전통적인 기계식 폴리싱 방식으로 대면적 PCD 제품을 연마할 경우, 연마 휠이 응력 변형으로 인해 돌출된 부분부터 먼저 접촉하게 되어, 폴리싱 시간이 길어지고 국부적인 두께 감소 등의 문제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해, 저자는 연마 표면이 연마 휠의 단면과 자가 적응적으로 접촉할 수 있도록 설계된 이중 레버 진동 고정 장치를 고안·적용하였으며, 본문은 이 새로운 공정 장비의 특징과 사용 효과를 주로 설명합니다.
1. PCD 제품
PCD 제품은 20세기 1970년대 등장 이후 우수한 성능을 바탕으로 항공우주, 국방, 에너지, 자동차, 지질 탐사 및 케이블 등 첨단 기술 분야에서 점차 광범위하게 사용되고 있습니다. 특히 대면적 PCD 제품의 응용은 기계 가공 능력과 수준을 크게 향상시켰으며, 가공 정밀도와 가공 표면 품질이 지속적으로 개선되고, 가공 효율은 수십 배, 많게는 수백 배까지 높아졌습니다. 대면적 PCD 제품은 주로 다양한 재료를 절삭하는 공구 제조에 사용되며, 절삭 시 칩 분리성을 좋게 하고 가공된 공작물의 정밀도와 표면 품질을 향상시키기 위해, 대부분의 PCD 제품의 PCD 면은 연마되어야 하며, 이는 거울면 수준(표면 조도 Ra≦0.05μm)에 도달해야 합니다. 많은 문헌에서는 PCD 면에 대한 전해 연마, 초음파 연마 등 새로운 기술을 소개하고 있지만, 산업화된 대량 생산 응용에서는 여전히 기계식 연마가 주류를 이루고 있습니다.
2. PCD 면 폴리싱 조건 선택
PCD 면의 기계식 폴리싱은 다결정 다이아몬드의 마모 및 탄화 과정입니다. 다결정 다이아몬드는 경도가 매우 높기 때문에 일반적으로 다이아몬드 연마파우더와 주철판을 함께 사용하거나, 연마 휠을 사용하여 연마를 진행합니다. 실제 작업에서는 다이아몬드 연마파우더와 주철판을 이용한 연마는 효율이 너무 낮아, 대부분 연마 휠을 사용하는 방식이 채택되고 있습니다 (연마 휠은 공작물 표면과의 접촉 면적이 넓어 효율적임).
PCD 면 연마 품질 요구:
(1)표면 조도 Ra≦0.05μm
(2)표면 광택이 균일하고, 굴절면이 없어야 함
(3)연마되지 않은 가장자리가 없어야 함
(4)광택이 불균일한 링 형태가 없어야 함
(5)흠집이나 오염이 없어야 함
PCD 면의 연마 품질 요구를 충족시키기 위해 연마 휠로 기계 연마를 수행할 때에는, 연마 휠의 폭, 농도, 입도, 연마 휠과 공작물의 회전 속도, 연마 압력, 연마 휠의 드레싱 시기 등을 합리적으로 선택해야 합니다.
우선, 연마 휠의 입도와 농도를 적절히 선택해야 합니다. 입도가 너무 거칠면 공작물의 폴리싱 표면 조도 요구를 충족시킬 수 없고, 입도가 너무 미세하면 가공 효율이 낮고, 연마 입자가 날카롭게 유지되는 시간이 짧아지며, 폴리싱 시 마찰력이 커지고 온도 상승이 큽니다. 연마 휠의 폭도 적절히 선택해야 합니다. 폭이 너무 좁으면 수명이 짧고 드레싱 빈도가 높으며, 공작물과 연마 휠의 접촉 면적이 작아 폴리싱 효율이 낮습니다. 반대로 폭이 너무 넓으면 연마 휠 단면을 평탄하게 유지하기 어려우며, 내외부의 선속도 차가 커서 내외부의 마모 차이가 생기고, 폴리싱 시 마찰 접촉 면적이 커져 공작물의 방열 조건이 나빠집니다. 또한, 연마 휠의 작업층에 포함된 금강사(다이아몬드 입자) 농도가 높으면 공작물과 연마 휠 간 접촉 일치 시간이 단축되어 유리하지만, 비용이 증가하고 연마 휠에서 입자가 쉽게 탈락하여 공작물 표면에 흠집을 유발할 수 있습니다.
