표면 거칠기 및 Ra 값 가공 참조 가이드

표면 거칠기는 가공 부품의 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 이는 성능, 마찰, 마모, 밀봉 성능, 외관, 심지어 제조 비용까지 직접적인 영향을 미칩니다.

엔지니어링 도면에서 가장 흔히 명시되는 거칠기 매개변수 중 하나는 산술 평균 거칠기(Ra)입니다. Ra는 평균 표면 질감을 반복 가능하고 표준화된 방식으로 나타냅니다. 그러나 경우에 따라 Ra는 Rz 및 Rpk와 같은 다른 거칠기 표준과 함께 사용되어야 할 필요가 있습니다. 이러한 조합은 의료용 임플란트, 베어링 저널, 밀봉면과 같은 기능성 표면과 관련될 때 특히 중요합니다.

이 가이드에서는 표면 거칠기와 Ra 값에 대해 자세히 살펴봅니다. 이 가이드에서는 Ra 값이 무엇을 의미하는지, 어떻게 측정하는지, 그리고 엔지니어링 도면에서 거칠기를 올바르게 명시하는 방법을 설명합니다.

표면 거칠기란 무엇인가요?

표면 거칠기는 가공 후 표면에 남는 미세한 불규칙성을 나타냅니다. 이러한 불규칙성은 절삭 공구의 운동, 공구 형상, 재료 특성, 그리고 이송 속도 및 절삭 속도와 같은 가공 매개변수에 의해 발생합니다. 표면 거칠기는 표면 질감을 설명하는 요소 중 하나입니다. 표면 질감에는 깊이 0.1~100 µm의 미세한 가공 흔적인 거칠기가 포함됩니다. 표면 질감의 다른 구성 요소로는 파동도, 방향성, 형상 오차 등이 있으며, 이러한 요소들은 ASME B46.1 표면 질감 사양과 같은 표준화된 계측 체계에 따라 포괄적으로 정의되고 규제됩니다. ^[1].

표면 거칠기는 무광과 은색, 또는 매끄럽고 반짝이는 것과 같은 다른 불규칙성과는 달리, 표면 질감을 수치적으로 나타내는 척도입니다. 거칠기는 단순히 만지거나 보는 것뿐만 아니라 측정할 수도 있습니다. 표면 거칠기는 제조 공정에서 의도적으로 생성될 수도 있고, 다양한 요인에 의해 발생할 수도 있습니다. 이러한 요인에는 재료의 물리적 특성과 절삭 공구에서 발생하는 진동 등이 포함됩니다. 표면 거칠기는 표면 계측학 분야에서 연구됩니다.

표면 거칠기가 왜 중요한가요?

완벽한 표면을 구현하는 것은 불가능합니다. 그러나 효과적인 제조 공정을 위해 달성해야 할 완벽함의 수준은 존재합니다. 표면 거칠기를 정량화하는 것은 엄격한 원가 관리가 필요하고 짧은 사이클 타임을 목표로 설계된 상용 제품에 있어 중요한 의미를 갖습니다. 생산 공학에서는 다양한 제품군에 대해 허용 가능한 편차 한계를 설정합니다. 표면 거칠기를 측정하는 것은 품질 관리에 도움이 됩니다. 또한, 엔지니어들은 미적 사양을 충족하기 위해 설정 거칠기 기준을 활용할 수 있습니다. 이를 통해 제품을 각기 다른 가격대의 등급으로 분류하는 데 도움이 됩니다.

표면 거칠기는 어떻게 측정하나요?

표면 거칠기는 평균값입니다. 이는 이상적인 기준면을 기준으로 부품 표면에서 관찰되는 산, 골, 그리고 불규칙성의 편차를 정량화하는 것을 의미합니다. 표면 거칠기 측정에서 가장 흔히 사용되는 용어는 산술 평균 거칠기(Ra)입니다. 그러나 Rz, Rt, Rq, Rmax와 같은 다른 매개변수들도 흔히 사용됩니다.

