쓰입니다. 터닝만으로 전공정 제작되는 부품은 시제품용 맞춤형 샤프트나 패스너처럼 소량 생산되는 컴포넌트를 포함합니다.

터닝은 다른 공정으로 제작된 부품에 정밀 회전 피처를 추가하거나 다듬는 2차 공정으로도 흔히 쓰입니다. 터닝이 제공하는 높은 공차와 표면 조도 덕분에 기본 형상이 잡힌 부품에 정밀 회전 특징을 추가하는 데 이상적입니다.

터닝 작업 유형 (Turning Operations)

터닝은 가장 일반적인 선반 가공 작업입니다. 터닝 공정 중 절삭 공구가 회전하는 공작물 외경에서 재료를 제거합니다. 터닝의 주 목적은 공작물 직경을 원하는 치수로 줄이는 것입니다. 터닝 작업에는 황삭(rough)과 정삭(finish) 두 종류가 있습니다.

공정 사이클 동안 공작물에 다양한 작업을 수행해 원하는 형상을 얻습니다. 이 작업들은 외부(external) 또는 내부(internal) 작업으로 분류됩니다.

외부 작업은 부품 외경을 변경하고, 내부 작업은 내경을 변경합니다. 다음 작업들은 사용된 커터 유형과 커터가 공작물에서 재료를 제거하는 경로에 따라 정의됩니다.

외부 작업 (External Operations)

• 터닝 (Turning). 단일 날 터닝 공구가 공작물 옆면을 따라 축 방향으로 이동하며 재료를 제거해 단차, 테이퍼, 챔퍼, 윤곽 등 다양한 피처를 만듭니다. 이 피처들은 보통 작은 반경 방향 절삭 깊이로 여러 패스를 거쳐 최종 직경에 도달할 때까지 가공됩니다.
• 테이퍼 터닝 (Tapered Turning). 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 직경이 점차 줄어드는 원통 형상을 만듭니다.
• 하드 터닝 (Hard Turning). 로크웰 C 경도 45 이상인 소재에 수행하는 터닝. 보통 열처리 후에 수행합니다. 기존 연삭 작업을 대체하거나 제한하기 위한 목적입니다. 순수 재료 제거 목적의 하드 터닝은 황삭 연삭과 경쟁력이 있습니다. 그러나 형상과 치수가 중요한 정삭에서는 연삭이 우월합니다.
• 페이싱 (Facing). 단일 날 터닝 공구가 공작물 끝면을 따라 반경 방향으로 이동해 얇은 층을 제거, 매끄러운 평면을 만듭니다. 페이스 깊이는 보통 매우 작아 한 패스로, 또는 더 작은 축 방향 절삭 깊이로 여러 패스로 달성합니다.
• 파팅 (Parting). 그루빙과 유사하게 단일 날 컷오프 공구가 공작물 옆면으로 반경 방향으로 들어가 공작물 중심이나 내경에 도달할 때까지 진행해 공작물 일부를 잘라냅니다.
• 그루빙 (Grooving). 단일 날 터닝 공구가 공작물 옆면으로 반경 방향으로 들어가 공구 폭과 같은 홈(groove)을 만듭니다. 여러 번 절삭해 공구 폭보다 큰 홈을 만들거나, 특수 성형 공구로 다양한 형상의 홈을 만들 수 있습니다.

내부 작업 (Internal Operations)

• 보링 (Boring). 보링 툴이 공작물 축 방향으로 들어가 내부 면을 따라 절삭해 단차, 테이퍼, 챔퍼, 윤곽 등 다양한 피처를 만듭니다. 보링 툴은 단일 날 절삭 공구로, 조정 가능한 보링 헤드로 원하는 직경으로 설정해 절삭합니다. 보통 드릴링 후 구멍을 확대하거나 더 정밀한 치수를 얻기 위해 수행합니다.
• 드릴링 (Drilling). 공작물 내부에서 재료를 제거합니다. 테일스톡이나 툴 터렛에 고정된 표준 드릴 비트를 사용합니다. 별도 드릴링 머신으로도 수행 가능합니다.
• 너링 (Knurling). 부품 표면에 톱니 무늬(serrated pattern)를 깎아 손잡이용 그립이나 시각적 향상을 만듭니다. 전용 너링 툴을 사용합니다.
• 리밍 (Reaming). 이미 뚫린 구멍에서 소량의 금속을 제거해 치수를 정밀하게 마무리하는 작업. 예: 6mm 구멍을 5.98mm 드릴로 뚫고 리밍으로 정확한 치수로 마무리.
• 나사 가공 (Threading). 보통 60도 뾰족한 노즈를 가진 단일 날 나사 가공 공구가 공작물 옆면을 따라 축 방향으로 이동해 외부 나사산을 깎습니다. 나사산은 지정된 길이와 피치로 깎으며 여러 패스가 필요할 수 있습니다.
• 다각형 터닝 (Polygonal Turning). 원자재 회전을 중단하지 않고 원형이 아닌 형상을 가공합니다.

