2.2.1 연삭 (Grinding)

고속으로 회전하는 연삭 숫돌로 공작물 표면을 가공하는 방법이다.

연삭 숫돌은 뒤의 "절삭 공구 재료" 에서 설명이 되므로 자세한 설명은 생략한다.

연마기는 숫돌과 공작물의 상대 이송 운동 형태에 따라 아래와 같이 구분할 수 있다.

1) 원통 연삭 (Cylindrical Grinding)

원통형 공작물의 외경 연삭 작업을 말한다.

일반적으로 원통 연삭기는 공작물의 회전 이송 운동과 중심선 방향의 직선 이송 운동이 조합된 형태로 사용되는데, 중심선 방향 이송 운동의 형태에 따라 아래의 4가지 형태로 구분할 수 있다.

① 공작물이 중심선 방향 이송 운동 : Traverse Grinding

가장 일반적으로 사용되는 방법이다.

보통, 공작물이 회전하면서 테이블이 좌우로 이송하는 구조로 되어 있으며, 공작물 직경 방향으로 테이블이 미세하게 이송하면서 절삭 깊이 조절을 할 수 있도록 되어 있다.

② 연마 숫돌이 중심선 방향 이송 운동 : Traverse Grinding

숫돌 축이 좌우로 이송하며 공작물 외경을 연삭하는 방법이다.

가공물이 크거나 길 경우, 운동 부분의 중량을 줄일 수 있는 장점이 있으며, 대부분의 대형 원통 연삭기는 이 방식을 사용한다.

③ 중심선 방향 이송 운동 없이 숫돌이 공작물 반경 방향 이송 운동 : Plunge Grinding

폭이 넓은 연삭 숫돌을 좌우 이송 운동 없이 바로 공작물 반경 방향으로 이송시켜 공작물 외경을 연삭하는 방법이다.

연삭 정밀도는 Traverse Grinding에 비해 떨어지지만, 단위 시간당 소재 제거율이 크고, 기계 구조를 단순하게 할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 연삭에 필요한 동력이 상대적으로 크므로, 연삭기가 좀 더 튼튼해야 된다.

윤곽 형상을 가진 숫돌을 사용하면 단이 있거나 곡면 형상을 가진 공작물의 외경 연삭도 가능하다.

◆ 치수 자동 제어 장치

일반적으로 균일한 제품을 대량 생산할 경우, 원통 연삭기에 치수 자동 제어 장치를 부착해 사용한다.

측정 장치로는 주로 공기 마이크로미터나 차동 변압기를 응용한 전기 마이크로미터가 사용된다.

◆ 방진구

공작물이 길 경우 연삭시의 배분력으로 중앙부 칫수가 커져 배럴 모양이 될 수 있다.

이의 방지를 위해 방진구를 사용하는데, 주로 포올(Pawl)이 경질 목재나 베이클라이트로 된 고정 방진구(Steady Rest)가 사용된다.

2) 내경 연삭

마찬가지로 보통 공작물의 회전 이송 운동과 중심선 방향의 직선 이송 운동이 조합된 형태의 구조로 되어 있다.

일반적으로 원통 연마에 비해 작은 직경의 연삭 숫돌을 사용하게 되므로 회전수가 빨라야 되고, 정밀 공차로 가공하기 어렵다.

경우에 따라, 선반 또는 원통 연마기에 내경 연삭 헤드를 부착해 사용할 수도 있으나, 정밀 연삭을 위해서는 전용 내경 연삭기를 사용하는 것이 좋다.

숫돌 축의 운동 방법에 따라 아래의 2가지 형태로 구분된다.

① 공작물이 회전

주축의 척에 공작물을 물려 회전시키고, 숫돌 축이 좌우 방향 이송과 공작물 반경 방향(절삭 깊이 방향) 이송을 하게 된다.

② 공작물이 회전하지 않고 숫돌이 유성 운동

비교적 대형의 공작물이나, 척에 장착하기 어려운 형상의 공작물에 적용하며, 숫돌이 공작물 내경부에서 회전(자전)하면서 동시에 공작물 내벽을 따라 공전하는 유성운동(Planetary Motion)을 한다.

◆ CNC 내경 연삭기

CNC 내경 연삭기는 일반적으로 CNC 선반의 공구대(Tool Post)가 내경 연삭 헤드로 바뀐 형태로 되어 있다.

CNC에 의해 연삭 헤드 경로가 제어되므로 Traverse Grinding과 Plunge Grinding이 모두 가능하다는 장점이 있다.

