가공 시 표면 품질 향상: 핵심 기술

가공의 표면 품질은 가공 후 부품의 표면 상태를 의미합니다. 주요 내용으로는 표면의 기하학적 특성(표면 거칠기 및 표면 파형 포함)과 표면층의 물리적 및 기계적 특성(표면층의 작업 경화, 표면층의 금속학적 구조 변화 및 표면층의 잔류 응력 등)이 있습니다. 이는 기계 부품의 품질을 평가하는 중요한 기준 중 하나입니다.

기계 부품의 고장은 주로 부품의 마모, 부식, 피로로 인해 발생합니다. 이러한 손상은 모두 부품의 표면에서 시작되므로 부품의 표면 품질은 부품의 성능, 특히 신뢰성과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 가공의 표면 품질을 탐구하고 연구하여 표면 품질을 개선하는 방법을 습득하는 것은 제품 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다.

I. 절삭 표면 거칠기에 영향을 미치는 공정 요인 및 개선 방안

1. 표면 거칠기 형성

금속 절삭 공구로 공작물을 가공할 때 표면 거칠기가 형성되는 주된 이유는 다음 세 가지 측면으로 요약할 수 있습니다:

(1) 도구의 기하학적 각도와 관련된 요인 - 기하학적 이유

이상적인 절삭 조건에서 공구가 공작물을 기준으로 이송할 때 가공된 표면에 남은 절삭 층의 잔여 면적(그림 1 참조)이 이론적인 표면 거칠기를 형성합니다. 이 값은 공구 노우즈 반경 r의 영향을 받습니다._ε 메인 절삭날 각도 k_r 보조 절삭날 각도 k'_r 및 피드 속도 f.

a) r의 영향_ε 및 R의 f_z
b) K₂, k' 의 영향_r 및 R의 f_z

(2) 가공되는 재료의 특성 및 절단 메커니즘과 관련된 요인 - 물리적 이유

절삭 후 실제 표면 거칠기는 이론적인 표면 거칠기와는 상당히 다릅니다. 이는 실제 절삭 시 공구와 공작물 사이에 발생하는 절삭력과 마찰력이 표면층 금속의 소성 변형을 일으키고 축적된 모서리와 버가 표면 거칠기 값을 증가시키기 때문입니다.

(3) 기타 이유

절단 조건의 변화, 공정 시스템의 진동 등.

2. 표면 거칠기 값을 줄이기 위한 조치

(1) 적절한 도구 기하학적 매개변수를 선택합니다.

• 메인 절삭날 각도 k 줄이기 _r 와 보조 절삭날 각도 k' _r 공구 노즈 반경 r을 늘리고 _ε 를 사용하면 절단 레이어의 잔여 면적을 줄여 표면 거칠기 값을 줄일 수 있습니다.
• 경사각과 릴리프 각도를 적절히 높이면 공구가 공작물을 쉽게 절단할 수 있어 금속의 소성 변형이 줄어들고 절삭력이 크게 감소하여 공정 시스템의 진동이 효과적으로 감소하여 표면 거칠기 값이 감소합니다.
• 절삭날 경사각 λ 증가 _s 는 실제 작업 레이크 각도를 증가시켜 표면 거칠기 값을 줄이는 데 도움이 됩니다.

(2) 절단 매개변수를 합리적으로 선택

1) 더 높은 절단 속도 v _c

절삭 속도가 높을수록 칩과 가공된 표면의 소성 변형이 작아지므로 표면 거칠기 값이 작아집니다. 일반적으로 빌드업 에지와 버는 낮은 속도 범위 내에서 생성되며, 이는 공작물 재료, 공구 재료 및 공구 레이크 각도에 따라 달라집니다.

절삭 속도를 높이면 가장자리와 버가 쌓이는 것을 방지하여 표면 거칠기 값을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그림 2는 다양한 소재를 가공할 때 절삭 속도가 표면 거칠기에 미치는 영향을 보여줍니다.

a) 플라스틱 재료 가공
b) 부서지기 쉬운 재료 가공

2) 이송 속도 f를 적절히 줄입니다.

이송 속도가 클수록 가공된 표면의 잔류 면적이 커지고 소성 변형이 커져 표면 거칠기 값이 증가합니다. 따라서 이송 속도를 줄이면 표면 거칠기 값을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

절단 깊이가 표면 거칠기에 미치는 영향은 크지 않으며 일반적으로 무시할 수 있습니다. 그러나 절단 깊이가 너무 작은 경우(예: α _p <0.02mm 미만이면 공작물의 정상적인 절삭을 유지하기가 어려워지고 종종 압출과 마찰이 발생하여 표면 거칠기 값이 증가합니다. 따라서 가공 중에 지나치게 작은 절삭 깊이를 선택해서는 안 됩니다.

