연삭 중 발생하는 단파문이란 무엇인가요?

정밀 연마 가공에서 공작물의 표면 품질은 공정의 안정성과 장비 정밀도를 평가하는 데 있어 중요한 지표입니다. 그중에서도 단파문은 흔하지만 쉽게 눈에 띄지 않는 표면 결함으로, 뚜렷한 흠집은 아니지만 부품의 맞물림, 광학 반사 특성 또는 후속 코팅 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

단파문은 주로 가공 중 발생하는 미세한 진동이나 회전 불균형에서 비롯되며, 이는 벨트 구동, 주축 씰, 유압 시스템, 기어, 모터 등 다양한 요소와 관련이 있습니다.

연마의 안정성과 최종 제품의 품질을 효과적으로 향상시키기 위해, 본 글에서는 다양한 원인에 대해 체계적으로 설명하고 장비 점검 및 공정 관리에 참고할 수 있도록 정리하였습니다.

연마 중 발생하는 단파문이란?

연마 단파문은 공작물 표면에 나타나는 매우 짧은 간격과 파장이 특징인 규칙적 또는 불규칙적인 무늬를 말합니다. 이러한 무늬는 보통 매우 미세하며 수십 마이크로미터에서 수 밀리미터 범위에 존재하여 육안으로는 쉽게 확인되지 않을 수 있지만, 공작물의 표면 조도와 정밀도에 영향을 미칩니다.

연마 단파문의 주요 특징

• 파장이 짧음: 롱웨이브 마크(long wave marks)에 비해, 단파문은 봉우리와 골짜기 사이의 간격이 매우 짧습니다.
  
  
• 간격이 규칙적 또는 불규칙적임: 무늬의 배열은 일정한 규칙을 가질 수도 있고, 불규칙하게 분포할 수도 있습니다.
• 미세함: 일반적으로 크기가 매우 작아 확대경이나 표면 거칠기 측정 장비를 사용해야 명확하게 식별할 수 있습니다.
• 표면 품질에 영향: 육안으로는 잘 보이지 않더라도, 단파문은 표면 거칠기(Ra, Rz 등)를 증가시켜 후속 가공이나 사용에 영향을 줄 수 있습니다.

단파문의 원인 및 해결 방법

원인 1: 벨트에서 발생하는 진동

벨트 두께가 균일하지 않을 경우, 벨트 구동 과정에서 구동 풀리와 종동 풀리 사이의 중심 거리가 벨트 두께 변화에 따라 미세하게 변동하게 됩니다. 이러한 변동은 주축이 회전하는 동안 미세한 속도 변화나 축 방향 흔들림을 유발하며, 주기적인 기계 진동을 형성하게 됩니다.

연마는 고정밀 가공이기 때문에 이러한 미세한 진동도 공작물 표면에 직접 반영되어 단파문을 유발할 수 있습니다.

벨트 진동으로 인한 문제 해결 방법

• 벨트의 두께가 일정한지 확인하고, 불균일할 경우 품질이 더 좋은 벨트로 교체합니다.
• 벨트 장력을 적절한 범위로 조정하여 너무 느슨하거나 너무 팽팽하지 않도록 합니다.
• V벨트를 사용하는 경우 다음 사항을 점검합니다:
  • 벨트 단면이 풀리 홈과 일치하는지 확인합니다；
  • 필요 시 단면이 더 작은 V벨트를 선택하여 풀리 홈과의 간섭을 줄입니다.
• 풀리의 배열이 동축 및 평행한지 확인하고, 풀리의 홈 각도가 적절한지도 점검하여 편향을 방지합니다.
• 벨트와 풀리 홈의 마모 상태를 정기적으로 점검하고, 필요 시 교체합니다.

원인 2: 기타 기계에서 발생하는 진동

연마기가 구조적으로 양호하더라도, 주변 설비가 작동하면서 발생하는 진동이 연마기로 전달되면 공작물과 연삭휠 사이에 미세한 진동이 발생할 수 있으며, 이로 인해 간헐적인 접촉이 일어나 단파 형태의 흔적이 생길 수 있습니다.

(미세 진동 → 간헐적 접촉 발생 → 단파 흔적 유발)

스윙 직경이 큰 연마기에서는 공작물과 연삭휠이 지지면 위에 높이 떠 있는 구조이므로, 특수한 기초 설비가 없을 경우 외부 진동에 쉽게 영향을 받을 수 있습니다.

기계 본체에서 발생한 진동인지 여부를 판단하는 방법

연마기의 작동을 멈춘 후, 다음과 같은 방법으로 기계 본체나 환경으로부터 오는 진동원을 확인할 수 있습니다:

• 기계의 고정된 한 부위에 인디케이터를 설치하여, 지침이 비정상적으로 흔들리는지 관찰합니다.
  
  
• 연삭휠 스핀들의 외부 케이싱 위에 물이 담긴 컵을 놓고, 수면에 지속적인 파동이 발생하는지 관찰합니다. 만약 기계가 작동하지 않는 상태에서 이상 진동이 감지된다면, 해당 진동은 기계 외부 환경에서 비롯된 것이라 판단할 수 있습니다.

