연마 가공의 표면 거칠기를 어떻게 제어할 것인가? 표면 품질 향상 방법

연마 가공은 정밀한 표면 처리 기술 중 하나로, 이 과정에서 가공 면의 거칠기를 효과적으로 제어하는 것이 제품 품질을 확보하는 핵심입니다.

표면 거칠기는 제품의 외관 품질뿐만 아니라 내마모성, 피로 수명 등 기능적 특성에도 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 연마 과정에서는 연삭휠의 선택, 절입량, 이송 속도 등 다양한 요인의 영향을 받으며, 이들이 정확히 제어되지 않을 경우 원하는 표면 거칠기를 얻지 못할 수 있습니다.

본 문서는 표면 거칠기의 정의, 주요 영향 요인 및 개선 방법을 심도 있게 다루어, 연마 가공에서의 표면 품질을 어떻게 효과적으로 향상시킬 수 있는지를 독자에게 안내하고자 합니다.

연마의 주요 목표는 이상적인 가공면을 얻는 것이며, 연마 가공에서는 주로 다음 세 가지 문제에 직면합니다:

• 가공면의 평활도: 즉, 표면 거칠기의 제어로서 가공면의 외관 평활 정도 및 요구 수준을 어떻게 달성할 것인가에 관한 내용입니다.
• 가공면의 정밀도: 즉, 가공면이 목표한 형상과 치수를 얼마나 정확하게 구현했는지를 의미하며, 이는 형상 및 치수 형성 과정과 관련됩니다.
• 가공면 표층의 안정성：연마 과정에서의 기계적 작용이나 열 하중으로 인해 표층이 변질되었는지 여부를 의미합니다.

※본 장에서는 가공면의 평활도에 대해 중점적으로 다룹니다.

주제로 들어가기 전에, 에디터가 먼저 몇 가지 보충 설명을 드리겠습니다.

표면 거칠기의 정의

줄여서 표면 거칠기라고 합니다.

가공 또는 기타 처리 과정에서 발생하는 미세한 요철로 인해 표면에 생기는 불균일한 상태를 의미합니다. 이러한 요철은 표면의 촉감에 영향을 미치며, 종이를 만졌을 때와 사포를 만졌을 때의 차이를 떠올리면 이해하기 쉽습니다. 사포 표면이 훨씬 거칠게 느껴지는 이유입니다. JIS B 0601 기준에 따르면, 표면 거칠기는 주로 가공 중 사용된 공구의 형상, 날의 각도, 연마재 입자 등의 요소에 의해 발생합니다. 예를 들어 선반 가공, 밀링, 연마와 같은 공정은 공작물 표면에 특정한 요철 무늬를 형성하게 됩니다.

(추가로 읽기: 표면 거칠기란?)

표면 거칠기의 표시 방법

표면 거칠기를 나타내는 방법은 다양하며, 다음은 일반적으로 사용되는 표면 거칠기 종류입니다:

• 최대 높이 거칠기 Rmax (μm): 표면 거칠기 곡선에서 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이의 최대 수직 거리입니다. 이는 표면 요철의 극단적인 변화를 반영합니다.
• 중심선 평균 거칠기 Ra (μm): 산술 평균 거칠기라고도 하며, 표면 거칠기 곡선에서 샘플 구간의 평균 절대 편차 값을 의미합니다. Ra는 가장 널리 사용되는 거칠기 지표로, 전체적인 거칠기 정도를 나타냅니다.
• 10점 평균 거칠기 Rz (μm): 거칠기 곡선에서 가장 높은 5개의 봉우리 평균 높이와 가장 낮은 5개의 골짜기 평균 깊이의 합으로 계산됩니다. Rz는 표면의 비교적 큰 요철 특성을 설명할 때 주로 사용됩니다.
• 제곱평균제곱근 거칠기 Rrms (μm): 평균제곱근 거칠기라고도 하며, 표면 거칠기 곡선에서 각 점이 중심선에서 벗어난 거리의 제곱을 평균한 후, 그 평균값의 제곱근을 구하여 계산됩니다. Rrms는 민감도가 높아, 표면 특성을 보다 정확하게 반영할 수 있습니다.

