표면 거칠기 이해: 핵심 영향 요인 & 검증된 개선 기법

이전 문서에서 표면 마감에 대해 논의했으며, 그 특성 중 하나인 표면 거칠기는 기계와 기계 부품의 품질을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 여기서는 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인과 거칠기 개선 방법을 소개합니다.

표면 거칠기란?

표면 거칠기(roughness)는 실제 표면이 골( troughs )을 기준으로 더 높은 주파수의 편차를 가지는 것으로 정의되며, 실제 표면이 이상적인 형태에서 법선 벡터 방향으로 벗어난 편차로 정량화됩니다. 이 편차가 크면 표면이 거칠고, 작으면 매끄럽습니다. 가공 부품이 합격한지 판단하는 중요한 지표입니다. 마모 저항, 품질, 운동 정밀도, 부품 수명에 영향을 미칩니다. CNC 가공 공정에서 적절한 표면 거칠기 확보는 매우 중요합니다.

표면 거칠기에 영향을 미치는 요인

1. 절삭

절삭 공구로 공작물 절삭 시 미세 기하학적 오차를 가진 잔여 절삭면이 표면에 남으며, 이송 속도, 주/보조 경사각, 공구 팁 아크 반경이 잔여 면 크기에 영향. 가공 중 이송 속도와 각도 조절로 부품 변형과 절삭 영역 감소 가능. 또한 윤활유와 절삭 공구는 소재 특성에 맞게 선정하여 소성 변형 감소, 공구 버와 스케일 형성 억제. 공구의 경사각을 증가시켜 소성 변형 감소로 표면 거칠기 저감도 효과적.

2. 연삭

연삭은 정밀 가공에 사용. 연마 입자 경도가 매우 높고 고속 작동. 높은 가공 정밀도와 표면 거칠기 달성 가능. 연삭 공정에서 온도 1000-1500°C 도달 가능, 소성 변형 심화, 연마 입자의 음 경사각 상대적으로 얇음. 연삭 시 대부분 부품이 압출됨. 소성 변형 과정에서 연마 입자 측면에 소성 열류 발생, 부품에 미세 거칠기 생성, 고온이 표면 거칠기 추가 심화.

3. 절삭 매개변수

• 이송 속도: 이송 속도 감소 시 가공 표면 잔여 영역 높이 작아져 Ra 값 저감에 유리
• 절삭 속도: 플라스틱 소재 절삭 시 절삭 속도 5 m/min 미만 또는 100 m/min 초과 시 칩 축적 생성 어려워 Ra 값 저감 유리. 절삭 속도 V가 20-25 m/min, 절삭 온도 약 300°C일 때 칩과 공구 전면 마찰 계수 최대, 칩 축적 높이 최대, Ra 값 증가

표면 거칠기 개선 방법

기계 부품 가공 공정에서 다음 방법으로 부품 표면 거칠기 개선 가능.

1. 절삭 조건: 표면 가공량 적절히 감소. 플라스틱 소재 고속 절삭; 이송 속도 감소; 고효율 절삭유 사용; 공작기계 운동 정밀도 향상, 공정 시스템 강성 강화; 초음파 진동 절삭 등
2. 공구 기하 매개변수 선택: 쌍방 경사각 적절히 감소, 공구 팁 아크 반경 증가, 필요시 연마 모서리 연삭. 절삭 용이해지고 표면 거칠기 감소. 공작물과 친화력 작은 공구 소재 선택; 공구 산화/질화 처리; 보조 날 마모량 제한; 미립 초경합금 공구 선택 등
3. 공작기계 진동 제어: 공구-공작물 간 마찰과 압출 감소에서 시작, 공구 날 연마, 절삭유 추가, 인성 좋은 공작물 소재 적절 열처리
4. 합리적 가공 공정 선택: 정밀 기계 부품 가공에서 가공 기술도 매우 중요. 공정 불합리 시 가공 품질과 생산 효율 영향. 많은 정밀 가공 부품은 황삭 후 정삭 필요
5. 원자재 다르게 선택: 기계 장비 부품은 다양한 원자재로 구성. 원자재 밀도에 따라 가공 시 절삭 공구와 공작기계 선택이 표면 거칠기와 직결. 합금 원소 내 탄화물 분포 미세하고 균일해야 함; 쉬운 절삭강은 황, 납 등 원소 함유; 공작물 템퍼링으로 경도 향상 및 소성 감소; 주철 내 흑연 입자 크기 축소