금속 연삭 기초: 기원, 절삭 작용 & 산업 인사이트

이 글에서는 다음을 다룹니다: 1. 연삭 소개 2. 연삭의 기원 3. 연삭의 절삭 작용 4. 연삭 절삭 작용의 역학 5. 연삭 온도 6. 연삭 숫돌의 자기 예리화 특성 7. 연삭 잔류 응력 8. 숫돌 과도 마모 원인 9. 숫돌 글레이징 원인 10. 작업 조건 및 기타 세부사항.

목차:

1. 연삭 소개
2. 연삭의 기원
3. 연삭의 절삭 작용
4. 연삭 절삭 작용의 역학
5. 연삭 온도
6. 연삭 숫돌의 자기 예리화 특성
7. 연삭 잔류 응력
8. 숫돌 과도 마모 원인
9. 숫돌 글레이징 원인
10. 작업 조건
11. 연삭 시 절삭유 사용
12. 연삭 안전
13. 연삭 결함
14. 연삭 열적 영향
15. 연삭 작업 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인
16. 연삭 트러블슈팅

1. 연삭 소개:

연삭은 금속을 제거하는 가공 공정으로 볼 수 있지만, 비교적 적은 양을 제거합니다. 연삭한다는 것은 '마모시키다', '마찰로 닳게 하다', '날카롭게 하다'를 의미합니다. 연삭에서는 회전하는 연마 숫돌로 소재를 제거합니다. 연삭 숫돌의 작용은 밀링 커터와 매우 유사합니다.

숫돌은 숫돌 안의 돌출된 연마 입자들에 의해 구성된 수많은 절삭 공구들로 이루어집니다. 현미경으로 제거된 소재를 관찰하면 0.4~0.8mm 크기의 명확한 길쭉한 금속 칩을 볼 수 있습니다.

요즘 연삭은 주로 다음 목적으로 사용됩니다:

(i) 모든 황삭 마무리 및 열처리 작업 후 공작물에서 아주 소량의 금속을 제거해 치수를 매우 엄격한 공차 내로 가져옵니다. 이는 근본적으로 치수 및 기하학적 정밀도를 높이는 마무리 공정입니다.

(ii) 때로는 더 나은 표면 조도를 얻기 위해 사용됩니다.

(iii) 고속도강 공구나 초경 커터로는 가공하기 어려운 경질 표면 가공에 사용되기도 합니다.

(iv) 절삭 공구 연마에도 사용됩니다.

(v) 엄격한 공차와 더 나은 조도를 위해 나사 연삭에도 사용됩니다.

(vi) 때로는 더 높은 소재 제거율(연마 가공)을 위해서도 적용됩니다.

연삭은 생산 작업에서 극히 중요한 공정 중 하나입니다. 다른 절삭 공정에 비해 특정 이점들을 가집니다.

주요 이점들은 다음과 같습니다:

(i) 경화강 등 절삭에 매우 적합합니다. 경질 표면이 필요한 부품은 소둔 상태에서 형상으로 가공한 뒤, 크기·형상·열처리 중 변형 경향에 따라 소량만 남겨 연삭합니다.

(ii) 접촉면과 베어링면에 바람직한 극도로 매끄러운 마무리는 연삭 숫돌의 수많은 절삭 날 덕분에 연삭 작업으로만 생산 가능합니다.

(iii) 이송에 의한 자국이 없습니다. 숫돌이 상당한 폭을 가지기 때문입니다.

(iv) 매우 정확한 치수와 매끄러운 표면 조도를 매우 짧은 시간에 달성할 수 있습니다.

(v) 비교적 저렴한 트루잉 템플릿으로 복잡한 프로파일을 정확하게 생산할 수 있습니다.

(vi) 이 공정에서는 매우 적은 압력이 필요하므로, 그렇지 않으면 공구에서 멀어지려는 매우 가벼운 작업물에도 사용할 수 있습니다. 이 특성으로 많은 연삭 작업에서 자석 척으로 작업물을 고정할 수 있습니다.