공작물은 폴리싱 과정에서 일반적으로 저속 회전하며, 이는 공작물의 안정적인 회전에 도움이 됩니다. 반면 연마 휠은 고속 회전하여 PCD 면과 연마 휠 사이에 마찰을 일으켜 열 작용을 유도합니다. 하지만 연마 휠의 회전 속도가 너무 빠르면 마찰열이 과도하게 발생하여 원하는 폴리싱 표면 품질을 얻기 어렵습니다.
폴리싱 과정에서, 연마되는 표면과 연마 휠 표면이 접촉하는 동시에 적절한 압력을 가해야 합니다. 압력이 너무 작으면 진동이 발생하기 쉬우며, 연마되는 표면에 물결무늬가 생길 수 있습니다. 반대로 압력이 너무 크면 연마 휠의 마모가 빨라지고 마찰에 의한 온도 상승이 크며, 경우에 따라 구동 모터의 과부하를 유발할 수 있습니다.
연마 휠 표면의 드레싱 시기도 적절히 조절해야 합니다. 장시간 연마 휠 단면을 드레싱하지 않으면 휠이 무뎌지고, 연마 표면과 휠 단면이 일치하는 데 시간이 오래 걸려 가공 효율이 낮아집니다. 반대로 너무 자주 드레싱하면 연마 휠이 빨리 소모됩니다. 연마 휠 단면의 드레싱이 고르지 않거나, 전환이 부드럽지 않으면 연마면의 광택이 사라지거나, 경우에 따라 흠집이 생길 수 있습니다.
3. 전통 폴리싱 방식 및 장비의 문제점
전통적인 폴리싱 장비의 구조는 연마 휠이 고속으로 회전하고, 고정식 폴리싱 지그가 공작물을 저속 회전시키는 방식입니다. 연마되는 표면은 연마 휠 단면과 접촉하며 일정한 접촉 압력이 가해지고, 공작물의 회전 중심은 연마 휠과의 접촉선에 고정되어 있습니다. 연마 휠과 공작물 사이의 마찰, 열, 탄화 작용을 통해 PCD 면이 연마됩니다.
과거에는 PCD 제품의 두께가 두껍고 연마되는 표면 면적이 작았으며(연마 휠 단면의 링 폭보다 작거나 비슷함), 이러한 경우 전통적인 폴리싱 장비를 사용한 연마가 적합했습니다. 그러나 기술 발전에 따라 대면적 PCD 제품이 등장하면서, 연마되는 표면 면적이 연마 휠 단면 폭의 2배 이상에 달하고, 공작물의 두께는 과거보다 훨씬 얇아졌습니다. 특히 연마 표면 면적이 26cm²를 초과하고 두께가 2mm 이하인 경우, 얇은 PCD 시편은 응력 변형으로 인해 평면도가 저하되며, 연마 난이도가 크게 증가합니다. 전통적인 연마 장비로 대면적 PCD 박판을 가공할 경우 다음과 같은 문제가 발생합니다:
(1) 전통 폴리싱 장비의 지그(및 지그에 고정된 공작물)의 회전 중심은 연마 휠 단면과 상대 운동이 없습니다. 따라서 연마 표면이 연마 휠과 접촉할 때, 처음 접촉되는 점(또는 면)의 분포가 전체 연마 표면에 결정적인 영향을 미치게 됩니다. 이는 이후의 폴리싱 작업이 이들 점(또는 면)을 중심으로 주위로 확장되기 때문입니다. 만약 초기 접촉 점(또는 면)이 적고(이를 “일치도 낮음”이라 함), 특정 부분에 집중되어 있다면, 이 접촉 점(또는 면)을모두 제거해야만 다른 영역이 연마 휠과 접촉하게 됩니다. 결과적으로 원래 의도한 표면 연마가 아니라 재료 제거 중심의 연마로 변질되며, PCD는 매우 단단하고, 연마 휠의 절삭 능력은 낮기 때문에 접촉 영역이 주위로 확장되는 속도가 매우 느립니다. 이로 인해 연마 시간이 과도하게 길어지고, 가공 효율이 현저히 저하됩니다.
