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 제목 |
표면거칠기의 정의 |
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| 분류 |
기계제도교실 > 표면거칠기 |
작성일 |
2006.06.20 |
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| 작성자 |
admin   |
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| 키워드 |
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1. 요철과 파상
선반(lathe), 밀링머신(milling machine), 드릴링머신(drilling machine), 연삭기(grinding machine) 등과 같은 공작기계에 의해 기계적으로 가공된 공작물의 표면은 일반적으로 요철(거칠기), 파상, 결, 흠 등으로 구성되어 있다.
요철(roughness)은 절삭공구에 의해 발생되는 매우 미세한 불규칙이다. 표면거칠기(surface roughness)는 요철의 크기나 간격에 의해 결정된다.
파상(waviness)은 기계의 진동이나 기하학적 형상 오류 등에 의해 발생되는 물결 모양의 편차이며 표면파상도(surface waviness)를 결정하는 요소이다.
요철과 파상은 하나로 결합되어 공작물의 표면을 구성한다. 그림 K1-1의 요철과 파상은 표면거칠기 측정기로 스캐닝(scanning)한 것을 가로 방향으로 10배, 세로 방향으로 10000배 확대하여 나타낸 것이다.
표면조직(surface texture)의 주된 방향을 결(lay)이라 한다. 결은 표면의 광학적 특성에 영향을 끼친다. 매끈하게 마무리된 표면이라도 강한 결이 있으면 거칠어 보이고, 결이 없는 거친 표면은 실제보다 고르게 보인다. 흠(flaw)은 긁힘, 갈라진 틈, 불순물에 의한 작은 구멍 등을 말한다. |
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| <그림 K1-1> |
2. 거칠기곡선과 여파굴곡곡선
가공이 완료된 부품의 표면거칠기를 측정할 때에는 표면거칠기 측정기를 사용한다. 표면거칠기 측정기는 측정 대상 부품의 표면을 스캐닝하는 검출기, 검출기를 일정한 속도로 지정된 거리만큼 이동시키는 구동 장치, 스캐닝한 자료를 분석하여 표면거칠기를 구하는 자료 처리 부분 등 크게 세 부분으로 구성되어 있다.
검출기는 특별한 지시가 없는 한 표면의 결에 수직한 방향으로, 표면을 가로질러 이동하면서 스캐닝하여야 한다. 검출기로부터 그림 K1-2에서 보는 것과 같은 단면곡선(primary profile, unfiltered profile)을 얻을 수 있다.
단면곡선은 검출기의 이동 경로를 포함하는 절단면의 표면 윤곽(profile)이다. 수학적으로는 표면에 수직한 절단면과 표면이 교차하는 선을 의미한다. 단면곡선은 거칠기곡선(roughness profile)과 여파굴곡곡선(waviness profile)을 포함하고 있는데, 거칠기곡선은 표면조직의 요철에 해당되고 여파굴곡곡선은 파상에 해당된다. 표면거칠기와 표면파상도를 측정하기 위하여 단면곡선으로부터 거칠기곡선과 여파굴곡곡선을 분리할 필요가 있다.
표면거칠기 측정기는 단면곡선을 하나의 전자파(electromagnetic waves)로 간주하고, 그림 K1-2에서 보는 것처럼 고역필터(high-pass filter)와 저역필터(low-pass filter)를 사용하여 거칠기곡선과 여파굴곡곡선을 분리해낸 다음, 거칠기곡선으로부터 표면거칠기를 산출하고 여파굴곡곡선으로부터 표면파상도를 산출한다.
