표면거칠기(surface roughness), 표면거칠기 측정 방법, 공정별 표면거칠기, 다듬질기호별 표면거칠기

표면거칠기란?

 

1. 개요

 

1) 표면거칠기 정의 (KS B 0161)

작은 간격으로 나타나는 표면의 미세한 요철의 정도
거칠다, 매끄럽다의 기준이며 파상도에 해당
(파상도; 거칠기에 비하여 보다 큰 간격으로 나타나는 기복이며, 전체 길이에 비하면 작은 간격으로 나타나는 요철)  

 

 

2) 표면거칠기 측정의 필요성

기계부분의 미끄럼면, 운동부 표면, 게이지 블록 및 마이크로미터 측정면 등 많은 기계요소에 매우 큰 영향을 미침 

하지만, 표면거칠기는 가공방법, 연삭방법, 미립자가공 방법, 절삭 공구, 가공 표면 성분, 기계 마모, 습관, 환경 조건 등 작은 변수에도 쉽게 변하기 때문에 일정한 표면거칠기의 제품을 계속 생산하기 위해서는 표면거칠기의 측정이 가장 중요함 

결국, 가공조건을 전부 통일할 수는 없지만 표면거칠기 측정을 통해 결과물의 표면거칠기는 같게 해야함 

 

 

2. 표면거칠기

 

1) 표면거칠기의 표현

표면거칠기는 중심선 평균 거칠기 (Ra), 최대높이거칠기(Ry), 10점평균거칠기(Rz)로 표현될 수 있음 (KS B 016)

(1) 중심선 평균 거칠기 (Ra)

중심선 평균 거칠기, Ra, HRD

중심선 (거칠기 곡선의 평균선에 평행한 직선을 그엇을때, 이 직선과 거칠기 곡선으로 둘러쌓인 면적이 직선의 양측과 같아지는 직선을 의미함
이 중심선을 기준으로, 아래의 부분을 위로 뒤집어 올린 뒤 이 값을 측정길이 L로 나눈 값을 Ra라 함   

 

(2) 최대 높이 거칠기 (Ry)

최대높이거칠기, HRD

조도 곡선에서 그 평균선 방향으로 기준 길이만 추출한 뒤, 산봉우리까지의 간격과 골까지의 간격을 측정한 뒤, 이 값을 마이크로미터로 표시한 것 
산봉우리 길이까지의 길이와 골까지의 길이의 합 

 

(3) 10점 평균 거칠기 (Rz)

10점평균거칠기, HRD

표본에서 가장 높은 순서대로 5개의 산봉우리 표고의 평균값과, 가장 낮은 순서대로 5개의 골ㅉ기 골바닥 표고의 평균값과의 차 

 

2) 다듬질 수준에 따른 표면 거칠기 구분 

기본적으로 접촉이나 슬라이딩을 하는 부품은 매끄러울수록 좋다
그러나, 안그러운 경우가 있는데,  선반 베드 등과 같이 윤활이 필요한 부품의 경우, 기름을 머금기 위해서는 적당한 거칠기가 필요
일반적으로, 거칠기가 거칠면, 서로 거친 부분이 직접 접촉될 수 있고 이 부분에 하중이 집중되어 문드러짐이 심하게 발생할 수 있음 
(마모나 유격이 발생하고 정밀도가 떨어지며 수명이 단축됨) 
적절한 표면거칠기의 유지는 하중의 분산과 윤활 작용을 위해 필수적이며, 이는 부품의 기능과 수명이 향상이 됨 
하지만 경제성과 trade-off관계이기때문에 (공정 및 품질 기준 추가) 거칠기의 적절한 결정이 중요함 

표면거칠기 차이에 따른 제품의 차이, HRD

 

다듬질 수준에 따른 표면 거칠기 구분

공정별 표면거칠기 수준,네이버 블로그

• 거친 다듬질 : 주조나 단조 등만 실시한  가공상태, 끼워맞춤 불가
• 중다듬질  : 일반적 기계가공 (선삭, 밀링, 드릴링 등) 끼워맞춤은 가능하지만 마찰운동을 하지 않는 부품, 6.3 ~ 25미크론 수준
• 상다듬질 : 끼워맞춘 뒤 마찰이 되며 회전운동이나 직선운동, 혹은 베어링 끼워맞춤 표면 등, 0.8 ~ 6.3미크론 수준, 연삭이나 리밍, 방전가공, 보링 등 
• 정밀다듬질 : 게이지, 피스톤, 실린더류, 정밀입자가공이 필요 (래핑, 슈퍼피니싱 등) 