R_z 연속된 최고점과 최저점의 평균값입니다. 일반적으로 편차가 가장 큰 상위 5개 값을 대상으로 이 작업을 수행한 후 평균을 산출합니다. R_p 평가 구간 내에서 프로파일의 가장 높은 봉우리와 평균선 사이의 계산된 거리입니다. R_v 평가 구간 내에서 프로파일의 가장 낮은 골과 평균선 사이의 계산된 거리입니다. R_최대 평가 구간 내에서 계산된 최고봉과 최저골 사이의 가장 큰 연속 편차입니다.

Ra 값 계산

Ra는 표면의 골과 봉우리가 기준선으로부터 벗어나는 편차의 평균값입니다. 이는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.;

Ra = (|y₁| + |y₂| + |y₃| + … + |y_n|) / n

Where y 각 측정점이 평균선으로부터 벗어난 편차이며, n 는 측정된 점의 수입니다. Ra는 보통 마이크로미터(µm) 단위로 측정됩니다.

엔지니어들은 Ra 값을 측정하는 것만으로는 표면 거칠기의 특성에 대해 절대적인 판단을 내리지 않습니다. 표면은 Ra 값이 같더라도 산과 골의 패턴이 다를 수 있습니다. 이러한 표면들은 마모, 마찰 및 밀봉 응용 분야에서 서로 다른 특성을 보일 수 있습니다.

표면 거칠기는 접촉식 또는 비접촉식 방법으로 측정할 수 있습니다.

표면 거칠기를 측정하는 접촉식 방법은 무엇인가요?

표면 거칠기를 측정하는 일반적인 방법은 접촉식 프로파일로미터를 사용하는 것입니다.

이 측정기에는 표면과 물리적으로 접촉하는 다이아몬드 팁 스타일러스가 장착되어 있습니다. 이 접촉부는 표면 위를 지정된 거리만큼 이동하며 표면 형상을 측정합니다. 접촉부는 산점을 만나면 위로 이동하고, 골점을 만나면 아래로 이동합니다. 이 기기에는 이러한 움직임을 감지하여 전기 신호로 변환하는 검출 시스템이 탑재되어 있습니다. 이 전기 신호는 처리되어 표면 프로파일이 생성되며, 이는 실험실에서 곡선 형태로 해석됩니다. 접촉식 프로파일로미터는 거칠기와 장파장 표면 변동을 구분하는 소프트웨어를 기반으로 작동합니다. 이 소프트웨어는 Ra 및 Rz와 같은 매개변수를 계산하여 결과를 수치로 표시합니다.

표면 → 다이아몬드 스타일러스 → 스타일러스의 수직 이동 → 전기 신호 → 프로파일 → 필터링 → 거칠기 계산 → Ra/Rz

비접촉식 표면 거칠기 측정 방법에는 어떤 것들이 있나요?

이 측정 방식은 빛을 이용하여 미세한 표면 질감을 측정합니다. 물리적인 스타일러스가 기계적으로 산과 골을 추적하는 것과는 달리, 비접촉 방식은 표면과의 빛 상호작용을 포착하여 2차원 프로파일을 생성합니다. 이 방법은 엔지니어가 부품의 긁힘이나 변형을 피해야 할 때, 기존 방법으로는 깊은 구조에 도달할 수 없을 때, 그리고 접촉식 스타일러스가 섬세한 코팅을 손상시킬 때 널리 사용됩니다. 광학 비접촉식 시스템은 엔지니어들이 더 쉽게 검사할 수 있도록 3차원 표면 맵을 생성할 수 있습니다. 엔지니어들은 특정 산과 골, 가공 자국, 흠집이 발생한 위치를 확인할 수 있습니다. 비접촉식 표면 측정 방법으로는 백색광 간섭계(WLI), 공초점 현미경, 레이저 스캐닝, 광학 프로파일로메트리 등이 있습니다.

WLI는 광파 간섭을 이용하여 극히 미세한 표면 높이 차이를 측정함으로써, Lucideon 재료 분석 보고서에서 강조된 바와 같이 물리적 접촉 없이 고해상도의 정량적 표면 형상 데이터와 상세한 3D 높이 지도를 제공합니다. ^[2].

