2.3 유리입자에의한가공

[소마]

보통 경질 입자를 적당한 액체와 혼합하여 사용하며, 공작물의 표면에서 극히 미량의 칩을 깍아내어 표면 거칠기를 개선하는데 사용하는 가공법이다.

대표적인 가공 방법으로는 랩핑, 액체 호오닝, 초음파 가공, 바렐 연마 등이 있다.
 

2.3.1 랩핑 (Lapping)

경질 입자와 랩핑유를 혼합한 랩제(Lapping Compound)를 랩과 공작물 사이에 넣고, 랩을 누른 상태에서 왕복 운동시켜 공작물 표면을 다듬질하는 방법이다.

랩제가 공작물 표면에서 극히 미량의 칩을 깍아내거나, 단단하고 취성이 있는 재료에서는 공작물의 미소 파쇄를 일으켜 가공을 하게 된다.

절삭량이 극히 작아, 전가공에서 형상, 칫수 정도를 맞추어 놓은 상태에서 랩핑 가공을 적용하는 것이 일반적이다.

주로 블록 게이지나 길이 측정기의 측정면 다듬질 등, 칫수 정도보다는 다듬질 면의 거칠기 개선에 사용된다.

사용하는 저립은 입도가 고운 A 또는 C 입자, 산화 크롬, 산화철, 다이아몬드 등이 사용된다.

일반적으로 입도 #240~#1000 정도의 고운 입자가 사용된다.

산화 크롬이나 산화철의 경우는 예리한 모서리가 있는 결정형의 입자가 주로 사용되며, 입자 크기는 더욱 작게 할 수 있으며, 산화철 0.3~1㎛, 산화 크롬 1~1.5㎛  수준도 가능하다.

1) 랩제

랩제는 공작물 재질이나 요구 표면 거칠기에 따라 적당한 것을 선택한다.

 - 비교적 연한 금속, 유리, 수정 등 : C 입자, 산화철

 - 강 : A 또는 WA 입자

 - 정밀 다듬질 : 산화 크롬

2) 랩핑액 (Lapping Fluid)

랩핑액은 강이나 주철 등의 공작물에는 경유 등의 석유류를 사용하고, 유리, 수정 등에는 물을 사용하는 것이 일반적이다.

그외에 올리브유 등을 사용하는 경우도 있으며, 보통 점성이 작은 기름이 유리하다.

랩핑액과 저립은 보통 같은 양으로 혼합한다.

3) 랩의 재질

랩은 보통 공작물보다 경도가 낮은 재료를 사용한다.

 - 강의 랩핑 : 일반적으로 주철 (경우에 따라 연강, 동, 납도 사용)

 - 황동의 랩핑 : 황동, 납, 목재 등

랩으로 사용하는 주철은 연질이고 조직이 미세하며, 기공이 없는 오래된 것이 좋으며, 목재는 나이테가 명확하게 나타나지 않는 균질의 박달나무 등이 사용된다.

4) 랩핑 가공의 분류

랩핑 가공은 랩제의 사용 방법에 따라 습식과 건식으로 구분된다.

습식 랩핑은 많은 양의 랩제를 사용하고, 비교적 고압력, 고속도로 작업하며, 주로 거친 랩핑에 적용된다.

다듬질면은 미세하고 불규칙한 자국이 남아 순한 광택이 난다.

건식 랩핑은 랩제를 랩에 고르게 누른 후 충분히 닦아내고 랩에 파묻힌 저립 만으로 랩핑 작업을 하는 것을 말하며, 보통은 습식 랩핑 후에 한다.

절삭량은 극히 미소하며, 다듬질면은 아주 뛰어난 광택이 있는 면이 된다.

이외에 극히 미세한 랩제에 의한 습식 랩핑으로 거울면 같은 다듬질면을 얻을 수 있는 경면 랩핑도 사용된다.

랩핑 가공 여유는 매우 작아, 거친 습식 랩핑에서도 0.01~0.02 mm 정도로 한다.

