목재의 기계가공

제1부 목재 절삭의 역사와 의미

제1장 목재절삭의 역사 14
제1절 고대의 목공기술 14
제2절 동력의 사용 15
제3절 목공기계의 등장(18~19세기) 16
제4절 목공기계의 발달(20세기) 17
제5절 수치제어기술의 등장 19
제6절 금후 발전방향 20

제2장 목재의 성질과 절삭특성 22
제1절 목재의 해부학적 구조와 절삭특성 22
제2절 목재의 강도적 성질과 절삭특성 25

제2부 목재 절삭과정의 분석

제3장 2차원 절삭 32
제1절 목재 절삭과정의 종류 32
제2절 목리에 평행한 절삭방향 33
제3절 목리에 수직한 절삭방향 62
제4절 절삭방향별 절삭력 비교 69
제5절 전단절삭과 쪼개기 70

제4장 회전삭 76
제1절 서론 76
제2절 회전삭의 동력학 76
제3절 칩의 형성 84
제4절 절삭면의 품질 85
제5절 소요동력과 절삭면 품질에 대한 영향인자 86

제3부 목재 절삭공정

제5장 박피 114
제1절 서론 114
제2절 수피 114
제3절 박피방법 116

제6장 톱절삭 121
제1절 띠톱 절삭 121
제2절 둥근톱 절삭 134

제7장 선삭 167
제1절 선삭방법 167
제2절 선삭성 169

제8장 천공 171
제1절 비트의 종류 171
제2절 소요동력 172

제9장 연삭 178
제1절 연마포지의 구성 178
제2절 연삭성 182

제10장 단판절삭 187
제1절 단판절삭의 정의 187
제2절 단판절삭과정의 분석 188
제3절 단판의 품질 196
제4절 소요동력 198

제11장 목재의 소규격화 200
제1절 칩제조 200
제2절 기타 입자화 과정 202
제3절 섬유화 204

제4부 새로운 목재 절삭기술

제12장 판재 슬라이서 210
제1절 서론 210
제2절 판재 슬라이스 절삭특성 관련 인자 212
제3절 판재 슬라이서의 생산성 223

제13장 진동 절삭 225

제14장 고에너지 제트 절삭 227
제1절 서론 227
제2절 고에너지 제트의 동력학 228
제3절 고에너지 제트의 절삭특성 관련 인자 230
제4절 절삭면 품질 238

제15장 레이저 절삭 241
제1절 레이저의 원리와 종류 241
제2절 레이저를 이용한 목재절삭 245

제5부 목재가공기술의 미래

제16장 목재 검색시스템과 화상처리 266
제1절 목재검색 자동화의 필요성 266
제2절 광응용 검색장치 267
제3절 화상처리기술의 응용 270
제4절 적용 사례 280
제5절 목재 내부결함 검색 283

제17장 목재가공공정의 자동화 289
제1절 신기술과 자동화의 필요성 289
제2절 분야별 자동화 현황과 문제점 291
제3절 공정제어 시스템 299
제4절 목재산업용 software의 이용 307

제1부 목재 절삭의 역사와 의미

제1장 목재절삭의 역사

제1절 고대의 목공기술
인류 최초의 목공용 도구는 서기전 50만년 구석기시대에 톱과 손대패를 대신하여 사용된 거친 형태의 돌(flint stone)일 것으로 추정되며, 서기전 20만년의 네안데르탈인(Neanderthal) 유적에서는 톱의 형태를 지닌 석기(flint saw)가 발견되기도 하였다. 그 후 목공용 도구는 매우 느린 속도로 발달하였을 것으로 추정되며 서기전 6000년~3500년경에는 목재로 만든 틀에 잘 다듬은 돌들을 일렬로 끼워 톱니의 역할을 하도록 한 sickle saw가 목재가공에 쓰였던 것으로 추측된다.
청동기시대인 서기전 3000년~500년경 고대 이집트에서 드디어 인류 최초의 금속 톱이 출현하였으나 톱니를 이루는 청동의 강성(stiffness)이 낮아 톱니는 후방을 향하고 있으며 단지 사용자 쪽으로 당길 수만 있는 청동제 pull hand saw이었다. 그 외에 청동제 도끼나 끌, 자귀 등도 발견되고 있다.

