연마 시 왜 열이 발생할까요? 연삭휠과 공작물에 있어서 열 제어는 얼마나 중요할까요?

연마 중 발생하는 열(연마열)은 연마 공정에서 결코 무시할 수 없는 중요한 현상으로, 주된 원인은 연마입자가 공작물을 절삭할 때 발생하는 고속 마찰입니다.

연마열의 분포와 발생은 연삭휠 재질, 공작물 재질, 연마 조건(속도, 이송량, 절삭 깊이 등), 냉각제 사용 여부 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

공작물 측면에서：

부적절한 연마는 공작물의 온도를 상승시켜 열 팽창, 표면 버닝, 경화층의 뜨임 연화, 미세 연마 균열 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.

연삭휠 측면에서：

부적절한 연마는 연삭휠의 온도를 상승시켜 휠 마모를 가속시키고, 결합제가 녹거나, 미세한 변형이 발생하여 가공 안정성을 저하시킬 수 있습니다.

※HONWAY 보충 정보: 다이아몬드 연삭휠은 고온(600~700℃)에 약하므로, 고온 연마를 진행할 경우 CBN 연삭휠을 선택하는 것이 좋습니다.>>>다이아몬드 연삭휠과 CBN 연삭휠은 어떻게 선택해야 할까요?

따라서, 연마열의 생성과 전달을 효과적으로 제어하고, 적절한 냉각 및 공정 파라미터 조정을 통해 이를 관리하는 것은 연마 기술에서 매우 중요한 과제입니다.

전통 연삭휠과 슈퍼 연삭휠의 연마열 차이

핵심 포인트: 슈퍼 연삭휠은 전통 연삭휠보다 열전도 효과가 높아, 발생한 열의 대부분이 연삭휠 중심으로 전달됩니다. 반면 전통 연삭휠은 연삭열의 대부분이 공작물에 집중됩니다.

열 분포 비율(80/20)：

슈퍼 연삭휠: 열의 약 80%는 연삭휠로, 20%는 공작물로 전달됩니다.

전통 연삭휠: 열의 약 20%는 연삭휠로, 80%는 공작물로 전달됩니다.

이 수치는 참고용이며, 실제 테스트 결과는 공작물, 연마재 재질, 가공 조건, 환경 등에 따라 달라질 수 있습니다.

— 이하 내용은 슈퍼 연삭휠과 전통 연삭휠 모두에 적용됩니다 —

연마열 발생 원인

연삭휠이 공작물을 연마할 때, 연마 과정에서 다량의 열이 발생하며, 이 열의 분포는 최종적으로 공작물의 온도 상승을 결정짓는 요소입니다.

과도한 연마열의 영향

1.고온과 불꽃：

• 연마 과정에서 연마입자의 절삭날과 공작물 사이에 발생하는 음각(부의 경사각)은 절삭 속도를 매우 높이고, 이로 인해 고온이 발생하며 불꽃이 튀는 현상이 동반됩니다.
• 영향： 현미경으로 연삭 칩을 관찰하면, 그 안에 용융된 구형 입자가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 국부 온도가 공작물 재료의 융점에 근접했음을 의미합니다.

2.공작물의 열팽창 및 산화:

• 과도한 연삭열은 공작물 표면 온도를 상승시켜 열팽창과 산화를 유발합니다.
• 영향：가공 표면 품질 저하

3.표면 연마 번으로 인한 성능 저하:

• 표면 온도가 지나치게 높아지면 국부적으로 연마 번이 발생하여 내마모성이 감소할 수 있습니다.
• 영향：담금질강의 경우, 과도한 열은 뜨임 현상을 유발해 경도와 강도를 저하시켜 미세한 균열이 발생할 수 있습니다.

4.균열 및 가공 결함:

• 과도한 연삭열은 가공 중 또는 가공 후 미세한 균열이나 크랙을 유발하여 공작물의 구조적 완전성을 약화시킬 수 있습니다.