(3) 공작물 재료의 조직적 성능 향상

공작물 소재의 조직 성능은 표면 거칠기에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 공작물 소재의 가소성이 클수록 가공 후 표면 거칠기 값은 커집니다. 취성 소재를 가공할 때 표면 거칠기 값은 이론적 값에 더 가깝습니다.

동일한 소재의 경우 금속 입자 구조가 거칠고 고르지 않을수록 가공 후 표면 거칠기 값이 커집니다. 따라서 가공 전에 재료의 조직 성능을 개선하기 위해 합리적인 열처리 공정을 채택하는 것이 표면 거칠기 값을 줄이는 효과적인 방법 중 하나입니다.

(4) 공구 재질을 합리적으로 선택하고 연삭 품질을 향상시킵니다.

공구 재질과 연삭 품질은 쌓인 모서리와 스케일 형성에 큰 영향을 미쳐 표면 거칠기에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 다이아몬드 공구는 칩과의 마찰 계수가 낮고 절삭 시 빌드업 에지를 생성하지 않습니다. 동일한 절삭 조건에서 가공 후 표면 거칠기 값은 다른 공구 재료에 비해 더 작습니다.

또한 절삭유를 합리적으로 선택하고 냉각 및 윤활 효과를 개선하면 가장자리와 스케일이 쌓이는 것을 억제하고 소성 변형을 줄이며 표면 거칠기 값을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 위에서 언급한 공정 조치 외에도, 연삭과 같은 가공 방법, 호닝 및 슈퍼 피니싱을 통해 매우 낮은 표면 거칠기 값을 얻을 수도 있습니다.

II. 표면층의 물리적, 기계적 특성에 영향을 미치는 공정 요인 및 개선 방안

가공 과정에서 물리적 및 기계적 특성 의 표면층은 절삭력과 절삭열의 작용으로 상당한 변화를 겪으며, 주로 표면층 작업 경화, 금속학적 구조 변화 및 잔류 응력에 반영됩니다.

1. 표면층 경화 작업

가공 중에 공작물의 가공된 표면층의 금속은 절삭력의 작용으로 소성 변형을 일으켜 결정 전단 미끄러짐, 격자 신장, 왜곡, 심지어 파편화를 일으켜 재료가 강화됩니다. 이때 경도와 강도가 증가하는데, 이를 가공 경화(냉간 가공 경화라고도 함)라고 합니다.

반면에 가공 중에 발생하는 절삭 열은 특정 조건에서 경화된 금속을 원래 상태로 되돌릴 수 있습니다. 즉, 연화될 수 있습니다. 따라서 표면층의 최종 작업 경화 정도는 경화 속도와 연화 속도의 비율에 따라 달라집니다.

표면층 작업 경화에 영향을 미치는 요인은 다음 세 가지 측면에서 분석할 수 있습니다:

(1) 절단력

절삭력이 클수록 소성 변형이 커지고 공작물 경화가 더 심해집니다. 따라서 이송 속도 f를 높이면 절삭 깊이 α _p 를 클릭하고 공구 레이크 각도 γ를 줄입니다. _o 및 이격각 α _o 는 모두 절삭력을 증가시켜 작업물을 더욱 단단하게 만듭니다.

(2) 절단 온도

절단 온도가 높을수록 연화 효과가 커져 경화 정도가 줄어듭니다.

(3) 절단 속도

절삭 속도가 매우 높으면 공구와 공작물 사이의 접촉 시간이 매우 짧고 절삭 금속의 변형 속도가 매우 빨라 가공된 표면 금속의 소성 변형이 충분하지 않아 결과적으로 공작물 경화가 상대적으로 작아집니다.