절삭 조건 (Cutting Parameters)

터닝 시 절삭 공구의 속도와 운동은 여러 파라미터로 지정됩니다. 이 파라미터들은 공작물 소재, 공구 소재, 공구 크기 등에 따라 각 작업마다 선정됩니다.

• 절삭 이송 (Cutting Feed) – 스핀들 1회전 동안 절삭 공구 또는 공작물이 전진하는 거리. 인치/회전(IPR) 단위. 작업에 따라 공구가 공작물로 들어가거나 공작물이 공구로 들어갑니다. 다중 날 공구의 경우 날당 이송(IPT) × 날 수와도 같습니다.
• 절삭 속도 (Cutting Speed) – 절삭 중 공작물 표면이 절삭 공구 날에 상대적으로 움직이는 속도. 분당 표면 피트(SFM) 단위.
• 스핀들 속도 (Spindle Speed) – 스핀들과 공작물의 회전 속도. 분당 회전수(RPM). 스핀들 속도 = 절삭 속도 ÷ 절삭 지점 공작물 둘레. 일정한 절삭 속도를 유지하려면 절삭 직경에 따라 스핀들 속도가 변해야 합니다. 스핀들 속도가 고정이면 절삭 속도가 변합니다.
• 이송 속도 (Feed Rate) – 공구가 절삭하며 공작물에 상대적으로 움직이는 속도. 분당 인치(IPM) 단위. 절삭 이송(IPR) × 스핀들 속도(RPM)의 곱입니다.
• 축 방향 절삭 깊이 (Axial Depth of Cut) – 페이싱 작업 등에서 공구가 공작물 축을 따라 절삭하는 깊이. 큰 축 방향 절삭 깊이는 낮은 이송 속도가 필요하며, 그렇지 않으면 공구 부하가 커지고 수명이 줄어듭니다. 따라서 보통 여러 패스로 나누어 지정된 축 방향 절삭 깊이까지 공구를 이동시킵니다.
• 반경 방향 절삭 깊이 (Radial Depth of Cut) – 터닝이나 보링 작업 등에서 공구가 공작물 반경을 따라 절삭하는 깊이. 큰 반경 방향 절삭 깊이는 낮은 이송 속도가 필요하며, 그렇지 않으면 공구 부하가 커지고 수명이 줄어듭니다. 따라서 보통 여러 단계로 나누어 지정된 반경 방향 절삭 깊이만큼 공구를 이동시킵니다.

툴링 (Tooling)

단일 날 절삭 공구의 다양한 각도, 형상, 크기는 가공 중 공작물 결과 표면에 직접적인 영향을 미칩니다. 경사각(rake angle), 측면 경사각(side rake angle), 절삭 날 각도(cutting edge angle), 클리어런스 각도(relief angle), 노즈 반경(nose radius) 등 다양한 각도가 존재하며 공작물에 따라 달라질 수 있습니다.

단일 날 절삭 공구 형상도 V자형, 사각형 등 다양합니다. 보통 특수 공구 홀더로 가공 중 절삭 공구를 고정합니다.

자주 묻는 질문 (FAQs)

터닝은 회전하지 않는 절삭 공구 비트가 공작물이 회전하는 동안 직선적으로 이동하며 나선형 공구 경로를 그리는 기계 가공 공정입니다.

터닝은 기계 가공의 한 형태인 재료 제거 공정으로, 불필요한 재료를 깎아내 회전 부품을 만듭니다. 터닝 공정에는 터닝 머신(선반), 공작물, 고정구, 절삭 공구가 필요합니다.