5) 랩핑 작업

랩핑 작업시 압력을 높이면 단위시간당 절삭량이 증가하다, 어느 한계 이상으로 올라가면 오히려 감소했다 다시 증가하는 경향이 나타난다.

일반적으로, 파쇄된 입자의 크기가 고른 A 입자의 경우는 이 현상이 뚜렷하지만, C 입자의 경우는 뚜렷하게 나타나지는 않는다.

실지 랩핑 작업시 압력은 습식 랩핑일 경우 보통 0.5㎏/㎠ 정도로 하는데 너무 높으면 랩제가 밀려나와 건식 랩핑이 될 수 있다

건식의 경우는 강의 경우는 1.0~1.5㎏/㎠, 주철은 이보다 약간 낮은 압력에서 작업한다.

랩핑 속도는 크게 중요하지 않다.

습식일 경우 랩제가 비산하지 않을 정도로 적당한 속도에서 작업하고, 건식일 경우는 다듬질면이 열 때문에 변질될 수 있으므로 50∼80 m/min 정도로 한다.

랩핑 작업은 핸드 랩핑과 랩핑 마신을 이용하는 머신 랩핑으로 구분된다.

핸드 랩핑은 평면의 랩핑, 또는 선반이나 드릴링 머신 등의 회전 운동을 이용하여 원통형 단면 공작물의 외경이나 내경을 손잡이가 달린 다양한 형태의 핸드랩으로 랩핑하는 것을 말한다.

습식법의 경우는 여분의 랩제가 밀려 들어갈 수 있도록 교차하는 사선 방향 홈을 만들어 두는 것이 일반적이다.

랩핑 머신은 일반적으로 상하 2개의 원형 랩을 가진 구조로 되어 있다.

원형 랩 사이에 호울더에 끼운 공작물을 설치하고 적당한 압력을 가하면서 한쪽 랩을 회전시키고 그 사이에 랩제를 공급하면서 작업을 하게 되는데, 랩의 속도가 반경 방향에 따라 다르므로, 균일하게 가공이 될 수 있도록 하기 위해 공작물이 공전과 자전을 동시에 하도록 한 형태로 제작되는 경우가 많다.

2.3.2 액체 호오닝 (Liquid Honing)

고운 경질 입자와 방청제를 첨가한 물을 혼합해 압축 공기로 노즐로부터 공작물 표면에 분사하여 다듬질하는 방법이다.

무광택의 배껍질 모양의 면을 얻을 수 있으며, 치수 정밀도보다는 표면 상태 개선을 목적으로 사용된다.

복잡한 형상의 부품에도 적용이 용이하고, 입자의 피닝(Peening) 작용으로 공작물의 표면을 가공 경화시켜 피로 강도와 내마모성이 증가하는 부수적인 효과가 있다.

반면에 연삭입자가 가공물 표면에 파묻혀 마모를 촉진할 수 있으며, 가공면의 정밀도가 그리 높지 않다는 단점이 있다.

가공량은 0.01mm 이하로 아주 작고, 압축 공기압 5.5~6.5 kg/cm² , 노즐과 공작물 간 거리 60~80 mm, 분사각 40°~50°, 분사속도  300∼1000 m/초 정도에서 작업하는 것이 일반적이다.

저립은 입도 #80∼#3000 정도의 C 입자, 규사 등이 사용된다.

2.3.3 샌드 블라스트 (Sand Blasting)

규사 등 모래를 분사시키거나, 고속 회전하는 임펠러로 공작물 표면에 투사하여 산화물 스케일이나 녹 등을 제거하는 방법이다.

주물 스케일 제거에 주로 사용되지만, 소재의 표면 처리나 다듬질에도 사용된다.

단, 모래가 공작물과 충돌시 미세하게 부서지므로 절삭량이 비교적 적고, 모래 소모량이 많아지며, 미세한 모래 입자가 작업자의 건강을 해칠 수 있다는 단점이 있다.

