[연삭가공기술] 최신 연삭기와 주변기술의 동향과 과제


다듬질가공으로서 없어서는 안 되는 연삭가공에는 보다 고정도이고, 또한 고능률인 가공이 요구되고 있다. 고도화를 추구하는 연삭가공에서는 연삭기의 진화와 함께 그 주변기술의 향상도 반드시 필요하다. 이 글에서는 최신 연삭기와 고도 가공을 실현하는 주변기술을 함께 소개한다.

토에 신이치 (東江 眞一)    모노즈쿠리대학


끼워맞춤이나 접동 부품, 금형, 절삭공구, 반도체 등의 중요 부위 다듬질에 연삭작업은 없어서는 안 된다. 최근의 연삭가공에서는 다듬질 면조도나 형상에 대해 고정도화가 요구되고, 연삭기에서는 1μm의 최소 절입깊이로는 만족할 수 없어 0.1μm 절입깊이 사양을 요구한다. 또한 환경 대응 연삭에 대한 요망과 연삭액에 관한 메인티넌스나 트러블 대응에 관한 기술 향상에 대한 요구도 있어, 주변 기술에 관한 여러 가지 연구가 이루어지고 있다.
그러나 정도 요구가 높다고 해서 연삭기구를 담당하는 숫돌입자 끝단 형상을 절삭공구와 같이 정량적으로 조정할 수 있는 것은 아니다. 숫돌입자가 담당하는 절삭작용도 자생작용, 무딤, 입자탈락, 눈메움 등의 확률적인 변화 과정을 파악할 수 없기 때문에 연삭가공의 최적화를 도모하기 어려운 상황이다. 또한 연삭액을 쿨런트라고 부르듯이 연삭은 ‘열과의 전쟁’이므로 환경 대응에 대한 도전도 절삭에 비해 정도 요구가 높은 만큼 어려운 과제이다.
이와 같이 연삭에서는 고정도 가공이 요구되고 있음에도 불구하고, 반대로 연삭열 등의 외란에는 약하고 취약한 가공기구를 갖는다. 절삭에서는 프로그램을 따라 가공하면 공구 마모가 심해지지 않는 한 누가 해도 동일한 결과가 되지만, 연삭은 숫돌 작업면 성능의 시간적인 변화로 인해 작업자에 따라 다른 결과가 나온다. 즉, 연삭은 SN비(성능 신호에 대한 노이즈 성분의 비)가 나쁜 가공 시스템이라고 할 수 있으므로 트러블을 방지하기 위해서는 편차의 요인이 되는 하나하나의 노이즈 인자의 영향을 가급적 줄여 안정된 연삭을 하는 것이 중요하다.


‌SN비의 향상과 환경 대응 기술

연삭 성능을 향상시키기 위해서는 연삭 조건의 최적화가 필요한데, 그 이유로는 앞에서 말했듯이 안정된 시스템 구성으로 하는 것을 들 수 있다. 예를 들면 연삭기 테이블이 접동하고 있을 때에도 확실하게 0.1μm 정도를 보증할 것, 밀도 편차가 없는 숫돌을 사용할 것, 드레싱을 항상 동일하게 할 수 있을 것, 연삭액의 성능을 항상 일정하게 할 것 등 안정화에 기여하는 주변기술은 연삭가공의 최적화, 즉 SN비의 향상으로 이어진다.
평면연삭기에서는 좌우 이송은 유압에 의한 것이 많지만, 유압으로는 정확하게 속도 제어는 어렵다. 최근 들어 리니어모터에 의해 다이렉트로 동작시키는 테이블 이동기구가 개발되고 있다. 캠연삭기에서는 이미 개발되어 있는 기술이지만, 리니어모터 드라이브에 의해 안정된 작업을 가능하게 한다. 그 결과로서 유압이 불필요하고 환경에도 친화적인 장치로 되어 있다. 오늘날에는 연삭기의 성능 향상과 함께 초지립 숫돌의 품질도 향상되어, 보다 안정된 연삭이 가능하다. 그러나 연삭액에 관한 문제는 SN비를 저하시키고 있어 앞으로의 과제이다. 연삭액의 종류나 주수 방법 등의 문제는, 동시에 환경 대응 기술의 개발 과제이기도 하므로 반드시 대응을 강화해야 한다.
절삭가공에서 MQL(Minimum Quantity Lubrication)은 환경 대응 기술로서 소개되는 경우가 많은데, 실제로는 깊은 구멍가공 등의 성능 우위성이 인정되어 보급되고 있다. 동시에 연삭액의 문제도 최적화함으로써 결과적으로 그것이 환경 대응 기술이 되는 경우도 충분히 있을 수 있다.


