목공 분야의 진공 - 부품 1

목공 산업에서는 진공 기술이 필수적으로 사용됩니다。 진공의 사용 가능성은 매우 다양합니다。 그러나 많은 목재 가공업체와 목공예가들에게 진공이라는 주제는 낯설고 불편한 주제로 여겨집니다。 이번 호를 시작으로 다음 세 호에 걸쳐 진공 생성의 여러 방식과 각각의 장단점을 설명하며, 특히 경제성에 초점을 맞추어 유익한 정보를 제공하고자 합니다。 오늘은 진공이라는 주제에 대한 몇 가지 기본적인 개념부터 살펴보겠습니다.

진공 - 실제로 진공이란 무엇일까요？

목공에서 진공은 주로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.


목재 공정에서 진공은 다음과 같은 용도로 사용됩니다：

목재 조각 잡기 및 들어 올리기

진공은 CNC 라우터 및 기타 CNC 가공 장비 진공 클램핑 에 가장 자주 사용됩니다. 진공의 유지력을 이용해 목공 작업 시 다양한 판넬 재료나 단단한 목재 부품을 압력 자국 없이 빠르고 안전하게 고정할 수 있습니다. 장비 취급 및 로봇 조립에서도 진공의 유지력이 활용됩니다.
순전히 물리적인 용어로 진공(저압이라고도 함)은 대기압보다 압력이 낮은 압력 범위입니다. 해수면에서의 대기압은 1,013밀리바(mbar)이지만 고도에 따라 지속적으로 감소합니다(그림 1). 기상 조건도 대기압에 영향을 미칩니다. 진공 기술의 경우 대기압 또는 주변 압력을 1,000mbar로 반올림하여 계산을 간소화합니다. 1,000mbar 미만의 압력을 진공 또는 저압이라고 합니다.

진공의 가장 일반적인 압력 단위는 밀리바(mbar)이지만, 표준에 따르면 이 압력 범위는 파스칼(Pa)로 표시하도록 되어 있습니다. 진공 기술에서는 이론적으로 0기압에서 시작하여 1,000기압(=대기압)에서 끝나는 절대 압력을 가정합니다. 특히 목공 산업에서는 여전히 바, 마이너스 바(-bar) 또는 백분율(%) 단위의 압력 사양을 사용하는 경우가 많습니다(그림 2).

진공으로 클램핑할 때의 힘

클램핑된 작업 부품을 고정할 수 있습니까？ 진공이 충분합니까? 또는 진공 펌프 성능이 충분합니까？ 이러한 질문은 회전 공구가 클램핑된 작업 중인 부품에 접근할 때, 많은 이들이 궁금해하는 일반적인 질문입니다. 순전히 이론적인 관점에서 볼 때, 공기를 추출하고 진공을 생성하여 클램핑하는 동안 작업 부품과 가공 테이블, 지지면 또는 흡입 컵 사이의 압력이 감소합니다. 이제 대기압이 더 증가하여 작업 부품을 가공 테이블에 눌러 '클램핑'합니다. 물리적 압력은 특정 영역에 영향을 미치는 힘으로 정의됩니다. 따라서 압력은 힘과 면적의 함수입니다(그림 3).

실제로 이는 지지 대상 작업 부품의 크기가 클수록 필요한 힘이 증가함을 의미합니다. 이는 다음 예시를 통해 가장 잘 설명할 수 있습니다：
CNC 라우터 그리드 테이블 위에 견고한 목재 보드를 놓고, 보드의 치수에 맞는 고무 씰로 씰을 만듭니다(그림 4). 진공 펌프가 밀폐된 공간 내에서 목재 보드와 그리드 테이블 사이의 공기를 추출합니다.

계산: 대기압: 1,000mbar 진공 펌프 저압(운전 압력): 200mbar 목재 PCB 치수: 1,000 x 500mm

차압: 1,000mbar – 200mbar = 800mbar = 80,000Pa[N/m²]

지지 표면 = 클램핑 표면 1,000 x 500mm = 500,000mm² = 0.5m²

유지력 F = p x A F = 80,000N/㎡² x 0.5m² =
40,000N = 4,000kg

즉, 표면적이 0.5m² 은 40,000 N의 유지력을 가진 진공에 의해 유지됩니다. 이론적으로는 보드가 4톤의 무게로 가공대를 누르는 것에 해당합니다. 동일한 조건에서 단단한 150 x 150mm 목재 보드를 고정하는 경우, 유지력은 F = 80,000N/㎡² x 0.0225m² = 1,800N = 180kg입니다.
이제 문제는 진공의 수직 유지력이 얼마나 강력해야 작업 중인 부품을 단단히 고정할 수 있는가 하는 것입니다. 예시 계산에 따르면, 표면이 큰 패널 재료의 유지력은 공기 투과성이 있거나 표면이 불균일하여 누출이 발생하는 재료보다 덜 치명적입니다. 실제로 필요한 유지력은 작동 또는 클램핑 계수, 절삭 및 이송 속도와 방향, 재료 및 마찰 저항과 같은 다양한 요소를 고려해야 하기 때문에 결정하는 것이 어려우므로 일반적으로 경험 법칙이 사용됩니다.

진공 클램핑의 다양한 옵션

진공 클램핑 절차는 다음과 같이 크게 3가지로 구분할 수 있습니다：

진공 기술 파라미터

원칙적으로 가장 적합한 진공 기술을 선택할 때 고려해야 할 세 가지 파라미터가 있습니다。

최대 진공도

최대 진공도는 진공 펌프가 달성할 수 있는 가장 높은 진공 레벨 또는 가장 낮은 저압을 나타냅니다.

흡입 용량

진공 펌프가 일정 시간 내에 추출할 수 있는 공기의 양입니다. 흡입 용량은 진공 펌프의 형상(부피)과 속도에 따라 영향을 받습니다. 흡입 용량이 높을수록 공기가 더 빨리 추출되고 더 빨리 최대 진공도에 도달합니다. 높은 흡입력은 예를 들어, 중첩 방식을 사용할 때 발생할 수 있는 누출을 보상하는 데 유용합니다。

전력 소비

기계식 진공 펌프는 일반적으로 전기 모터로 구동됩니다. 진공 펌프는 구성 원리와 효율계수에 따라 소비하는 에너지의 양이 다릅니다. 에너지 효율성을 극대화하려면 최대 진공도 및 흡입 용량과 관련하여 필요한 성능을 발휘하는 동시에 에너지 요구량이 가장 낮은 진공 펌프를 선택하는 것이 중요합니다.

세 가지 파라미터는 모두 서로 종속적입니다. 첫째, 진공 펌프가 최대 진공도에 가까워질수록 흡입 용량이 감소합니다(그림 4). 둘째, 진공 펌프의 에너지 수요는 특정 사용점에서 가장 낮습니다. 진공 생성을 완벽하게 설계하는 것은 일반인이 하기 어렵기 때문에 항상 진공 전문가와 상담하는 것이 좋습니다.

"목공에서의 진공" 시리즈의 두 번째 파트에서는 다양한 유형의 진공 생성에 대해 자세히 살펴봅니다.