우수한 표면 조도를 위한 연삭 5가지 핵심 팁

정밀 CNC 생산 연삭은 부품에 엄격한 기하 공차와 품질 표면 조도가 요구될 때 빛을 발합니다. 일반적으로 32 마이크로인치 Ra에서 4.0 마이크로인치 Ra 이상, 심지어 그 이하의 표면 조도 달성이 요구됩니다. 비교하자면 전통적인 밀링이나 터닝은 약 125~32 마이크로인치 Ra 정도를 달성합니다.

현재 표면 조도를 20 마이크로인치 Ra에서 17 마이크로인치 Ra로 개선하는 게 목표라면 단순히 휠 속도를 높이거나 이송 속도를 약간 낮추는 것만으로도 충분할 수 있습니다. 하지만 더 미세한 표면 조도가 필요하다면 다음 5가지 요소를 다뤄야 합니다.

1) 연삭 운전 파라미터

연삭 파라미터 조정은 부품 표면 조도 개선에 가장 쉽고 빠른 해결책이 될 수 있습니다. 성공적인 개선을 위한 핵심 파라미터와 권장 조치입니다.

이 부품은 초연마재 휠 사용과 공정 최적화(본문 권장 사항 모두 적용)로 3.0 마이크로인치 Ra 표면 조도를 달성했습니다. 사진 제공: 노턴 | 생고뱅 어브레이시브(Norton | Saint-Gobain Abrasives).

크리프 피드/평면 연삭:

• 휠 속도 증가. 좋은 시작점입니다. 다만 휠이 새 속도로 정격되었는지 확인해야 합니다. 최대 작동 속도(MOS)는 휠 측면에 표기됩니다.
• 이송 속도 감소.
• 절입 깊이 감소.
• 스파크 아웃 패스(spark-out passes) 횟수 증가.

외경(OD)/내경(ID) 연삭:

• 휠 속도 증가. 앞서 언급했듯 휠이 새 속도로 정격되었는지 확인해야 합니다. 최대 작동 속도는 휠 측면에 표기됩니다.
• 회전당 절입 깊이 감소.
• 공작물 속도(rpm) 감소: 절입 깊이를 유지하기 위해 이송 속도 조정이 필요할 수 있습니다.
• 체류/스파크 아웃 시간 증가.
• 오실레이션(oscillation) 사용 (플런지 ID 연삭에서 일반적인 관행).

오늘날 많은 연삭 머신은 가변 속도 컨트롤러를 갖추고 있어 CNC 프로그램 편집이나 스핀들 속도 컨트롤러 조정으로 휠 속도 변경이 간편합니다. 다른 머신은 풀리와 벨트를 수동으로 교체해야 할 수도 있습니다.

이송 속도 감소도 CNC 프로그램 편집이나 이송 속도 컨트롤러 조정으로 가능합니다. 하지만 이 방식은 사이클 타임 증가를 초래할 수 있어, 사이클 타임이 중요한 양산 작업에서는 바람직하지 않을 수 있습니다. 사이클 타임이 크리티컬하지 않은 애플리케이션에서는 이송 속도 감소가 공작물 표면 조도 개선에 좋은 옵션이 될 수 있습니다.

휠 속도를 높이고 절입 깊이와 이송 속도를 줄이면 휠이 무뎌질 수 있습니다. 이는 공작물 열손상 가능성을 높이고 연삭 힘을 증가시킬 수 있으므로, 이러한 파라미터 조정 시 다른 문제를 유발하지 않도록 주의해야 합니다.

2) 연삭 휠 드레싱

일반 및 초연마 연삭 휠 모두 드레싱 조건을 조절해 표면 조도 개선에 활용할 수 있습니다. 이는

드레스 리드(dress lead)는 휠이 한 회전하는 동안 이동하는 거리입니다.

일반적으로 드레스 트래버스 속도를 늦추고/또는 드레싱 중 패스당 깊이를 줄여 수행합니다. 드레싱 깊이를 줄이면 드레싱 작용이 덜 공격적이 되어 휠 면이 더 매끄러워지며, 이는 일반적으로 공작물 표면 조도 개선으로 이어집니다. 드레스 트래버스 속도를 줄이면 드레스 리드가 감소하는데, 이는 휠이 한 회전하는 동안 이동하는 거리입니다. 드레스 리드는 드레싱 툴이 휠 페이스를 가로지르는 모든 드레싱 공정에 적용 가능합니다. 단, 플런지 드레싱에는 적용되지 않습니다. 리드 조정은 기존 공정의 표면 조도 개선에 좋은 방법입니다.

표 1. 오버랩 비율(overlap ratio) 선정 시 고려할 가이드라인입니다.

새 공정 개발이나 드레싱 툴 타입 변경 시 드레싱 오버랩 비율(드레서 폭 고려)을 계산하는 것이 가장 좋습니다. 오버랩 비율은 드레서가 휠 페이스를 가로지르는 동안 휠 페이스의 임의 지점이 드레서 페이스와 접촉하는 횟수입니다.