‌드레싱 문제

연삭작업 조건 하에서 드레싱은 숫돌입자 날끝이 성형되어 숫돌의 절삭감을 결정하기 때문에 가장 중요한 작업이다. 보통 숫돌의 경우에는 일반적으로 단석 다이아몬드 드레서를 사용하는데, 사용함에 따라 드레서 끝단이 마모되어 숫돌 연삭 성능에 변화가 생긴다. 그림 1 (a)는 사용에 의해 끝단이 0.7mm로 평탄하게 된 단석 다이아몬드 드레서인데, 그 영향으로 숫돌의 절삭감은 처음과 달라진다. 앞에서 말한 불안정 요소의 하나로서 들 수 있다. 그것을 개선한 것이 그림 1 (b)의 사각기둥 드레서로, 마모되어도 끝단의 예리함은 동일하여 연삭 성능의 안정화에 기여하고 있다. 좀더 절삭감을 좋게 하기 위해서는 더 날카롭게 하면 좋지만, 그림의 0.4mm 이하의 사이즈에서는 강도가 내려가 결손이 생기기 쉽다. 좀더 날카롭고 결손이 생기지 않는 사각기둥 다이아몬드 드레서를 개발할 필요가 있다.



초지립 숫돌의 드레싱 방법은 여러 가지가 있는데, 안정된 작업면을 얻을 수 있는 방법을 채용해야 한다. 그림 2는 필자 등이 개발한 수직형 로터리 드레서(등속 조건에서 사용)인데, 사용 포인트는 연삭액을 드레서 중앙에 주수하는 것이다. 안정된 작업을 위해서는 항상 동일한 곳에 주수하고, 동일하게 산포할 필요가 있다.



그림 3은 드레싱 방법의 차이에 의한 레진본드 CBN 숫돌의 작업면 차이를 나타낸다.



연질 금속(Nb)에 의한 방법은 표면에 뜯김이 관찰되어 불안정한 작업면으로 되어 있다. 한편, 수직형 로터리 드레서에 의한 경우에는 등속 조건 하에서 유리화된 숫돌입자에 의한 래핑 효과로 적당한 돌출이 되어 안정된 숫돌 작업면을 얻을 수 있다. 수직형 로터리 드레서에 의한 방법은 어떠한 종류의 본드에 대해서도 안정된 드레싱을 제공한다.


‌연삭액 주수 방법 등의 개선

1. P 노즐
연삭액에 의한 영향은 복잡하고 예측하기 어려운 과제이다. 이것은 숫돌입자와 공작물 중간에 개재하는 물질로서 역할이 화학적 및 열역학적으로 불명확하며, 또한 연삭 중에 통과하는 연삭액의 유량 등의 조건을 절삭과 같이 정량적으로 결정할 수 없기 때문이다. 또한 증발하여 농도가 변하거나, 숫돌입자나 절삭칩 등의 미세한 불순물이 들어가거나, 부패하거나 외란의 영향이 크기 때문이기도 하다. 더구나 연삭액의 교환이 어렵다고 하는 하드웨어적인 제약도 있다.
불안정한 것의 일례를 그림 4에 나타냈다.



연삭 초기에는 연삭액이 숫돌에 부착하고 있지 않기 때문에 연삭점까지 액이 도달하지 않지만, 연삭 도중에는 연삭액이 공작물 위에 뿌려지게 되고 더구나 공작물이 함께 회전하는 공기류를 차단하기 때문에 연삭액이 숫돌에 부착하여 연삭점까지 도달하게 된다.
항상 연삭액을 숫돌에 부착시켜 안정되게 연삭점까지 도달시키고 있는 것이 그림 5에 나타낸 P 노즐(근접 총형 노즐 : Proximity Formed Nozzle)이다.



노즐 끝단 형상을 셀프 연삭하여 숫돌을 흉내 내어 약간 갭으로 설정하고, 노즐 끝단에서 함께 회전하는 공기류를 차단하고 대신에 연삭액을 부착시키고 있다. P 노즐의 특징은 극소량이라도 연삭점에 확실하게 주수할 수 있다는 것이다. 소량으로 끝나는 것이 연삭액의 교환을 쉽게 한다. 유량에 관해서 보다 정량적인 실험을 할 수 있게 되므로 P 노즐은 연삭액에 관한 실험에는 없어서는 안 된다.

2. MQL과 연삭
MQL의 결점은 냉각 성능이 나쁘다는 것이다. 따라서 ‘열과의 전쟁’인 연삭에는 적합하지 않다고 생각되며, 특히 연삭열의 발생량이 많은 거친 연삭의 조건에서는 좋은 결과를 얻을 수 없다. 그러나 다듬질 연삭이 되면 ‘열과의 전쟁’이 어느 정도 경감되기 때문에 MQL이 연삭에 효과적인 경우가 있다고 생각한다. MQL은 공기(산소)가 어떠한 작용을 하고 있다고 생각되는데, 연삭열의 발생이 비교적 적은 다듬질 연삭에서는 공기가 어떠한 좋은 작용을 가져오게 되면 MQL은 효과적이 될 수 있다.
그림 6은 P 노즐을 사용하여 MQL에 의해 알루미늄을 다듬질 연삭한 예이다.