고역필터는 특정 주파수(frequency)보다 높은 주파수의 전자파만 통과시키고, 저역필터는 반대로 낮은 주파수의 전자파만 통과시키는 전자회로이다. 주파수가 높은 전자파일수록 파장(wavelength)이 짧다. 따라서 고역필터를 다르게 표현하면, 특정 파장보다 짧은 파장의 전자파만 통과시키는 전자회로라 할 수 있다. 여기에서 특정 파장 즉, 어떤 전자파가 필터를 통과하느냐 못하느냐의 기준이 되는 파장을 컷오프(cut-off) 파장이라 한다. 컷오프 파장에 따라 고역필터로 걸러낸 거칠기곡선의 파형(wave form)이 달라지고 궁극적으로 표면거칠기 값이 달라지기 때문에, 컷오프 파장은 표준으로 정할 필요가 있다. |
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| <그림 K1-2> |
KS B 0161(표면거칠기 정의 및 표시: 1999)에 따르면 컷오프 파장은 0.08, 0.25, 0.8, 2.5, 8, 25mm 등 6가지 중에서 선택하여야 한다. 컷오프 파장의 기호는 λc, 단위는 mm이다.
표 K1-1은 표면거칠기를 측정할 때 일반적으로 적용되는 컷오프 파장을 정리한 것이다. |
| 측정 대상 부품 |
일반적으로 적용되는 컷오프 파장(mm) |
| 정밀하게 가공된 광학 부품 |
0.08 |
| 연삭 가공된 부품 |
0.25 |
| 일반 가공 부품 |
0.8 |
| 매우 거칠게 가공된 부품 |
8.0 |
| 특별한 지시가 없을 때 |
0.8 |
3. 기준길이와 평가길이
그림 K1-3은 거칠기곡선의 기준길이와 평가길이를 나타낸 것이다. 거칠기곡선에서 표면거칠기를 산출할 때 기준이 되는 단일 측정 길이를 기준길이(sampling length)라 한다. 기준길이는 컷오프 파장과 같다. 예를 들어, 컷오프 파장이 0.8mm이면 기준길이도 0.8mm이다.
표면조직을 구성하는 요철의 크기와 간격은 모든 표면에 걸쳐 불규칙하기 때문에 측정 위치에 따라 표면거칠기 값이 크게 다를 수 있다. 그래서 기준길이의 5배인 평가길이(evaluation length)를 5번 분석하여 그 평균값을 표면거칠기 값으로 결정한다.
트레이스길이(tracing length)는 평가길이 앞뒤로 각각 시작길이(start-up length)와 종결길이(run-off length)를 더한 것이며, 검출기가 표면을 스캐닝하면서 이동한 전체 거리이다.
평균선(mean line)은 위상보정필터(phase correct filter)를 사용하여 단면곡선의 각 점에 대한 가중평균(weighted average)을 계산해서 구한 직선인데, 여파굴곡곡선을 고르게 펴서 직선으로 바꾼 것으로 이해하면 된다. |
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| <그림 K1-3> |
4. 표면거칠기 파라미터 표면거칠기 파라미터(parameter)는 표면거칠기를 산출하는 방식과 그것을 표현하는 데 사용되는 매개변수를 의미한다. KS B 0161은 다음과 같은 6가지 파라미터를 표준으로 정하고 있다. • 산술평균거칠기(Ra, arithmetic mean deviation of the profile): 알기 쉽게 그림으로 나타내면 그림 K1-4의 (가)에서 거칠기곡선의 모든 산과 골의 면적의 합(  )과 동일한 면적을 가진 직사각형(  )의 높이에 해당된다. 통계학적으로는 평균선에 대한 거칠기곡선의 편차의 산술 평균이다. 산술평균거칠기는 지나치게 튀어나온 산봉우리나 깊게 패인 골짜기의 영향을 적게 받고, 표면거칠기를 비교적 잘 대표하기 때문에 가장 널리 사용된다. 단위는 μm(0.001mm)이다. • 최대높이(Ry, maximum height of the profile): 거칠기곡선에서 가장 높은 산봉우리와 가장 깊은 골짜기 사이의 수직거리이다. (그림 K1-4-나) 최대높이는 비정상적인 돌출이나 함몰의 영향을 많이 받기 때문에 동일한 표면에 대하여 산술평균거칠기의 4~7배 정도 큰 값이 산출된다. 그럼에도 불구하고 평균선을 구하지 않아도 되는 간편함 때문에 많이 사용된다. 단위는 μm이다. |
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| <그림 K1-4> |
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• 10점평균거칠기(Rz, ten point height of irregularities): 그림 K1-5 (가)에서 보는 것처럼 거칠기곡선에서 가장 높은 산봉우리 5개의 높이의 평균값(절대값)과 가장 깊은 골짜기 5개의 깊이의 평균값(절대값)의 합이다. 따라서 10점평균거칠기는 기준길이 내에 5개의 산과 골이 있어야 산출할 수 있다. 단위는 μm이다.