(2) 공작물의 회전 중심과 연마 휠 단면 접촉선이 고정되어 있기 때문에, 연마 표면 전체가 연마 휠과 완전히 접촉한다고 하더라도, 공작물의 연마 면 폭(길이 또는 직경)이 연마 휠의 링 폭보다 클 경우 각 위치의 접촉 확률은 다르게 됩니다. 특히 공작물 외곽은 중심부보다 접촉 확률이 현저히 낮아지며, 그 결과 연마 표면에 명암이 다른 굴절 링이 생기기 쉬워 품질 요구를 만족시키기 어렵습니다.
(3) 폴리싱 과정에서 연마 표면의 중심부는 항상 연마 휠 단면과 접촉 상태를 유지하므로, 중심부는 주변부보다 더 많은 마찰열을 받게 되고, 동시에 방열 조건은 좋지 않습니다. 이로 인해 대면적·박형 PCD 제품의 경우 국부 과열로 인한 공작물의 변형이 더욱 심화됩니다.
(4) 응력 변형으로 인해 연마 표면은 평면이 아니라 비정형의 뒤틀림이 동반됩니다. 이를 해결하기 위해서는 연마 휠 단면이나 연마 표면 자체를 서로 마모시켜, 연마 휠 단면이 연마 표면과 최대한 일치되도록 만들어야 합니다(즉, 연마 표면이 가능한 많은 접촉점을 균일하게 확보하도록). 하지만 응력 변형은 무작위적으로 발생하며, 연마면의 비틀림으로 인해 각 공작물의 표면 상태가 모두 상이하게 됩니다. 결과적으로, 연마 휠 단면이 특정 공작물의 PCD 표면과 일치하도록 드레싱되거나 마모된 경우, 다른 공작물에서는 다시 불일치가 발생하여 새로운 드레싱 또는 마모 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 반복은 가공 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 작업자의 노동 강도를 증가시키며, 대량 생산에는 적합하지 않습니다.
(5) 각 PCD 제품은 표면 형상이 다르기 때문에, 동일한 연마 휠 단면이 두 개의 공작물 PCD 면과 동시에 완전히 일치하는 경우는 매우 드뭅니다. 설령 일치하더라도, 하나의 연마 휠로 두 개의 대면적 PCD 제품을 동시에 연마하면 마찰에 의한 온도 상승이 더욱 커지며, 공작물 중심부는 연마 휠에서 이탈하지 못해(방열 조건이 나쁨), 전통적인 폴리싱 장비에서 동일한 연마 휠로 두 장의 대면적 PCD 제품을 동시에 연마하는 경우, 각각의 가공 시간에 큰 차이가 발생할 뿐만 아니라, 과도한 온도 상승으로 인해 연마면이 쉽게 손상 될 수 있습니다.
4. 개선 방안의 수립
위의 분석을 통해 알 수 있듯이: 폴리싱 과정에서 연마 표면과 연마 휠 단면의 접촉 적합도를 높이는 것이 폴리싱 효율 향상에 있어 매우 중요합니다. 폴리싱 중, 연마되는 표면의 자전 중심이 연마 휠 단면 위에서 휠의 반경 방향으로 이동하고, 자가 적응 접촉 기능과 결합된다면 접촉 적합도를 높이는 데 효과적입니다(특히 중앙이 볼록하게 변형된 연마 표면의 경우 더욱 유리함). 공작물의 자전 중심이 기존 연마 휠 단면의 접촉선에서 벗어나게 되면, 연마 표면 중 원래 휠과 접촉하고 있던 일부 지점(또는 면)은 떨어져 나가게 됩니다(미시적으로 볼 때, 연마 휠 단면은 반경 방향으로 높낮이가 불규칙하여 완전한 평면이 아님). 기존에 형성된 안정된 접촉 상태가 깨지고, 자가 적응 접촉 기능과의 결합을 통해 그동안 접촉하지 않았던 일부 지점(또는 면)이 연마 휠 단면과 새롭게 접촉하게 됩니다. 그 결과 새로운 접촉 지점(또는 면)이 늘어나고, 접촉 적합 상태가 개선되며, 폴리싱 시간이 단축됩니다.