그러나 철기시대 세계의 맹주였던 로마에서는 강한 철을 사용하여 밀고 당길 수도 있는 push-pull hand saw와 목재 틀에 톱날을 끼운 buck(또는 frame) saw가 출현하였다. 특히 frame saw는 한국 고유의 목공용 톱인 탕개톱과 거의 유사한 형태를 갖고 있다. 그리고 인류 최초로 여겨지고 있는 손대패도 이 당시 로마인에 의해 발명된 것으로 알려지고 있다. 한편 중국에서도 13세기 들어 손대패가 발명되었는데 로마의 것과는 반대로 사용자 쪽으로 당길 수만 있는 형태로 지금 우리가 사용하고 있는 대패와 같은 형식을 지니고 있어 문화와 함께 목재가공기술도 중국으로부터 유입되었던 것으로 추정할 수 있다.
선사시대 석기로 다듬어 만들어진 광주리의 형태로 시작된 한국의 가구도 청동기시대를 거쳐 철기시대에 이르면서 철제 도끼로부터 시작된 철제 목공도구의 사용능력이 상당 수준에 이른 것으로 추정되며, 부재간의 접합부분에 이미 못이나 ㄷ자형 꺾쇠 등의 금속제품이 사용되었음을 알 수 있다. 그러나 삼국시대에 이르러 고구려에서는 높은 문화수준에 비하여 벌목용 도구의 발달이 충분히 이루어지지 않아 다량의 목재 수급이 어려웠으므로 목 부재의 제작을 위한 목공용 도구도 발달되지 못하였으며, 백제나 신라의 경우에도 마찬가지의 상황이었던 것으로 추측된다.

제2절 동력의 사용
고대의 목공용 도구들은 모두 인력에 의한 것들이었으나 15세기 초 스칸디나비아 지역에서는 동물, 수력 또는 풍력을 이용하여 목재를 절삭한 기록이 확인되고 있다. 그 후 1600년에서 1620년 사이 영국령 식민통치시대 미국 버지니아 주에서는 물레방아를 이용한 gate saw(지금의 sash gang saw의 시조)를 갖춘 미국 최초의 제재소가 등장하여 동력을 이용한 목재가공업의 시발이 되었으나 가공속도는 0.2~0.4 ㎥/day로 매우 낮은 수준이었다. 또한 같은 시기 미국에서는 재봉틀의 발판과 같은 원리로 반복 운동하는 최초의 jig saw도 개발된 바 있으며, 1670년경에는 네덜란드에서 둥근톱이 사용되었다는 설이 있기도 하다.

제3절 목공기계의 등장(18~19세기)
목공기계의 발달에 관한 역사는 미국을 중심으로 18, 19세기에 걸쳐 눈부시게 이루어졌으며, 특히 목재관련 산업의 흥망에 따라 그 발전 속도도 좌우되었다. 예를 들어 목선(木船)의 건조(建造)는 높은 목공기술을 요구하였다. 따라서 미국 최초의 제재소는 의심할 여지없이 목선건조를 위한 목재를 주로 공급하였을 것이다. 1790년과 1808년 사이 Samuel Bentham경과 Marc Isambard Brunel경은 영국의 조선공업에 혁명을 일으킨 수많은 목공기계를 발명하였으며, 특히 Bentham의 발명 중에는 회전삭의 원리도 포함되어 있다.
1800년부터 1808년간의 시기에 영국에서는 대패기, 단판절삭용 둥근톱 및 띠톱기계가 발명되어 특허를 얻은 바 있다. 그러나 1808년 William Neberry가 특허를 얻은 띠톱기계의 경우 당시 톱몸을 구성하고 있는 금속의 강도가 약하여 스웨덴산 강철의 사용이 가능해진 1870년까지는 실제로 이용되지는 못하였다. 즉, 칼날의 재료인 금속의 발달이 절삭기계의 실용화를 좌우했던 것이다.
대규모 둥근톱은 1814년에 개발되어 1860년에 비로소 일반화되었으며, 1830년까지 cutterhead를 이용한 수많은 대패기계에 대한 특허가 등록되었으나 최초의 cutterhead형 대패기계는 실제로는 1850년이 지나서야 비로소 등장하게 되었다. 그리고 1881년 특허 등록된 양면대패기계는 무한공급장치와 동력구동 상하 배출롤을 구비하고 있다.
최초의 rotary lathe형 단판절삭기계는 1840년 미국 매사추세츠의 John Dresser에 의해 특허가 등록된 바 있으며, 미국에서는 1875년 단판 slicer가 실용화되기 시작하였다. 그리고 최초의 double-end tenoner와 endless-bed, triple-drum sander가 1866년과 1900년에 각각 개발되었다.
1869년 첫 번째 미대륙 횡단철도가 완공된 후 많은 수의 철도차량이 필요하게 되자 19세기말 차량의 틀 제작을 위한 재단용 톱, 다축천공기 및 각끌기(mortiser)가 개발되었다. 이와 같이 급성장하는 철도차량산업에 힘입어 단속이 아닌 연속작업을 위한 목공용 기계의 필요성이 대두되었으며, 따라서 부품을 기계에서 기계로 옮기지 않고도 차량 틀의 조립을 할 수 있게 되었다.
한편, 1849년 캘리포니아의 황금러쉬(gold rush)는 마차바퀴제조업을 자극하여 바큇살을 선삭(turning)한다거나 바퀴 축을 자동으로 가공하는 기계가 1904년경 개발되기도 하였다. 물론 그 당시 상업용이나 주거용 건축을 위한 목재의 수요도 급격히 증가되어 1870년경에는 매우 직경이 큰 미송 등 대경원목을 가공하기 위하여 이중둥근톱기계가 개발되었는데 직경 182cm의 하부 톱과 직경 91cm의 상부 톱을 갖추고 있었다. 그러나 이 대규모 둥근톱은 톱두께가 커서 목재의 손실도 컸으며 좋은 방법은 되지 못하였다. 1885년경의 한 제재소에는 거차(鋸車) 직경 270cm의 띠톱을 증기기관으로 작동하였으며, 1896년에 비로소 전기모터로 작동되는 최초의 띠톱제재장치가 설치되었다. 이 장치의 톱폭은 36cm, 거차직경은 270cm이었으며 100마력의 전기모터를 사용하였다. 이와 같은 제재기의 발달은 송재차, set works, edgers, slashers, cut-off saws, steam-feed jump saws 및 handling system의 발달을 촉진하여 약 345 ㎥/day의 가공속도를 가능토록 하였다.