(추가로 읽기: 표면 거칠기의 용어 및 정의)

아래 표는 표면 거칠기의 표기 방식, 구분, 기준 면폭 및 삼각 기호 간의 관계를 나타낸 것입니다.

(추가로 읽기: 연마 폴리싱과 표면 거칠기 비교표)

이러한 매개변수들은 실제 요구에 따라 선택되며, 표면 거칠기를 설명할 때 각기 다른 중점 요소를 나타냅니다.
Ra는 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 기준이며, Rz와 Rmax는 특정 기능이나 응용 상황에서 요구되는 표면 특성을 평가할 때 자주 사용됩니다.

※일본에서는 Rz를 많이 사용합니다.

이제 본론을 시작하겠습니다:

연마 조건이 가공면의 표면 거칠기에 미치는 영향

가공을 진행하기 전에, 우리는 먼저 이상적인 ‘면’의 품질을 어떻게 실현할 것인지 고민하게 됩니다. 이를 바탕으로 연마 가공 공정, 그에 맞는 연마재 및 공구 선택을 통해 목표를 달성하고자 합니다.

정리한 결과, 다음과 같은 일반적인 결론에 도달하였습니다:

• 공작물 속도가 클수록, 표면 거칠기도 커집니다.
• 연삭휠의 주속도가 작을수록, 표면 거칠기는 커집니다.
• 연삭휠 및 공작물의 반경이 작을수록, 표면 거칠기는 커집니다.
• 절입량은 표면 거칠기와 직접적인 관련이 없습니다.
• 연마재 입자의 크기가 클수록, 표면 거칠기도 커집니다.
• 연마재의 등가 전단각이 클수록, 표면 거칠기는 작아집니다.

표면 품질에 특히 큰 영향을 미치는 요소는 연마재의 절삭날 밀도입니다. 우수한 가공면을 얻기 위해서는 적절한 드레싱을 통해 연삭휠 표면의 절삭날 높이를 균일하게 하고, 밀도를 증가시켜야 합니다.

또한 아래에서는 두 부분으로 나누어 논의하며, 현장 작업자가 즉시 판단할 수 있도록 간단한 해결 방안을 제시합니다.

1. 연마재의 입도 및 결합제에 따른 표면 거칠기 영향
2. 연마 작업 과정 및 환경 요인: 절입량, 이송량, 진동 영향, 잔여 연마량 등의 영향

연마재의 입도 및 결합제에 따른 표면 거칠기 영향

입도의 영향:

입도란 연마재의 그릿 번호를 의미하며, 숫자가 작을수록 입자가 거칠다는 것을 나타냅니다. 예를 들어, #36은 #600보다 훨씬 거칠고, 마찬가지로 #600은 #3000보다 거칠습니다.

(이해가 잘 되지 않는다면, 가장 빠른 방법은 근처 마트나 미술 용품점에서 실제 사포를 만져보는 것입니다.)

다음은 정리한 몇 가지 결론입니다:

• 입도(그릿 번호)가 고울수록, 가공면의 거칠기는 낮아지고 (더 매끄러워집니다).
• 동일한 연마 방식에서는, 입도가 미세해질수록 표면 개선 효과가 더욱 뚜렷하게 나타납니다.
• 연마재의 강도와 균일성이 높을수록 가공면 품질 향상에 도움이 됩니다.
• 적절한 연삭휠 구조(조직, 결합도)와 작업 조건이 갖춰질 때, 미세 입도 연마재의 효과가 극대화됩니다.

결합도의 영향:

결합도란 연마재가 연삭휠에 얼마나 강하게 부착되어 있는지를 의미하며, 일반적으로 ‘연하거나 단단하다’로 표현합니다.

