연마 가공 시 표면 변질을 어떻게 방지할 수 있을까요? 깊이 있게 알아봅시다!

연마 가공은 제조업에서 빼놓을 수 없는 중요한 공정입니다. 표면 가공 기술로서 연마는 정밀한 형상과 치수를 구현하는 것뿐만 아니라, 표면의 평활도와 표층 성능의 안정성까지 고려해야 합니다. 그러나 연마 과정에서는 열 하중과 기계적 응력의 영향으로 인해 가공 변질, 잔류 응력, 표면 거칠기 불량 등 다양한 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 문제들은 부품의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

따라서 본 장에서는 연마 가공의 핵심 문제를 심층적으로 이해하고, 이에 대한 효과적인 해결 방안을 제시합니다。

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

• 가공면의 정밀도：가공면이 예정된 위치에 있는지를 의미하며, 형상과 치수가 제대로 생성되었는지와 관련됩니다.
• 가공면의 평활도：표면 거칠기 관리에 해당하며, 가공면의 외관이 얼마나 매끄러운지를 의미합니다.
• 가공면 표층의 안정성：연마 과정에서의 기계적 작용이나 열 하중으로 인해 표층이 변질되었는지 여부를 의미합니다.

※본 장에서는 주로 가공면 표층의 안정성에 대해 다룹니다.

연마 가공 과정에서의 변질

연마 가공은 고온, 고속 절삭 및 마찰 작용으로 인해, 공작물 표면이 절삭 가공보다 더 혹독한 변질을 겪게 되며, 그 깊이는 수백 μm에 이르기도 합니다. 이러한 변질은 다음과 같이 나타납니다:

1. 가공 경화(기계적 응력 유발)：어닐링 처리된 소재에서 흔히 발생합니다.
2. 담금질 경화 (연마 열 유발)：역시 어닐링 소재에서 주로 나타나며, 표면 경도를 증가시키지만 균열 및 취성을 유발할 수 있습니다.。
3. 뜨임 연화 (연마 열 유발)：담금질된 소재에서 흔하며, 표면이 연화되어 경도가 저하됩니다.

위와 같은 복합 효과들—예: 경도 변화, 열 응력, 상변태 응력 등은 가공물에 잔류 응력을 유발하고, 표면 번 현상이나 연마 균열 등의 문제를 초래할 수 있습니다. 아래에서 이에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

표면 경도 변화의 네 가지 유형

표면 경도 변화는 네 가지 주요 유형으로 나눌 수 있으며, 이는 보통 연마 과정에서의 절삭력, 절입량, 그리고 연마열 발생과 관련되어 있습니다:

형태 A：절삭력이 부족한 정밀 연마

• 특징：연삭휠의 절삭력이 강하지 않고, 미세 연마 상태에 있으며 이때는 연마 칩이 잘 발생하지 않고, 마찰역학 작용이 연마열보다 큽니다.
• 변질：표면에 뚜렷한 열 영향은 없으며, 주로 기계적 응력이 작용하며 표면 경도 변화는 작습니다.

형태 B：절삭력이 부족한 중간 연마

• 특징：절삭력이 다소 약하고, 절입량이 약간 큰 상태로 연마 과정에서 일정한 열이 발생합니다.
• 변질：열 효과로 인해 표면에 뜨임 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 표면 경도가 감소합니다.

형태 C：적절한 연마

• 특징：연마 과정 중 고온과 마찰 작용으로 인해, 연마열에 의한 뜨임 효과가 표면 변질을 주도합니다.
• 변질：이러한 가공은 표면 경도를 낮추고, 뜨임층을 형성하여 표면을 연화시킵니다.

형태 D：과도한 연마열

• 특징：연마열이 지나치게 높을 경우, 표면에 재담금질층이 형성되며, 이는 표면 경도에 현저한 변화를 유발합니다.
• 변질：과도한 열로 인해 발생한 재담금질층은 표면을 경화시키지만, 동시에 취성을 증가시켜 균열이나 기타 손상을 초래할 수 있습니다.