그림의 결과 이외에도 공기 대신에 질소가스로 하거나, 미스트 오일을 그대로 보통의 방법으로 주수하거나 했는데, MQL이 가장 좋은 결과가 나왔다. GC 숫돌은 광택을 가진 마멸이 아니고, 숫돌 끝단은 셀프 드레싱된 작은 요철의 평면이 관찰되며 더구나 응착은 전혀 관찰되지 않았다. 미스트의 윤활성에 더하여, 알루미늄 표면이 산화되어 응착되기 어려워졌다고 추측한다.

3. 연삭액의 선택
연삭에서는 냉각성이 좋은 수용성 연삭액이 많이 사용되고 있는데, 연삭액을 한번 선택하면 피삭재나 숫돌이 달라도 하드웨어적인 제약 때문에 그대로 동일한 연삭액을 사용할 수밖에 없다. 또한 앞에서 말했듯이 거친 연삭과 다듬질 연삭에서는 ‘열과의 전쟁’ 레벨이 다르므로 다듬질 연삭에서는 표면 창성에 화학적으로 좋은 영향을 주는 연삭액이 있으면 거친 연삭과 다듬질 연삭에서 연삭액을 바꾸는 경우도 있을 수 있다.
숫돌과 피삭재의 조합이나 연삭 공정에 의해 연삭액을 쉽게 변경할 수 있는 구조가 있으면, 그 상황에 따라 최적의 연삭액을 선택할 수 있다. 또한 연삭액의 경년변화가 작으면, 연삭 성능의 SN비는 향상된다.
그림 7은 필자가 사용하고 있는 실험용 연삭액 탱크로, 연삭액을 자중으로 낙하시켜 사용하고 있다.



약 1m의 낙차인데 펌프를 사용한 것과 차이가 없는 유량을 얻을 수 있다. 연삭액의 교환이 용이하고 기본적으로 연삭액을 사용하고 버려서 실험하고 있는데, 필요에 따라 펌프로 퍼올려 순환시켜 사용하고 있다. 이 경우는 소비전력이 작은 펌프로 충분하다.

4. 정화장치 및 연삭액
연삭액의 경년변화는 물의 증발, 부패, 이물의 혼입 등에 기인하는 바가 크며, 외란에 약한 연삭 시스템의 한 요인이 되고 있다. 최근에는 그림 8에 나타낸 일본공대의 니노미야씨 등이 제안한 마이크로 버블 연삭액 정화 시스템이 주목받고 있다.



마이크로 버블에 의한 살균작용이나 정화작용뿐만 아니라 연삭 성능도 향상된다고 한다.
연삭액 여과장치로서 여과지가 사용되는데, 이것이 산업폐기물로서 취급된다. 여과지가 불필요한 장치로서 가정용 청소기에서도 사용되고 있는 원심력을 이용한 사이클론식 연삭액 여과기가 있다. 그림 9는 사이클론식 연삭탱크(액) 청소기로서 발매되고 있는 미즈이PRK제의 장치로, 탱크의 청소와 액의 정화를 모두 한번에 할 수 있다.



연삭액을 쉽게 교환할 수 있게 되면, 연삭액에 관한 최적화 실험이 진행되어 연삭 정도, 연삭 효율 및 환경 대응 기술이 향상된다. 새로운 연삭액에 대해서도 실험적으로 사용해 볼 수 있게 된다.


‌연삭 정보의 모니터링

연삭가공 정보의 모니터링 기술은 연삭 조건을 안정적으로 하기 위해 필요하다. 작업자는 귀나 눈을 통해 연삭작업 상태의 안정성 등을 판별하고 있다. 최적화를 위해서는 정량적인 데이터가 필요하며, 연삭저항이나 연삭 온도 등을 인프로세스로 측정하는 것이 필요하다.
필자 등은 연삭저항에 대해서는 숫돌축용 유도전동기의 슬라이딩에서 정도 좋게 접선 연삭저항을 계측할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 또한 연삭 온도에 대해서는 공작물에 광파이버를 매립해 파이버마다 공작물을 연삭하여 온도를 측정하는 방법을 시험하고 있다.
그림 10은 티탄 다듬질 연삭에 적합한 연삭액의 종류를 검토하기 위해 평면 연삭실험으로 온도 측정하고 있는 모습을 나타낸다.



파이버가 견딜 수 있는 곡률이 있으므로 비스듬하게 석영파이버를 공작물에 매립, 무리한 힘이 파이버에 작용하지 않게 하고 있다.
실험 결과의 일례를 그림 11에 나타냈다.



식물유 연삭액은 광물유 연삭액이나 솔루블 연삭액에 비해, 비교적 연삭 온도가 낮고 데이터의 편차도 작아 안정된 연삭이라는 것을 알 수 있다.


‌결론

연삭에서 SN비의 향상을 위해서는 성능이 좋은 연삭기이나 숫돌을 사용하는 것은 물론이고, 연삭 상태를 안정화시키는 주변기술의 개발도 중요하다. 편차의 요인이 되는 구성 요소의 하나하나를 다시 검토하여 안정된 조건을 얻는 것이 최적화로 이어진다. 또한 환경 대응 기술의 개발도 앞으로의 검토 과제이다. 그 결과로서 연삭 성능의 향상도 도모된다고 생각한다.