공작기계 제조업체를 지나칠 때, 기술자들이 손으로 긁고 갈아내는 모습을 보면 자연스럽게 이런 의문이 들게 됩니다: “과연 이들 가공 표면을 손으로 긁고 갈아서 더 나은 상태로 만들 수 있을까? (사람이 기계보다 더 강력할 수 있을까?)”
순수히 외관만을 고려한다면, 우리의 대답은 ‘아니오’입니다. 우리는 더 아름답게 만들지는 않겠지만, 그럼에도 불구하고 왜 굳이 손으로 긁어야 할까요? 물론 이유가 있습니다. 그중 하나는 인간적 요인입니다. 공작기계의 목적은 다른 공작기계를 제조하는 것이지만, 원래의 제품보다 더 정밀한 결과물을 재현할 수는 없습니다. 따라서 원래 기계보다 더 정밀한 기계를 만들고자 한다면, 새로운 출발점이 필요합니다. 즉, 반드시 사람의 노력에서 시작해야 합니다. 여기서 말하는 사람의 노력이란 바로 손으로 긁는 작업을 의미합니다.
긁고 갈아내는 작업은 단순히 맨손으로 하는 ‘자유로운’ 작업이 아닙니다. 사실 이것은 일종의 복제 방법입니다. 거의 완벽하게 기준면을 복제하며, 이 기준면 역시 손으로 만들어집니다.
비록 긁는 작업은 매우 힘들지만, 이는 하나의 숙련된 기술(예술 수준의 기술)입니다. 목각 장인을 양성하는 것보다 긁기 연구의 달인을 양성하는 일이 더 어려울 수도 있습니다. 시장에는 이 주제에 관한 서적이 많지 않고, 특히 ‘왜 긁기 연구를 해야 하는가’에 대한 자료는 더욱 드뭅니다. 아마도 이것이 긁기 연구를 예술로 여겨지는 이유일 것입니다.
01
어디서부터 시작해야 할까요?
만약 어떤 제조업체가 긁는 대신 연마기를 사용하기로 결정한다면, 그 ‘주인공 기계’의 가이드 레일 정밀도는 새로 구입한 연마기의 정밀도보다 높아야 합니다.
그렇다면 기계의 정밀도는 과연 어디에서 비롯되는 것일까요?
이는 보다 정확한 기계에서 나왔거나, 진정으로 평평한 표면을 만들 수 있는 다른 방법에 의존해야 하며, 또는 잘 만들어진 평평한 표면을 복사한 것일 수도 있다.
표면의 생성 과정을 설명하기 위해 원을 그리는 세 가지 방법을 사용할 수 있다(원은 표면이 아니라 선이지만, 개념을 이해하는 데에는 적합하다). 장인은 일반 컴퍼스를 이용해 원을 그릴 수 있고, 플라스틱 템플릿에 뚫린 둥근 구멍을 따라 연필로 그리면 그 구멍의 모든 불규칙성이 그대로 복제된다. 또한 손으로 원을 그릴 경우, 그 원의 정확성은 장인의 제한된 기술에 달려 있다.
이론적으로는 세 개의 면이 서로 교차하며 마찰(lapping)을 반복하면 평평한 표면을 만들 수 있습니다. 간단히 설명하기 위해 각각 비교적 평평한 표면을 가진 세 개의 돌을 예로 들어보겠습니다. 세 개의 면을 무작위로 번갈아 문지르면, 점점 더 매끄러운 표면이 만들어집니다. 만약 두 개의 돌만 사용해 문지른다면, 한쪽은 오목하고 다른 쪽은 볼록한 맞물림 형태의 조합이 생깁니다. 실제로는 래핑 대신 긁기를 사용할 때에도 명확한 맞물림 순서를 따릅니다. 긁기 전문가는 보통 이러한 규칙을 적용하여 자신이 사용하려는 표준 치구(직선 게이지 또는 평판)를 제작합니다.