잔류 응력의 영향 및 개선

잔류 응력의 형성

연마 과정에서 공작물 표면은 고온과 강한 소성 변형으로 인해 잔류 응력이 발생하게 됩니다. 이러한 잔류 응력은 연마열과 연삭력의 복합 작용으로 인해 재료의 표층 및 내부에 축적되어 형성되며, 그 영향은 결코 무시할 수 없습니다.

연마 후 시간이 경과함에 따라 응력은 서서히 소실되지만, 이미 공작물의 치수 안정성에는 영향을 미쳐 정밀 부품 제조에 장애가 됩니다.

잔류 응력은 어떤 영향을 미칠까요?

• 고온 및 소성 변형：연마 과정에서 공작물 표면은 매우 높은 온도를 받게 되며, 이는 재료의 소성 변형을 유발하고 응력 발생으로 이어집니다.
• 치수 변화：잔류 응력이 존재할 경우, 연마 후 공작물에 치수 변화가 발생할 수 있으며, 이는 특히 고정밀을 요구하는 부품의 정밀도에 부정적인 영향을 줍니다.
• 시효 파단：잔류 응력이 지나치게 클 경우, 장기 사용 중 공작물이 피로에 의해 점진적으로 파손되며, 결국 파열 또는 취성 파괴로 이어질 수 있습니다.

잔류 응력을 줄이려면 어떻게 해야 할까요?

1. 잔류 응력이 적은 연마 공정 선택：적절한 연마 조건과 연삭휠 종류를 선택하고, 휠을 적절히 드레싱하여 가공 중 발생하는 잔류 응력을 줄입니다.

2. 후처리 방법：

• 심냉 처리：공작물을 극저온으로 냉각시켜 재료 내부의 응력을 방출시켜 잔류 응력을 감소시킵니다.
• 인공 시효：공작물을 일정 온도로 가열한 후 서서히 냉각시켜, 내부 응력을 완화합니다.
• 풀림 처리：공작물을 고온으로 가열한 후 천천히 냉각하여 재료의 격자 구조를 재정렬시키고, 잔류 응력을 제거하여 기계적 성능을 개선합니다.

연마 번 현상

이는 연마 과정 중 과도한 연삭열(연마면 온도가 약 1000°C에 근접할 때)로 인해 공작물 표면에 국부적인 과열이 발생하고, 그 결과 재료가 변질되거나 표면이 타는 현상을 말합니다. 번 현상은 일반적으로 공작물 표면 색상의 변화(예: 어두워지거나 검게 변함), 표면 경도의 저하, 미세 균열의 발생, 심지어는 재료의 변형 등으로 나타납니다. 이러한 현상은 공작물의 외관에 영향을 줄 뿐 아니라 기계적 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다.

연마 번 현상의 발생 원인：

1. 과도한 연삭열：연마 과정에서 연마입자와 공작물 표면 간의 마찰로 많은 열이 발생합니다. 이 열이 효과적으로 방출되지 않으면 국부 온도가 과도하게 상승하여 재료 표면이 타게 됩니다. 특히 강재나 합금처럼 경도가 높은 재료를 연마할 때 더욱 흔하게 발생합니다.
2. 과도한 연삭 속도：연삭 속도가 지나치게 높으면 마찰과 열 발생이 증가하여 번 현상의 위험이 높아집니다. 연삭이 과격하게 이뤄지면 재료가 열을 충분히 방출하지 못해 번 현상이 쉽게 발생합니다.
3. 지나치게 낮은 이송량：이송량이 너무 적으면 연마입자가 공작물 표면과 접촉하는 시간이 길어져 열이 누적되고, 이로 인해 과열 및 번 현상이 유발됩니다.
4. 냉각수 부족 또는 부적절한 사용：연마 과정에서 냉각수는 온도를 낮추고 과열을 방지하는 역할을 합니다. 냉각수가 부족하거나 고르게 공급되지 않거나 적절하지 않으면 표면이 제대로 식지 않아 번 현상의 위험이 커집니다.
5. 연마 휠의 마모 또는 무뎌짐：연마 휠이 무뎌지거나 과도하게 마모되면 절삭 능력이 떨어져 마찰만 증가하고, 이로 인해 열이 많이 발생하여 번 현상이 생길 수 있습니다.
6. 공작물 재료의 특성：경화강, 공구강, 합금 재료 등 일부 재료는 열에 민감하여 고온에서 구조 변화나 표면 탄화를 일으키기 쉽고, 그 결과 번 현상이 나타납니다.

