치공구(治工具)의 개요

제 1장 치공구(治工具)의 개요

 

1-1 치공구의 정의

 

(1)치공구 : 치공구(JIG&FIXTURE)란 다량생산에 기초를 두고 제품을 능률적이고 경제적이며 균일성 (호환성)이 요구되는 기계작업에 사용되는 특수공구로서 흔히 지그와 고정구로 나누어 진다.

(2)지그(JIG) : 공작물의 위치결정 기구와 공작물을 고정하기 위한 클램핑 기만?갖고 있으며 절삭공구를 안내하는 부싱이 함께 사용되나 이 안내부의 정도가 그대로 공작물에 직접 영향을 끼친다.

(3)고정구(FIXTURE) :  공작물을 정확한 위치에 놓기위한 위치결정기구와 이것을 고정하기 위한 클램핑 기구는 지그와 같으나 절삭공구를 공작물의 가공부의에 맞도록 설치하기 위한 세트블록이 함께 사용되는 경우가 많다. 즉, 치공구는 부픔의 가공을 정확히 행할뿐 아니라 기타 조립, 검사, 용접 등 작업을 능률적이고 정확하게 할 수 있는 보조구이다.

 

1-2 치공구의 사용목적

 

균일하고 정밀한 공작물을 단 시간에 가공하기 위한 것이며 제품의 제조 원가를 절감하는 것이 주 목적이다. 다품종 소량생산이며 가공이 용이한 경우에 일부러 치공구를 사용하는 것은 가공전의 준비, 시간, 치공구 제작비를 고려할 때 불리한 경우도 있다.
치공구의 사용상 이점은 다음과 같다.

(1) 가공에 있어서의 이점
A. 기계설비를 최대한으로 활용(기계 능력 배가)
B. 생산능력 증대(생산성 향상)
C. 특수기계, 특수공구 불필요

(2) 생산원가 절감
A. 가공 정밀도 향상 및 호환성으로 불량품 방지
B. 제품의 균일화에 의해 검사업무 간소화
C. 작업시간 단축

 

(3) 노무관리의 단순화가 가능
A. 특수작업의 감소, 특별한 주의사항 및 검사등이 불필요
B. 작업의 숙련도 요구가 감소
C. 작업에 의한 피로경감으로 안전작업

(4) 재료비 절약이 가능하고 다른작업과의 관련이 원활
A. 불량품이 감소, 부품의 호환성 증대
B. 바이트등 공구의 파손 및 감소로 공구수명 연장

 

1-3 치공구의 설계기사의 임무
(1) 설계(도면작성)
(2) 치공구 제작에 대한 감독
(3) 재료의 조달
(4) 검사(시험검사)

 

1-4 치공구 설계자가 갖추어야 할 필요조건
(1) 최근의 생산방법, 장비 및 공구에 대해 알고 있을 것
(2) 기계에 관한 창조적인 정신과 진취성의 기질이 풍부할 것
(3) 수학적 기초지식과 제도능력이 있을 것
(4) 기본적인 치공구 제작법을 알고 있을 것

 

1-5 치공구 설계시 고려사항
(1) 공작물에 적합한 치공구의 형태
(2) 공작물의 장착과 장탈

A. 공작물 장착에 필요한 공간
B. 부적당한 장착이 되지 않도록 방오법(FOOL-PROOFING)고려
C. 공작물의 용이한 장탈

(3) 공작물을 신속하게 클램핑하는 방법
(4) 무겁고 대형인 치공구는 취급방법을 특별히 고려
(5) 마모된 치공구 부품의 교환과 재연삭
(6) 칩배출 여유와 칩제거 방법
(7) 치공구 부품의 기능에 적절한 재질 선택
(8) 작업자의 안전

 

제 2장 치공구의 종류별 분류 및 특성

2-1 치공구의 분류
치공구는 공작물의 형상이나 작업조건에 따라 여러 가지 종류로 분류된다.