 

3) 표면거칠기 종류에 따른 수준 및 다듬질 기호

다듬질 방법에 따른 표면거칠기

일반적으로 도면에는 산술평균조도 (중심선 평균 거칠기)로 표현함 

 

 

3. 표면거칠기의 측정

 

1) 표면거칠기 측정 도구 

접촉식인 촉침식 측정기와 비접촉식인 광학식 측정기로 분류가 가능 (촉침식 측정기를 가장 많이 사용함) 

① 촉침식 측정기

촉침의 움직임을 전기적 신호로 바꿔준 뒤, 신호를 증폭시켜 거칠기와 파상도로 분리

촉침과 증폭기, 필터, 지시장치, 기록장치, 이송장치 등으로 구성되어있음 

촉침의 겨우 마모를 잘 견뎌야하기 때문에 고경도의 보석으로 만들어지며 원추형, 혹은 피라미드형 촉침이 사용됨 

촉침은 픽업에 의해 전기신호로 바뀌게 됨

원통 내면의 표면거칠기를 측정, 유튜브

 

 

② 광학식 측정기

기존 접촉식 측정기가 아닌, 비접촉 측정이 가능한 3차원 표면 조도 / 형상 측정기
핀포인트로 측정이 힘든 미세한 소재, 혹은 부드러운 소재 (핀 접촉시 소재가 변형), 촉침을 손상시킬 수 있는 단단한 소재의 측정이 가능 

 

 

2) 표면거칠기 측정 방법 

① 수평 맞춤 
픽업의 이동선이 측정될 표면에 평행하도록 조정

② 이송 길이 선택
표면 거칠기를 충분히 평가할 수 있는 길이 선택 

③ 기준 길이의 선택 
 컷오프와 동일하게 적용함
 일반적으로 0.8mm가 기준 (가장 많이 사용하는 컷오프 수치) 
 ※ 컷오프값 : 표면거칠기와 기복의 구분은 파장길이로 구분할 수 있는데 파장이 짧으면 표면거칠기이고 파장이 길면 기복임. 이때 어느 파장 이상을 기복으로써 제거(cut off)하느지 결정짓는 값. 컷오프되는 기복의 폭이 컷오프값임 
 일반적으로 사용하는 0.8mm 기준으로 봤을때, 산봉우리까지의 길이값이 0.8mm 이상이면 표면거칠기로 판단하는 것이 아닌 기복으로 판단한다는 것 

④ 표면거칠기 측정
기기작동, 시편 청소, 파라미터 종류와 기준 길이 선택, 수평 배율과 이동속도 선태, 측정 및 기록

 

(1) 곡면의 거칠기 측정

볼, 베어링, 실린더 등의 곡면 측정 
시편이 둥글기 때문에 생기는 거칠기의 오차를 줄이기 위해, 1) 검출기를 고정시키고 시료를 회전시키거나 2) 스키드와 촉침이 동축이 되도록 하거나 3) 검출기가 곡면을 따라 움직이게 하는 방법이 있음 

시료를 회전시키면서 거칠기 측정

(2) 복제 시료의 거칠기 측정

분해하여 측정이 곤란한 제품의 표면, 혹은 오목하거나 무르고 탄력성이 있는 표면은 직접 측정이 어려워 복제시료를 사용하여간접적으로 측정함. 아크릴수지나 폴리에스테르 수지 등으로 동일하게 만들어서 측정하는 방법인데, 복제 시료 자체 거칠기나 응고시 변형 등, 동일 가공 조건에 따른 결과물 차이 등에 의해 상당한 오차가 수반됨

 

(3) 표면거칠기 표준편 이용

측정기로 직접 측정하기 매우 어렵기 때문에, 촉감 혹은 시각으로 직접 판단할 수 있게 만든 표준 시편, 견본. 
촉감, 현미경, 확대경, 육안 등으로 확인하며 촉감을 쓸때는 손톱으로 가볍게 문질러서 감각이 동일한 시편의 거칠기를 판단함 
현실적이고 가장 쉬운 방법

표면거칠기 시편

 

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