연삭가공은 여러 산업 분야의 정밀한 제조를 지원하는 기반 기술이다. 근대 공업에서는 1800년대 후반에 미국의 브라운&샤프사제 만능연삭반 및 평면연삭반 등장을 계기로 가공 정도, 능률 향상을 위해 연삭반의 구조나 기구 등에서 오늘날까지 개선이 거듭되어 왔다. 그러한 가운데 연삭반에 대한 CNC 제어 기술이나 치수장치 등의 기상 계측 기술도 탑재되어 왔다.

 

한편, 연삭 숫돌에 대해서도 커런덤(corundum) 숫돌입자, 알런덤(alundum) 숫돌입자의 제법이나 비트리파이드 본드에 의한 소성 숫돌 제조법이 확립되어 연삭 숫돌의 품질이 향상됐다. 또한 인공다이아몬드 및 cBN 숫돌입자가 개발되어 난삭재의 연삭 능률이 비약적으로 향상됐다. 그리고 오늘날에는 연삭가공의 상황을 디지털 데이터로 인터넷 환경을 통해 집약해 연삭가공의 품질 관리나 프로세스 관리 등이 실현되고 있으며, 연삭가공 기술은 약 1세기 반에 걸쳐 그 시대의 산업 요구나 사회 환경 변화에 맞춰 진화를 계속해 왔다.

 

이 글에서는 현재도 진화가 계속되고 있는 연삭가공 기술의 동향과 그 진화에 필요한 시점에 대해서 설명하기로 한다.

 

연삭가공 기술의 진화 방향

 

연삭가공 기술은 항상 고능률화, 고정도화를 목표로 진화하고 있다. 이에 더해 최근에는 카본 뉴트럴에 계도된 에너지절감화를 목표로 한 대응도 몇 가지 볼 수 있다. 현재의 연삭가공 기술 동향을 대략적으로 들어보면 이하와 같다.

 

① 연삭 상황의 시각화

② 연삭 결과 계측 평가를 기기 외부에서 기기 내부로 전환

③ 포스트 프로세스에 의한 계측 평가의 인프로세스화

④ 공정집약

 

 

그림 1에 연삭가공에 관한 요소와 각 요소의 기술 개발 키워드를 들어보았다. 또한 연삭가공의 요소에는 공작물도 당연히 포함되지만, 설계에 의해 일의적으로 결정되기 때문에 여기서는 생략한다. 앞에서 말한 기술 동향에 입각하면, 특히 최근에는 기기 상의 계측에 의해 연삭가공의 상황 혹은 결과를 파악하는 기술 개발에 주력하는 경향을 엿볼 수 있다. 따라서 여러 가지 센서나 관찰 기기를 구사한 주변기기나 설비 개발이 활발하다. 또한 이들 주변기기에 의해 얻은 데이터를 기반으로 연삭반의 운동 제어를 실시, 보다 고능률 혹은 고정도의 연삭가공을 실현하는 기술도 개발되고 있다. 그 예를 몇 가지 소개한다.

 

우선 고능률화에 대해서인데 연삭 작업에는 연삭 과정뿐만 아니라, 그 전후의 프로세스도 포함된다. 따라서 연삭 전후의 프로세스를 단축하는 것만으로도 연삭 작업 전체의 고능률화를 실현할 수 있다. 연삭 전의 프로세스로는 연삭반에 공작물을 장착하는 것도 있지만, 연삭 시작 직전에 의외로 시간이 드는 것이 숫돌의 접근과 공작물에 접촉하기까지의 과정이다. NC 프로그램에 의한 연속 연삭이라면, 최초의 숫돌 접근 좌표 설정에 의해 신속하게 연삭을 시작할 수 있지만, 숫돌 교환으로 숫돌 표면의 위치가 크게 변화하거나 연삭 전의 공작물 표면 좌표가 불명확하거나 한 경우에는 지금까지 숫돌이 공작물에 접촉할 때까지 눈으로 지켜보면서 수동으로 천천히 숫돌을 집어넣어 숫돌의 접촉 시작 시의 불꽃이나 소리를 확인함으로써 숫돌 표면 위치 좌표를 파악할 수밖에 없었기 때문에 연삭의 타임 로스가 발생했다. 그래서 에어 마이크로 센서를 이용해 숫돌 표면 좌표를 신속하게 파악하는 기술이 개발되어 연삭반에 탑재됐다. 그림 2에 그 구성을 나타냈다.