레이저 스캐닝에서는 집속된 레이저 빔을 부품 표면에 투사하고, 레이저 삼각측량과 같은 방법을 사용하여 반사된 빛을 측정합니다. 표면의 높이에 따라 반사된 레이저의 위치가 변하며, 이러한 위치 변화를 높이 측정값으로 변환합니다. 레이저 빔을 부품 표면 전체에 걸쳐 스캔함으로써 표면 프로파일을 생성합니다.

적절한 표면 거칠기는 어떻게 선택해야 할까요?

표면 마감 처리를 선정할 때는 가능한 한 낮은 표면 거칠기 값을 우선시하기보다, 부품의 기능부터 고려해야 합니다. 가공된 모든 표면은 각기 다른 용도를 가지고 있으므로, 부품 전체에 동일한 기준을 일률적으로 적용하기보다는 용도에 맞는 마감 처리를 선택해야 합니다.

표면 거칠기와 기능적 요구사항의 일치

엔지니어들은 사용 중인 제품의 표면 거칠기 특성에 맞춰 설계하려고 노력합니다. 그들은 표면 마감 처리를 결정하기 전에, 가공 후 해당 부위가 어떻게 사용될지 파악합니다. 표면 마감이 해당 부위의 기능적 요구 사항을 충족하지 못할 경우, 특히 베어링 좌석, 미끄럼면, 정밀 결합부 및 밀봉면에 더 미세한 마감을 적용합니다. 표면이 조립에 영향을 미치지 않는 경우, 제조업체는 표면 거칠기를 재정의하기 위해 표준 가공 마감을 적용합니다. 표면 거칠기 값은 기능적 요구 사항이 있는 표면에만 부여됩니다.

표면 마감과 제조 비용의 균형 맞추기

표면 거칠기 수치를 낮추기 위해 제조업체들은 추가적인 가공 또는 마무리 공정을 적용합니다. 이러한 공정에는 연마, 연삭, 호닝 및 기타 추가 마무리 공정이 포함됩니다. 이러한 추가적인 제조 공정과 마무리 방법은 전체 제조 비용에 영향을 미칩니다. 따라서 엔지니어들은 기능적인 이점을 제공할 때에만 더 정밀한 마무리를 적용할 것을 권장합니다. 그런 경우에는 표준 가공을 적용할 수 있습니다.

표면 마감의 과도한 사양 설정 피하기

적절한 표면 거칠기를 선정하는 또 다른 전략은 부품의 모든 면에 동일한 표면 마감 처리를 적용하지 않는 것입니다. 기능이 없는 부위에 엄격한 표면 마감 기준을 적용하면 가공 시간과 검사 작업이 늘어납니다. 제조업체는 부품 설계 단계에서 각 표면을 개별적으로 검토해야 합니다. 정밀 마감을 핵심 부위에만 제한하면 필요한 부품 품질을 유지하면서 제조 공정을 간소화할 수 있습니다.

결론

표면 마감은 가공된 부품 표면에 남아 있는 미세한 산과 골을 측정하는 것입니다. Ra(평균 거칠기)는 프로파일 높이의 산술 평균으로, 엔지니어링 도면에서 가장 흔히 표기되는 항목입니다. Rz는 표본 길이 구간 내 산과 골의 평균 높이이며, 깊은 흠집에 더 민감하게 반응합니다.

표면 마감 요건은 부위마다 다릅니다. 하우징, 샤프트, 밀봉면, 광학 부품은 각각의 표면이 수행하는 역할이 다르기 때문에 동일한 Ra 값을 갖는 경우는 거의 없습니다. 설계 과정에서 엔지니어들은 조립, 움직임, 밀봉, 코팅, 검사 및 제품 품질에 영향을 미치는 부위에 대해서만 표면 거칠기를 지정합니다.

참조

[1] 미국 기계공학회(ASME). (2019). B46.1-2019 표면 질감 (표면 거칠기, 요철도 및 방향). ASME 표준. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (발행일 미상). 정량적 표면 형상 측정을 위한 백색광 간섭계(WLI). 루시데온 테스트 및 특성 분석. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli