[첨단 헬로티]

연삭 가공은 가공물의 최종 다듬질 공정일 때가 많다. 때문에 불량품이 발생하면 손실이 크다. 또 가공 공정에 미치는 영향이 절삭 가공보다 크다. 트러블이 생겼을 경우 대응하는 데 시간이 많이 걸리는 이유도 이 때문이다.

결국 초정밀 부품의 가공은 숙련공의 기능에 의지하지 않을 수 없다. 특히 가공 연삭은 다른 연삭보다 가공 상의 제약이 많기 때문에 트러블이 생기기 쉬운 작업이다. 물론 자동화 공작기계를 사용하는 경우 컴퓨터 수치 제어에 기반해 정밀 가공할 수 있지만 그렇지 않은 환경이라면 트러블에 대한 대책을 가지고 있어야 한다. 

내면 연삭 가공의 문제점

1) 숫돌 축계의 강성

일반적으로 내면 연삭 가공의 특징은 세 가지다.

① 가공 내경보다 작은 숫돌밖에 쓸 수 없으며 숫돌 축계의 강성이 약하다.

② 숫돌 지름의 변화가 많기 때문에 연삭 특성이 불안정하게 되기 쉽다.

③ 숫돌의 지름이 작기 때문에 숫돌이 빨리 마모된다.

연삭 가공에서는 숫돌을 가공물에 연삭 깊이로 절삭했을 때 깊이만큼 가공 치수가 작아진다고 단정 지을 수 없다. 즉 ‘연삭 잔량’이 생기는데 이것은 숫돌이 마모되거나 기계의 강성(숫돌 축이나 가공물 지지계의 연삭 저항에 따른 변형), 숫돌과 가공물의 접촉 강성 등의 원인에 의해 일어난다.

특히 내면 가공에서는 다른 연삭 가공보다 숫돌 축계의 강성이 약하기 때문에 연삭 잔량도 많아진다. 더구나 숫돌 지금의 변화 때문에 숫돌 원주 속도나 절삭날 각이 변화되어 치수나 테이퍼가 불안정하다. 이 연삭 잔량을 제거하기 위해 스파크 아웃 연삭을 하는데, 이 때문에 연삭 시간이 길어진다.

2) 연삭 특성

내면 연삭 가공에서는 숫돌 지름의 변하나 드레서의 마모에 따라 연삭 특성이 현저하게 변화한다. 특히 숫돌 지름은 가공물의 내경보다 작아야 하며 숫돌 마모의 시간적 진행이 빠르기 때문에 연삭 특성은 짧은 시간 내에 변화한다.

일반적으로 숫돌의 지름이 작게 되면 표면 거칠기가 나쁘게 되며 테이퍼는 주축 쪽이 크게 된다. 이유는 숫돌의 지름이 작아지면 숫돌 입자의 절삭날 각이 크게 되어 숫돌의 절삭성이 나빠지기 때문이다.

그리고 숫돌의 절삭성은 드레싱 조건에 따라서도 크게 좌우된다. 드레싱은 다이아몬드 드레서의 절삭 깊이와 리드에 따라 결과적으로 숫돌 표면에 나사를 깎는 것이며, 이 나사 절삭의 깊이나 나사의 리드로 절삭성이 달라진다.

드레싱 절삭 깊이가 깊고 리드가 클수록 절삭성은 좋아지지만 표면 거칠기는 나빠진다. 반대로 절삭 깊이가 얕고 리드가 작으면 숫돌의 표면이 평평하게 되고 거칠기는 좋아지지만, 연삭 잔량이 많아져 치수 정밀도나 테이퍼가 불안정하게 된다. 따라서 많은 시간에 걸쳐 연삭하여 정밀도를 안정시켜야 한다.

이와 같이 내면 연삭 가공에서는 가공 시간만으로 생각한다면 거칠기와 테이퍼라는 상반되는 정밀도가 요구되기 때문에 그 양 측면을 만족시킬 수 있는 가장 합리적인 연삭 패턴을 찾아 이를 유지하는 것이 중요하다.

그리고 가공 정밀도로서 다듬질 면 거칠기와 진원도 그리고 치수 정밀도와 원통도 등이 요구되는데, 연삭 특성의 변화에 따라 이 같은 정밀도에 여러 가지 트러블이 생긴다. 각 정밀도에 대하여 일어나기 쉬운 트러블과 원인, 대책에 대해 살펴본다.

