CNC 가공 기술은 제조업에서 정밀 부품과 복잡한 디자인의 구현을 가능하게 하는 혁신적인 방법입니다. 이 고도의 기술을 사용하여, 다양한 재료를 가공함으로써 필요한 형태와 치수의 제품을 생산할 수 있습니다. 하지만, 이런 정밀 가공 과정에서도 표면 마감의 품질은 중요한 고려 사항입니다. 특히, 제품의 외관이 중요한 역할을 하는 경우나, 후속 처리 공정이 필요한 경우에는 더욱 그렇습니다.
제품의 표면 마감이 부적합할 경우, 이는 제품의 전체적인 품질에 영향을 미치며, 심지어는 제품의 기능성에도 문제를 일으킬 수 있습니다. '고작' 표면 마감 때문에 가공물을 폐기해야 한다는 상황은 제조업체에게 큰 손실을 의미합니다.
외관상으로 노출되는 부품이나 금형 제작에 사용되는 경우, 표면의 거친 마감은 발주처로부터의 반품 사유가 될 수 있으며, 이는 제품의 미관뿐만 아니라 기능적 측면에서도 중요한 문제입니다. 거친 표면은 아노다이징, 파우더 코팅과 같은 후처리 공정에서도 문제를 일으킬 수 있습니다.
이는 부분적으로 미처리가 발생하여 부식을 초래하거나, 표면의 거칠기로 인해 마찰력이 증가하여 부품의 마모 속도를 가속화시키고 내구성을 저해할 수 있습니다. CNC 가공의 특성상 표면 거칠기를 완벽히 제어하는 것에는 한계가 있지만, 별도의 추가 공정 없이도 표면 조도를 개선할 수 있는 방법들이 존재합니다.
이 글에서는 CNC 가공 후 발생할 수 있는 표면 문제를 최소화하고, 조도를 향상시킬 수 있는 여러 전략과 기술적 접근법에 대해 탐구해보겠습니다. 먼저, 표면 조도의 개념을 이해하고, 어떻게 이를 측정하며, 가공 과정에서 발생할 수 있는 다양한 문제점들을 어떻게 관리하고 개선할 수 있는지에 대해 살펴보겠습니다.
조도의 개념
표면 거칠기를 측정하기 위해 KS규격에서는 산술 평균(Ra), 최대 높이(Ry), 10점 평균(Rz), 요철 평균 간격(Sm), 국부 산봉 평균 간격(S) 및 부하 길이율(tp)을 채택하고 있습니다. 이중 가장 널리 이용되는 것이 μm로 나타낸 평균 조도인 Ra입니다.
기계에서 가공을 마친 후 별다른 표면처리 과정을 거치지 않았다면 가공물이 표면 다소 거칠어 보이고 공구자국이 남아있을 수 있습니다. 이 상태의 가공물은 평균적인 산업용 부품의 경우 3.2μm Ra를 가지게 되는데, 이 수치는 선삭/밀링/보링/드릴링/방전/브로칭/리밍 등 별도의표면처리 공정이 없는 절삭가공만으로 달성할 수 있는 가장 ‘저렴한’ 수준의 조도입니다. (허블망원경은 거의 0에 가까운 조도를 가지고 있습니다)
CNC가공에서 조도 개선 방식
CNC 가공에서 표면 조도의 개선은 제품의 품질과 성능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이를 위해 다양한 기술적 접근 방법과 조작 기술이 필요하며, 여기에는 스핀들 속도의 조절, 피드율의 최적화, 공구 설계의 개선, 그리고 가공 조건의 세심한 관리가 포함됩니다. CNC 가공 과정에서 표면 조도를 향상시키는 방법은 다음과 같습니다.
- 스핀들 속도 증가: 스핀들 속도를 증가시키면 공구와 가공물 단면의 접촉 시간이 줄어들어, 칩이 공구 모서리에 걸리는 현상을 줄일 수 있습니다. 이는 표면 마무리의 질을 개선하는 데 기여합니다.
- 피드율 조정: 피드율을 감소시키면 측면 마모를 줄이고 공구의 수명을 연장할 수 있습니다. 특히, 황삭 작업에서는 빠른 재료 제거를 위해 높은 피드율을 사용할 수 있으나, 정삭 작업에서는 낮은 피드율로 절삭 깊이를 얕게 하는 것이 표면 조도 개선에 유리합니다.
- 공구 노즈 R값 조정: 공구 노즈의 반경(R값)을 적절히 증가시키는 것도 표면 조도를 개선할 수 있는 방법입니다. 그러나 너무 큰 R값은 부적합하며, 피드 속도의 3~4배가 적당한 R값으로 간주됩니다.
- 상단 경사각 조정: 공구의 상단 경사각을 적절히 조정하여 높은 절삭력을 유지하는 것이 중요합니다. 일반적으로 90도의 경사각이 권장되며, 이는 작업 환경에서의 안정성을 보장합니다.
- 칩 브레이커와 와이퍼의 사용: 칩 브레이커는 절삭 시 발생하는 칩을 짧게 끊어 주어 가공 과정을 원활하게 합니다. 와이퍼의 사용은 인서트와 가공물 사이의 접촉 면적을 증가시켜 표면 조도를 개선합니다.
- G코드 최적화: 가공 경로의 G코드를 최적화하여 더 얇은 칩을 생성하고, 이를 통해 표면 마무리의 질을 향상시킬 수 있습니다. 칩의 생성과 배출 과정에 주의를 기울이는 것이 중요합니다.
- 황삭 및 정삭 도구의 구분 사용: 황삭과 정삭 작업을 위해 서로 다른 인서트를 사용하면, 각 공정에 최적화된 조건 하에서 더 나은 표면 조도를 얻을 수 있습니다.
- 절삭유의 적절한 사용: 절삭유는 절삭 과정에서 발생하는 조각, 미세 가루, 잔여물 등을 씻어내고 공구 마모를 최소화함으로써 표면 조도를 개선하는 데 도움이 됩니다. 올바른 절삭유의 선택과 사용은 중요합니다.
- 공구 및 워크홀딩의 관리: 마모된 조(jaw) 또는 부적절한 워크홀딩 장비의 사용은 공구에 진동이나 충격을 가하며, 이는 표면 조도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서, 공구와 워크홀딩 장비의 상태를 정기적으로 점검하고 관리하는 것이 중요합니다. 이러한 방법들을 종합적으로 적용함으로써, CNC 가공에서 표면 조도를 효과적으로 개선하고, 고품질의 제품을 생산할 수 있습니다.
이밖에 측면 절삭 가공에서의 조도개선은, 측면 마무리 가공용 고정밀 엔드밀을 이용한 별도의 노하우가 필요합니다.
조도가 낮은 것이 절대적으로 미관상 유리한 것은 아닙니다. 특히 최근 ‘반광’에 대한 선호도가 높아지고 있으며 이는 별도의 표면처리를 필요로 하게 됩니다. 그렇지만 표면 조도 개선능력은 실력 있는 가공집이라면 당연히 갖춰야 하는 소양이 되었습니다.
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