이는 연마재 자체의 강도가 아닌, 결합제(전해 도금, 금속 결합, 세라믹 결합, 레진 결합)의 접착 강도를 말합니다.

적절한 연삭력과 가공 방식을 선정한 후 중요한 요소 중 하나는 바로 ‘단단한 결합도의 연삭휠이 가공면 개선에 도움이 된다’는 점입니다.

하지만! 결합력이 너무 강하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 평활화 및 연삭휠 막힘 현상
• 연마 번 현상
• 표면 변질층 두께 증가
• 내마모성 저하

결합도가 강한 연삭휠은 연마재가 잘 부착되어 있어 우수한 ‘면’ 품질을 제공하지만, 연마재가 쉽게 탈락되지 않아 앞서 언급한 문제들을 유발할 수 있으므로 주의가 필요합니다.

연마 작업 과정 및 환경 요인: 절입량, 이송량, 진동 영향, 잔여 연마량 등의 영향

절입량(가공 깊이)의 영향:

절입량이 증가할수록 표면 거칠기는 비례하여 증가합니다.

연마재의 절입 깊이는 절입량의 제곱근에 비례하며, 절삭력이 증가하게 되어 다음과 같은 현상이 발생합니다:

• 절삭날 손상 및 열화
• 2차적인 영향으로 가공면의 거칠기 악화
• 기계 진동 강화

해결 방법: 만약 가공면 품질이 저하되거나 기계 진동이 지나치게 심해지는 현상이 발생할 경우, 절입량 및 이송량 설정을 다시 점검하고 조정하는 것을 권장합니다. 설정에 문제가 없다면, 다른 영향을 미치는 요인을 검토하여 대응하십시오.

이송량의 영향:

• 이송 속도가 높을수록, 표면 거칠기가 선형적으로 증가합니다.

해결 방법: 절입량과 함께 조정할 수 있으며, 문제가 없는 경우 다른 영향 요소를 참고하여 대응할 수 있습니다.

진동의 영향:

연삭휠과 공작물 간의 상대적인 진동은 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다:

• 절삭날 밀도가 낮아지면 표면 거칠기가 증가하며, 특히 표면의 기복이 심해집니다.
• 공작물이 연삭휠 면을 때리게 되면 연마재가 탈락하고, 이로 인해 표면 거칠기가 더욱 증가하게 됩니다.

해결 방법: 진동의 원인은 이송량이나 절입량뿐만 아니라, 환경적인 요인에서도 발생할 수 있습니다. 아래에는 몇 가지 점검 및 평가 항목을 정리하였습니다:

환경 요인:

1.수평 점검: 장비의 수평 조절 나사가 평탄하게 바닥에 접촉하고 있는지 확인합니다. 보다 정확하게 점검하려면 수평계를 사용하여 장비 전후의 수평 상태를 측정하는 것이 좋습니다. 수평이 제대로 맞지 않으면 기계 공진이 발생하여 진동으로 이어질 수 있습니다.

2.바닥이 비어 있는 경우: 위의 조정을 모두 마쳤는데도 진동이 지속된다면, 바닥 내부가 비어 있는 구조일 가능성이 있습니다. 이 경우 철물점 등에서 두께 6~10mm의 고무 패드를 구입해 장비 하단에 설치하는 것이 좋습니다(이때 바닥 고정 나사는 풀어두는 것을 권장). 이를 통해 효과적인 진동 완화를 기대할 수 있습니다.

※참고 사항: 바닥이 비어 있는 구조는 시공 품질의 문제라기보다는 재질 선택의 차이에서 발생합니다. 단단한 플레이트형 바닥이 콘크리트 타설형 바닥보다 충진력이 높으며, 공동 바닥은 공진 현상이 쉽게 발생할 수 있습니다.

3.장비 공진: 그래도 문제가 해결되지 않았나요? 진동이 많이 발생하는 장비는 반드시 분리 배치해야 합니다.