(1) 작업내용에 따른 분류
A. 기계가공용 치공구 : 드릴링, 선삭, 밀링, 연삭용등
B. 조립용 치공구 : 조립, 센터링, 압입용등
C. 용접용 치공구 : 용접 납땜, 단접용등
D. 검사용 치공구 : 치수, 형상, 압력용등
E. 기타 도장용, 열처리용등 치공구

(2) 성능상의 분류
A. 범용 치공구
B. 공용(겸용) 치공구
C. 자동화, 전용치공구

(3) 형태상의 분류
 플레이트형, 앵글플레이트형, 박스형, 바이스형, 분할형, 척형등

2-2 지그의 형태별 종류 및 특성
지그는 일반적으로 드릴지그와 보링 지그로 대별된다. 또한 드릴지그를 형태별로 크게 나누면 개방지그(OPEN JIG)와 밀폐지그(CLOSED JIG)가 있으며 개방지그는 공박물의 한쪽면에 구멍을 가공하는 지그이며 밀폐지그는 공작물이 장착된 상태에서 여러면의 구멍을 가공할 수 있는 지그이다.

 

(1)템플릿 지그(TEMPLATE JIG)
공작물의 외부나 내면에 대해 지그가 장착되며 일반적으로 공작물을 고정하지 않는 가장 단순한 지그이다. 제품의 생산속도보다 정밀도를 얻기 위해 사용되는 드릴부싱을 사용하지 않을 때는 지그판 자체를 경화처리한다.

 

(2)플레이트 지그(PLATE JIG)
개방지그를 대표하는 것으로 템플릿 지그와 유사하다. 그 차이는 공작물을 고정하는 장치가 있다는 것이다. 공작물이 직접 기계 테이블에 닿지않게 하기 위해 플레이트 지그에 설치하기도 하는데 이것이 테이블 지그이다.

 

(3) 샌드위치 지그(SANDWICH JIG)
뒷판(BACK PLATE)을 가진 플레이트 지그의 일종으로 쉽게 휘거나 연해서 뒤틀리기 쉬운 공작물의 가공에 사용된다.

 

(4) 앵글 플레이트 지그(ANGLE PLATE JIG)
공작물의 위치결정면에 대한 직각인 구멍을 가공하는데 사용되며 90°이외의 각도로 가공될 구멍에는 수정된 앵글 플레이트 지그(MODIFIED ANGLE PLATE JIG)가 사용된다.

 

(5) 박스지그(BOX JIG)
텀블지그(TUMBLE JIG)라고도 하며 공작물을 재 위치결정시키지 않고서도 여려면의 구멍을 완성 할 수 있으나 칩제거가 불리하고 제작비가 다소 비싸다.

 

(6) 채널지그(CHANNEL JIG)
박지그의 형식중에서 가장 단순한 형태로 공작물은 두 표면 상이에 유지되고 제3표면을 가공한다. 때로는 지그다리를 사용해 3면의 구멍을 가공할 수 있다.

 

(7) 리프지그(LEAF JIG)
공작물의 장착과 장탈을 용이하게 할 수 있도록 힌지된 리프를 가진 소형 박스지그라고 불수 있으며 보다 쉽게 조작할 수 있는 핸들 장치를 붙이는 것이 보통이다. 리프지그와 박스지그의 주된 차이점은 지그의 크기와 공작물의 위치결정이다. 이 지그는 힌지핀과 본체의 틈새가 공작물 정밀도에 영향을 끼치는 단점이 있다.

 

(8) 분할 지그(INDEXING JIG)
공작물 주위에 일정한 간격으로 구멍을 뚫거나 기타 기계가공 하는데 사용되는 지그로서 지그부품 자체 또는 플런저(PLUNGER)등이 분할판으로 사용되며 대형의 분할지그를 로타리 지그(ROTARY JIG)라고도 한다.