(vii) 연마재는 매우 높은 경도를 가지며 다른 소재에 비해 열에 덜 민감하고 고온을 견딜 수 있습니다. 따라서 더 높은 절삭 속도로 작업할 수 있습니다. 연삭 숫돌은 무뎌진 입자가 떨어져 나가고 새로운 예리한 입자가 노출되어 자기 예리화 특성을 가집니다.

(viii) 연삭은 경화 후 소재에서 소재를 제거하는 편리한 방법입니다.

(ix) 연삭은 단조품 등의 경화 표피를 절삭해 통과할 필요가 없습니다.

2. 연삭의 기원:

초기 단계에서는 '끌(chisel)'이 금속 제거에 가장 편리한 도구로 여겨졌습니다. 끌에는 절삭 날이 하나뿐이지만 더 많은 소재를 제거할 수 있습니다. 다만 조도가 매우 나쁩니다. 소재 표면 조도를 개선하기 위해 줄(file)을 사용하기 시작했습니다. 줄에는 다중 절삭 날이 있습니다.

이 경우 제거되는 소재는 적지만 더 나은 조도를 얻을 수 있습니다. 기술 발전에 따라 끌은 단일 점 절삭 공구로 대체되어 금속 제거를 제어할 수 있게 되었고, 선반, 셰이퍼, 밀링 머신 등 다양한 공작기계에서 금속 제거 작업이 수행됩니다.

마찬가지로 다중 절삭 날 공구로 금속 제거를 제어하고 더 나은 조도를 얻기 위해 연삭이 사용됩니다. 연삭 공정은 부품의 기하학적 정밀도(±0.02mm) 향상과 표면 조도(0.1µm Ra) 개선을 가져옵니다.

3. 연삭의 절삭 작용:

그림 20.1에서 볼 수 있듯 연삭 숫돌은 연마 입자, 결합제, 공극으로 구성됩니다. 돌출된 연마 입자는 절삭 공구 팁처럼 작용해 금속을 제거합니다. 적절히 선정된 연삭 숫돌은 자기 예리화 작용을 보입니다.

절삭이 진행됨에 따라 절삭 날의 연마 입자는 무뎌지고, 공작물 소재가 절삭 작용에 저항함에 따라 결국 쪼개짐 면을 따라 균열이 생깁니다. 이로써 새로운 절삭 점이 생성되어 추가 절삭 작용을 수행합니다.

이 과정은 연마 입자가 결합제 레벨까지 마모될 때까지 계속됩니다. 이 시점에서 결합제는 마모된 입자의 나머지 부분을 숫돌에서 떼어내게 하고, 이전에 숫돌 표면 아래에 있던 새로운 입자들이 노출되어 추가 절삭 작용을 합니다.

잘못된 연삭 숫돌 선택이나 부적절한 절삭 조건으로 흔히 마주치는 두 문제는 숫돌 글레이징(glazing)과 숫돌 로딩(loading)입니다. 숫돌 글레이징은 입자가 결합제 레벨까지 마모되어 효율적 절삭을 위해 너무 오래 유지되는 상태입니다. 이는 강한 결합력의 단단한 숫돌(너무 고운 입자) 사용 시 발생합니다.

이 문제는 숫돌 교체나 때로는 절삭 조건 변경으로 해결할 수 있습니다. 숫돌 로딩은 공작물 칩이 숫돌 절삭 면에 박혀 침투 깊이가 줄어들어 절삭 속도가 감소하는 현상입니다. 너무 작은 공극 때문이며 숫돌 속도를 높이거나 다른 숫돌 사용으로 해결할 수 있습니다.

따라서 정확하고 지속적이며 효율적인 절삭을 위한 연삭 숫돌 선정은 연마재 유형, 입자 크기, 결합제 유형과 강도, 공극 크기의 올바른 선정을 요구합니다. 또한 연삭 숫돌의 거동은 공작물 소재, 절삭 속도, 절삭 깊이, 이송 속도에 영향을 받습니다.