즉, 숫돌에 비해 폭이 좁은 내경 단차부는 플런지 연삭을 하고, 폭이 넓은 부위는 왕복 운동(Reciprocating)으로 연삭할 수 있다.

또한, 드레싱 경로도 CNC로 제어할 수 있어, 테이퍼나 곡면 형상 윤곽의 드레싱도 용이하다.

◆ 지그 그라인더

숫돌 축의 유성운동으로 내경 또는 단면 형상이 원이 아닌 내부 윤곽면의 연삭을 할 수 있으며, 대부분 수직형으로 제작된다.

경우에 따라 외경의 연삭도 가능하다.

◆ 내경 연삭 헤드 (Internal Grinding Head)

내경 연삭기나 선반에 장착하여 사용하는 고속 회전 연삭 헤드를 말한다.

고속 회전을 하고 정밀도가 요구되므로, 온도 상승과 진동이 작아야 된다.

◆ 치수 자동 제어 장치

내경 연삭 칫수의 자동 측정 장치로는 코르크(Cork) 게이지 등이 사용된다.

◆ 공작물 고정

일반적으로 척이 사용된다.

보통 단동척이나 연동척이 사용되지만, 공작물이 얇아 척킹 압력에 의한 변형이 문제가 될 경우 콜릿 척이 사용된다.

3) 평면 연삭

평면의 연삭에는 주로 숫돌의 원주면을 이용하지만, 단면을 사용하는 경우도 있으며, 공작물의 이송 운동도 일반적으로 직선 운동이지만, 원통 운동으로 하는 경우도 있다.

평면 연삭 작업은 크게 아래의 5가지 형태로 구분할 수 있다.

① 평형 숫돌의 원주면으로 연삭 - 테이블 왕복형

고정도로 가공이 가능하지만, 절삭 깊이와 이송률을 크게 할 수 없어, 비교적 소형 공작물의 정밀 연삭에 사용된다.

② 평형 숫돌의 원주면으로 연삭 - 테이블 회전형

기계를 비교적 소형으로 단순하게 만들 수 있지만, 테이블 중앙부와 바깥쪽에서 공작물 속도가 달라져 연삭면이 균일하지 않고 정밀도가 떨어진다는 단점이 있어, 주로 거친 연삭 작업에 사용된다.

연삭 작업시 가급적 테이블 중앙부는 사용하지 않는 것이 좋다.

③ 컵형 숫돌의 단면으로 연삭 - 테이블 왕복형

공작물과 숫돌의 접촉 면적이 크고, 그에 따라 단위시간당 연삭량을 크게 할 수 있으며, 숫돌 축의 돌출 길이를 짧게 할 수 있어 강성 면에서 원주면을 이용한 연삭에 비해 유리하다.

④ 컵형 숫돌의 단면으로 연삭 - 테이블 회전형

위와 유사한 특성을 가진다.

⑤ 평형 숫돌의 단면으로 연삭 - 수평축

작업과 기계가 단순하고, 비교적 정밀도를 요구하지 않는 공작물의 평면 연삭에 사용된다.

대량 생산에 적용하기 위해, 2개의 평형 숫돌 사이에 공작물을 통과시키는 방법을 사용하는 경우도 있다.

4) 무심 연마 (Centerless Grinding)

연삭 숫돌과 조정 숫돌(Regulating Wheel) 사이에 공작물을 넣고, 받침판(work rest blade)으로 지지하여 공작물 외경을 연삭하는 연삭 가공을 말한다.

연삭 방법은 조정 숫돌을 이용해 공작물의 축방향 이송 운동을 하도록 하는 Through Feed 법과, 축방향 이송 운동이 없는 In Feed 법으로 크게 구분한다.

이외에 End Feed 법과 Tangential Feed 법이 있다.

원통 형상 뿐 아니라 테이퍼부, 단이 있는 부분 등을 경제적으로 대량 생산할 수 있으며,  센터가 필요하지 않고, 자동화가 용이하며, 연삭 여유를 작게할 수 있다는 장점이 있다.

5) 기타

기타 제지나 인쇄용 롤러 연삭을 위한 롤러 연삭기, 크랭크축 연삭기, 캠 연삭기 등이 있다.

2.2.2 호오닝 (Honing)과 수퍼 피니싱 (Super Finishing)

연마 숫돌을 이용한 가공법은 크게 두가지 형태로 구분할 수 있다.

그 하나는 정도, 다듬질면을 중시하면서, 동시에 제거 능률을 높일 수 있는 연삭 가공이다.

단, 이를 위해 절삭 속도를 높일 수 밖에 없으므로, 연삭열로 인한 가공 변질층의 발생이 불가피하고, 다듬질면의 내마모성이 저하된다.