 

(9) 트러니언 지그(TRUMION JIG)
주로 대형이거나 불규칙한 형상의 공작물을 가공하는데 사용되며 로타리지그와 유사하다. 먼저 공작물을 상사모양의 캐리어(CARRIER)에 넣구 트라니언에 올려 놓는다. 이 지그는 몇개의 플레이트 지그를 필요로 하는 크고 무거운 공작물 가공에 적합하다.

 

(10) 펌프지그(PUMP JIG)
사용자의 용도에 맞도록 상품화되어 있으며 레버로 작동되는 지그판은 정착과 장탈이 용이하게 되고 사용자의 용도에 따라 약간의 변경만으로 여러 공작물에 대응할 수 있어 많은 시간을 절약할 수 있다.

 

(11) 다단지그(MULTISTATION JIG)

이 지그의 특징은 공작물을 지그에 장착시키는 방법으로 1회 장착된 공작물에 드릴링, 리밍카운터 보링 등을 연속적으로 할 수 있으며 최종적으로 가공이 끝난 공작물을 장탈하고 새로운 공작물을 장착할 수 있게 되어 있다. 일반적으로 다축 공작기계에서 많이 사용된다.

 

(12) 바이스지그(VISE JIG)
기계 바이스를 개조하여 특수 형상의 조오(JAW)와 급속작동 클램핑 기구를 이용한 지그로서 공작물의 형태가 바뀌어도 간단하게 바이스의 조요만 개조하여 사용할 수 있으며 신속한 클램핑과 튼튼한 구조를 갖고 있다.

 

 

2-3 고정구의 형태별 종류 및 특성

 

(1) 플레이트 고정구 (Plate Fixture)
가장 단순한 고정구로 플레이트 공작물을 장착시키고 고정할 수 있게 만든 형태로서 대부분의 기계가공에 사용되며 일반적으로 푹넓게 사용되는 형태의 고정구이다. 앵글 플레이트 고정구와 수정된 앵글플레이트 고정구는 지그와유사하나 공작물의 가공방법에따라 다소 다르다.

 

(2) 바이스-조 고정구 (Vise-Jaw Fixture)
바이스의 조 부분을 공작물의 형태에 맞게 개조한 것으로 제작비가 싸지만 조의 이동량에 제한을 받으므로 주로 소형 공작물을 가공하는데 적합하다.

 

(3) 분할 고정구
분할 지그와 유사하며 일정한 간격으로 기계가공하고자 할 때 사용된다.

 

(4) 다단 고정구 (duplex fixture)
가공 싸이클(machining cycle)이 계속되어야 할 경우에 생산속도와 생산량의 향상을 위해 사용되며 단지 2개의 스테이션에 의해 180° 마다 장착과 가공이 이루어지는 가장 간단한 고정구가 다단 고정구(duplex fixture)이다.

 

(5) 총형 고정구(Profiling fixture)
공작기계 자체로는 절삭하기 어려운 윤곽을 가진 공작물을 가공할수 있도록 절삭공구를 안내하는데 사용된다.

제 3장 위치결정 및 지지

 

3-1 위치결정 원리

위치결정(locating)의 기본 개념은 공작물의 움직임을 제한하여 평형 상태로 만드는 것이며 공작물의 위치결정은 치공구에서 요구되는 일정한 위치에 공작물을 정확히 위치시키는 것으로써 공작물 관리기법을 기본 이론으로 하고 있다.

 

(1) 3-1-1 위치결정 원리

공작물에 위치결정구를 배열하는 것을 위치결정법이라 하며 공작물에 적용되는 기본배열은 3-2-1 위치결정 원리를 취하고 있다. 그러나 이 기본 배열을 취할 경우 공작물 밑면에 배치되는 3개의 위치결정구로는 기계가공중의 안정도를 반드시 보증하지는 못한다. 또한 이 3개의 위치결정구로 이루어진 3각형 면적 밖에서 절삭력이 작용할 때는 공작물의 변위가 발생할 여지가 있다.