연마 번 현상의 영향：

1. 표면 경도 저하：연마 번 현상은 재료 표면의 금속 조직을 변화시키며, 특히 경화층이 손상될 수 있어 표면 경도가 낮아집니다. 이는 공작물의 내마모성과 수명에 부정적인 영향을 줍니다.
2. 미세 균열 및 취성 증가：번이 발생한 영역은 재료 조직 변화로 인해 미세 균열이 생기며, 인성이 저하되어 파손이나 균열의 위험이 증가합니다.
3. 외관 문제：번 현상은 일반적으로 표면 색상이 어두워지거나 검게 변하게 하며, 이는 외관 품질에 영향을 미치고 특히 정밀 또는 고급 제품에서 치명적인 품질 저하로 이어질 수 있습니다.
4. 치수 정밀도 영향：번은 표면의 변형이나 경도 변화와 함께 발생할 수 있어, 최종 치수 정밀도와 가공 품질에 영향을 줍니다.

연마 번 발생 위험을 줄이려면 어떻게 해야 할까요?

1. 연삭 조건의 합리적 제어：연삭 속도를 낮추고, 이송 속도를 높이거나 절삭 깊이를 줄이면 과도한 열 축적을 방지하여 과열을 막을 수 있습니다.
2. 냉각 강화：충분한 냉각수 유량을 확보하거나 효과적인 냉각 방식을 사용하여 공작물 온도를 낮춥니다. 냉각수의 선택과 공급은 재료 및 가공 조건에 맞게 조정되어야 합니다.
3. 적절한 연마재 선택：재료에 맞는 연마재를 사용하여 강력한 절삭 성능을 유지하고, 연마입자의 무뎌짐으로 인한 과열 현상을 줄입니다.
4. 연마 휠 유지 및 교체：연마 휠을 정기적으로 점검 및 교체하여 무뎌짐이나 과도한 마모를 방지하고, 안정적인 절삭력으로 마찰열을 줄입니다.
5. 가공 공정 최적화：공정을 합리적으로 설계하여 과도한 연삭을 피하고, 공작물 재질에 적합한 가공 방법을 선택합니다.

연마 균열

연마 균열은 연마 과정 중 연삭력, 열 등 다양한 요인으로 인해 재료 표면이 손상되는 현상입니다. 이러한 균열은 일반적으로 재료 표면에 균열, 파편, 미세 균열의 형태로 나타나며, 공작물의 품질과 정밀도에 부정적인 영향을 미칩니다.

이 문제는 침탄강, 베어링강, 롤 재료 등에서 자주 발생하며, 특히 담금질 경화 처리를 거친 후 연마를 수행할 때 쉽게 나타납니다.

연마 균열의 발생 원인：

1. 과도한 연삭열：연마 중 연마입자와 공작물 사이의 마찰로 많은 열이 발생하며, 이 열이 제대로 방출되지 않으면 국부 과열이 발생하고, 그로 인해 표면 균열이나 파손이 유발됩니다.
2. 과도한 연삭력：지나치게 큰 연삭력은 공작물에 과도한 응력을 가하게 되어, 재료의 한계를 초과하면 파손을 일으킬 수 있습니다. 이는 특히 경질 또는 취성 재료에서 더 쉽게 발생합니다.
3. 연마 휠의 무뎌짐 또는 마모：연마 휠이 무뎌지거나 마모되면 절삭 성능이 저하되고, 마찰열이 증가하여 균열 발생 가능성이 높아집니다.
4. 부적절한 냉각 방식：냉각수 공급이 부족하거나 사용 방법이 적절하지 않으면 재료가 과열되어 표면 손상과 파손이 더욱 심화될 수 있습니다.
5. 지나치게 낮은 이송량：이송량이 너무 낮으면 연마입자가 공작물 표면에 오랜 시간 머물게 되어 열이 축적되며, 이는 과열과 균열을 유발할 수 있습니다.
6. 재료의 취성：경화강, 세라믹 등 일부 재료는 본래 취성이 강하고 외부 응력에 민감하여, 연마 과정에서 균열이 발생하기 쉽습니다.