사용 시, 스크래핑 작업자는 먼저 표준 고정구에 현상액을 도포한 뒤, 이를 공작물의 표면 위에 올려 미끄러지게 하여 제거할 부분을 노출시킵니다. 이 동작을 반복하면 공작물의 표면이 점점 더 표준 고정구와 가까워져, 표준 고정구와 동일한 가공 결과를 재현할 수 있습니다.
스크래핑 대상 주조품은 일반적으로 최종 치수보다 수천분의 몇 mm 정도 더 크게 먹어내도록 밀링 가공한 뒤, 잔류 응력을 완화하기 위해 열처리를 거쳐 다시 폴리싱 후 스크래핑에 들어갑니다. 스크래핑은 시간과 인건비가 많이 소요되지만, 고가의 설비를 필요로 하는 제조 공정을 대체할 수 있다는 장점이 있습니다. 만약 스크래핑을 대체하지 않으려면, 공작물은 매우 높은 정밀도를 갖춘 고가의 기계로 정밀 가공해야 합니다.
후반 단계의 마무리 공정에서 사용되는 고가의 설비 외에도 또 다른 고려 요인이 있습니다. 부품, 특히 대형 주조품을 가공하는 과정에서는 종종 중력에 의한 클램핑 작업이 필요합니다. 그러나 정밀도가 수천분의 몇 mm 수준에 이르면, 클램핑 힘이 공작물의 변형을 유발하여 클램핑 해제 후에도 정확성이 저하될 수 있습니다. 또한 가공 중 발생하는 열 역시 공작물의 변형을 초래할 수 있습니다.
이것이 바로 스크래핑의 많은 장점 중 하나입니다. 스크래핑에는 클램핑력이 없으며, 가공 중 발생하는 열도 거의 없습니다. 대형 공작물은 세 개의 지지점을 통해 자체 중량으로 인한 변형을 방지합니다.
공작기계의 스크래핑 트랙이 마모되었을 경우에도 재스크래핑을 통해 이를 보정할 수 있어, 기계를 폐기하거나 공장으로 반송해 분해·재가공하는 방법에 비해 큰 장점이 됩니다.
공작기계의 트랙을 다시 스크래핑해야 할 경우, 공장의 유지보수 담당자가 직접 작업할 수도 있지만, 현지에서 전문 인력을 섭외하여 처리할 수도 있습니다.
일부 경우에는 수동 스크래핑과 전동 스크래핑을 병행하여 요구되는 기하학적 정밀도를 확보할 수 있습니다. 만약 일련의 작업대와 안장의 레일이 이미 스크래핑되어 정밀도가 규정을 충족했음에도 불구하고, 작업대와 스핀들 간의 평행도가 불합격으로 판정된다면(이는 교정에 상당한 노력이 필요한 사안입니다), 한 대의 스크래핑 기계만으로 평탄성을 유지하면서 적절한 위치에서 정확한 양의 금속을 제거하고 정렬 오차까지 올바르게 보정하기 위해서는 얼마나 높은 기술력이 요구되는지 상상해 볼 수 있을 것입니다.
물론, 이는 스크래핑의 목적은 아니며 대규모 정렬 오차를 보정하는 방법으로도 사용되어서는 안 됩니다. 그러나 숙련된 스크래핑 기술자는 이러한 종류의 보정을 놀라울 정도로 짧은 시간 내에 완료할 수 있습니다. 비록 이 방법이 고도의 기술을 요구하긴 하지만, 매우 정밀하게 가공해야 하는 많은 부품을 처리하거나 정렬 오차를 방지하기 위해 신뢰성 높은 설계나 조절 가능한 구조를 적용하는 것보다 훨씬 경제적입니다.
02
윤활 개선
실제 경험에 따르면, 레일을 스크래핑하면 더 우수한 품질의 윤활로 마찰을 줄일 수 있다는 점이 입증되었지만, 그 이유에 대해서는 의견이 분분합니다. 일반적인 견해는 낮은 부분(좀 더 구체적으로는 절삭으로 생긴 홈과 윤활을 위해 만들어진 오일 포켓)을 스크래핑하면 미세한 오일 저장 공간이 다수 형성되고, 이를 주변의 작은 높은 부분들이 계속해서 긁어내어 제거한다는 것입니다.
