표면 거칠기 완벽 가이드: 단위, 차트, 측정 기법 및 응용

표면 거칠기(Surface Roughness)란?

표면 거칠기는 표면 텍스처의 한 요소로, 실제 표면의 법선 벡터 방향 편차가 이상적 형태에서 얼마나 벗어나는지로 정량화됩니다.

편차가 크면 거친 표면, 작으면 매끄러운 표면입니다. 표면 측량학에서 거칠기는 측정된 표면의 고주파, 단파장 성분으로 간주됩니다.

하지만 실제로는 진폭과 주파수 모두를 알아야 표면이 목적에 적합한지 판단할 수 있는 경우가 많습니다.

거칠기는 실제 물체가 환경과 어떻게 상호작용하는지 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 마찰학에서 거친 표면은 일반적으로 매끄러운 표면보다 빨리 마모되고 마찰 계수가 높습니다.

거칠기는 기계 부품 성능을 잘 예측하는 지표가 되는데, 표면 불규칙성이 균열이나 부식의 핵 생성 사이트가 될 수 있기 때문입니다.

반면 거칠기는 접착력을 증진시킬 수도 있습니다. 일반적으로 스케일별 기술자보다 표면 프랙탈리티 같은 크로스 스케일 기술자가 접촉 강성, 정적 마찰 등 표면 기계적 상호작용을 더 의미 있게 예측합니다.

높은 거칠기 값은 보통 바람직하지 않지만, 제조 현장에서 제어하기 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

예를 들어, FDM(융착 적층 모델링) 제조 부품의 표면 거칠기 제어는 어렵고 비쌉니다. 표면 거칠기 감소는 보통 제조 비용 증가를 동반합니다. 이는 부품 제조 비용과 적용 성능 사이의 트레이드오프를 초래합니다.

거칠기는 '표면 거칠기 비교기'와의 육안 비교로 측정할 수 있지만, 일반적으로 프로필로미터로 표면 프로파일 측정을 수행합니다. 접촉식(다이아몬드 스타일러스)과 비접촉식(광학) 방식이 있습니다.

그러나 제어된 거칠기는 종종 바람직합니다. 예를 들어, 광택 표면은 눈부심이 심하고 손가락으로 만졌을 때 너무 미끄러울 수 있습니다(터치패드 예). 이 경우 제어된 거칠기가 필요하며, 진폭과 주파수 모두 매우 중요합니다.

표면 거칠기 단위

산술 평균 거칠기(Ra)가 표준으로 인정되며, 영 단위(마이크로인치) 또는 미터법 단위(마이크론/마이크로미터)로 측정 가능. 표면 마무리는 평균화 또는 프로파일링 기기로 측정. 평균화 기기는 파동도(Waviness) 측정 불가, 미터에 표면 마무리 값 표시.

표면 거칠기 측정 방법

표면 거칠기는 표면 프로파일의 상대적 매끄러움을 수치화한 것입니다. 여기에는 수치 매개변수 Ra가 사용됩니다. Ra 표면 마무리 차트는 표면 높이를 측정한 산술 평균을 보여줍니다.

이미 언급했듯 표면의 3가지 기본 요소는 거칠기, 파동도(Waviness), 레이(Lay)입니다. 따라서 표면 기하 특성에 영향을 주는 다양한 요소가 존재합니다.

마찬가지로 표면 거칠기 측정 시스템도 여러 가지입니다. 주요 시스템:

1. 직접 측정법(Direct Measurement Methods)
2. 비접촉법(Non-contact Methods)
3. 비교법(Comparison Methods)
4. 공정 내 측정법(In-process Methods)

직접 측정법은 스타일러스를 사용해 표면 거칠기 측정. 스타일러스를 표면에 수직으로 긁어 프로파일 등록 후 거칠기 매개변수 결정.

비접촉법은 빛이나 소리 사용. 백색광, 공초점 등 광학 기기가 스타일러스 대체. 다양한 측정 원리 사용. 물리적 프로브를 광학 센서나 현미경으로 대체.

먼저 기기가 초음파 펄스를 표면에 보냄. 음파가 변형·반사되어 기기로 돌아옴. 반사파 분석으로 거칠기 매개변수 결정.

비교 기법은 표면 거칠기 시편 사용. 장비나 공정으로 시편 생성 후, 제조자가 촉각과 시각으로 결과 비교. 알려진 거칠기 매개변수 표면과 비교.

공정 내 기법 예로 인덕턴스 방식. 자성 재료로 표면 거칠기 평가. 인덕턴스 픽업이 전자기 에너지 사용해 표면까지 거리 측정. 결정된 매개변수 값으로 비교 거칠기 매개변수 산출.

표면 거칠기 차트

마무리 및 모서리 조건에 광범위한 변동 존재. 일반적인 제조 기술과 해당 Ra 표면 마무리 값:

표면 거칠기 측정의 다양한 방법

표면 거칠기 측정에는 다양한 방법과 장비가 관여. 크게 세 범주로 분류:

• 프로파일링 기법(Profiling Techniques). 고해상도 프로브로 표면 측정. 축음기 바늘 같은 감도 개념. 일반 CNC 프로브는 덜 효과적.
• 면적 기법(Area Techniques). 표면 유한 영역 측정. 표면 봉우리와 골의 통계적 평균 제공. 초음파 산란, 광학 산란, 정전 용량 프로브 등 예. 자동화 및 실행 용이.
• 현미경 기법(Microscopy Techniques). 대비 측정 기반 정성적 기법. 표면 봉우리와 골 정보 제공.