표면 거칠기의 기본개념
가공품을 만들 때 매우 중요한 품질 요소인 표면 거칠기. 표면 거칠기는 가공 된 금속 표면에 생기는 주기가 짧고 진폭이 비교적 작은 미세한 요철(한자어 凹(오목할 요)와 凸(볼록할 철)이 합쳐진 단어로 오목하고 볼록한 상태, 즉 울퉁불퉁한 상태)을 의미한다. 표면 거칠기는 표면 조도 또는 표면 텍스처라고도 불리며 제품의 기능적 성능과 미적 품질에 직접적인 영향을 미친다.
단위는 미국에서는 마이크로인치(µ in), 국제적으로는 마이크로미터(µm) 단위 사용하고 있으며,표준은 아래와 같이 관리되고 있다.
ISO 1302:2002
https://www.standard.go.kr/streamdocs/view/sd;streamdocsId=72059349183656019
ASME Y14.36
https://www.scribd.com/document/734932675/ASME-Y14-36-2018
표면 거칠기의 파라메터
표면 조도는 필요에 따라 다양하게 구할 수 있다.
1. Ra(Arithmetic Average Roughness) : 중심선 평균 거칠기
가장 대중적으로 쓰이는 표면 거칠기의 매개변수로 측정 길이에 대한 중심선으로부터 표면 높이의 편차를 산술 평균한 값이다. 흔히 가공 표면을 손으로 만져보는 것이 이 Ra를 파악하는 간략한 방법 중 하나라고 할 수 있다.
2. Rp(Profile Peak Height )와 Rv(Profile Valley Depth)
측정 구간 내에서 가장 높은 점과 가장 낮은 점을 각각 Rp, Rv라고 한다.
3. Rz(Average Maximum Height of the Profile) : 10점 평균 거칠기
구간내에서 가장 높은 5개 봉우리와 가장 낮은 5개 골짜기의 높이 차를 평균낸 값.
일반적으로 Ra보다 3-5배 큰 값을 가지며, 표면의 극단적인 거칠기의 경향을 알 수 있다.
4. Rmax : 최대 높이 거칠기
기준 길이 내에서 가장 높은 봉우리와 가장 낮은 골짜기 사이의 수직 거리를 나타낸 값. 표면 결함이나 이상치를 판단하는 데 주로 쓰이며 Ry로 쓰기도한다.
5. RMS(Rq) : 최대 높이 거칠기
면의 프로파일 변동(요철)을 ‘제곱-평균-제곱근’ 방식으로 산출하여, 불규칙한 돌출/함몰을 더 민감하게 반영한다. 잘 쓰이지는 않지만 Ra보다 고정밀 부품을 평가할 때 사용한다.
컷오프란?
가공 표면에 물결 모양이 생겼을 때 컷-오프(Cut Off) 파장을 기준으로 그 이하일 경우 표면 거칠기로 그 이상일 경우 파상도(Wa, Wt)로 판단한다.
표면 거칠기와 파상도는 비슷한 품질 요소이나 파상도의 생성 원인이 더 규칙적인 모습을 보이며 따라서 일반적으로 파상도가 표면 거칠기보다 개선의 난이도가 더 낮다.
표면 거칠기의 제도 방법
중요한 품질 요소이기 때문에 기계 제도 방법 또한 명확히 짚고 넘어갈 필요가 있다.
표면 거칠기의 기호는 60도 각도의 위 형상을 기본으로 한다.
표면 거칠기를 좋게 해주는 제거 가공이 필요 없을 때는 좌측, 필요할 때는 우측 모습으로 표기한다. 주물면은 다양한 변수로 인해 표면이 좋게 나오기 힘들다. 따라서 확실한 치수& 표면 거칠기가 필요하다면 확인 가공이 필요하다.
또한 특별히 가공 방법을 지시 해야 할 경우 지시 기호에 다리를 만들어 표기한다.
a: Ra의 값
b: 가공 방법
c: 컷 오프 값·평가 길이
c′: 기준 길이·평가 길이
d: 줄무늬 방향의 기호
f: Ra 이외의 파라미터(tp일 때는 파라미터/절단 수준)
g: 표면 파상도(KSB 0610에 따름)
표면 조도의 측정 방법
표면 조도의 측정 방법에는 크게 3가지가 있다.
- 접촉식 측정: 다이아몬드 침을 표면에 접촉시켜 프로파일을 측정
- 비접촉식 측정: 광학적 방법을 이용한 측정
- 비교법: 표준 견본과 육안 또는 촉각으로 비교
1. 촉침법 (Stylus Method)
다이아몬드 또는 사파이어 재질의 미세한 촉침(stylus)을 표면에 접촉시켜 수직 변위를 측정한다.
촉침의 선단 반지름은 일반적으로 2μm이며, 정밀 가공품의 경우 0.1~0.5μm 급까지 사용한다.
접촉식 측정 방법
2. AFM : 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscopy)
접촉식 측정 방법으로 미세한 탐침(cantilever)과 시료 표면 간의 원자간 상호작용력을 측정.
반데르발스 힘을 이용하여 나노미터 수준의 표면 정보를 획득한다.
반데르발스 힘 : 물리화학에서, 공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력을 뜻함. 전자의 불균일한 분포로 발생하는 순간적인 극성 변화(편극)이 힘의 원인이다.
3. 백색광 간섭법
비접촉식 측정법으로 백색 광원을 사용해서 물체의 표면을 측정하는 방법이다. 반사된 빛이 서로 간섭을 일으켜 빛의 무늬를 만들어내고, 이를 분석해서 표면 거칠기를 계산한다. 아주 민감하게 작동해서 투명한 물체나 까다로운 표면에 대해서도 적용할 수 있는 측정법.
4. Press-O-Film
특수 필름을 표면에 압착하여 표면 거칠기를 복사, 복사된 패턴을 전용 측정기로 분석하여 표면 거칠기를 측정하는 검사법.
5. 공초점 현미경
비접촉식 측정법으로 레이저를 이용하여 표면을 스캔, 반사된 빛의 강도를 측정하여 초점이 맞는 지점의 높이 정보를 수집합니다. 나노미터의 분해능을 가져 매우 정확도가 높은 측정법이다.