다듬질 면 거칠기의 트러블 대책

1) 다듬질 면 거칠기가 나쁘다

연삭 다듬질 면은 기본적으로 숫돌의 형상이 옮겨져 만들어지는 것으로, 숫돌 표면 상의 절삭날 형상의 분포가 다듬질 면에 가장 많이 영향을 끼친다. 숫돌의 표면이 거칠면 다듬질 면도 거칠게 되며 숫돌의 형상도 나빠진다. 거칠기가 좋지 않을 때 다음과 같은 원인을 가늠해볼 수 있다.

① 숫돌의 입도가 거칠다 - 보통 숫돌의 경우 입도가 거칠면 거칠기도 나쁘게 된다. 이유는 숫돌 입자 간격이 넓으므로 연삭하는 숫돌 입자의 수가 적어 한 개의 숫돌 입자가 깎는 홈이 크게 되면서 깊게 되기 때문이다.

그러나 입도가 거친 숫돌이라도 드레싱 리드를 작게 하고 스파크 아웃을 길게 하면 거칠기가 좋게 된다. 만일 사이클 타임을 길게 할 수 없을 때는 숫돌의 입도를 곱게 한다.

② 드레싱 조건이 나쁘다 - 앞서도 말했듯 드레싱 리드와 그 양에 따라 다듬질 면의 거칠기는 달라진다. 따라서 거칠기가 나쁠 때는 드레싱 리드를 작게 하거나(드레싱 속도를 느리게 하고 숫돌 축 회전수를 많게 한다) 드레싱 양을 적게 하면서 몇 번에 걸쳐 드레싱 한다.

드레서의 마모 상태에 따라서도 다듬질 면의 거칠기가 달라진다. 마모되어 넓적하게 변형된 드레서로 드레싱 하면 숫돌 표면의 나사 절삭도 넓적하게 되어 마모되지 않은 새로운 드레서보다 거칠기는 좋게 된다.

드레서를 교환한 후 거칠기가 나빠졌을 때는 드레서 끝이 매우 예리했다는 것을 짐작할 수 있다. 이 때는 드레싱을 몇 차례 반복하면 거칠기가 좋아진다. 반대로 드레서가 너무 마모되면 정상적인 드레싱을 할 수 없다. 뿐만 아니라 숫돌의 연삭 능력이 낮아져 셰딩 등이 발생하면서 다듬질면의 모양이 나빠진다.

③ 연삭 조건이 나쁘다 - 숫돌의 연삭 깊이가 깊으면 한 개의 숫돌 입자가 만드는 연삭 홈이 깊게 되어 거칠기가 나빠진다. 이 때는 다음과 같은 연삭 조건으로 바꿔본다.

• 다듬질 속도를 느리게 한다 (절삭 깊이를 얕게 한다)

• 스파크 아웃을 길게 한다 (차츰 숫돌 입자의 절삭 깊이를 얕게 한다).

• 숫돌 축 회전수를 빠르게 한다 (연삭 칩 형상을 작게 한다).

• 가공물 회전수를 빠르게 한다 (연삭 칩 형상을 작게 한다).

④ 연삭액 주입 방식이 나쁘다 - 연삭액이 연삭점에 충분히 뿌려져 있지 않으면 숫돌 입자의 연삭날 윤활이 나쁘기 때문에 연삭 칩이 깨끗하게 생기기 않으며, 뜯어 먹거나 용착을 일으켜 거칠기가 나쁘게 된다.

2) 일정한 주기의 기복이 생긴다

① 드레싱 리드가 모방되어 옮겨져 있다 - 플런지 컷 연삭을 할 때 거칠기의 모양이 일정한 주기로 기복이 생겼을 때는 우선 그 피치를 측정해 본다. 기복의 피치가 드레싱 리드와 일치한다면 그 원인은 드레싱 조건이다. 리드가 크고 깊을 때 뚜렷하게 나타난다. 이 때는 드레싱 리드를 작게 하여 기복이 눈에 띄지 않게 하거나 트래버스 가공에 드레싱 리드의 영향을 없앤다.

② 드레싱을 할 때 진동이 생긴다 - 드레싱을 할 때 드레서나 숫돌 축이 진동하고 있으면 숫돌이 그 진동 때문에 기복이 생기는 모양으로 드레싱 되어 다듬질 면도 기복이 있는 모양이 된다. 이 때는 기복을 발생시키는 진동원을 제거해야만 한다. 예를 들어 기계의 설치가 나빴기 때문에 기계 전체가 저주파로 진동하여 숫돌을 기복 형상으로 드레싱 할 때가 있다. 이 경우에는 설치를 재정비하여 진동을 잡아야 기복도 없어진다. <표1>에 다듬질 거칠기 면에 관한 트러블 대책을 표시하였다.