※ 원인: 정밀 평면 연마 작업을 수행하는 경우, 프레스기나 선반과 같이 진동을 유발하는 기계와 같은 공간에 배치하는 것은 적합하지 않습니다. 판별 방법? 연마기를 정지시킨 후 손으로 기계에 직접 대어보세요. 만약 손을 통해 진동이 느껴진다면, 이는 인접 장비로부터 영향을 받고 있다는 의미입니다.

설비 자체 및 가공 관련 요인:

1.연삭휠 입도의 불균일성: 연마재가 고르게 분포되지 않은 연삭휠은 회전 시 중심이 불안정해져 진동을 유발할 수 있습니다.

2.플랜지 홀 치수 불일치: 치수가 맞지 않는 플랜지는 장착 후 상하 흔들림이 발생하여 진동의 원인이 되므로, 구매 시 반드시 정확한 치수를 확인해야 합니다.

※추가 설명: 매우 중요합니다! 잘못된 플랜지는 연마 과정 중 파열을 일으켜 위험할 수 있으므로 특별히 주의해야 합니다. 일반적으로 고품질 플랜지는 별도의 교정 없이 장착 후 연삭휠을 한 번 드레싱하면 바로 사용할 수 있습니다. 그러나 플랜지가 기울어져 있다면, 밸런스 블록 사용, 새 플랜지로 교체 하는 것을 권장합니다.

3.이송량 및 절입량: 절입량이나 이송 속도가 과도할 경우 연삭휠의 흔들림이 커지며, 심할 경우 연삭 주축이 변형되어 심각한 손실로 이어질 수 있습니다. 절입량과 이송량을 줄이는 것이 바람직합니다.

잔여 연마량의 영향:

초기에는 연삭휠의 표면 절삭날과 가공면이 완전히 밀착되지 않기 때문에, 공작물 표면에 제거되지 않은 재료가 남을 수 있습니다. 연마 중 이러한 틈새에서 불꽃이 발생하며, 표면이 점차 평탄해질수록 잔여 연마량이 줄고, 표면 거칠기도 작아집니다.

거친 표면을 개선하는 방법으로는 연마 횟수를 늘리고, 절입량과 이송 속도를 줄이는 것이 있습니다. 이를 통해 잔여 연마량을 줄이고 거칠기를 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 정밀 연마 시 초기 절입량에서 최종 절입량을 점차 0으로 설정하여 여러 차례 연마를 반복하면, #36 연삭휠을 사용하더라도 약 1μm 수준의 가공면을 얻을 수 있습니다.

소결 — 연마 과정에서 표면 거칠기가 커지는 주요 원인은 다음과 같습니다:

• 잔여 연마량이 많음
• 연삭휠 주축의 변형
• 진동
• 연삭휠 마모

결론

표면 거칠기는 연마 가공 품질을 평가하는 중요한 지표로, 공작물의 표면 감촉과 기능성에 직접적인 영향을 미칩니다. 연마 과정에서는 공작물 속도, 연삭휠의 주속도, 연마재 입도, 결합도, 절입량 등 다양한 요소가 가공면의 거칠기에 영향을 미칩니다. 이러한 매개변수를 정밀하게 제어하면 이상적인 표면 평활도를 달성할 수 있으며, 과도한 거칠기로 인한 연마재 탈락, 연마 번 현상, 표면 변질 등의 부정적인 결과를 줄일 수 있습니다. 거칠기를 개선하기 위한 핵심은 연마 조건의 최적화에 있으며, 적절한 연삭휠의 선택, 이송 속도 및 절입량의 제어, 그리고 합리적인 드레싱과 다단계 연마의 수행이 포함됩니다. 이러한 방법을 통해 표면 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공작물의 수명을 연장하고, 고정밀 가공 목표를 효과적으로 실현할 수 있습니다.

행동

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10. 실행>>>다이아몬드 및 CBN 연삭휠、폴리싱 연마재、폴리싱 장비、폴리싱 공구
11. 복기

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