공작물의 자전 중심이 연마 휠 단면 위에서 이동함으로써 다음과 같은 추가적인 장점도 있습니다：
(1) 폴리싱 과정은 연마 휠과 연마 표면 간의 상호 마모 과정으로, 공작물이 이동하면서 연마 휠 단면의 돌출된 부분을 평탄하게 다듬게 됩니다. 이는 연마 표면에 나타날 수 있는 고리 모양의 굴절 링을 제거할 뿐만 아니라, 연마 휠 단면의 평탄도 드레싱 난이도도 낮춰 줍니다.
(2) 연마 표면의 중심부와 가장자리가 연마 휠 단면과 접촉할 확률이 균형을 이루어, 공작물 전체가 고르게 가열됩니다. 또한, 연마 표면 대부분이 연마 휠 단면에서 벗어나는 시간이 생기기 때문에, 공작물의 방열 조건이 개선되고, 폴리싱 중 발생하는 열 변형이 줄어듭니다.
(3) 표면 변형 상태가 서로 다른 공작물을 동시에 폴리싱할 때 소요되는 시간 차이를 단축할 수 있습니다. 연마 표면이 연마 휠 단면과 자가 적응적으로 접촉하기 때문에, 연마 휠 단면을 별도로 드레싱하지 않아도 되고, 공작물의 방열 조건도 개선되어, 동일한 폴리싱 장비(같은 연마 휠 사용)로 두 개의 대면적 PCD 제품을 동시에 연마하는 것이 가능해집니다.
연마 표면의 자전 중심과 연마 휠 단면의 접촉선 사이에 상대적인 이동을 실현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 하나는 주축(연마 휠)이 고속 회전하는 동시에 편심 진동을 발생시키는 방식이고, 또 하나는 공작물의 회전 중심을 연마 휠의 반경 방향으로 이동시키거나 일정한 각도 내에서(중심 압력점이 연마 휠 단면에서 벗어나지 않도록) 진동시키는 방식입니다. 해외 문헌에 따르면, 외국에서 생산되는 폴리싱 장비는 연마 휠이 고속 회전하는 동시에 편심 진동을 병행하는 구조를 채택하고 있습니다.
우리는 이중 레버 진동 메커니즘 원리를 활용하여, 공작물의 회전, 압력 가해, 진동 및 자가 적응 접촉이 가능한 고정구를 설계하였습니다. 공작물이 일정한 각도 내에서(중심 압력점이 연마 휠 단면에서 벗어나지 않도록) 진동하면서, 연마 표면의 자전 중심이 연마 휠 단면 위에서 이동하도록 실현하며, 이 구조의 장점은 다음과 같습니다：
(1) 비용이 저렴하고, 기계 구조가 비교적 단순하며, 기존 폴리싱 장비의 기본 구조를 유지하면서도 고정구 부분만 변경하면 됩니다.
(2) 폴리싱 작업 환경은 분진이 많아 열악한데, 전통적인 볼스크류나 가이드 레일 구동 메커니즘은 비용이 높고, 분진이 운동 부위에 침투해 수명을 단축시키며, 방진 설계가 까다롭습니다. 캠 또는 공압·유압 메커니즘은 구조가 복잡하고 외부 부속 장치가 많습니다. 이에 반해 4절 링크 메커니즘은 구조가 단순하고, 동작 신뢰성이 높으며, 방진이 쉽고 환경 적응력이 뛰어나 폴리싱 장비에 적합합니다.
(3) 4절 링크 메커니즘 중 이중 레버 진동 구조를 선택하면, 하나의 구동 모터로 공작물의 자전과 자전 중심의 일정 각도 내 진동을 동시에 실현할 수 있습니다.
(4) 기존 고정식 구조 고정구의 많은 부품을 그대로 활용할 수 있어, 작업 복잡도가 증가하지 않습니다.
5. 비교 실험 및 분석
우리는 이중 레버 진동 연마 고정구를 장착한 신규 구조 연마기와, 고정식 연마 고정구를 장착한 전통 연마기를 비교하여 가공 실험을 진행하였습니다.
