최상의 표면 조도를 위한 연삭 5대 핵심 기술

표면 조도 개선은 다음 포인트 중 하나 이상을 조정하여 달성할 수 있습니다: 운전 파라미터, 휠 드레싱, 입도, 냉각수 공급, 기계 상태.

정밀 CNC 생산 연삭은 부품이 엄격한 기하 공차와 우수한 표면 조도를 요구할 때 빛을 발합니다. 일반적으로 32 마이크로인치 Ra에서 4.0 마이크로인치 Ra 또는 그 이하의 표면 조도가 요구됩니다. 비교하자면, 전통적인 밀링이나 선삭 작업은 약 125~32 마이크로인치 Ra의 조도를 달성할 수 있습니다.

현재 표면 조도를 20 마이크로인치 Ra에서 17 마이크로인치 Ra로 개선하는 것이 목표라면, 단순히 휠 속도를 높이거나 이송률을 약간 낮추는 것만으로 충분할 수 있습니다. 그러나 더 미세한 표면 조도가 필요하다면 다음 5가지 요소를 다뤄야 합니다.

1) 연삭 운전 파라미터

연삭 파라미터 조정은 부품 표면 조도 개선을 위한 가장 쉽고 빠른 해결책이 될 수 있습니다. 성공적인 개선을 위한 주요 파라미터와 권장 조치는 다음과 같습니다.

크리프 피드/평면 연삭:

• 휠 속도 증가. 좋은 시작점입니다. 단, 휠이 새로운 속도로 정격되어 있는지 확인하세요. 최대 작동 속도(MOS)는 휠 측면에 표시됩니다.
• 이송률 감소.
• 절삭 깊이 감소.
• 스파크아웃 패스 수 증가.

외경(OD)/내경(ID) 연삭:

• 휠 속도 증가. 앞서 언급했듯 휠이 새로운 속도로 정격되어 있어야 합니다. 최대 작동 속도는 휠 측면에 표시됩니다.
• 회당 절삭 깊이 감소.
• 공작물 속도(rpm) 감소: 회당 깊이를 유지하기 위해 인피드 속도 조정이 필요할 수 있습니다.
• 드웰/스파크아웃 시간 증가.
• 진동(플런지 ID 연삭에서 흔한 관행) 사용.

오늘날 많은 연삭기에는 가변 속도 컨트롤러가 있어 CNC 프로그램 편집이나 스핀들 속도 컨트롤러 조정으로 휠 속도 변경이 가능합니다. 다른 기계는 풀리와 벨트를 수동으로 교체해야 할 수도 있습니다.

이송률 감소도 CNC 프로그램 편집이나 이송률 컨트롤 조정으로 가능합니다. 하지만 이 접근법은 사이클 타임을 늘릴 수 있으며, 사이클 타임이 중요한 양산 작업에서는 좋은 선택이 아닐 수 있습니다. 사이클 타임이 중요하지 않은 용도에서는 이송률 감소가 공작물 표면 조도 개선에 좋은 옵션이 될 수 있습니다.

휠 속도를 높이고 절삭 깊이와 이송률을 줄이면 휠이 무뎌질 수 있습니다. 이는 공작물 열손상 가능성을 높이고 연삭 힘을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 다른 문제를 공정에 도입하지 않도록 파라미터 조정 시 주의해야 합니다.

2) 연삭 휠 드레싱

일반 및 초연마 휠 모두의 드레싱 조건을 조작해 표면 조도 개선에 도움을 줄 수 있습니다. 이는 일반적으로 드레싱 순회 속도를 늦추고/또는 드레싱 시 패스당 깊이를 줄여 수행합니다. 드레싱 깊이를 줄이면 드레싱 작용이 덜 공격적이 되어 더 매끄러운 휠 면이 생성되고, 이는 일반적으로 공작물 표면 조도를 개선합니다. 드레싱 순회 속도를 줄이면 드레싱 리드(휠 한 회전당 드레싱 툴이 이동하는 거리)가 줄어듭니다. 드레싱 리드는 드레싱 툴이 휠 면을 가로지르는 모든 드레싱 공정에 적용할 수 있습니다. 단, 플런지 드레싱 작업에는 적용되지 않습니다. 리드 조정은 기존 공정의 표면 조도 개선에 좋은 방법입니다.

새 공정 개발이나 드레싱 툴 타입 변경 시 드레싱 오버랩 비율(드레서 폭 고려)을 계산하는 것이 가장 좋습니다. 오버랩 비율은 드레서가 휠 면을 가로지르는 동안 휠 면의 한 점이 드레서 면과 접촉하는 횟수입니다(표 1).

