본문내용
1. 조도(표면거칠기)
1.1. 정의 및 특징
조도(표면거칠기)는 제품의 표면을 다듬질 가공할 때 생성되는 미세한 요철(凹凸)의 정도를 나타내는 개념이다. 공법, 가공도구, 표면의 흠, 녹 등에 의해 생성되며, 접촉 부분의 기계적, 물리적 특성에 영향을 미친다.
조도는 표면의 거칠기와 관련된 개념으로, 가공 과정에서 생성된 미세한 요철들로 인해 발생한다. 이러한 요철들은 표면의 마찰력, 내구성, 표면 반사도 등에 영향을 미치게 된다. 따라서 적절한 조도 수준을 유지하는 것은 제품의 품질 관리 및 성능 향상을 위해 매우 중요하다.
1.2. 측정 방법
1.2.1. Ra (중심선 평균 거칠기)
Ra (중심선 평균 거칠기)는 거칠기 곡선 중에서 중심선으로부터의 위쪽 부분의 면적과 아래쪽 부분의 면적의 합을 기준길이(L, 컷오프 값)로 나누어 나타내는 방법이다. 중심선은 기준길이 내에서 평균 단면곡선과 평행한 직선을 그었을 때 이 직선과 면곡선으로 둘러싸인 면적이 같게 되는 직선을 말한다. 중심선에서 거칠기의 편차가 가장 작은 선이다. 보통 측정기를 이용해서 Ra를 계산하기 때문에 구체적인 방법을 알 필요가 없다.Ra는 중심선 평균 거칠기 또는 산술평균 거칠기라고도 불리며, 표면 거칠기의 대표적인 지표 중 하나이다. 산술평균 거칠기는 기준 길이 내의 실제 표면 곡선에서 중심선까지의 편차의 절대값을 평균한 값이다. Ra는 표면의 평균적인 거칠기를 나타내는 척도로, 다른 거칠기 지표들에 비해 비교적 측정이 용이하고 제품 설계 시 많이 이용된다.
Ra 측정 방법은 다음과 같다. 먼저 표면 거칠기 측정기를 이용하여 표면 프로파일을 측정한다. 그리고 중심선을 구하고, 중심선에서 실제 표면까지의 편차의 절대값을 평균하여 Ra 값을 구한다. Ra는 단순히 산술평균만을 고려하기 때문에, 표면의 특정 부분이 매우 거칠더라도 다른 부분이 매끄러우면 Ra 값이 작게 나올 수 있다는 단점이 있다.
Ra 값은 표면 가공 방식에 따라 다양한 범위를 가진다. 일반적으로 Ra가 12.5~25 ㎛인 경우 밀링, 선반, 드릴 등의 공작기계 가공으로 가공 흔적이 남을 정도의 거친 면이며, 끼워 맞춤을 하지 않는 가공면에 해당한다. Ra가 3.2~6.3 ㎛인 경우 가공 흔적이 남지 않을 정도의 면으로, 상대 부품과 끼워 맞춤을 하되 마찰 운동을 하지 않고 고정되는 면 및 키홈에 해당한다. Ra가 0.8~1.6 ㎛인 경우 끼워 맞춤되어 회전 운동이나 직선 왕복 운동을 하는 면이며, 베어링 조립부나 실 조립부는 Ra 1.6 ㎛, 운동용 오링은 Ra 0.8 ㎛ 이하로 관리한다. Ra가 0.1~1.2 ㎛인 경우 그라인딩, 연삭, 래핑, 호닝, 버핑 등의 정밀 가공이 이루어진 면으로, 피스톤 펌프의 피스톤이나 스풀 및 슬리브, 실린더 로드 실과 마찰하는 튜브 내경부 등에 적용된다.
따라서 Ra는 표면 거칠기를 나타내는 대표적인 지표이자, 제품의 용도 및 성능 요구 사항에 따라 적절한 Ra 값을 선정하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
1.2.2. Rmax, Ry (최대 높이 거칠기)
Rmax와 Ry는 최대 높이 거칠기를 나타내는 지표이다. 거칠기 곡선에서 평균선 방향으로 기준길이 L만큼을 뽑아내어 가장 높은 산봉우리선과 가장 낮은 골바닥 선의 간격을 나타낸 것이다.
Rmax는 거칠기 곡선에서 평균선과 높이 차가 가장 큰 곳의 값으로, 표면의 최대 높이 차를 의미한다. 따라서 Rmax는 거칠기 곡선상의 최대 높이 차를 나타내는 지표라고 할 수 있다.