또 다른 논리적 설명은, 이를 통해 지속적으로 유막을 유지할 수 있어 움직이는 부품들이 유막 위에 떠 있게 되고, 이것이 바로 모든 윤활의 목표라는 점입니다. 이러한 현상이 발생하는 주된 원인은 불규칙한 오일 포켓들이 다수의 유막 공간을 형성하여 오일이 쉽게 유출되지 않도록 하기 때문입니다. 이상적인 윤활 상태는 두 개의 매끄러운 표면 사이에 유막을 유지하는 것이지만, 이때는 오일이 흘러나가는 것을 방지하는 문제를 해결해야 하거나, 필요 시 즉시 보충해 주어야 합니다. (레일 표면에 스패툴러가 있든 없든, 일반적으로 오일 도랑을 설치하여 오일의 분포를 돕습니다.)
이와 같은 주장은 접촉 면적의 영향에 대해 의문을 불러일으킵니다. 긁기는 접촉 면적을 줄이지만, 오히려 균일한 분포를 형성합니다. 그리고 분포가 핵심입니다. 두 개의 맞물리는 면이 더 평평할수록 접촉 면적은 더욱 균일하게 분포됩니다. 그러나 역학에서는 ‘마찰은 면적에 관계없다’는 원칙이 존재합니다. 즉, 접촉 면적이 10제곱인치든 100제곱인치든, 작업대를 움직이는 데 필요한 힘은 동일합니다. (단, 마모는 또 다른 문제입니다. 같은 하중에서도 접촉 면적이 작을수록 마모는 더 빠르게 진행됩니다.)
제가 말씀드리고자 하는 바는, 우리가 추구하는 것은 더 많은 혹은 더 적은 접촉 면적이 아니라 보다 우수한 윤활 효과입니다. 윤활 효과가 완벽하다면 레일 표면은 결코 마모되지 않습니다. 만약 작업대가 마모로 인해 움직이기 어렵다면, 이는 접촉 면적이 아니라 윤활 상태와 관련이 있을 수 있습니다.
두 가지
03
긁는 작업은 어떻게 이루어지나요?
긁어내야 할 높은 부분을 찾기 전에 먼저 표준 지그(베이스가 V형 레일인 경우는 평판 또는 직선 게이지 지그)에 현상액을 발라주고, 현상액이 묻은 표준 지그를 긁어야 할 레일 표면 위에서 문질러줍니다. 그러면 현상액이 레일 표면의 높은 부분에 묻게 되며, 이후 특수한 긁는 도구를 사용하여 해당 높은 부분을 제거합니다. 이 과정은 레일 표면에 현상액이 고르게 묻을 때까지 반복해야 합니다.
물론, 긁기의 달인은 다양한 기술을 숙지하고 있어야 합니다. 여기서는 그 중 두 가지 기술에 대해 말씀드리겠습니다.
색상 현상 처리에 앞서, 우리는 보통 둔한 파일로 공작물 표면을 부드럽게 문질러 버를 제거합니다.
천으로 닦는 것이 아니라 브러시나 손으로 표면을 닦아야 합니다. 천을 사용하면 천에 남아 있는 미세한 실오라기가 다음 번 높은 부분의 색상 현상 시 잘못된 자국을 남길 수 있습니다.
마스터 스크레이퍼 본인은 표준 지그와 트랙 표면을 비교하여 자신의 작업을 직접 점검합니다. 검사자는 마스터 스크레이퍼에게 작업을 중단해도 되는 시점을 알려주기만 하면 되므로, 스크레이핑 과정에 대해 별다른 걱정이 없습니다. (마스터 스크레이퍼는 자신의 작업 품질에 대해 스스로 책임을 질 수 있습니다)
과거에는 각 제곱인치당 몇 개의 높은 지점이 있어야 하고, 전체 면적의 몇 퍼센트를 차지해야 하는지에 대한 일정 기준이 있었습니다. 그러나 접촉 면적을 정확히 확인하는 것은 거의 불가능했기 때문에, 현재는 스크래퍼 장인이 제곱인치당 지점 수를 결정하게 되었습니다. 요컨대, 스크래퍼 장인은 일반적으로 제곱인치당 20~30개의 지점을 목표로 작업합니다.