롤러의 연마에 사용되는 세립도, 연한 결합도의 연삭휠에 대한 조건 조정 제안

세립도（fine grit）및 연한 결합도（soft bond）의 연삭휠을 사용하여 롤러를 연마하는 경우, 단파 흔적이 발생하거나 가공이 불안정할 경우에는 다음과 같은 대책을 고려할 수 있습니다:

• 연삭휠의 회전 속도를 기존 설정값의 60%에서 70% 수준으로 낮춥니다.
  • 연삭휠의 속도를 낮추면 가공 중의 절삭력 변화 및 열변형을 줄일 수 있어, 연마 안정성이 향상되고 단파 흔적의 발생을 억제할 수 있습니다.

원인 3: 유압 시스템의 진동

연마기 작동 중 유압 펌프나 릴리프 밸브(Relief Valve)가 오작동할 경우, 유압 시스템의 압력이 불안정해지며 주기적 또는 간헐적인 진동이 발생할 수 있습니다. 이러한 진동은 주축 또는 작업대로 전달되어 공작물 표면에 단파 흔적을 형성하게 됩니다.

유압 고장을 판단하는 방법

• 릴리프 밸브를 매우 낮은 압력으로 조정해야만 시스템이 안정적으로 작동하는 경우, 해당 유압 유닛이 고장났거나 심하게 마모되었을 가능성이 있습니다.
• 유압 시스템 각 유닛에 명확한 이상 현상이 있는 경우, 고장 부품을 하나씩 점검하고 교체하여 근본적인 원인에 맞는 대처를 해야 합니다.

기타 관련 가능성

유압 유닛 자체 외에도 다음과 같은 부위에 이상이 있는지 확인해야 합니다:

• 커플링(Coupling)의 배열 및 정심 상태: 편심되었거나 느슨한 경우 진동이 발생할 수 있습니다.
• 냉각 펌프의 작동 상태: 냉각 펌프에 이상이 생기면 유체 압력의 불안정으로 인해 시스템 전체의 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

원인 4: 모터에서 발생하는 진동

모든 모터의 진동 상태를 전반적으로 점검합니다.

• 진동계나 손의 감각으로 진동을 초보적으로 판단한 후, 이상 진동에 대해 추가적인 정밀 검사를 실시합니다.

특정 모터에서 진동 현상이 발견되었을 경우, 다음과 같은 절차로 점검할 수 있습니다:

1. 베이스에 제대로 고정되어 있는지 여부: 모터가 단단히 고정되어 있지 않으면, 작동 중 공진 및 편심이 발생할 수 있습니다.
2. 풀리의 균형 상태: 불균형한 풀리는 편심 회전을 유발하며, 그에 따른 진동이 발생할 수 있습니다. 동적 밸런서(동평형기)를 사용하여 점검 및 조정이 가능합니다.
3. 모터 축이 편심되었거나 정심 상태가 불량한지 여부: 축이 휘었거나 커플링 등 연결 축과의 정심이 맞지 않을 경우 진동이 발생할 수 있습니다. 필요시 축 정렬(축심 교정)을 실시합니다.

원인 5: 체인과 스프로킷에서 발생하는 진동

연마 설비에서 작업 구동 기구로 체인과 스프로킷을 사용하는 경우, 전달 불안정으로 인해 공작물 표면에 단파 형태의 물결무늬(short periodic waviness)가 발생하지 않도록 다음 사항에 특별히 주의해야 합니다:

1. 스프로킷의 다각형 효과 (Polygonal Effect)
   • 스프로킷의 실제 운동은 완전한 원형이 아니라 다각형 형태의 운동 궤적을 가지며, 이를 “다각형 효과”라고 합니다. 이로 인해 체인이 전달하는 순간 속도에 주기적인 변화가 발생합니다.
   • 구동 스프로킷의 크기(치수)가 클수록, 즉 톱니 수가 많을수록 이러한 속도 변화 효과가 작아지며, 회전의 안정성이 향상됩니다.
   • 톱니 수가 적은 구동 스프로킷을 사용하거나 체인의 각도 변화가 큰 경우, 공작물 회전에 미세한 주기적 변동이 발생하여 연마 중 단파 흔적이 생기기 쉽습니다.
2. 체인 장력 조정
   • 체인의 적절한 장력을 유지하면 구동의 안정성에 도움이 되며, 체인의 느슨함이나 튀는 현상으로 인한 가공 불균일을 줄일 수 있습니다.
   • 장력이 너무 느슨하면 치받음 및 충격이 발생하고, 반대로 너무 팽팽하면 부하가 증가하며 진동을 유발할 수 있습니다.

부품 마모 점검 및 교체

• 진동이 체인 또는 스프로킷의 심각한 마모(예: 신장, 치형 변형, 편심 등)로부터 비롯된 경우, 즉시 새 부품으로 교체하여 구동 안정성을 회복해야 합니다.
• 주기적으로 윤활 및 장력 점검을 실시하면 수명을 연장하고 불안정한 요소를 줄일 수 있습니다.