다이아몬드가 가장 단단한 소재지만 높은 비용 때문에 용도가 제한됩니다. Al2O3, SiC, B4C는 경화강에 비해 높은 경도를 가져 소성 변형에 의한 금속 제거에 사용할 수 있습니다. 절삭 공구 소재는 소성 변형에 의한 소재 제거를 위해 더 단단해야 하며 형상 유지와 적은 마모를 위해서도 더 단단해야 합니다.

이들 소재로 통상적 절삭 공구 형상을 만들 수 없으므로 자연 상태에서 구할 수 있는 입자 형태로 사용합니다. 이 소재들(연마재)의 입자들을 결합제로 숫돌 형상으로 결합합니다. 숫돌 표면의 연마 입자들이 절삭 날 역할을 합니다. 이들은 무작위로 분포하고 무작위로 배향됩니다.

4. 연삭 절삭 작용의 역학:

그림 20.2 (a)는 연삭 공정에서 입자들의 절삭 작용을 보여줍니다. 단순화를 위해 모든 입자가 동일하다고 가정합니다.

그림 20.2 (b)는 평면 연삭 중 칩 형성 체계의 상세도입니다. 미절삭 칩 단면은 대략 삼각형으로 두께 t, 폭 w를 가집니다. 그러나 미절삭 두께와 폭은 변하며 최대값을 tmax, wmax라 합니다. 평균값은 이들의 절반 정도일 수 있습니다. 평균 칩 길이 l = D/2 × θ (D = 연삭 숫돌 직경, θ는 매우 작음)

f가 이송(전형적 값 0.2~0.6 m/초), W = 절삭 폭(mm)이면, 단위 시간당 제거 총 소재량 = fdW

한 칩 평균 부피 = f(1/6) wmax tmax l.

N이 연삭 숫돌 rpm, ρ = 표면 밀도(입자/mm²)이면, 숫돌 경계의 활성 입자 수 = 칩 수 = πNDW ρ.

여기서 N, D, ρ가 감소하거나 f, d가 증가하면 숫돌이 더 부드럽게 보이는데, Fav 값이 증가해 연마 입자가 더 자주 이탈하기 때문입니다. 평면 연삭에서 반경 방향 힘 FR = 2F. (그림 20.3 참조)

5. 연삭 온도:

절삭 시 연마 입자 팁에서 매우 높은 온도에 도달합니다. 그러나 그런 고온은 매우 짧은 지속 시간이라 숫돌에 심각한 가열은 일어나지 않으며, 절삭 입자에서 온도 기울기가 매우 가파릅니다.

대략적인 이론적 평균 칩/공구 계면 온도는 다음과 같습니다:

∴ 정밀 연삭에서는 숫돌 속도와 칩 두께를 모두 낮춰 칩/공구 온도를 낮출 수 있습니다.

일반 연삭에서는 숫돌 속도를 낮춰 온도를 낮출 수 있지만 칩 두께를 줄여서는 안 됩니다. 사실 가벼운 마무리 절삭에서 열적 손상이 발생할 수 있습니다.

연삭 시 유체를 사용하면 공작물 온도와 숫돌 마모가 감소할 뿐 아니라 숫돌 로딩이 줄어들어 숫돌 드레싱 빈도도 감소합니다. 하지만 유체는 높은 순간 온도로 인한 공작물 표면 손상을 막을 수는 없습니다.

6. 연삭 숫돌의 자기 예리화 특성:

연삭 숫돌에서 절삭 공구(점)는 불규칙한 형상이고 무작위로 분포합니다. 숫돌 외곽의 예리한 모서리가 소재 제거에 참여하고 점차 무뎌집니다(마모). 가공 중 더 큰 힘이 가해지면 입자가 파쇄되어 새로운 예리한 절삭 모서리를 드러내거나, 떨어져 나가 그 아래 새로운 입자가 노출되어 소재 제거에 참여합니다.

이 과정이 연삭 숫돌에 자기 예리화 특성을 부여합니다. 결합제 강도(등급이라 부름)가 연마 입자가 견딜 수 있는 최대 힘을 결정하며 이는 연삭 숫돌의 중요한 특성입니다. 결합이 강한 숫돌을 '단단하다'고 합니다.