현재의 긁기 공정에서는 일부 평탄화 작업에 전동식 스크래핑 기계를 사용하기도 합니다. 이는 수동식 긁기와 비슷하지만, 상당한 노동력을 덜어주어 작업의 피로도를 줄여줍니다. 다만, 정밀 조립 작업을 할 때에는 여전히 수동식 긁기가 주는 감각을 대체하기는 어렵습니다.
04
긁힌 무늬
패턴에는 여러 가지 종류가 있습니다. 여기에서는 아크 패턴, 사각 패턴, 웨이브 패턴, 팬 패턴 등 몇 가지 일반적인 패턴을 소개합니다. 아크 패턴에는 주로 문 패턴과 제비 패턴이 포함됩니다.
1. 아크 무늬와 긁는 방법
먼저 칼날 가장자리의 왼쪽 면을 이용해 칼날을 내려놓은 뒤, 왼쪽에서 오른쪽으로 대각선 방향으로 긁어냅니다(아래 그림 a 참조). 동시에 왼손 손목을 비틀어 칼날이 왼쪽에서 오른쪽으로 원호를 그리며 움직이도록 합니다(아래 그림 b 참조), 이렇게 하면 칼날 가장자리의 긁기가 왼쪽에서 오른쪽으로 자연스럽게 전환됩니다. 칼날 자국의 세로 길이는 일반적으로 약 10mm 정도입니다. 전체 긁기 과정은 순식간에 이루어지므로 다양한 아크 패턴을 쉽게 만들어낼 수 있습니다. 또한 칼날을 오른쪽에서 왼쪽으로 비스듬히 긁는 것도 가능합니다. 이때 왼손 손목으로 강하게 누르면서 오른손 손목을 비틀어 칼날이 오른쪽에서 왼쪽으로 원호를 그리며 움직이도록 하여, 칼날의 긁기가 오른쪽에서 왼쪽으로 전환되도록 합니다.
세 가지
아크 무늬의 기본 긁기 방법
아크 패턴 깎기의 주요 사항: 깎는 조건과 작업 방법에 따라, 깎인 아크 패턴의 형태, 크기 및 포함 각도는 상당히 달라집니다. 첫째, 적절한 스크레이퍼를 선택하는 데 유의해야 합니다. 칼날의 폭과 두께, 칼날 곡선의 반지름, 그리고 쐐기 각의 크기는 아크 패턴의 형상에 일정한 영향을 미치기 때문입니다. 둘째, 깎을 때 손목 비틀기 동작의 범위와 밀고 긁는 스트로크의 길이를 잘 조절해야 합니다. 셋째, 커터 헤드의 탄성 효과를 활용하는 것이 중요합니다. 일반적으로 손목 비틀기 동작이 클수록, 밀고 긁는 스트로크가 짧을수록, 깎인 아크 패턴의 포함 각과 형태는 더욱 작아지며, 이는 위 그림 c에서와 같이 나타납니다.
(1) 문 무늬와 긁는 방법
네 가지
깎기 전에 연필로 공작물 표면에 일정한 간격을 두고 정사각형을 그립니다.
깎을 때는 곡선형 칼날을 가진 미세한 스크레이퍼를 사용합니다. 칼날 면의 중심선은 공작물 표면의 종축 중심선과 45°의 각을 이루며, 공작물의 앞쪽에서 뒤쪽으로 향해 깎아 나갑니다.