위의 세 가지 영향 요인은 주로 공구의 기하학적 파라미터, 절삭 파라미터 및 가공되는 재료의 기계적 특성과 관련이 있습니다. 따라서 다음과 같은 측면에서 표면 작업 경화를 줄이기 위한 조치를 고려할 수 있습니다:

• 공구의 기하학적 매개변수를 합리적으로 선택하고, 더 큰 레이크와 간격 각도를 사용하고, 연삭 중 공구 팁 반경을 최소화하세요.
• 도구를 사용할 때는 도구 측면의 마모를 합리적으로 제한하세요.
• 절단 매개변수를 합리적으로 선택하고, 더 빠른 절단 속도, 더 작은 이송 속도, 더 작은 절단 깊이를 사용합니다.
• 절삭유를 합리적으로 사용하세요.
• 가공되는 재료의 경도를 적절히 높이기 위해 합리적인 열처리 공정을 채택합니다.

2. 표면 금속 구조 및 연삭 화상의 변화

절삭 공정 중에는 가공 영역의 절삭 열로 인해 가공 표면의 온도가 상승합니다. 온도가 금속학적 변형의 임계점 이상으로 상승하면 금속학적 변화가 발생합니다.

연삭은 표면 금속 구조의 변화(연삭 화상)를 쉽게 일으키는 대표적인 가공 방법입니다. 이는 연삭 시 단위 면적당 발생하는 절삭 열이 일반 절삭 방식보다 10배 이상 크고, 약 70%의 열이 순간적으로 공작물에 유입되어 공작물 가공 표면의 금속이 상변환점에 도달하기 매우 쉽기 때문입니다.

연삭 화상에 영향을 미치는 요인으로는 연삭 파라미터, 공작물 재질, 연삭 휠 성능 및 냉각 조건 등이 있습니다. 담금질된 강철을 연삭할 때 연삭 영역 온도가 마르텐사이트 변환 온도를 초과하지만 상 변환 임계 온도를 초과하지 않으면 표면 마르텐사이트가 경도가 낮은 템퍼링 트루스타이트 또는 소르바이트가 되는데, 이를 템퍼링 번이라고 합니다.

연삭 영역 온도가 마르텐사이트 변환 온도를 초과하면 마르텐사이트가 오스테나이트로 변환됩니다. 충분한 경우 절삭유 이때 표면은 빠르게 냉각되어 2차 담금질 마르텐사이트를 형성하는 반면, 하층은 더 느린 냉각으로 인해 경도가 낮은 강화 구조로 남게 되는데, 이를 담금질 화상이라고 합니다. 그렇지 않으면 냉각 조건이 좋지 않거나 절삭유 없이 건식 연삭을 수행하면 표면이 어닐링 화상으로 알려진 어닐링 화상을 입게 됩니다.

화상의 유형에 관계없이 화상이 심하면 부품의 수명이 크게 단축되거나 심지어 사용할 수 없게 될 수도 있습니다. 따라서 연삭 중에는 연삭 화상을 피해야 합니다. 연삭 화상의 근본 원인은 연삭 영역의 온도가 지나치게 높기 때문입니다. 따라서 연삭 화상을 방지하기 위해 연삭 열의 발생을 줄이고 연삭 열의 방출을 가속화하기 위한 조치를 취해야 합니다. 구체적인 방법은 다음과 같습니다:

(1) 연삭 매개변수를 합리적으로 선택합니다.

절단 깊이를 줄이면 공작물의 표면 온도를 낮출 수 있어 화상을 피하거나 완화하는 데 도움이 되지만 생산성에 영향을 미칩니다.

세로 이송 속도와 공작물 속도를 높이면 가공된 표면과 연삭 휠 사이의 접촉 시간이 줄어들어 열 방출 조건이 개선되어 화상을 줄일 수 있습니다. 그러나 이렇게 하면 표면 거칠기 값이 증가합니다. 높은 생산성과 낮은 표면 거칠기를 유지하면서 화상을 줄이려면 더 높은 공작물 속도, 더 작은 절삭 깊이 및 높은 연삭 휠 속도를 선택해야 합니다.

(2) 연삭 휠을 합리적으로 선택하고 적시에 드레싱합니다.

그라인딩 휠 경도가 너무 높으면 자체 연마 능력이 떨어지고 연삭 온도가 높아집니다. 그라인딩 휠의 입자 크기가 작을수록 칩이 휠을 막는 것이 더 쉬워져 공작물이 더 쉽게 화상을 입을 수 있습니다. 따라서 입자가 거칠고 비교적 부드러운 연삭숫돌을 사용하는 것이 좋습니다. 연삭 휠이 무뎌지면 대부분의 연마 입자는 절단하지 않고 가공 된 표면을 누르고 문질러서 연삭 온도를 높입니다. 따라서 그라인딩 휠은 적시에 옷을 입어야 합니다.