연삭 작업에서 발생하는 작고 뜨거운 칩은 숫돌이나 공작물에 용착되는 경향이 있습니다. 또한 많은 입자가 무작위 입자 배향으로 인해 큰 음의 경사각을 가져 절삭 대신 마찰할 수 있습니다. 이러한 요인들이 연삭 공정을 비효율적으로 만들고 높은 비에너지를 소모하게 합니다.

7. 연삭 잔류 응력:

연삭 중 입자-칩 계면 온도는 매우 높은 값(약 1500°C)에 도달합니다. 고온으로 인해 급속 가열과 담금질(절삭유로 인해)로 미세 구조 변화가 일어날 수 있습니다. 열적·기계적 효과는 연삭 표면 약 0.2mm 깊이까지 영향을 미칠 수 있습니다.

이는 높은 잔류 인장 응력을 발생시키며 이 값이 높으면 표면 균열이 발생할 수 있습니다. 그림 20.7은 평면 연삭 후 공작물에서 다양한 숫돌 속도에 따른 다양한 깊이의 잔류 응력 발생을 보여줍니다. 연삭 온도는 단위 면적당 소모 에너지에 비례한다고 가정할 수 있습니다,

따라서 d, D, ρ, N을 줄이거나 f를 늘려 높은 연삭 온도와 그로 인한 결함을 줄일 수 있습니다.

입자가 칩과 접촉하는 시간:

약 0.0001초 정도입니다.

입자-칩 계면 온도는 다음과 같습니다:

여기서 V = 숫돌 표면 속도

R = 공작물 소재 열전도율

ρc = 공작물 소재 체적 비열.

8. 숫돌 과도 마모 원인:

i. 너무 부드러운 숫돌

ii. 너무 좁은 숫돌 폭

iii. 너무 느린 숫돌 속도

iv. 너무 빠른 공작물 속도

v. 숫돌 혼잡

vi. 공작물에 구멍이나 홈 존재.

9. 숫돌 글레이징 원인:

i. 너무 단단한 숫돌

ii. 너무 고운 입자

iii. 너무 빠른 숫돌 속도

iv. 너무 느린 공작물 속도

v. 칩으로 숫돌 로딩됨

10. 작업 조건:

다양한 작업 조건의 적절한 선정은 연삭 작업 성공에 매우 중요합니다.

다양한 작업 조건과 연삭 작업에 미치는 영향은 다음과 같습니다:

(i) 숫돌 속도:

숫돌 속도 증가(일정 이송률 시) 단일 연마 입자에 의한 칩 크기 감소로 숫돌 마모 감소. 높은 숫돌 속도는 숫돌 설계, 결합제 유형, 연삭 작업, 동력, 연삭기 강성 등에 의해 제한됩니다. 숫돌 속도는 결합제 유형과 연삭 작업에 따라 보통 20~40 m/sec 범위입니다.

(ii) 공작물 속도:

공작물 속도 증가는 숫돌 마모를 늘리지만 발생 열을 줄입니다. 높은 공작물 속도는 조기 숫돌 마모와 마모 유발 진동으로 제한됩니다. 낮은 공작물 속도는 국부 과열을 일으켜 경화된 공작물을 변형/템퍼링하고 기계적 특성에 영향을 줍니다.

숫돌 마모를 줄이려면 공작물 속도를 줄여야 합니다. 발생 열이 많으면, 특히 단단한 숫돌에서 막힘(clogging) 발생 시 공작물 속도를 높여야 합니다. 원통 연삭에서 황삭은 11~50 m/min, 정삭은 6~30 m/min, 내경 연삭은 15~30 m/min, 평면 연삭은 8~15 m/min입니다.

(iii) 이송:

절입 이송 또는 횡이송을 늘리면 소재 제거율은 증가하지만 숫돌 마모가 커지고 조도가 나빠져 치수·기하학적 정밀도에 영향을 줍니다.