원인 6: 주축대의 밀봉이 너무 단단함

연마 설비에서 주축대에 펠트(모펠트) 또는 기타 씰링 소재를 방진 또는 방유 구조로 사용할 경우, 씰링 압력이 과도하지 않은지 주의해야 합니다.

씰링 재료가 지나치게 조여졌을 때의 영향:

• 씰링이 과도하게 조여지면, 심축(주축)에 저항이 발생하여 일종의 “제동” 효과를 유발합니다.
• 이 저항은 주축의 정상적인 회전을 방해하게 되며, 벨트 장력이 적절하거나 다소 느슨한 경우에도 이상 동작이 나타날 수 있습니다.

※ 벨트가 느슨한 상태에서 손으로 패널을 쉽게 회전시킬 수 있어야 정상 상태입니다.

씰링 재료가 과도하게 조여졌을 때의 증상

씰링이 너무 조여진 경우, 벨트가 느슨하더라도 주축 회전에 간헐적인 저항이 발생합니다:

• 벨트가 너무 팽팽할 경우: 주축의 운동이 튀는 듯한 불규칙한 움직임(jerky motion)을 보입니다.
• 벨트가 느슨할 경우: 주축의 회전 속도가 저하되거나 심한 경우 회전이 멈출 수 있습니다.
• 이러한 현상은 한 바퀴 회전할 때마다 여러 차례 반복되어, 불규칙하거나 주기적인 회전 간섭이 발생하게 됩니다.

씰링 재료가 너무 조여졌을 때의 해결 방법

• 주축의 씰링 압력을 점검하여, 씰링 재료가 적절하게 접촉되고 과도한 마찰력이 발생하지 않도록 확인합니다.
• 펠트류 씰링을 사용하는 경우, 그 압축량과 윤활 상태를 함께 고려해야 합니다.
• 테스트 시 벨트를 느슨하게 풀고, 손으로 주축을 회전시켜 이상 저항 없이 원활하게 회전하는지 확인합니다.
• 필요한 경우, 마찰 계수가 낮은 씰링 소재로 교체하거나, 설치 방식을 조정하여 압박을 줄이는 방법을 고려할 수 있습니다.

원인 7: 불완전한 기어 작용

기어 구동으로 공작물을 회전시키는 연마기에서는, 기어의 작동이 불완전하거나 불안정할 경우, 공작물 회전의 접촉 균일도에 직접적인 영향을 미쳐 단파 흔적이 발생할 수 있습니다.

자주 발생하는 이상 현상

• 기어 맞물림이 불완전하거나 동작이 불연속적인 경우, 공작물 회전 속도에 미세하지만 지속적인 변화가 발생합니다.
• 이러한 변화는 연삭휠이 특정 지점에서는 접촉 시간이 길어지고, 다른 지점에서는 빠르게 지나치게 되어, 표면의 가공량에 불균일이 생기게 됩니다.

신규 및 기존 기어의 맞물림 문제

신규 기어의 초기 부적절한 결합:

• 문제가 새로 교체한 기어에서 발생한 경우, 표면의 미세한 간섭이나 가공 흔적으로 인해 맞물림이 원활하지 않을 수 있습니다.
• 소량의 연한 연마재가 혼합된 윤활유를 사용하여 수작업으로 기어 면을 러핑하면, 기어 치면의 적응을 촉진할 수 있습니다.

※주의: 러핑 과정에서는 연마재가 너무 거칠지 않도록 하고, 과도한 힘을 가하지 않도록 주의해야 하며, 그렇지 않으면 기어의 치형이 왜곡되거나 정밀도가 손상될 수 있습니다.

기어가 마모되었거나 손상된 경우:

• 기어에 명확한 마모, 피칭, 이빨 파손, 편심 등의 현상이 있을 경우, 전달 안정성이 더욱 악화됩니다.
• 이럴 경우, 기어를 교체하여 추가적인 가공 품질 저하를 방지해야 합니다.

결론

단파 흔적은 연마 가공 중 자주 발생하는 표면 결함으로, 그 원인은 대개 기계 진동이나 구동 시스템의 불안정성과 관련이 있습니다. 벨트 두께 불균일, 모터 또는 체인 진동, 주축 씰링 과도 조임, 기어 구동 불량 등 다양한 요소들이 공작물 회전의 주기적 변화를 유발할 수 있으며, 이로 인해 연삭휠이 공작물 표면에 불균일하게 접촉하게 되어 단파 흔적이 형성됩니다. 따라서 단파 흔적을 예방하고 개선하기 위해서는 전체 구동 시스템과 진동 원인을 중심으로 하나씩 점검하고 교정해야 합니다. 구동의 안정성 확보, 기계 구조의 충분한 강성 확보, 적절한 연삭휠 조건과 가공 파라미터 적용이 중요합니다. 이와 같은 체계적인 점검과 유지보수를 통해 공작물의 표면 품질을 효과적으로 향상시키고, 재작업 및 불량률 증가를 방지할 수 있습니다.

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