▲ <표 1> 다듬질면 거칠기 불량의 트러블 대책

치수 편차의 트러블 대책

내면 연삭 가공에는 자동 치수 검사 장치 방식이 있다. 이 방식은 게이지 장치를 사용하는 오토 게이지 연삭과 설정된 위치에서 절삭 깊이를 정지시켜 소정의 치수로 다듬질하는 오토 사이즈 연삭으로 구분된다.

 

1) 자동 게이지 연삭 때 치수가 분산된다

게이지 접점의 마모나 절손, 측정 헤드의 응답성이 나빠지거나 열변위, 게이지 업의 온도 특성 등 주로 게이지에 문제가 있는 경우가 많으며 다음과 같은 원인도 있다.

① 게이지 접점에 숫돌 입자가 끼어 있다 - GC 숫돌 등에서 숫돌 입자가 많이 탈락되면, 숫돌 입자가 접점과 가공물 사이에 끼어 한 개의 치수가 보태지는 수가 있다. 이럴 때는 측정점의 연삭액 양을 늘려 숫돌 입자가 씻겨 내려가게 한다.

② 다듬질 속도가 빠르다, 연삭기의 응답성이 나쁘다 - 게이지의 치수 장치 신호가 나온 후, 실제로 절삭 깊이 사이에 깎여 나가는 양의 분산이 크게 되어 결과적으로는 치수의 편차가 크게 된다.

해결 방법은 다듬질 속도를 느리게 하거나 스파크 아웃을 길게 하여 연삭 잔량을 적게 하는 것이다. 물론 연삭기의 응답성을 향상시키는 작업도 필요하다.

2) 오토 사이즈 연삭 때 치수가 분산된다

① 기계 정밀도가 나쁘다 - 절삭 깊이 이송이 끝날 때, 드레싱을 할 때의 절삭 깊이 이송대의 정지 위치가 분산되면 그대로 치수의 분산으로 된다. 따라서 양산 가공을 할 때 치수 정밀도가 엄격할 경우에는 위치 결정 정밀도가 좋은 연삭기가 필요하다.

② 공구의 설치가 나쁘다 - <그림1>과 같이 숫돌과 가공물의 중심 높이가 일치되어 있지 않으면 숫돌의 지름이 작아짐에 따라 내경 치수도 작아진다. 이 현상의 이유는 숫돌과 가공물의 작용점이 숫돌의 지름에 따라가 달라지기 때문이다.

▲ <그림1> 숫돌과 가공물의 중심 높이가 일치하지 않을 때

그리고 <그림2>와 같이 숫돌과 드레서의 중심 높이가 일치되어 있지 않으면 숫돌의 지름이 작아짐에 따라 내경의 치수가 크게 된다. 이 현상의 이유는 숫돌의 지름이 작아질수록 드레싱 후의 예상 숫돌 지름과 실제 숫돌 지름 사이의 차이가 크게 되기 때문이다(실제 숫돌 지름이 크게 된다). 어느 경우에나 높이를 조정할 필요가 있다.

▲ <그림2> 숫돌과 드레서의 중심 높이가 일치하지 않을 때

③ 숫돌의 연삭성이 변화한다 - 숫돌의 지름 변화나 드레서 마모 등으로 숫돌의 연삭성이 변화하면 다듬질을 끝냈을 때 연삭 잔량이 분산되어 치수도 분산된다. 연삭 조건이나 드레싱 조건을 바꾸는 것 외에도 숫돌 축의 강성을 올려 연삭 잔량을 적게 하는 방법도 있다. 퀼을 굵게 하거나 재질을 초경이나 특수 합금강으로 한 예가 있다.

④ 열변위 - 연삭기의 구동원에 유압을 사용하고 있을 때, 운전이 시작됨과 동시에 유온이 상승하여 각 구성 요소의 온도가 올라가 열변위를 일으키며, 숫돌과 가공물의 위치 관계가 틀어져 치수가 분산된다. 이 때는 유온을 조절하거나 기계를 단열 구조로 바꿀 필요가 있다.

주축이나 숫돌 축 또는 로터리 드레서와 같은 회전체는 베어링 부위의 발열 때문에 자주 열변위를 일으킨다. 일부 제품은 수냉식 재킷을 사용하여 냉각한다.