이와 유사한 가공법으로 그리트 블라스팅과 쇼트 피이닝이 있다.

1) 그리트 블라스팅(Grit Blasting)

샌드 블라스트와 유사한 가공법으로, 모래 대신 칠드 주철의 구를 파쇄하여 만든 예리한 날을 가진 소립(그리트 : Grit)을 사용하여 블라스팅의 효과를 증대시킨 가공법이다.

모래 사용시의 단점을 많이 줄일 수 있으며, 기존의 샌드 블라스트 기계에 모래 대신 그대로 그리트를 사용하는 경우도 있다.

2) 쇼트 피이닝 (Shot Peening)

쇼트 피이닝은 절삭 가공으로 볼 수는 없지만, 편의상 같이 설명하기로 한다.

직경 0.5~1.0 mm 정도의 쇼트(Shot)를 공작물 표면에 투사하여 그 충격력으로 소성 변형된 미소 요철을 표면에 만드는 가공법이다.

표면 결정 조직이 미세화되고, 표면에서 약 0.2~0.7 mm 깊이까지 가공 경화되므로 열처리를 하지 않고 표면만을 경화시킬 수 있으며, 약 70~90 kg/cm²  수준의 큰 압축 잔류 응력이 공작물 내부에 발생하여 피로 한도가 약 1.5~2 배 증가한다.

균일한 품질의 표면을 얻기 위해서는 쇼트의 크기도 균일해야 된다.

쇼트는 압축 공기 또는 회전하는 블레이드에 의한 원심력을 이용하여 약 15~80 m/초 의 속도로 분사시킨다.

◆ 쇼트 (Shot)

쇼트 재질은 주로 철계 재료가 사용되지만, 동이나 유리를 사용하는 경우도 있다.

철제 쇼트에는 칠드 주철, 가단 주철, 주강, 커트 와이어 쇼트 등이 있다.

 - 칠드 주철 쇼트(Chilled Shot)

용탕을 물속에 부어 급냉 경화시킨 쇼트를 말하며, 비커스 경도 800~900 정도로 경도가 높고 작업 능률도 좋지만, 취성이 있는 단점이 있다.

취성 문제 개선을 위해 열처리로 경도를 낮추거나, 가단 주철, 주강 등을 사용하기도 한다.

 - 커트 와이어 쇼트(Cut Wire Shot)

강선을 절단해 만든 쇼트로 인성이 있어 수명이 길다(칠드 주철 쇼트의 수십배).

2.3.4 초음파 가공 (Ultrasonic Machining)

초음파 진동을 하는 초음파 공구와 공작물 사이에 경질 입자가 혼합돤 가공액을 넣고, 초음파 진동으로 경질 입자를 공작물에 충돌시켜 가공하는 방법이다.

고주파 발생 장치로 10∼40 KHz의 진동을 발생시켜 이것을 Exponential Hone으로 진폭을 확대하여 공구에 진동을 전달한다.

주로, 다른 방법으로는 가공이 곤란한 게르마늄, 실리콘 등 반도체 재료 또는 수정, 유리, 사파이어 등 단단하고 깨지기 쉬운 재료의 가공에 사용되며, 막힌구멍이나 홈, 불규칙한 형상의 가공도 가능한 장점이 있다.

지립은 Al₂O₃, SiC, CBN, 탄화 붕소(Boron Carbide), 다이아몬드 분말 등이 사용되며, 입도는 #100 ~ # 1000 수준으로 한다.

가공액은 물, 기름, 석유 등이 사용된다.

공구 재료는 스프링 강, SUS304, 텅스텐 강, 피아노 선재, 모넬 메탈(Monel Metal) 등이 사용된다.

공작물과 공구간의 압력은 200~300 g/mm² 정도로 하며, 가공면의 정도는 2.5μ 정도이다.