(2) 4-1-2 위치결정 원리

공작물 밑면에 4번째의 위치결정구가 추가됨으로써 지지된 면적은 4각형이 되어 요구되는 면정도를 얻게 된다. 특히 거친 공작물 표면에는 4개의 밑면 위치결정구중 1개를 조절식으로 한다.

 

3-2 위치결정 기구의 설계

 

 

3-2-1 위치 결정구 설계시 고려사항

 

A.     위치결정 면에 칩가루 등이 끼지 않게 한다.

B.      공작물의 거친 표면에는 조절식을 사용한다.

C.     위치결정 지점에 가공작용력이나 클램핑력이 가해지게 한다.

D.     위치결정구의 마모를 고려해 교환가능하거나 재연삭을 할 수  있게 한다.

E.      위치결정이 중복되지 않게 한다.

F.       공작물의 변형에 대한 방지책을 마련한다.

 

즉, 위치결정 기구는

 

A.   내마모성이 양호할 것

B.   교환이 가능할 것

C.   잘 보일 수 있을 것

D.    청소하기 쉬울 것

E.    칩제거가 용이할 것

 

3-2-3 네스팅(NESTING)

 

한 공작물이 일직선상에서 적어도 2개의 반대방향 운동이 억제되는 경우, 둘 또는 그 이상의 표면사이에서 억제되며 위치결정되는 방법. 즉, 어떤 홈을 파 놓고 그 안에 공작물을 접어 넣는 것을 말한다. 네스트와 공작물간의 최소틈새는 공작물의 공차에 의해 결정되난 네스팅에 의한 위치결정은 항상 어느 정도의 변위가 따르게 된다. 그러므로 불규칙한 형상의 공작물은 윤곽이 정확하게 제작되어 있을 때 사용한다. 특히 주물이나 단조품은 네스팅이 불리하며 금형에 의해 일정하게 만들어진 공작물에 적함하다.

 

 

3-2-3 버튼, 핀, 패드(Button, Pin, Pad)

 

A.     버튼

l        원통형 민머리(FLAT BUTTON): 기계가공된 표면에 주로 사용

 

l       원통형 둥근머리 버튼(CRWONED BUTTON): 기계가공되지 않은 표면에 주로 사용. 버튼이 밑면 위치결정구로 사용될 때 레스트 버튼(REST BUTTON) 측면이나 끝 부분의 멈춤을 위해서 사용될 때 스톱버튼(STOP BUTTON)이라 하며 치공구 본체에 주로 억지끼워 맞춤(PRESS FIT)하나 교환이 쉽게 될수 있도록 하는 방법도 자주 쓰인다.

 

B.     핀

주로 핀의 위치결정하며 가벼운 하중을 받는 공작물에 적용한다.

 

C.    패드

패드는 버튼과 같은 경도로 열처리된 강으로 제작된 평탄한 위치결정 요소이다. 패드는 판판하게 연삭된 것으로 치공구 본체에 다웰핀으로 그의 위치를 정확하게 조립되며 주로 레스트 버튼 대신에 사용한다.

 

 

 

3-2-4 원형 위치 결정구(CIRCULAR LOCATOR)

 

공작물의 구명과 원통 부분을 위치결정하기 위한 핀, 심봉(MANDREL), 플러그(PULG), 중공원통, 링, 홈 등은 조로 네스팅 원리이며 위치결정의 정밀도와 재밍(JAMMING)이 생긴다. 여기서 재밍이란 공작물 구멍에 원형 축을 끼울 때 턱에 걸려 들어가지 않는 현상을 말하는데 재밍의 주요 언인은 마칠에의해 발생되며 틈새, 맞물림 길이, 작업자의 손흔들림도 원인이다.