제4절 목공기계의 발달(20세기)
19세기말엽 알래스카의 금광발견은 정확한 규격의 목부재의 수요를 창출하였으므로 오늘날의 고속자동대패기계가 개발되기 시작하였다. 1907년 George W. Stetson과 Harry B. Ross의 아이디어를 조합한 대패기계가 시장에 등장하게 되었는데 이 기계는 Stetson이 개발한 신속한 pattern change와 jointing attachment에 Ross가 큰 직경의 송재롤러를 부착하여 고속의 가공능력을 갖도록 한 것으로 몇 년 후 Charles Blood의 자동송재장치, F. W. Horstkotte와 A. H. Onstad의 tilting elevator등이 추가되면서 완벽한 기능을 보유하게 되어 송재속도가 30 m/min를 능가하고 각 cutterhead에는 20개의 칼날을 부착할 수 있었다. 그 후 약 1900여개의 중요한 발명들이 줄을 이었다.
한편 1897년 당시 미국의 모든 철도차량은 목재로 제작되었으나 1901년에는 전체 철도차량의 약 15%가 강철로 대체되었고, 이 추세는 계속 이어져 오늘날에는 단지 몇몇 목공기계만이 철도차량제작에 사용되고 있을 뿐이다.
1906년경에는 직류모터가 각각의 기계를 구동하여 벨트가 불필요하게 되었고 1908년경에는 볼베어링이 목공기계에도 응용되기 시작하였으며, 그 1년 후에는 고속도강을 칼날의 재료로 채용하여 칼날의 수명이 획기적으로 연장되었다.
목제 철도차량의 부침과 마찬가지로 자동차산업도 목공기계산업에 많은 영향을 미쳤다. 1910년경의 자동차구조는 목재골격에 얇은 철판을 씌운 형태로 목부재들을 곡가공 한다거나 여러 가지 형태의 특수한 형식으로 결합하였다. 따라서 자동차의 수요가 증가함에 따라 특수한 목공기계들의 수요도 증가하였다. 그러나 1920년대 말에는 모든 차체가 강철로 대체되었으므로 막대한 양의 목공기계들이 사장되기도 하였다.
1919년경에는 비접촉식의 교류모터가 사용되기 시작하여 볼베어링이 부착된 cutterhead에 이 모터를 직접 연결함으로써 cutterhead 축 설계의 향상뿐만 아니라 전반적인 기계설계에도 많은 융통성을 부여하게 되었다. 또한 간결한 전기제어 메커니즘으로 교류모터의 적용이 증대되었다. 1930년경에는 V-벨트가 등장하여 지금까지 사용되어오던 평벨트를 서서히 대체하기 시작하여 꾸준히 향상되었다. 한편 1930년까지 목공기계의 발전방향은 기술의 변천과 꾸준히 상승되는 임금에 상당한 영향을 받아 인력을 줄이려는 시도가 계속되어왔다. 그러나 1930년 이후부터는 paper board나 container board 산업이 팽창하는 동시에 목재 소재(素材, solid wood)를 이용한 컨테이너산업의 중요성은 상대적으로 격감하였다. 따라서 그 당시 비교적 새로운 산업인 합판, 하드보드, 섬유판제조업이 번창하기 시작하여 1930년 이전에는 없었던 새로운 종류의 기계들이 등장하기 시작하였다. 일예로 1935년부터 약 20여 년간 드럼식 박피기와 회전링식 박피기가 출현하였으며, 다중광폭벨트연삭기(multiple wide belt sander)도 이 시기에 개발되었다. 그리고 역시 그 당시에 시작된 집성재공업은 목재의 새롭고도 중요한 용도를 개발해줌으로써 또 다른 새로운 영역의 목공기계의 수요를 창출하였다.
그러나 당시의 목공기술이 대경목을 위주로 개발되어왔으나 대경목자원이 서서히 고갈될 조짐을 보이자 1950년대 후반 스칸디나비아 지역에서는 소경목을 대상으로 한 취급, 분류 및 가공을 위한 시스템을 개발하기 시작하였으며, 그 후 북미와 러시아에서도 그 같은 연구가 시도되어 1963년~1966년경 북미의 제재산업에 칩과 제재목을 동시에 생산할 수 있는 소경목용 chipper-headrigs (chip-N-saw)가 등장하기 시작하였다.