드레싱 오버랩 비율은 휠 페이스 표면 상태를 결정합니다. 이는 결국 공작물 표면 거칠기를 결정합니다. 오버랩 비율이 증가하면 드레서가 휠의 같은 그릿을 더 많이 때리게 되어 휠 표면에 미세한 토포그래피가 형성됩니다. 이는 휠 페이스를 무디고 클로즈드(closed)하게 만들어 공작물 표면 조도를 더 미세하게 만듭니다.

드레싱 오버랩 비율은 휠 페이스 표면 상태를 결정합니다.

표 2. 리드와 오버랩 비율 결정을 위한 공식입니다.

하지만 매우 미세한 드레싱 후 휠 페이스가 너무 클로즈드되지 않도록 주의해야 합니다. 클로즈드 휠 페이스는 휠 표면이 무뎌져 연삭 파워가 높아지고 공작물 열손상을 유발할 수 있습니다. 표 2는 리드와 오버랩 비율 결정 공식입니다.

3) 연삭 휠 조성: 그릿 크기

연삭 휠 그릿 크기는 표면 조도에 직접적 영향을 미칩니다. 그릿 크기가 클수록 조도가 거칠어집니다. 공작물의 조도 요구사항에 따라 올바른 그릿 크기 선정이 중요합니다. 표 3은 다양한 조도 요구사항에 따른 그릿 타입, 크기, 제안 사항을 보여줍니다.

표 3. 연삭 휠 그릿 크기 축소로 표면 조도 개선 가능. CBN 및 다이아몬드 연삭 휠에서 원하는 조도에 따른 그릿 크기 선택 가이드.

그릿 크기 변경 전, 덜 공격적인 파라미터로 휠 드레싱을 시도하는 것이 좋습니다. 그릿 크기를 줄이면 이송 속도도 낮춰야 해 사이클 타임이 증가할 수 있습니다. 미세 그릿은 거친 그릿만큼 높은 소재 제거율을 낼 수 없습니다. 또한 미세 그릿 사용 시 공작물에 열손상이 유발될 수 있습니다.

일반 연마 휠 조성은 연마재 타입과 크기, 휠 구조(입자 간격), 등급(본드 경도), 본드 타입으로 구성됩니다. 초연마 휠 조성은 연마재 타입과 크기, 연마재 농도, 본드 등급과 타입으로 구성됩니다. 일반 연마재로는 산화알루미늄, 탄화규소, 세라믹 연마재가 있고, 초연마재로는 다이아몬드와 입방정 질화붕소(cBN)가 있습니다.

더 미세한 그릿 휠 주문 전, 연삭 휠 제조사/유통사에 문의해 애플리케이션에 최적의 휠 조성을 찾는 것이 좋습니다.

4) 쿨런트 공급

쿨런트 공급이 불충분하면 연삭 칩이 연삭 존(grinding zone)으로 재유입될 수 있습니다. 칩은 공작물에 스크래치를 유발하는데, 이는 ID 연삭에서 흔히 경험합니다. 쿨런트 노즐이 연삭 존을 정확히 겨냥하고 충분한 유량과 압력으로 칩을 영역 밖으로 플러싱하는 것이 중요합니다. 연삭 존 전체를 정확히 타겟팅하는 것이 부품 전체에 일관된 표면 조도 달성의 열쇠가 될 수 있습니다. 고소재 제거율 공정에서는 휠 속도에 맞춰 쿨런트 압력을 조절해 부품 버닝을 방지해야 할 수도 있습니다. 이는 연삭 존에서 칩 제거에도 도움이 됩니다.

스크러버 노즐(scrubber nozzles)은 일반적으로 고압(500~1,000psi), 저유량 노즐로 연삭 존 후방을 겨냥해 휠 구조에서 칩을 제거합니다.

칩이 연삭 휠에 달라붙는 경우도 있습니다. 이는 더 공격적인 연삭이나 특정 금속 가공 시 발생할 수 있습니다. 이런 애플리케이션에서는 스크러버 노즐이 필요할 수 있습니다. 스크러버 노즐은 일반적으로 고압(500~1,000psi), 저유량 장치로 연삭 존 후방을 겨냥해 휠 구조에서 칩을 제거합니다.

표 4. 카바이드 연삭 시 일반적인 경험칙: 휠 그릿 크기의 10%보다 큰 입자를 포집하는 필터 사용.

하지만 ID 연삭에서는 보어 내 공간 제약으로 스크러버 노즐이 답이 되지 못할 수 있습니다. 이런 경우 플러드 쿨런트를 사용해야 합니다. 반면 OD 및 크리프 피드/평면 연삭에서는 부품이나 픽스처 간섭 없이 스크러버 노즐을 종종 적용할 수 있습니다.