연마 온도의 분류

연마입자 연삭점 온도(A·B) （연마날 끝단의 온도）

• 정의：A, B로 표시된 연마 입자의 절삭날 전단에서 연삭 중 순간적으로 발생하는 국부 고온을 말합니다.
• 온도 특성：보통 수백에서 1000℃ 이상의 고온에 도달하며, 연마 과정 중 가장 온도가 높은 영역입니다.
• 영향：연삭 효율과 연마재의 소모와 밀접한 관련이 있어, 이 온도를 기준으로 연마재의 내열성을 평가해야 합니다.

연삭휠 연삭점 온도(S) （연삭휠과 공작물 접촉면의 평균 온도）

• 정의：연삭휠과 공작물의 접촉 면적 S 부위에서 측정된 전체 평균 온도를 말합니다.
• 온도 특성：연마입자 절단점보다는 낮지만, 온도 분포 범위는 더 넓습니다.
• 영향：공작물의 열 손상과 밀접하게 관련되며, 표면 번, 융해, 균열 등의 문제를 유발할 수 있습니다.

공작물 온도（연마열이 공작물 내부로 유입된 후의 온도）

• 정의：연마열이 공작물 내부로 흡수되어 발생한 전체 또는 국부적인 온도입니다.
• 영향：과도한 공작물 온도는 열팽창을 유발해 치수 정밀도가 저하되며, 특히 담금질강은 국부 온도 상승으로 인해 템퍼링이 발생하고 미세 균열이 생길 수 있습니다.

연마 온도의 판정 기준

연마 온도가 연마 결과에 미치는 영향은 연마 현상에 따라 다음 세 가지 측면으로 나눌 수 있습니다:

연마재 소모를 중시할 경우 → 연마입자 연마점 온도가 가장 중요

예시：연삭휠 수명을 연장하려면, 연마입자의 국부 고온을 낮추기 위해 내열성이 더 우수한 연마재를 선택하거나 연마 조건을 조정해야 합니다.

공작물 표면 품질을 중시할 경우 → 연삭휠 연마점 온도가 가장 중요

예시：표면 번, 균열 또는 파손을 방지하려면, 연삭휠과 공작물 접촉면의 평균 온도를 제어하고 냉각 성능을 향상시켜야 합니다.

치수 정밀도를 중시할 경우 → 공작물 온도가 가장 중요

예시：열팽창이 치수 정밀도에 미치는 영향을 줄이려면, 공작물 내부로 유입되는 열의 온도를 중점적으로 제어하여 가공 안정성을 확보해야 합니다.

현재 가장 중시하는 항목에 따라 가공 공정을 어떻게 개선할지 결정할 수 있습니다.

공작물의 평균 온도 상승 계산 방식 (전통 및 슈퍼 연삭휠 공용)

연마 과정에서는 거의 모든 기계 에너지가 열 에너지로 전환됩니다. 이 중 일부 열은 공작물 내부로 흡수되고, 나머지 열은 연마액, 공기, 공작물 척, 센터 등 다양한 방식으로 방출되거나 방산됩니다. 이 두 열량의 차이는 공작물 내에 축적되어 공작물의 온도 상승을 유발하며, 공작물의 열용량(부피 × 밀도 × 비열)을 기준으로 평균 온도 상승을 계산할 수 있습니다.

공작물의 평균 온도 상승 θ를 설정할 때, 단위 시간당 θ의 증가량 dθ/d 는 다음 방정식으로 표현할 수 있습니다：

각 항목 설명：

V: 연삭 속도

Ft: 접선 방향 연삭 저항

R: 열 유입률

Q: 단위 시간당 발생하는 총 연마 열량

Qr: 단위 시간당 공작물 표면에서 손실되는 열량

M: 공작물 질량

A: 발열 면적

c: 비열

J: 열일당량

αh: 공작물 표면의 열전달계수 (냉각 조건에 따라 달라짐)

t=0일 때 공작물의 온도 상승 θ=0입니다. 시간 t가 증가함에 따라 공작물의 평균 온도 θ는 다음 식으로 계산할 수 있습니다：

이 공식은 다음과 같은 의미를 나타냅니다:

• 초기 시점(t → 0)에는 공작물의 온도 상승 속도가 빠릅니다.
• 시간이 지남에 따라, 공작물로 유입되는 열과 방출되는 열이 균형을 이루게 되며, 온도는 결국 평형 온도에 도달하게 됩니다.