제5절 수치제어기술의 등장
수치제어(NC: Numerical Control)란 가공과정을 숫자, 문자 및 다른 부호들로 구성된 프로그램에 의하여 제어하는 방법으로 가공의 자동화뿐만 아니라 가공의 정밀도를 혁신적으로 향상시키는 계기가 된 기술이다.
1952년 미국 매사추세츠 공과대학에서 처음으로 시제품인 NC milling machine이 공개되었다. 그러나 당시에는 트랜지스터라든가 IC 등은 아직 개발되지 않아 회로소자로서 진공관을 사용하였기 때문에 이 NC장치는 그 규모가 매우 큰 실정이었다. 하지만 이 사업의 연구비를 제공한 미국공군은 물론, 공작기계메이커, 전기메이커 등은 수치제어기술이 지닌 자동화에 관한 중대한 의의를 바로 이해하여 많은 관심을 기울였으며, 따라서 현재 자동화나 省力化, 또는 무인화의 싹이 여기에서부터 돋아난 것이라 하겠다.
그 후 실용화를 위한 연구는 빠르게 진행되어 1958년 미국의 Kearney & Tracker사에서는 Milwau- keematic이라 불리는 machining center를 완성하였으며, Pratt & Whitney사에서는 Tape-O-Matic이라 불리는 매우 싼 NC drilling machine을 발매하였다. 그러나 이후 수치제어에 대한 기술을 빨리 받아들인 일본에서는 보다 효율적인 NC기계를 위한 기술들을 속속 개발하기 시작하여 지금은 세계 수치제어기계시장의 상당부분을 일본 FANUC사가 차지하고 있는 실정이다. 현재의 수치제어기술은 직접수치제어(DNC: Direct Numerical Control)와 컴퓨터수치제어(CNC: Computer Numerical Control)의 수준까지 발전되어 있으며, 직접수치제어란 여러 대의 가공기계가 한 대의 컴퓨터에 의해 직접 연결되어 실시간으로 제어되는 생산기술로 한 대의 컴퓨터가 100대 이상의 가공기계를 제어할 수 있다. 한편, 컴퓨터수치제어는 컴퓨터시스템의 소형화, 저비용화 및 고성능화 경향이 NC기계에 반영된 것으로 수치제어 주요기능의 일부 또는 전부를 전용의 프로그램내장형 컴퓨터가 담당토록 한 것이다. 따라서 전통적인 NC기계에 비해 신뢰성, 탄력성 및 생산성의 측면에서 많은 장점이 있으므로 최근에 가장 많이 이용되고 있으며, 앞으로 미래의 공장자동화는 더욱 더 CNC와 DNC의 결합이 이루어지는 방향이 될 것임을 예측할 수 있다.