우선, 연마 표면과 연마 휠 단면의 형상이 기본적으로 일치하는 공작물을 선택하여 시험을 진행하였습니다. 새 연마 휠을 사용하여 전통 연마기에서 연마한 경우, 연마 휠 단면이 공작물과 대체로 일치하더라도 연마 휠 단면이 충분히 매끄럽지 않아, 연마 품질이 낮았고(연마 표면에 광택이 없고 흠집이 발생), 반면 신규 구조 연마기로 연마한 경우, 연마 후 표면 품질이 요구 수준에 도달하였으며, 이는 공작물의 이동 과정에서 연마 표면이 연마 휠 단면을 일정 부분 다듬는 역할을 했음을 입증합니다.
이후 우리는 중앙이 볼록한 연마 표면을 가진 공작물을 선택하여 실험을 진행하였습니다. 전통 연마기에서 일정 시간 동안 가공한 후 관찰한 결과, 연마된 부분과 접촉하지 않은 부분의 경계가 뚜렷하게 나타났으며, 연마 휠 단면을 드레싱하지 않고 계속 연마할 경우, 가공 시간이 오래 걸릴 뿐 아니라 PCD 층의 중앙부 두께가 줄어들 수 있는 문제가 발생했습니다. 반면, 신규 구조 연마기로 동일한 시간 동안 가공한 결과, 연마된 부분과 미접촉 부분의 경계가 흐릿했고, 가장자리에도 접촉 흔적이 있었으며, 연마 후 검사한 평면도는 연마 전과 거의 동일하게 유지되었습니다. 또한, 중앙이 오목한 공작물을 대상으로 실험한 결과도 대체로 동일하였고, 단지 연마된 부분이 가장자리에서 중심부 방향으로 확산되는 경향이 나타났습니다.
우리는 가공 효율 비교 실험도 수행하였으며, 각각 10대의 장비를 사용하여 가공 시간을 측정한 결과, 전통 연마기에서 연마 휠 단면이 공작물과 기본적으로 일치하더라도, 신규 구조 연마기의 평균 가공 효율이 약 20% 더 높은 것으로 나타났습니다.
우리는 고정식 연마 고정구 2개가 장착된 연마기에서 동일한 변형량을 가진 두 개의 공작물을 동시에 가공해 본 결과, 공작물의 온도가 빠르게 상승하였고 온도도 높았으며, 연마 휠의 날카로움을 유지하지 않으면 작업을 자주 중단해야 했고(그렇지 않으면 표면 손상 발생), 두 공작물 중 하나는 연마 휠 단면과 완전 접촉한 반면, 다른 하나는 50%만 접촉 흔적이 있었습니다. 반면, 이중 레버 진동 연마 고정구 2개가 장착된 연마기에서 두 공작물을 동시에 가공한 경우, 연마 휠 드레싱 주기는 전통 연마기에서 단일 공작물을 가공할 때와 같았고, 연마 표면 품질 역시 요구 기준에 도달하였으며, 각 공작물의 가공 시간은 단일 연마 시보다 약 10%만 증가하였고, 두 공작물 간의 가공 시간 차이는 매우 작았습니다. 이로써, 이중 레버 진동 고정구 2개가 장착된 연마기는 전통 연마기에 비해 가공 효율이 80% 향상됨을 입증할 수 있었습니다.
6. 결론
(1) 연마 표면과 연마 휠 단면이 일치하지 않는 경우, 개선된 폴리싱 장비를 사용하면 전통 장비보다 가공 효율이 눈에 띄게 향상되며(최소 20% 이상 향상), 공작물의 방열 조건도 현저히 개선됩니다.
(2) 개선된 폴리싱 장비로 가공한 공작물은 연마 표면에 링 형태의 굴절 광환이 발생하지 않으며, 표면 품질이 뚜렷하게 향상됩니다.
(3) 개선된 폴리싱 장비에서는 연마 휠 단면 드레싱의 난이도가 전통 장비보다 낮으며, 전통 장비에서는 연마 휠 단면을 평탄하게 유지하고 연마 표면과 최대한 일치하도록 드레싱해야 하는 반면, 신규 구조 폴리싱 장비는 연마 표면과 연마 휠 단면이 서로 마모되어 일치하는 과정에서, 연마 휠의 연마 입자만 날카로우면 충분합니다.
(4) 개선된 다결정 다이아몬드 표면 폴리싱 장비는 한 대의 장비로 두 개의 대면적 PCD 제품을 동시에 연마할 수 있어, 장비 활용률이 80% 향상됩니다.