연마 균열의 영향：

1. 기계 부품의 피로 수명에 영향：연마 균열은 즉시 발생하지 않고, 연마가 끝난 후 수 시간에서 수일 이내에 점차 드러나는 경우가 많습니다. 이 미세 균열은 기계 부품의 피로 수명을 크게 감소시키며, 신뢰성과 내구성에도 부정적인 영향을 줍니다.
2. 치수 정밀도 저하：균열은 공작물의 치수 편차를 유발하며, 가공 정밀도를 해칩니다.
3. 취성 및 파손 위험 증가：재료가 더 쉽게 깨지고, 파손되거나 기능을 상실할 위험이 커집니다.
4. 내식성 저하：균열 부위는 표면 보호층이 파괴되어 부식 가능성이 증가합니다.

연마 균열을 줄이려면?

• 적절한 연마재 및 공구 선택：재료에 맞는 연마재와 입도를 선택하여, 입자가 너무 거친 연마재로 인해 과도한 응력이 발생하지 않도록 합니다.
• 연마 조건 조정：연삭 압력을 줄이고, 회전 속도와 이송 속도를 낮추어 과부하를 방지합니다.
• 냉각 및 윤활：냉각수를 사용하여 온도를 낮추고, 과열로 인한 균열 발생을 방지합니다.
• 단계적 가공：한 번에 너무 많은 재료를 제거하지 않고, 층별 또는 다단 연마를 통해 천천히 가공합니다.
• 장비 유지보수 및 점검：연마 장비를 안정적으로 운용하고, 연마 휠의 마모 상태를 주기적으로 점검합니다.
• 작업자 교육：작업자가 올바른 연마 기술과 공정 조건을 충분히 숙지하고 있어야 합니다.
• 재료 선택：연마 중 균열이 발생하기 쉬운 과도한 취성 재료는 피하고, 적절한 특성의 재료를 선택합니다.

연마 균열을 방지하는 기본적인 방법은 연마 온도를 낮출 수 있는 연마 조건을 선택하고, 공작물의 열처리 공정을 조정하여 균열 발생 위험을 줄이는 것입니다. 그러나 사전에 이를 정량적으로 예측하고 제어할 수 있는 구체적인 기준을 찾는 것은 매우 어렵습니다.

결론

연마 가공은 고정밀·고요구 조건의 가공 방식으로, 공작물 표면 성능에 미치는 영향이 다양하고 복잡합니다. 연마 과정에서는 고온, 마찰력, 소성 변형이 복합적으로 작용하여, 공작물 표층에 가공 경화, 담금질 경화, 뜨임 연화 및 이들의 복합 효과와 같은 여러 변질 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 변질은 공작물의 표면 경도 분포를 변화시킬 뿐만 아니라, 잔류 응력, 치수 변화, 부품의 피로 수명 등에 문제를 일으킬 수 있습니다.

연마 품질을 향상시키고 불량 영향을 줄이기 위해서는 재료 특성에 맞는 적절한 연마 조건을 선택하고, 잔류 응력이 적은 연마 공정을 적용해야 합니다. 또한 심냉 처리, 인공 시효, 풀림 처리와 같은 적절한 후처리 방법을 통해 잔류 응력을 완화할 필요가 있습니다. 이와 함께, 연마 과정 중 발생하는 열의 생성과 분산을 철저히 관리하여 연마 번 이나 균열 발생을 방지하는 것이 공작물 성능의 안정성을 확보하는 데 중요한 열쇠입니다.

행동

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11. 실행>>>다이아몬드 및 CBN 연삭휠、연마재、폴리싱 장비、폴리싱 도구
12. 복기

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