 

  

W-C: 원형위치결정구의 직경 W: 공작물의 길이 C: 틈새 L: 맞물림길이

 

 

 

공작물은 맞물림 길이 L을 초과해여 고정구에 잘 삽입될 수 있으며 그림과 같이 공작물이 약간 기울어져 삽입되면 공작물의 모서리가 위치결정구에 걸려서 마찰에 의해서 삽입되지 않게된다. 이러한 재밍 현상은 공작물과 위치결정구간의 맞물림 길이에 관계된다.

 

재밍 현상을 방지하기 위하여 맞물림 길이 L에 대해서 그림 3-2과 같이 L1 에서부터 L2까지가 재밍 발생 가능 지역이라면 적어도 그 부위를 홈을 파냄으로써 완전히 제거된다. 여기서 가장 중요한 치수는 L2이며 L2= μ ㆍw (μ: 마찰계수, w: 구멍의 직경)

L1=0.02D

L2=0.12D

L3=1.7√:D

D=0.97D

원통의 세 부분을 120° 간격으로 판판하게 가공하고 공작물과 충분한 접촉 면적을 가지도록 3°의 원주폭으로 설계된 것이다. 삼각형 형상은 재밍의 주요길이를 약 15%정도 감소시킴과 동시에 약 20% 정도의 유효여유를 증가시키며 같은 조건에서 위치결정구의 정밀도가 감소한다.

 

C =   (C/2) + (C/2) x 1.4142 = 1.2071

 

C는 20.71%중가되며

 

L2=0.8536 μ ㆍw로 되어서 재밍을 15% 감소시킨다.

 

 

 

 

그림 3-4는 직경을 가진 공작물의 위치결정하는 방법을 나타낸 것이다. 직경이 하나 이상은 공작물을 locating할 때는 한 번에 하나의 직경씩 위치결정해야 한다. (a)의 경우는 동시에 2개의 직경이 결합되게 한 것인데 이는 잘못된 설계이며 (b)처럼 작은 부분은 직경을 길게 함으로써 단계적인 삽입이 이루어지게 해야 한다.

 

 

3-2-5 이중 원통 위치 결정 방법(Dual Cylinder Locating)

 

이중 원통 위치 결정법은 2개의 구멍에 2개의 원통형 위치결정구를 사용한 것이다. 기준 구멍 2개를 사용하여 공작물의 위치를 결정할 때에는 어느것인가 하나늘 정의기준구멍으로 하고 그것에 대하여 원통위치결정핀을 사용한다. 그 이유로서는 기준 구멍간의 치수는 주어진 허용 공차내에서 흩어짐이 있기 때문에 2개 모두 원통 위치결정핀을 사용할 경우 공작물을 지그에 설치하기 어려우며 공작물의 구멍과 핀이 걸리기 쉽기 때문이다.

 

이 걸리는 것을 방지하기 위하여 한 편의 핀을 길게 하거나 가늘게 하는 예도 있지만 위치 결정 정밀도, 공작물의 지그 내 설치 용이성, 허용 공차내의 치수 흩어짐에 대하여 허용성등을 만족하는 수단으로 마름모형 위치결정핀을 한 편에 사용한다.

 

 

마름모형 위치걸정핀에 공작물 측의 기준구멍이 잘 들어간다고 2개 모두 마름모형 위치결정핀을 사용해서는 안된다.

 

다음 원통핀의 중심을 A라고 하고 A를 중심으로 하는 공작물의 회전은 마름모형 위치결정핀의 원통부에서 구속된다. 마찬가지로 마름모형의 중심을 B라고 하면 B를 중심으로 하는 공작물의 회전은 원통 위치결정핀에 의하여 구속된다. 지그 본테에 설치된 위치결정핀에 chip이나 먼지등이 묻었을 때 공작물이 지그 본체에 정상적으로 설치할 수 없는 위험이 있다.

 

그러므로, 위치 결정핀 이 설치되는 지그 본체나 핀측에 여유를 두면 안전하다.