(3) 냉각 방식 개선 및 냉각 효과 강화

절삭유를 사용하면 냉각 효과를 높이고 화상을 방지할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 사용되는 일반적인 냉각 방법은 그림 1에서 볼 수 있듯이 효과가 떨어집니다. 연삭 휠의 높은 선형 속도로 인해 실제로 연삭 영역에 절삭유가 많이 들어갈 수 없습니다.

보다 효과적인 냉각 방법은 그림 2와 같이 내부 냉각 방식입니다. 절삭유는 연삭 휠의 중앙 캐비티로 들어가 원심력에 의해 휠 구멍을 통해 배출되어 연삭 영역으로 직접 들어가 효과적인 냉각을 제공합니다.

1-원뿔형 커버
2-냉각수 관통 구멍
3-그라인딩 휠 센터 캐비티
4- 방사형 작은 구멍이 있는 얇은 벽 슬리브

3. 표면층의 잔류 응력

절단 및 연삭 중에 가공된 표면층의 재료 구조가 모재에 비해 모양, 부피 또는 금속학적 구조가 변경되면 가공 후 가공된 표면층과 모재 사이의 계면에서 상호 균형 잡힌 응력이 발생하게 됩니다. 이를 표면층의 잔류 응력이라고 하며, 압축 또는 인장 응력이 될 수 있습니다.

잔여 스트레스의 원인은 다음과 같습니다:

(1) 저온 소성 변형으로 인한 잔류 응력

절삭력의 작용으로 가공된 표면층의 금속은 강한 소성 연신 변형을 겪는 반면 모재 층은 탄성적으로 연신됩니다. 절삭력이 제거된 후 모재는 회복되는 경향이 있지만 소성 연신된 표면층 금속에 의해 제한되어 원래 상태로 돌아가지 못하므로 표면층에 잔류 압축 응력이 발생합니다.

(2) 열 소성 변형으로 인한 잔류 응력

공작물의 가공 표면은 절삭 열의 작용으로 열팽창을 겪으며 표면층 금속 온도가 모재 온도보다 높아져 표면층에 열 압축 응력이 발생합니다. 표면층 온도가 재료의 탄성 변형 한계를 초과하면 열 소성 변형이 발생합니다(압축 응력 하에서 재료가 짧아짐).

절단 공정이 끝나고 표면 온도가 떨어지면 열 소성 단축 변형을 겪은 표면층은 모재에 의해 제한되어 표면층에 잔류 인장 응력이 발생합니다.

(3) 금속학적 변화로 인한 잔류 응력

절단 중에 발생하는 고온은 표면층 금속의 금속 조직 구조에 변화를 일으킬 수 있습니다. 마르텐사이트 밀도 ρ ≈ 7.75g/cm³, 오스테나이트 밀도 ρ ≈ 7.96g/cm³, 펄라이트 밀도 ρ ≈ 7.78g/cm³와 같이 금속학적 구조에 따라 밀도가 달라집니다.

담금질 강철의 연삭을 예로 들면, 담금질 강철의 원래 구조는 마르텐사이트입니다. 연삭 후 표면층에서 템퍼링이 발생하여 마르텐사이트가 펄라이트에 가까운 밀도를 갖는 트루스타이트 또는 소르바이트로 변할 수 있습니다. 밀도가 증가하고 부피가 감소하여 표면층에 잔류 인장 응력이 발생합니다. 표면 온도가 Ac를 초과하는 경우 ₃ 로 냉각이 충분하면 표면층의 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변형되어 표면층에 부피 팽창과 잔류 압축 응력을 유발합니다.

요약하면, 표면층에 잔류 응력이 발생하는 것은 궁극적으로 절삭력과 절삭 열의 영향 때문입니다. 특정 가공 조건에서는 이러한 효과 중 하나가 지배적일 수 있습니다. 예를 들어 절삭 가공에서 절삭 열이 높지 않은 경우 절삭력에 의한 저온 상태 소성 변형이 표면층에서 우세하여 표면층에 잔류 압축 응력이 발생합니다.

연삭 중에는 일반적으로 연삭 온도가 높기 때문에 잔류 인장 응력이 종종 발생하며, 이는 연삭 균열의 근본 원인이기도 합니다. 표면에 균열이 생기면 부품의 손상이 가속화될 수 있습니다. 따라서 연삭 균열의 발생을 방지하기 위해 연삭 열 발생을 엄격하게 제어하고 연삭 중 냉각 조건을 개선해야 합니다.