드레싱 오버랩 비율은 휠 면의 표면 상태를 결정합니다. 이는 결국 공작물의 표면 거칠기를 결정합니다. 오버랩 비율이 증가하면 드레서가 휠의 같은 그릿을 더 많이 때려 휠 표면에 미세한 토포그래피를 만듭니다. 이는 휠 면을 무디고 닫히게 하여 공작물에 더 미세한 표면 조도를 만듭니다.

그러나 매우 미세한 드레싱 후 휠 면이 너무 닫히지 않도록 주의해야 합니다. 닫힌 휠 면은 휠 표면이 무뎌져 연삭 동력이 높아지고 공작물 열손상을 유발할 수 있습니다. 표 2는 리드와 오버랩 비율 결정 공식입니다.

3) 연삭 휠 구성: 입도(Grit Size)

연삭 휠 입도는 표면 조도에 직접적인 영향을 미칩니다. 입도가 클수록 조도는 거칠어집니다. 공작물의 마감 요구사항에 따라 올바른 입도를 선택하는 것이 중요합니다. 표 3은 입도 유형, 크기 및 다양한 마감 요구사항에 대한 제안을 보여줍니다.

입도 변경 전, 덜 공격적인 파라미터로 휠을 드레싱해 보는 것이 좋습니다. 입도를 줄이면 이송률도 줄여야 할 가능성이 높고, 결과적으로 사이클 타임이 증가할 수 있습니다. 더 작은 입도는 더 거친 입도만큼 높은 제거율로 소재를 제거할 수 없습니다. 또한 더 작은 입도 사용 시 공작물에 열손상이 유도될 수 있습니다.

일반 연마 휠의 구성은 연마재 유형과 크기, 휠 구조(입자 간격), 등급(본드 경도), 본드 유형을 포함합니다. 초연마 휠 구성은 연마재 유형과 크기, 연마재 농도, 본드 등급과 유형을 포함합니다. 일반 연마재에는 산화알루미늄, 탄화규소, 세라믹 연마재가 있고, 초연마재에는 다이아몬드와 입방정 질화붕소(cBN)가 있습니다.

더 작은 입도의 휠을 주문하기 전, 연삭 휠 제조사/유통업체에 문의해 용도에 가장 적합한 휠 구성을 찾는 것이 좋습니다.

4) 냉각수 공급

냉각수 공급이 불충분하면 연삭 칩이 연삭 구역으로 재유입될 수 있습니다. 칩은 공작물에 스크래치를 유발하는데, 이는 ID 연삭에서 흔히 경험합니다. 냉각수 노즐이 연삭 구역을 정확히 향하고 있으며, 칩을 구역 밖으로 플러싱하기에 충분한 냉각수 유량과 압력이 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 연삭 구역 전체를 정확히 타겟팅하는 것이 부품 전체에 일관된 표면 조도를 달성하는 열쇠가 될 수 있습니다. 높은 제거율 공정에서는 휠 속도에 맞춰 냉각수 압력을 조정해 공작물 타는 것을 방지해야 할 수도 있습니다. 이는 연삭 구역에서 칩 제거에도 도움이 됩니다.

칩이 연삭 휠에 달라붙는 경우도 있습니다. 이는 더 공격적인 연삭 시나 특정 금속을 연삭할 때 발생할 수 있습니다. 이런 용도에서는 스크러버 노즐이 필요할 수 있습니다. 스크러버 노즐은 일반적으로 고압(500~1,000 psi), 저유량 장치로 연삭 구역 후면을 향해 칩을 휠 구조에서 제거합니다.

스크러버 노즐은 부품 보어 내 제한된 공간 때문에 ID 연삭에는 적합하지 않을 수 있습니다. 이런 경우 플러드 냉각수를 사용해야 합니다. 하지만 OD 및 크리프피드/평면 연삭에서는 부품이나 고정구 간섭 없이 스크러버 노즐을 구현할 수 있는 경우가 많습니다.

냉각수 여과 불량도 표면 조도에 악영향을 미치거나 부품 표면에 스크래치를 유발할 수 있습니다. 입자가 걸러지지 않으면 냉각수와 함께 연삭 구역으로 다시 펌핑될 수 있습니다. 여과가 스크래치와 불량 마감의 원인으로 의심되면 더 작은 미크론 필터가 필요할 수 있습니다. 예를 들어 초경 연삭의 경험칙은 휠 입도의 10% 이상 크기 입자를 최소한 걸러내는 필터를 사용하는 것입니다(표 4 참조).

