CNC 가공품의 표면 조도란?
CNC 가공의 정의
CNC 가공은 엄격한 공차 요구사항이 적용된 도면도 실현 가능하며, 다양한 금속 가공품부터 미세 플라스틱 부품까지 제조할 수 있는 가공법입니다. 따라서 현재로서는 맞춤형 부품 및 시제품 제작을 위한 최고의 가공법 중 하나로 취급됩니다.
이러한 CNC 가공은 재료를 갈아내는 방식인 ‘절삭’을 통해 부품을 생산합니다. 가공 중 절삭 공구가 원료를 지속적으로 제거하므로 부품 표면에 눈에 보이는 절삭 공구 자국이 생성됩니다. 이러한 절삭 공구 자국, 즉 마감의 거칠기 정도를 ‘표면 조도’라고 하며 정도에 따라 다양한 등급으로 나누어집니다.
이번 글에서는 표면 조도의 생성 원인과 가공 제품에 미치는 영향에 대해 알아보고자 합니다.
표면조도의 정의와 생성 원인
CNC 가공 후 부품 표면은 매우 매끄러워 보이지만 손으로 만지면 울퉁불퉁한 느낌이 듭니다. 일상 생활에서 사람들은 그것을 "표면 마감"이라고 부르는데요, 제조업계에서는 이를 "표면 조도"라고 부릅니다. 표면 조도는 가공된 표면이 가진 봉우리(최고 높이)와 골(최저 높이)의 간격이 작고 울퉁불퉁한 것을 말합니다. 두 개의 골짜기의 거리는 매우 좁으며(1mm 미만) 미시적인 형상 오류에 속하지만 그것이 부품 및 기계에 미치는 영향은 상당합니다.
그리고 이러한 표면 조도는 일반적으로 절삭 공구와 가공물 표면의 마찰, 절삭칩이 분리될 때 표면 금속의 소성 변형, 가공 공정에서의 고주파 진동 등에 의해 형성됩니다. 가공 방법과 공작물의 재료 등 표면에 영향을 미치는 요소들이 각기 다르기 때문에 가공된 표면에 남아 있는 절삭 공구 자국의 깊이, 밀도, 모양 및 질감도 모두 다르게 나타납니다.
지금까지 표면 조도란 무엇이고 왜 생기는지에 대해 이야기했다면, 이제 표면 조도가 제품에 미치는 영향에 대해 살펴보겠습니다.
표면 조도는 기계 부품의 마모 저항, 피로 강도, 접촉 강성, 진동 및 소음 등과 밀접하게 관련이 있습니다.
그리고 이러한 표면 조도는 공작기계의 수명과 가공품 완성도에 큰 영향을 미칩니다. 표면 조도가 제품에 미치는 구체적인 영향은 다음과 같습니다.
표면 조도가 제품에 미치는 구체적인 영향
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부품의 내마모성
내마모성이란 마찰에도 닳지 않고 잘 견디는 성질을 의미하는데요, 표면이 거칠수록 접합 표면 사이에서 실질적으로 접촉되는 면적이 작아지고 압력이 커지면서 마모가 빨라집니다.
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적합 특성의 안정성
앞서 표면이 거칠수록 마모되기가 쉽다고 말씀드렸는데요, 그러한 마모인한 간극은 부품의 적합 특성에 부정적인 영향을 미칩니다. clearance fit(헐거운 맞춤, 틈새)의 경우, 작업 과정에서 그 간극이 점진적으로 증가합니다. 그리고 interference fit(억지 맞춤, 죔쇄)의 경우, 조립 중 미세한 봉우리가 평평해져 실제 효과적인 끼임까지 감소하여 연결 강도가 감소합니다.
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부품의 피로 강도
표면 조도의 의미에서 언급했듯이 표면에는 거칠기를 의미하는 물결 모양의 골짜기가 존재하는데요, 이 골짜기의 물결 모양이 클수록 날카로운 노치와 같이 피로 집중에 민감해집니다. 모서리, 즉 골짜기 하나하나에 힘이 쏠려 부품의 피로 강도가 높아지는 것입니다. 피로 강도가 지나치게 높아지면 피로파괴가 발생할 수 있습니다.
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부품의 밀봉 성능
거친 표면은 단단히 장착할 수 없으며 이로 인해 생기는 접촉 표면 사이의 틈새를 통해 가스 또는 액체가 누출됩니다.
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부품의 내식성
4번과 이어지는 부분인데요, 먼저 내식성은 금속 부식에 대한 저항력을 의미합니다. 표면 조도가 높을수록 표면의 작은 계곡을 통해 더 많은 부식성 가스 또는 액체가 표면의 내부 금속층으로 침투합니다. 즉, 거친 표면은 밀봉 성능을 떨어트려 표면 부식을 유발하는 것입니다.
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부품의 접촉 강성
접촉 강성이란 부품의 접합 표면이 외부 힘의 작용에 의한 접촉 변형에 저항하는 능력을 의미합니다. 그리고 기계의 강성은 다양한 부품 간의 접촉 강성에 의해 결정됩니다. 따라서 부품 하나의 거친 표면이 기계 자체의 강성을 떨어트리는 부정적 나비 효과가 발생할 수 있습니다.
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부품 측정 정확도
측정되는 부품의 표면 조도뿐만 아니라 측정 도구의 표면 조도또한 측정 정확도에 영향을 미치는데요, 특히 정밀한 측정을 할 경우에 표면 조도는 측정 정확도에 더 직접적인 영향을 미칩니다.
대표적인 영향 7가지를 알아보았는데요, 이 외에도 표면 조도는 코팅, 열전도도 및 부품의 접촉 저항, 반사율 및 복사 성능, 액체 및 가스 흐름에 대한 저항, 도체 표면의 전류 흐름 등에 직간적접인 영향을 미칩니다.
CNC 가공은 특히나 정밀한 부품을 제작할 때 쓰이는 경우가 많기 때문에,가공물의 표면 조도 조정은 작업자의 충분한 관찰과 관심이 중요하겠습니다.
추가적으로 표면 조도 개선을 위한 방법에 대해 궁금하시다면 ‘[제조 백과] CNC가공에서 표면 개선’을 참고해주세요!