또한 고속 회전에 따른 어느 정도의 진동은 불가피하므로, 얻을 수 있는 다듬질면 거칠기에도 한계가 있다.

다른 한가지는 절삭 속도를 줄이는 대신 접촉 면적을 크게 한 가공법으로 호오닝이나 수퍼피니싱 등의 가공법이 대표적이다.

절삭 속도가 빠르지 않으므로 가공 변질층이 작고 내마모성과 윤활성이 우수하며, 표면거칠기도 연삭 가공보다 나은 다듬질면을 고능률로 얻을 수 있다.

또한, 고속 회전을 하는 연마기처럼 고정도의 공작기계를 필요로 하지 않는다는 장점도 있다.

단, 제거 능률이 떨어지므로 연삭이나 절삭 가공의 후처리에만 주로 적용된다.

1) 호오닝 (Honing)

호울더 원주 상에 여러개의 직사각형 단면으로 된 긴 막대 모양의 숫돌을 방사상으로 붙인 호온을 회전 운동과 동시에 축방향 왕복 직선 운동시켜, 구멍 내면을 다듬질하는 가공 방법이다.

주로 보오링, 리머 가공 또는 연삭한 구멍의 원통도와 표면 거칠기 개선을 목적으로 사용된다.

얻을 수 있는 표면거칠기는 보통 1~4 μm 수준이지만, 0.2 μm 수준까지도 가능하다.

숫돌에 접촉 압력을 주는 방법으로는 주로 유압이나 스프링이 사용된다.

보통 중삭시 10~30 kg/cm² , 정삭시 7~15 kg/cm² 수준으로 한다.

축방향 직선운동으로 인한 드레싱 작용으로, 숫돌 표면이 항상 예리한 상태로 유지되며, 공작물과 넓은 면에서 접촉하므로 절삭 능률도 좋은 편이다.

가공 무늬는 가공으로 생긴 선이 2방향으로 교차하는 크로스 해치형이 된다는 특징이 있다.

내연기관 실린더의 경우, 일반 연삭 가공 다듬질면은 가공 무늬가 피스톤 운동 방향과 직각인 원주 방향이 되므로 마모가 빠르게 진행된다.

반면에 호오닝 가공면은 가공 무늬가 피스톤 운동 방향과 각도를 이루므로 윤활유의 침투가 용이하며, 가공 변질층도 작아 내마모성이 연삭면에 비해 훨씬 우수하다.

일반적으로 호오닝 가공 여유는 0.005~0.025 mm 수준이지만, 경우에 따라 0.5 mm 정도까지 절삭하는 경우도 있다.

원주 방향 절삭 속도는 공작물의 재질에 따라 약간 차이가 있지만, 일반적으로 15~60 m/min 수준으로 한다 (주철 : 18∼60 m/min, 강 : 15∼45 m/min).

왕복 직선 운동 속도는 원주 방향 속도의 1/2~1/5 수준으로 하며, 이 경우 가공 무늬의 교차각은 약 10°~30°가 된다.

숫돌의 길이는 가공할 구멍 깊이의 절반보다 약간 작게 하고, 왕복 직선 운동의 양 끝에서는 숫돌 길이의 약 1/4 만큼씩 더 밖으로 나오도록 한다 (Over-run).

연삭 숫돌은 연삭 가공시와 유사한 기준으로 선정한다.

결합제는 일반적으로 비트리파이드를 사용하지만, 연한 비철 금속에는 레지노이드를 사용하는 경우도 있다.

호오닝유는 칩의 세척과 냉각을 위해 다량으로 사용하는데, 일반적으로 등유나 경유에 동물성 유지를 섞거나, 유황을 첨가해 사용한다.

호온을 정확히 구멍 중심에 위치시키기는 아주 어려우므로 유니버어설 커플링을 이용한 부동식(Floating) 호온을 사용하거나, 공작물이 수평면 상에서 자유롭게 움직일 수 있도록 한 상태에서 가공해야 된다.

이에 따라 호오닝 가공의 정도는 호오닝 머신보다 호오닝 헤드의 정도에 크게 좌우된다.

호오닝 머신(Honing Machine)은 일반적으로 수직형이 사용되지만, 포신 등 구멍이 긴 공작물 가공을 위해 수평으로 제작되는 경우도 있으며, 거친 다듬질용과 고운 다듬질용 축을 별도의 축으로 만든 2축식이나 자동 측정 장치를 적용한 호오닝 머신도 사용된다.