• 요철평균간격(Sm, mean width of the profile elements): 그림 K1-5 (나)에서 보는 것처럼 하나의 산(골)이 평균선과 교차하는 점에서 이웃하는 산(골)의 대응점까지의 거리의 합을 산술 평균한 값을 mm로 나타낸 것이다. 요철평균간격은 선반이나 밀링머신 등에 의해 가공된, 주기적인 결이 있는 표면을 평가하는 데 적합하다. |
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| <그림 K1-5> |
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• 국부산봉우리평균간격(S, mean spacing of local peaks of profile): 서로 이웃하는 국부 산봉우리 사이의 수평 거리의 합을 산술 평균한 값을 mm로 나타낸 것이다.(그림 K1-6-가)
• 부하길이율(tp, the ratio of the bearing length): 거칠기곡선의 산봉우리를 그림 K1-6 (나)와 같이 평균선과 평행한 특정 높이로 잘라냈을 때, 모든 절단면의 길이의 합(부하 길이)을 기준길이에 대한 백분율(%)로 나타낸 것이다. 그림에서 절단 위치 C는 최대높이(Ry)에 대한 비율(%)로 지정하는데 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 90% 중에서 선택하여야 한다. 따라서 부하길이율을 산출하기 전에 최대높이를 먼저 구하고 절단 위치 C를 결정하여야 한다. 부하길이율은 표면의 마모 및 수명에 관한 예측을 가능하게 한다. |
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| <그림 K1-6> |
| 표 K1-2는 표면거칠기 값에 따라 권장되는 컷오프 파장 또는 기준길이의 표준 값을 나타낸 것이다. 산술평균거칠기를 산출할 때에는 컷오프 파장을 먼저 결정하여야 하고 다른 파라미터는 기준길이를 우선 결정하여야 한다. |
| Ra(μm) |
Ry, Rz(μm) |
Sm, S(mm) |
컷오프 파장
또는 기준길이(mm) |
| 초과 |
이하 |
초과 |
이하 |
초과 |
이하 |
| 0.006 |
0.02 |
0.025 |
0.1 |
0.013 |
0.04 |
0.08 |
| 0.02 |
0.1 |
0.1 |
0.5 |
0.04 |
0.13 |
0.25 |
| 0.1 |
2.0 |
0.5 |
10.0 |
0.13 |
0.4 |
0.8 |
| 2.0 |
10.0 |
10.0 |
50.0 |
0.4 |
1.3 |
2.5 |
| 10.0 |
80.0 |
50.0 |
200.0 |
1.3 |
4.0 |
8.0 |
| 표 K1-3은 표면거칠기 파라미터별로 권장되는 표면거칠기 표준 값을 나타낸 것이다. 도면에 표면거칠기를 지시할 때에는 표준 값 중에서 선택하는 것이 좋다. |
| 파라미터 |
권장되는 표면거칠기 표준 값 |
단위 |
| Ra |
0.012, 0.025, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.3, 12.5, 25, 50, 100, 200, 400 |
μm |
| Ry, Rz |
0.025, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.3, 12.5, 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600 |
μm |
| Sm, S |
0.006, 0.0125, 0.025, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.3, 12.5 |
mm |
| tp |
10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 |
% |
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