횡이송 또는 교차 이송 증가는 숫돌 마모를 늘리고 표면 조도를 나쁘게 합니다. 보통 강 가공 시 숫돌 폭의 2/3~3/4, 주철 공작물 시 3/4~5/6로 조정합니다.

(iv) 연삭 접촉 면적:

접촉 면적이 큰 경우(내경 연삭, 평면 연삭, 작은 숫돌에 큰 공작물 직경), 단위 압력이 낮아 연속 자유 절삭을 위해 부드러운 등급 숫돌 사용. 거친 입자로 연마 입자 간 칩 클리어런스 확보. 접촉 면적이 작으면 고운 입자와 단단한 등급 숫돌 사용.

11. 연삭 시 절삭유 사용:

연삭 숫돌과 공작물 접촉에서 많은 열이 발생하며, 대부분 공작물로 전달됩니다. 연삭유는 공작물 과열 방지와 숫돌 세척에 도움을 줍니다.

황이나 염소 첨가제가 포함된 연삭유는 절삭력 감소, 표면 조도 개선, 연삭 숫돌 수명 연장에 도움을 줍니다. 보통 수계 에멀전과 연삭유를 충분한 양(일반 중형 연삭기 기준 15~20 리터/분) 사용합니다.

유체는 숫돌과 공작물 계면에 향하게 해 숫돌과 공작물 사이에 낮은 전단 강도 피막을 형성합니다. 고속으로 인한 숫돌 표면 공기 피막을 뚫기 위해 특수 노즐로 압력 하에 유체를 공급합니다. 미세 입자로 인한 숫돌 막힘 방지를 위해 연삭유를 미세 여과합니다.

12. 연삭 안전:

연삭 시 안전하지 않은 관행은 작업에 위험할 수 있으며 세심한 주의가 필요합니다.

주요 측면들은 다음과 같습니다:

(i) 연삭 숫돌 장착:

숫돌은 스핀들에 정확히 장착되고 가드로 둘러싸여야 합니다. 숫돌 보어는 슬리브에 타이트하게 맞지 않아야 합니다.

(ii) 숫돌 속도:

최대 숫돌 속도는 숫돌의 궁극적 파열 강도에 의해 결정되며 연마재, 입자 크기, 결합제, 구조, 등급, 형상, 크기에 따라 달라집니다. 제조사가 지정한 값을 결코 초과해서는 안 됩니다.

(iii) 숫돌 검사:

장착 전 숫돌을 운송 중 손상, 균열, 기타 결함 여부 확인해야 합니다. 비트리파이드 결합제는 링 테스트가 충분합니다. 건전한 숫돌은 플라스틱 망치로 수직선에서 45° 지점을 가볍게 두드리면 맑은 금속음이 나지만 균열된 숫돌은 울리지 않습니다.

사용하지 않을 때 숫돌은 건조한 곳에 보관하고 랙에 옆으로 세워 놓아야 합니다.

(iv) 숫돌 가드:

연삭 시 항상 사용해야 하며, 숫돌 마모에 따라 주기적으로 조정해야 합니다.

(v) 분진 수집과 건강 예방:

건식 연삭 시 연삭 분진 배출 설비를 갖춰야 합니다. 공작기계 보호 커버는 기계 가동 중 절대 제거하지 않아야 합니다. 작업자는 비행 연마 입자와 분진으로부터 눈과 신체를 보호하기 위해 안전 장비를 착용해야 합니다.

(vi) 숫돌 작동:

연삭기에는 충분한 동력이 필수적입니다. 동력이 부족하면 숫돌이 느려지고 플랫 스팟이 생겨 아웃오브밸런스 상태가 됩니다.

습식 연삭 시 숫돌이 부분적으로 잠기지 않아야 합니다. 이는 숫돌 밸런스를 심각하게 무너뜨립니다.

13. 연삭 결함:

숫돌 잘못된 선택이나 연삭 조건 오류로 인한 두 가지 흔한 결함:

(i) 로딩(Loading)

(ii) 글레이징(Glazing).