(2) 제비 무늬와 긁는 방법
아래 그림과 같이 제비 모양의 패턴이 나타납니다. 깎기 전에 연필로 공작물 표면에 일정한 간격을 두고 정사각형을 그립니다. 깎을 때는 곡선형 칼날을 가진 미세한 스크레이퍼를 사용하며, 칼날 면의 중심선은 공작물 표면의 종축 중심선과 45°의 각을 이루고, 공작물의 앞쪽에서 뒤쪽으로 향해 깎아 나갑니다. 일반적인 깎기 방법에는 다음과 같은 것들이 있습니다.
다섯 가지
먼저 첫 번째 칼로 곡선형 패턴을 깎은 다음, 첫 번째 패턴 바로 아래쪽에 약간 낮게 두 번째 곡선형 패턴을 깎아, 위 그림 b와 같이 제비와 유사한 패턴을 만들어냅니다.
2. 사각 무늬와 긁는 방법
아래 그림과 같이 정사각형 패턴이 나타납니다. 깎기 전에 연필로 공작물 표면에 일정한 간격을 두고 정사각형을 그립니다. 깎을 때는 공구 몸체 면의 중심선이 공작물 표면의 종축 중심선과 45°의 각을 이루며, 공작물의 앞쪽에서 뒤쪽으로 향해 깎아 나갑니다. 기본적인 깎기 방법은 직선형(또는 큰 반지름의 곡선형) 칼날을 가진 좁은 스크레이퍼를 사용하여 짧은 거리에서 밀어내듯이 깎는 것입니다. 첫 번째 정사각형을 깎은 후에는 한 칸의 간격을 두고 공간을 확보한 뒤, 두 번째 정사각형을 깎아야 합니다.
여섯 가지
3. 파도 무늬와 긁는 방법
물결 모양의 패턴은 그림 a에 표시되어 있습니다. 긁기 전에 연필로 공작물 표면에 일정한 간격을 두고 정사각형을 그립니다. 긁을 때는 공구 몸체의 중심선이 공작물 표면의 세로 중심선과 평행하도록 하고, 공작물의 뒤쪽에서 앞쪽으로 긁어 나갑니다. 기본적인 긁기 방법은 다음과 같습니다: 홈이 파인 스크레이퍼를 사용하여 절삭부의 위치(일반적으로 교차점)를 선정한 후, 절삭부를 내린 다음 대각선 방향으로 왼쪽으로 이동합니다. 절삭부가 일정한 길이(보통 교차점까지)에 도달하면 다시 대각선으로 오른쪽으로 이동한 뒤 절삭부를 들어 올립니다. 이와 같은 과정은 아래 그림 b와 같습니다.
일곱 가지
4. 팬 패턴과 긁기 방법
부채꼴 모양의 패턴은 그림 a에 표시되어 있습니다. 긁기 전에 연필로 공작물 표면에 일정한 간격을 두고 정사각형과 각도선을 그립니다. 부채꼴 모양의 패턴을 긁을 때는 후크 스크레이퍼(아래 그림 b 참조)를 사용해야 합니다. 칼날의 오른쪽 끝은 날카롭게 다듬고, 왼쪽 끝은 약간 무디게 처리하며, 가장자리 선은 직선으로 유지합니다. 기본적인 긁기 방법은 다음과 같습니다.
여덟 가지
공구의 내려놓는 위치(일반적으로 교차점)를 선택하고, 왼손으로 절삭부 머리로부터 50mm 정도 떨어진 지점을 잡은 뒤 왼쪽으로 눌러 내립니다. 그리고 칼날의 왼쪽 끝을 원의 중심으로 삼아 오른손으로 시계방향으로 회전시킵니다. 회전 각도는 일반적으로 90°와 135°입니다. 올바른 부채꼴 모양의 패턴은 위 그림 c와 같습니다. 그러나 힘 조절이 잘못되면 양쪽 끝을 동시에 긁어 위 그림 d와 같은 패턴이 형성되기 쉽습니다. 이 경우 긁힌 자국이 너무 얕아져 잘못된 패턴에 속하게 됩니다.