▲ <표 2> 진원도 불량의 트러블 대책

그 외에 냉각액의 온도 변화 때문에 열변위하여 치수가 분산되는 경우도 있다. 자동 치수 검사 장치 연삭에서 가공 치수를 ø10㎛ 이하로 억제하기 위해서는 냉각액 온도 조절기를 설치할 때가 많다. <표3>은 치수 정밀도 불량에 관한 트러블 대책이다.

▲ <표 3> 치수 정밀도 불량의 트러블 대책

원통도 불량의 트러블 대책

1) 원통도가 기울어져 있다

① 스위블 조정이 잘못되어 있다 - 원통도가 언제나 같은 테이퍼(주축측이 크거나 혹은 작거나)라면 주축 스위블을 조정하면 고쳐진다.

② 숫돌의 크고 작음에 따라 절삭성의 변화가 너무 많다 - 숫돌의 지름이 작아지면 연삭 특성의 변화로 주축측 테이퍼가 크게 되는데, 테이퍼가 허용량을 넘게 된다면 숫돌 지름이 조금 큰데서 끝낸다. 다른 대책으로는 드레싱 속도를 바꾸거나 퀼의 강성을 올리는 방법이 있다.

③ 숫돌을 빼는 양이 잘못되어 있다 - 숫돌을 트래버스 시킬 때, 가공물에서 얼마나 빼는가에 따라 원통의 상태가 볼록형으로 되기도 하고 오목형으로 되기도 한다. 볼록형이 된 경우에는 빼는 양을 적게 하고, 오목형이 된 경우에는 빼는 양을 늘린다. 일반적으로 숫돌 폭의 1/3 ~ 1/4이 적당하게 빼는 양이다.

2) 원통도가 분산된다

숫돌 지름의 변화나 드레서의 마모로 숫돌의 절삭성이 변화하면 치수가 분산될 뿐만 아니라 원통도가 분산되는 원인이 된다. 이럴 때는 연삭 조건이나 드레싱 조건을 변경할 필요가 있다. 원통의 형상이 무너졌을 때는 드레싱 양을 늘려 숫돌의 형상을 회복시킨다. 

CBN 휠에서의 트러블

CBN 휠은 한 번 드레싱 하면 보통 숫돌의 몇 십배를 가공할 수 있으며, 휠이 잘 마모되지 않고 치수 관리가 간단하다는 장점이 있다. 그러나 이 CBN 휠도 적절히 사용하지 않으면 여러 가지 트러블을 일으킨다.

① 보통 숫돌이라면 돌이 하나인 다이아몬드로 간단하게 수십 ㎛의 드레싱을 할 수 있지만 CBN 휠은 숫돌 입자의 경도가 높으며, 보통 숫돌과 같은 드레싱을 하면 숫돌의 모양이 무너지고 드레서가 마모된다.

그래서 안정된 절삭날을 만들기 위해서는 로터리 드레서를 사용하여 조금씩 절삭한다. 드레싱은 반복적으로 한다. 이 때 드레서의 강성이 낮으면 미소 절삭을 할 수 없으므로 고강성형 드레서를 사용할 필요가 있다.

② 드레싱 직후의 CBN 휠은 숫돌 입자에 결합제가 붙어 있어 절삭성이 나쁘고 연삭 저항이 많아진다. 따라서 연삭 잔량이 많으며 오토 사이즈 연삭에서는 드레싱 직후의 내경 치수가 작아지고 테이퍼는 주축측이 작아진다.

이 상태는 몇 개만 가공하면 개선되어 정상 상태가 되므로 드레싱 직후의 몇 개를 가공할 때는 정밀도를 안정시키기 위해 절삭 깊이를 낮춰 연삭력을 안정시킨다.

③ CBN 휠은 기계의 열변형 때문에 실제 드레싱 양이 분산되면 가공 정밀도가 불안정하게 된다. 실제 드레싱 양이 적으면 안정된 스킵 수가 될 때까지 치수 정밀도와 테이퍼를 유지할 수 없게 된다. 

이와 반대로 드레싱 양이 많을 때는 최초의 드레싱으로 너무 많이 절삭되기 때문에 숫돌과 드레서가 모두 손상을 받게 된다. CBN 휠의 경우, 드레싱 양이 적고 드레싱 간격이 길기 때문에 기계의 열변위를 억제하는 것이 중요하다. 

원문 ｜ 도서출판 성안당 [연삭기 활용 매뉴얼]