Ry 또한 최대 높이 거칠기를 나타내는 지표로, Rmax와 유사하게 평균선 방향으로 기준길이 L만큼을 뽑아내어 가장 높은 산봉우리선과 가장 낮은 골바닥 선의 간격을 의미한다. Ry는 Rmax와 마찬가지로 표면의 최대 높이 차를 나타내는 지표이다.
즉, Rmax와 Ry는 모두 표면 거칠기의 최대 높이 차를 나타내는 지표로, 가공 공정에서 발생한 표면의 최대 요철 높이를 파악할 수 있게 해준다. 이를 통해 표면 거칠기 관리 및 품질 관리에 활용할 수 있다.
1.2.3. 십 점 평균 거칠기 (Rz, Rs)
십 점 평균 거칠기(Rz, Rs)는 단면 곡선에서 기준 길이만큼 채취한 부분에서 중심선에 세로방향으로 측정한 가장 높은 곳으로부터 5번째까지의 봉우리의 표고 평균값과 가장 낮은 곳으로부터 5번째까지 골 밑의 표고 평균값과의 차이로 나타내는 방법이다. 즉, 단면 프로파일의 거칠기를 대표할 수 있는 10개의 요철 높이 차이를 평균한 것이라 할 수 있다.
예를 들어, 기준 길이 내에서 가장 높은 5개의 봉우리 높이가 각각 8㎛, 7㎛, 6㎛, 5㎛, 4㎛이고, 가장 낮은 5개의 골 깊이가 각각 6㎛, 5㎛, 4㎛, 3㎛, 2㎛라면, Rz는 (8+7+6+5+4) - (6+5+4+3+2) = 14㎛가 된다.
이처럼 Rz는 Ra나 Ry와 달리 단일 수치로 표현되는 거칠기 지표가 아닌, 최대 높이와 최대 깊이의 차이를 나타내는 지표이다. 따라서 표면의 불규칙성을 잘 반영할 수 있는 특징이 있다. 하지만 표면의 전체적인 미세 형상을 잘 나타내지는 못한다는 단점도 있다.
한편 Rs는 Rz와 유사한 개념으로, 10개의 최대 정점과 최대 골의 평균값으로 정의된다. 즉, Rs는 Rz와 달리 정점과 골의 크기에 대한 가중 평균이 아니라 단순 평균으로 계산된다는 차이가 있다.
Rz와 Rs는 주로 기계가공된 표면의 거칠기 특성을 확인하는데 사용되며, 표면의 평균 요철 높이를 나타내므로 표면의 미시적 특성을 파악하는데 유용하다고 할 수 있다.
1.3. 컷 오프
컷 오프(Cut-off)는 물체의 표면에 다양한 파장이 존재하는데, 이 중 너무 긴 파장의 거칠기는 표면 거칠기 측정에 방해가 되므로 이를 제거하기 위한 기준값을 말한다.
컷 오프는 파장의 크기 값이라고 생각할 수 있다. 측정 시 컷 오프 이하의 파장은 해석에서 제외되며, 측정기에서는 컷 오프 이상의 성분만을 측정하게 된다. 일반적으로 사용되는 컷 오프 값은 0.008mm, 0.025mm, 0.08mm, 0.25mm, 0.8mm, 2.5mm, 8mm 등이다.
측정길이(평가길이)는 보통 컷 오프 값의 5배 또는 그 이상으로 설정한다. 이는 충분한 정보를 담고 있는 대표적인 표면 특성을 얻기 위함이다. 즉, 표면 거칠기 측정 시 컷 오프와 평가길이를 적절히 선택하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
1.4. 거칠기 계산 및 선정
1.4.1. 산술평균거칠기 계산
산술평균거칠기 계산은 표면 가공품의 품질 관리를 위해 매우 중요한 지표이다. 측정기로 표면 파장의 성분을 제거하는 한계 파장인 컷오프(기준길이, sample length)를 선정하고, 이를 기준으로 표면 거칠기를 계산한다.
먼저 컷오프 값을 선정한다. 일반적으로 컷오프 값은 0.008mm, 0.025mm, 0.08mm, 0.25mm, 0.8mm, 2.5mm, 8mm 중에서 선택한다. 컷오프 값이 클수록 더 긴 파장의 거칠기까지 고려하게 된다.
다음으로 측정길이(평가길이)를 선정한다. 측정길이는 원칙적으로 컷오프 값의 5배 이상으로 한다. 이는 측정의 대표성을 확보하기 위함이다.
그 후 산술평균거칠기 Ra를 계산한다. Ra는 거칠기 곡선에서 중심선으로부...
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