열 유입률 R의 특성

• 건식 연마： 0.7 ~ 1.0 수준 (대부분의 열이 공작물에 흡수됨)
• 수용성 연마유 사용 시：0.2 이하로 크게 감소 (우수한 냉각 효과로 인해 열 유입 억제)

표면 열전달 계수 αh의 영향

• 수용성 연마유：열전달계수는 약 0.1~0.5 cal/℃·cm²·sec 수준입니다.
• 공기 유통 없음：열전달계수가 1/10 수준으로 감소하여 냉각 효과가 현저히 저하됩니다.

대량의 연마유로 냉각하는 연마 가공 시, 공작물의 평균 온도 상승은 효과적으로 10℃ 이내로 제어할 수 있습니다.

연마 온도의 제어

1. 냉각 능력이 높은 연마액을 다량 사용：연마 시 발생한 열의 일부는 연삭 칩과 가공액에 의해 제거되므로, 냉각력이 뛰어난 연마액을 사용하면 공작물과 연삭휠의 고온을 효과적으로 분산시켜 감소시킬 수 있습니다.

2. 입자 크기가 크고 결합도가 낮으며 조직이 거친 연삭휠 사용：연삭휠의 결합도와 조밀도는 열 발생에 영향을 주며, 과도하게 조밀한 입자는 열 축적을 유발하여 고온이 되기 쉽습니다. 적절한 재질 선택 및 기공 구조 조정은 열을 줄이면서 가공 효율을 높이는 데 도움이 됩니다.

3.연삭휠 회전 속도 낮추기

4. 절입량 줄이기：절입량이 지나치게 크면 연삭휠 막힘 현상이 발생하기 쉬워, 연삭면에 번이 생기거나 연삭휠이 손상될 수 있습니다. 이러한 현상이 보이면 절입량을 줄이는 것이 좋습니다.

5. 이송 속도(횡이송 속도) 증가：한 지점에 머무는 시간을 줄이면, 공작물의 열 방출이 용이해집니다.

6. 평활화 또는 막힘이 발생한 연삭휠은 즉시 드레싱 필요：기존 가공 조건을 유지하더라도 평활화나 막힘 현상이 발생했다면, 먼저 1단계로 “회전 속도 증가”를 시도하여 연삭휠이 자가 탈막이 가능한지 확인해야 합니다. 효과가 없다면 즉시 드레싱을 권장합니다.

7. 전통 연삭휠에서 슈퍼 연삭휠로 전환 시, 휠이 너무 넓다면 우선 너비를 줄여 전환하는 것을 권장

HONWAY 보충 정보：연삭휠과 공작물의 접촉 면적이 클 경우(예: 내면 연삭), 발생하는 연삭열이 많아져 연마 온도가 상승하게 됩니다. 이러한 경우 공작물의 온도 상승에 특히 주의해야 하며, 과열로 인한 치수 오차, 표면 번 또는 기타 열 손상을 방지해야 합니다.

결론

연마열은 연마 과정 중 기계 에너지가 열 에너지로 전환되어 발생하는 현상이며, 주로 연마재와 공작물 간의 고속 마찰로 인해 발생합니다.

연마열을 효과적으로 제어하기 위해서는 냉각 효과가 우수한 연마액을 사용하고, 적절한 연삭휠을 선택하며, 연삭휠의 회전 속도를 낮추고, 절입량을 줄이며, 이송 속도를 높이고, 연삭휠을 제때 드레싱하는 등 합리적인 대책을 취해야 합니다. 또한, 내면 연삭과 같이 접촉 면적이 큰 연삭 작업에는 냉각 및 방열 대책을 더욱 강화해야 합니다. 연마열을 효과적으로 관리함으로써 공작물의 표면 품질과 치수 정밀도를 확보하고, 가공의 안정성과 연삭휠의 수명을 향상시킬 수 있습니다.

행동

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7. 실행>>>다이아몬드 및 CBN 연삭휠、폴리싱 연마재、폴리싱 장비、폴리싱 공구
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