이외에 외경이나 평면 다듬질에 호오닝을 적용하는 경우도 있다.

2) 수퍼 피니싱 (Super-Finishing)

1930년대에 미국 크라이슬러(Chrysler) 자동차에서 베어링 레이스면의 능률적인 다듬질을 위해 개발되었으며, 입도가 고운 비교적 연한 숫돌을 회전 이송 운동을 하는 공작물 표면에 대고 비교적 약하게 누른 상태에서 숫돌이 진동하면서 공작물의 표면을 다듬질하는 방법이다.

작동 원리는 왕복 직선 운동이 고속, 소행정의 진동으로 바뀌었다는 점 외에는 호오닝과 거의 유사하다.

가공에 의한 변질층이 아주 얕고, 방향성이 없는 경면에 가까운 우수한 표면을 비교적 단시간에 얻을  수 있는 장점이 있으며, 마찰 부분에 수퍼 피니싱 처리를 하면, 마찰 계수가 감소하고 윤활 성능이 우수해지며, 내마모성도 개선된다.

단, 전가공면의 기하학적 형상이 부정확할 경우 수퍼 피니싱 만으로는 교정하는데 한계가 있다는 단점이 있다.

보통 외경 다듬질에 적용되지만 내경이나 평면에도 적용할 수 있으며,주로 게이지, 로울러 베어링의 로울러나 레이스, 축의 저어널 부분 등의 정밀 다듬질에 이용된다.

숫돌 결합제는 주로 비트리파이드(V) 본드를 사용하지만, 경우에 따라 실리케이트(S), 일래스틱, 베이클라이트(B), 셸락(E) 본드 등도 사용한다.

숫돌은 주로 정사각형 또는 직사각형 단면의 각 숫돌을 사용하고, 크기는 공작물 크기에 따라 결정한다. 단, 너무 클 경우 가공면에 가공액의 침투가 어려워지므로 너무 큰 숫돌을 사용해야 될 경우에는 좀 더 작은 크기의 숫돌을 여러개 사용하는 것이 유리하다.

숫돌 압력은 0.5~5.0 kg/cm² 의 범위 내에서 전가공 상태, 공작물 경도, 숫돌 결합도, 운동 조건 등을 고려하여 결정한다.

가공액은 보통 경유에 스핀들유나 머신유 등을 10~30 % 혼합한 액이 사용된다.

숫돌의 진폭은 보통 1~4 mm 정도로 하고, 공작물의 주속과 숫돌의 진동수는 일반적으로 입자 궤적과 공작물 원주 방향이 이루는 교차각이 30~60°, 입자의 평균 절삭 속도가 5~30 m/min 이 되도록 설정한다.

대량 생산 공정에 적용시 전용 수퍼 피니싱 머신을 사용하는 경우도 있으나, 보통은 수퍼 피니싱 유닛을 선반 등에 붙여서 사용하는 경우가 많다.

2.2.3 기타 고정 입자에 의한 가공

기타 고정 입자에 의한 가공에는 벨트 연마, 디스크 샌딩 등이 있다.

1) 벨트 연마 (Abrasive Belt Grinding, Polishing)

벨트 연마는 벨트 형태의 연마포(Abrasive Belt)를 풀리 위로 고속으로 움직이게 한 상태에서 공작물을 대고 눌러 다듬질하는 가공 방법이다.

비교적 단시간에 평활하고 우수한 다듬질면을 얻을 수 있으며, 탄력이 있는 벨트를 사용하므로 곡면의 다듬질도 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.

반면에 버핑과 마찬가지로 정밀도가 요구되는 부분에는 적용이 곤란한 단점이 있다.

주로 주조나 단조 또는 용접 부품의 거친 표면 부분, 또는 도장할 면의 전처리 다듬질 등 별로 정밀도가 요구되지 않는 부분에 적용된다.

벨트 연삭기는 수작업용, 평면 다듬질용, 센터리스 연삭용, 대형 공작물용 등 목적과 형식에 따라 여러 가지 종류가 있으며, 대량 생산용으로는 거친 연삭부터 다듬질 연삭까지 한번에 수행할 수 있도록, 여러개의 연삭 스테이션을 가진 다두형 벨트 연삭기도 사용된다.

보통은 건식으로 작업하지만, 절삭유제를 사용하면 작업 능률을 높일 수 있으며, 다듬질면도 개선되고 벨트의 수명도 길어진다.

2) 디스크 샌딩

디스크 샌딩은 원판 모양의 연마포를 고속 회전 시켜 공작물의 표면을 다듬질하는 방법이다.

뒤의 "수작업 공구"에서 설명이 되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.