제6절 금후 발전방향
목재산업에서 원자재와 임금은 지속적으로 상승하여 왔으며 앞으로도 계속 치솟을 것은 분명하다. 특히, 전체 생산비의 약 70%정도를 차지하는 목재의 가격앙등은 목재업계에 엄청난 부담이 되고 있다. 그러므로 값비싼 목재를 보다 효율적으로 이용할 수 있는 방법의 모색은 앞으로 목재산업의 생존을 위한 대책으로까지 여겨질 정도로 절박한 실정이다. 따라서 지금까지 목재를 값싼 재료로 잘못 인식하고 목재가공공정 자동화 투자를 기피해왔던 기업들이 최근 들어 자동화에 깊은 관심을 보이는 것은 당연한 일인 것이다. 그리하여 1970년대에 들어서 급속히 발달되고 있는 전기전자공업에 힘입어 컴퓨터를 통한 폐쇄회로 기계제어가 목재가공공정에 투입되기 시작한 이후 현재까지 공정자동화와 함께 목재가공수율을 높이기 위한 노력이 꾸준히 이루어지고 있다.
목재의 효율적인 이용은 제재, 재단, 건조 등 목재가공 일련의 공정에서 항상 고려되어야 하며 특히, 제재나 재단에서의 효율향상은 그 효과가 매우 크다고 하겠다. 일예로 직경이 작고 수간(樹幹)이 통직하지 못한 저질 소경의 원목을 가공할 때 기존의 대경목 제재기술을 적용한다면 제재수율의 하락은 당연한 결과일 것이다. 또한 옹이나 썩은 부위 등의 결함이 포함되지 말아야 하는 가구부재나 집성재 부재(laminar)를 생산할 경우 재단의 잘못으로 판재에 있던 옹이를 이분(또는 그 이상의 분할도 가능)하여 각 부재에 옹이가 포함된다면 두 부재는 모두 이용할 수가 없게 될 것이다. 따라서 제재 및 재단공정의 효율향상을 위해서는 우선 대상 원목, 제재목 또는 판재의 형태, 치수 및 목재 내외부 결함 등을 정확하게 파악하는 것이 필수적이다.
지금까지 검척(檢尺)방법으로는 육안에 의한 목측법과 중량법, 또는 측정자나 캘리퍼 등을 이용한 접촉식 검척방법이 사용되어왔다. 그러나 접촉식으로는 공정상에 흐르고 있는 가공물의 검색을 실시간(real time)에 행할 수 없으므로 최근 빛, 영상(image) 또는 목재의 전기적 특성 등을 이용한 비파괴 비접촉식 검색장치가 개발되고 있다. 일예로 1980년대 후반부터는 미국 미시간주립대학을 중심으로 목재가공수율과 목제품 부가가치 향상을 위한 전자동 목재가공시스템(ALPS: Automated Lumber Processing System)에 대한 연구가 진행된 바 있다.
본 연구는 컴퓨터단층촬영(CT: Computer Tomography)기술과 고체촬상소자(CCD: Charge Coupled Diode) 카메라(비디오카메라)를 이용, 목재 내외부의 화상을 얻은 후 컴퓨터를 통하여 영상처리(image Processing)함으로써 결점부위를 자동으로 찾아내어 최고의 효율을 얻을 수 있도록 레이저(laser)로 재단하는 시스템으로 현재 최첨단의 목공기술로 인식되고 있다. 그러나 처리해야 할 영상관련 정보의 양이 막대하여 많은 처리시간이 소요되고 레이저의 에너지소모가 극심하여 아직은 실용화의 단계에 이르지 못하고 있으나 가까운 장래에 재래 목공기계를 대체하게 될 것으로 전망된다.

서문

목재의 기계적 가공은 목재를 이용하는 모든 산업분야에서 가장 기본적인 공정이다. 특히, 목재를 자르고 깎는 과정은 제품생산에 필수적으로 포함된다. 고대로부터 시작된 목재의 가공기술은 이제 컴퓨터와의 융합을 통하여 눈부신 발전을 거듭하여 왔다. 그러나 오늘날 각광을 받고 있는 반도체산업도 한 알의 모래로부터 시작되었듯이 고도로 발달된 목재 가공기술 역시 가공의 기본적인 이론으로부터 출발하고 있다. 본서에서는 목재의 2차원절삭으로부터 레이저 가공에 이르기까지 목재에 대한 다양한 기계적 가공이론에 대하여 이해하기 쉽게 설명하고자 하였다. 동시에 현대의 목재 기계가공기술이 지향하는 바를 제시함으로써 본 분야의 발전에 대한 의욕을 고취하고자 하였다. 저자의 자그마한 노력이 목재산업분야에 조금이나마 보탬이 되기를 바라며, 독자 제위의 우정 어린 충고를 고대해 본다.

2012년 6월

저자 이형우