로딩은 연마 입자 간 공간이 가공 중인 금속 입자로 막혀 입자가 충분히 돌출되지 않아 효율적 절삭이 안 되는 현상입니다. 부드러운 금속을 열린 구조 숫돌로 가공 시 발생합니다. 글레이징은 숫돌 면에 반짝이는 외관으로 쉽게 알아볼 수 있습니다.

연마 입자가 무뎌져 결합제에서 떨어지지 않을 때 발생합니다. 가공 소재에 비해 숫돌이 너무 단단할 때 일어납니다. 글레이징은 숫돌 속도나 공작물 속도를 높여 줄일 수 있습니다.

표면 조도와 비전력 요구량도 연삭 숫돌 전반적 성능 평가에 반영할 수 있습니다. 이 경우 연삭 비율은 테스트 피스에서 소재 제거량/숫돌 마모량 비율과 비연삭 전력 및 표면 조도의 곱과 같습니다.

14. 연삭 열적 영향:

연삭 공정 중 절삭 공구와 공작물 사이에 많은 열이 발생합니다. 열 대부분은 공작물로 소산되고 나머지는 연삭 숫돌에 남습니다.

연삭의 두 가지 열적 영향:

1. 연삭 숫돌 영향:

열 발생으로 균열이 생기는데 이를 연삭 균열이라 합니다. 균열은 연삭 자국에 수직입니다.

2. 공작물 영향:

(a) 변색:

200°C에서 표면 산화로 금속 산화물 생성. 이 산화물들은 모재와 다른 색을 띱니다. 즉 공작물 변색을 초래합니다. 열 발생은 무딘 입자로 표면이 타서 생깁니다.

(b) 기계적 손상:

입자 예리함으로 금속 표면에 스크래치 형성.

(c) 야금적 손상:

열 발생으로 표면에 취성 균열 형성.

(d) 화학적 손상:

열 발생으로 화학적 산화물 형성.

15. 연삭 작업 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인:

연삭 표면 거칠기는 연삭 숫돌(직경, 연마재, 경도, 드레싱, 마모)과 연삭 조건(숫돌 속도, 공작물 속도, 종이송, 공작물 직경)에 의존합니다. 그림 20.14는 다양한 파라미터 변화에 따른 연삭 표면 거칠기 변화를 보여줍니다.

16. 연삭 트러블슈팅:

연삭 중 발생할 수 있는 다양한 결함과 해결책은 다음과 같습니다:

(i) 빠른 숫돌 마모:

다음으로 대처 가능:

(a) 더 단단한 숫돌 사용,

(b) 숫돌 속도 증가,

(c) 횡이송률과 공작물 속도 감소, 절입 깊이 약간 감소.

(ii) 숫돌 글레이징:

잘못된 드레싱, 잘못된 숫돌 선택, 느린 횡이송과 높은 공작물 속도로 발생. 숫돌을 예리하게 유지, 더 부드러운 숫돌이나 거친 입자 사용, 숫돌 속도 감소와 빠른 횡이송, 더 큰 절입 깊이와 절삭 깊이 증가로 대처.

(iii) 채터 마크(Chatter Marks):

다음으로 대처:

(a) 숫돌 적절히 밸런싱,

(b) 적절한 드레싱 공구 사용,

(c) 더 부드러운 등급이나 거친 입자 사용,

(d) 베어링과 기초 확인, 스핀들 베어링 조정으로 기계 진동 감소,

(e) 풀리 조임,

(f) 대형 작업물에 적절한 지지대나 클램프 사용.

(iv) 거친 조도:

너무 거친 숫돌이나 너무 부드러운 숫돌 사용 때문일 수 있습니다.

(v) 숫돌 로딩:

더 부드럽거나 다공성 구조 숫돌 사용, 더 예리한 드레서 사용, 충분한 깨끗한 냉각수 사용으로 대처. 더러운 냉각수로 불규칙한 자국 발생 가능. 깊은 불규칙 자국은 느슨한 숫돌 플랜지 때문.

(vi) 공작물 과열:

잘못된 숫돌 선택 때문. 더 부드러운 숫돌 사용과 충분한 냉각수로 극복.