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표 4. 초경 연삭의 경험칙: 휠 입도의 10%보다 큰 입자를 포집하는 필터 사용.

냉각수 유형도 표면 조도에 영향을 줄 수 있습니다. 주로 윤활성이 휠 마모에 미치는 영향 때문입니다. 스트레이트 오일 냉각수는 일반적으로 휠 마모를 낮춰 더 일관된 표면 조도를 촉진합니다.

5. 기계 상태 (MACHINE CONDITION)

연삭기 관련 요인들이 공작물 표면 조도에 영향을 줄 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

휠/허브 어셈블리 밸런스: 연삭 휠 어셈블리가 허용 가능한 수준으로 밸런싱되지 않으면 채터 및/또는 불량 표면 조도가 발생할 수 있습니다. 밸런싱은 정적 밸런서, 동적/수동 밸런서, 기계에 장착된 자동 밸런서 같은 장비로 수행할 수 있습니다. 요구되는 공작물 정밀도와 표면 조도가 사용할 장비 유형을 결정합니다.

연삭 스핀들에 직접 장착된 자동 밸런서 시스템이 최상의 밸런싱 옵션입니다. 이 시스템은 허브 내의 추를 자동으로 이동시켜 휠/허브 불균형을 상쇄합니다. 자동 밸런서는 크리프피드 및 OD 타입 같은 대형 기계에 한정되어 소구경 휠에는 실용적이지 않습니다.

다음으로 좋은 방법은 동적/수동 타입 밸런싱 시스템으로, 모든 유형의 기계에 사용할 수 있습니다. 기계에서 직접 휠/허브 어셈블리를 밸런싱하지만 밸런싱 추를 수동으로 이동해야 합니다.

기계 밖에서 수행하는 정적 밸런싱은 달성 가능한 밸런싱 레벨에 한계가 있습니다. 하지만 밸런싱 안 하는 것보단 낫고, 일부 용도에서는 잘 작동합니다.

모든 휠이 밸런싱을 필요로 하는 건 아닙니다. 질량이 낮은 일부 소구경 휠은 문제가 될 불균형을 만들 무게가 없습니다. 따라서 이 소구경 휠이 매우 높은 속도로 회전하거나 기계/시스템(퀼)이 딱딱하지 않은 경우가 아니라면 밸런싱은 불필요합니다. 저정밀도나 황삭 용도로 쓰이는 휠도 밸런싱이 필요 없을 수 있습니다.

기계 강성: 불량한 기계 강성은 불량한 공작물 품질로 이어질 수 있습니다. 시간이 지나면 스핀들 베어링이 마모되어 느슨해질 수 있습니다. 기계가 충돌했다면 베어링이 손상될 수도 있습니다. 가능한 한 진동 분석 장비로 스핀들 베어링을 주기적 또는 지속적으로 점검해야 합니다. 이 장비는 스핀들 베어링의 임박한 문제를 예측해 공작물 품질 저하를 방지하는 훌륭한 도구입니다. 불량한 고정구와 클램핑 방법도 진동이나 처짐을 유발해 결국 불량 표면 조도로 이어집니다.

드레싱 시스템: 휠을 올바르게 드레싱하는 것은 좋은 표면 조도 달성에 필수적이므로 드레싱 시스템은 양호한 상태여야 합니다. 고정식 툴은 손상되거나 마모되면 교체해야 합니다. 연삭 스핀들 같은 회전식 툴은 과도한 진동, 런아웃, 움직임이 있는지 점검해야 합니다.

공작기계 유지보수: 공작기계 공급업체의 정기 윤활, 압축 공기 품질 모니터링, 필터 교체 주기 등 지침을 따르는 것이 중요합니다. 휠 허브와 아버, 고정구, 스테디 레스트, 테일스톡 센터 등을 손상 여부 점검해야 합니다. 이러한 기계 부품 점검은 작업장의 일일 예방 정비 루틴에 포함되어야 합니다.

정기 유지보수 외에도 많은 기업이 이제 상태 기반 모니터링(CBM) 같은 유지보수 프로그램을 구현합니다. 기계가 가속도계, 온도계, 압력계 같은 센서로 모니터링됩니다. 이 예측 정비는 센서에서 수집된 데이터로 추세를 수립하고, 고장을 예측하며, 베어링 같은 부품 교체 시기를 결정하는 데 도움을 줍니다.

이전 노턴 블로그에 게재됨.