불량한 쿨런트 필터링도 표면 조도 저하나 부품 표면 스크래치 원인이 될 수 있습니다. 입자가 걸러지지 않으면 쿨런트와 함께 연삭 존으로 다시 펌핑됩니다. 필터링이 스크래치와 불량 조도의 원인으로 의심되면 더 미세한 미크론 필터가 필요할 수 있습니다. 카바이드 연삭의 일반적인 경험칙은 휠 그릿 크기의 10% 이상 입자를 최소한 걸러내는 필터 사용입니다(표 4 참조).

쿨런트 타입도 윤활성이 휠 마모에 미치는 영향으로 표면 조도에 영향을 줄 수 있습니다. 스트레이트 오일 쿨런트는 일반적으로 휠 마모를 줄여 더 일관된 표면 조도를 촉진합니다.

5) 머신 상태

연삭 머신 관련 요소도 공작물 표면 조도에 영향을 줍니다. 주요 사항:

휠/허브 어셈블리 밸런스: 연삭 휠 어셈블리가 허용 수준으로 밸런싱되지 않으면 채터(chatter)나 불량 표면 조도가 발생할 수 있습니다. 밸런싱은 정적 밸런서, 동적/수동 밸런서, 머신 장착형 오토 밸런서 등으로 수행 가능합니다. 요구 공작물 정밀도와 표면 조도에 따라 장비 유형이 결정됩니다.

연삭 스핀들에 직접 장착된 오토 밸런서 시스템이 최상의 밸런싱 옵션입니다. 이 시스템은 허브 내 무게를 자동 이동시켜 휠/허브 언밸런스를 상쇄합니다. 오토 밸런서는 크리프 피드 및 OD 타입 같은 대형 머신에 한정되어 소구경 휠에는 비현실적입니다.

차선책은 동적/수동 타입 밸런싱 시스템으로, 모든 머신 유형에 사용 가능합니다. 머신상에서 휠/허브 어셈블리를 직접 밸런싱하지만 밸런싱 웨이트 수동 이동이 필요합니다.

머신 외부에서 수행되는 정적 밸런싱은 달성 가능한 밸런싱 레벨에 한계가 있습니다. 하지만 안 하는 것보단 낫고, 일부 애플리케이션에서는 충분히 작동합니다.

모든 휠이 밸런싱을 필요로 하진 않습니다. 저질량의 소형 휠은 문제가 되는 언밸런스를 만들 무게가 없습니다. 따라서 매우 높은 속도로 회전하거나 머신/시스템(퀼)이 딱딱하지 않은 경우가 아니면 밸런싱 불필요합니다. 저정밀도나 황삭용 휠도 밸런싱이 필요 없을 수 있습니다.

머신 강성: 머신 강성 부족은 공작물 품질 저하로 이어집니다. 시간이 지나며 스핀들 베어링이 마모되어 느슨해질 수 있습니다. 머신 크래시로 베어링이 손상될 수도 있습니다. 가능하면 스핀들 베어링을 진동 분석 장비로 주기적 또는 지속적으로 모니터링해야 합니다. 이 장비는 스핀들 베어링 임박 이슈를 예측해 공작물 품질 저하를 방지하는 훌륭한 도구입니다. 불량한 픽스처와 클램핑 방식도 진동이나 변위를 유발해 결국 표면 조도 불량으로 이어집니다.

드레싱 시스템: 휠을 올바르게 드레싱하는 것은 좋은 표면 조도 달성에 필수적이므로 드레싱 시스템 상태가 양호해야 합니다. 고정 툴은 손상되거나 마모되면 교체해야 합니다. 연삭 스핀들 같은 회전 툴은 과도한 진동, 런아웃, 움직임 여부를 점검해야 합니다.

머신 툴 유지보수: 머신 툴 공급업체의 정기 윤활, 압축 공기 품질 모니터링, 필터 교체 주기 등 지침을 따르는 것이 중요합니다. 휠 허브와 아버, 픽스처, 고정 장치, 테일스톡 센터 등의 손상 여부도 점검해야 합니다. 이러한 머신 구성 요소 검사는 숍의 일일 예방 정비 루틴에 포함되어야 합니다.

정기 유지보수 외에도 많은 기업이 이제 상태 기반 모니터링(CBM) 같은 유지보수 프로그램을 도입합니다. 가속도계, 온도계, 압력계 등 센서로 머신을 모니터링합니다. 이 예측 정비는 센서 수집 데이터로 트렌드를 설정하고 고장을 예측하며 베어링 등 부품 교체 시기를 결정하는 데 도움을 줍니다.

가속도계가 연삭 스핀들에 장착되어 진동 레벨을 점검할 준비가 되었습니다.

노턴|생고뱅 어브레이시브(Norton|Saint-Gobain Abrasives) | nortonabrasives.com/en-us

저자 소개

존 헤이건(John Hagan)은 수석 애플리케이션 엔지니어, 마크 마틴(Mark Martin)은 애플리케이션 엔지니어로 노턴|생고뱅 어브레이시브에 재직 중입니다.