2.3.5 기타

기타 유리 입자에 의한 가공 방법으로는 바렐 연마(Barrel Finishing), 버핑(Buffing) 등이 있다.

1) 바렐 연마 (Barrel Finishing)

회전 또는 진동하는 통 속에 공작물, 미디어(Media : 숫돌 등 연삭재), 공작액, 컴파운드를 넣고 서로 충돌시켜 공작물의 날카로운 모서리나 표면의 스케일을 제거하고, 매끈한 면을 만드는 가공 방법을 말한다.

공작물을 집어 넣는 통을 Barrel이라 하며, Barrel 내부는 보통 고무 등으로 라이닝(Lining) 한다.

금속 재료뿐 아니라 베이클라이트 등 비금속 재료에도 광범위하게 사용이 가능하고, 동시에 다수의 제품을 동일 상태로 다듬질할 수 있어 대량 생산에 적합하고, 다듬질 작업중에는 작업자가 불필요해 경제적이다.

◆ 미디어 (Media)

공작물 재질이나 다듬질 정도에 따라 금속괴, 숫돌괴, 연삭 입자, 인조 또는 천연 석괴, 석영, 모래, 나무, 가죽, 톱밥 등 여러 가지 종류의 미디어가 사용된다.

예를 들어 거친 다듬질에는 숫돌괴, 연삭입자 등을 사용하고, 광택 다듬질에는 나무, 가죽, 톱밥 등을 사용하며, 아크릴이나 비닐 수지의 경우에는 얼음을 사용하는 경우도 있다.

형상은 구형, 원추형, 원통형, 달걀형, 핀형 등 여러 가지로 제작되며, 몇가지 형태를 조합해서 사용하는 경우가 많다.

◆ 텀블링 (Tumbling)

배럴 가공과 유사한 형태의 가공법으로, 표면 스케일 제거 등을 목적으로 한 가공 방법을 말한다.

표면 조도나 정밀도 개선을 목적으로 하는 가공이 아니므로, 배럴 연마에 비해 다듬질면 상태나 정도 면에서 차이가 많다.

2) 버핑 (Buffing)

직물(Cloth), 가죽, 고무, 펠트 등으로 된 부드러운 회전 원반(Buffing Wheel)에 연삭 입자를 고정 또는 반고정 부착시킨 상태에서 고속 회전시키고, 여기에 공작물을 밀어붙여 아주 작은 양의 금속을 제거함으로써 가공면을 다듬질하는 가공 방법이다.

칫수 정밀도는 기대하기 어렵지만, 간단한 설비로 쉽게 광택이 있는 매끈한 면을 만들 수 있어, 도금한 제품의 광택내기 등에 주로 사용된다.

◆ 버핑 작업의 구분

버핑 작업은 보통 거친연마 (Polishing), 중간연마 (Cutting Down), 다듬질연마 (Coloring)의 3단계로 구분하는데, 좁은 의미의 버핑은 중간연마와 다듬질연마 만을 지칭한다.

거친연마 (Polishing)는 #300 이하의 거친 연삭입자가 부착된 연마 펠트(Abrasive Felt)에 의한 거친 연삭 가공을 말하며, 버핑 전가공으로 따로 구분하기도 한다.

◆ 버프 연마제 (Buffing Compound)

일반적으로 거친 다듬질용 연삭 입자는 버프 바깥쪽에 아교로 고정시켜 사용하지만,그밖의 버핑 작업에서는 연삭입자를 유지 등과 혼합해 봉 모양으로 만든 버프 연마제(Buffing Compound)를 버프에 칠해서 사용한다.

◆ 버핑 머신 (Buffing Lathe)

버핑 머신은 형태와 구조에 따라 보통 아래와 같이 구분할 수 있다.

 - 축에 버프를 고정시켜 회전만 시켜주는 간단한 형태

 - 자동 이송되는 공작물 고정 테이블이 있는 형태

 - 센터리스 작업이 가능한 형태

* 출처 : 엠사이트넷