 

 

고속으로 회전하는 숫돌 표면에 에어 노즐을 마주보게 해서 양자의 갭이 100μm가 될 때(임의로 설정 가능)까지 NC 프로그램으로 숫돌을 고속으로 접근시키고, 그 위치를 숫돌 표면의 기준 좌표로서 자동적으로 산출함으로써 숫돌과 공작물의 접촉 위치를 자동적으로 결정하고 연삭 시작까지의 시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 비교적 입도가 큰 초숫돌입자 숫돌은 1μm의 반복 정도를 실현한다. 에어 마이크로미터 기술은 이전부터 내경 치수의 측정 등에 이용되어 왔는데, 고속으로 회전하는 숫돌 표면 위치 검출에 이용한 것은 참신하며, 현장의 한시도 아까운 연삭 작업의 맹점을 겨냥한 기술이라고도 할 수 있을 것이다.

 

다음으로 연삭가공의 기기 내 계측과 공정집약 기술에 대해서 소개한다. 그림 3은 공구연삭반에 장비된 연삭 후의 절삭공구를 기기 내의 카메라로 촬영해 그 이미지로부터 공구의 윤곽 형상 데이터를 얻는 시스템의 예이다. 절삭공구의 연삭에서는 지금까지 연삭 후의 공구를 기기 외부의 공구 형상 측정기로 옮겨 계측 평가하고 있었는데, 이 공구연삭반에서는 연삭 직후에 기기 내에서 각각의 공구 형상을 계측 평가할 수 있고 공정집약에 따른 생산성의 대폭적인 향상을 실현하고 있다.

 

 

또한 그림 4에서는 카메라로 촬영한 공구 날 끝의 이미지 데이터로부터 공구 날 끝의 윤곽 형상을 점군의 좌표 데이터로 각각 구하고, 이것을 기반으로 작성된 NC 프로그램에 의해 공구 날 끝에 결손 방지를 위한 약간의 챔퍼링 연삭을 실시하는 예를 나타냈다. 기기 내에 장착 카메라를 이용함으로써 프로브식 터치센서의 경우보다 대폭적인 시간 단축을 실현할 수 있고, 터치센서로 계측할 수 없는 미소 공구에도 대응이 가능하다.

 

 

이외에도 주목할 만한 것은 연삭 숫돌이 보통의 연삭 시와 마찬가지로 회전하는 연삭 숫돌의 작업면 전체 둘레를 기기 상에 설치한 라인 카메라로 고속으로 관찰해 숫돌 작업면 성상의 변화를 특정하는 기술과 프로브를 이용한 접촉식이면서 원통 연삭면의 성상을 기기 상에서 고속으로 계측하는 기술도 개발되어 실용되고 있다.

 

연삭 숫돌에 관해서는 최근 단석 드레서에 섕크 방향의 초음파 진동을 주어 숫돌입자의 미세 파괴를 유발시킴으로써 여러 개의 미세한 절삭날을 생성하고, 연삭저항을 저감시키는 기술이 개발됐다. 그 한편으로, 초숫돌입자 숫돌에서는 트루잉 드레싱에 고민하는 사용자의 목소리를 자주 듣게 되어 이상에 가까운 트루잉 드레싱 기술의 개발과 함께 그 평가법 확립이 요망된다. 특히 초숫돌입자 숫돌은 일반 숫돌에 비해 결합제의 강도가 크고, 트루잉 직후의 숫돌입자 돌출 높이가 낮아 연삭저항이 커지는 경향이 있어 지속적인 드레싱이 필요하다.

 

 

그림 5는 숫돌 표면에 어브레이시브 제트(avrasive jet)를 작용시키는 드레싱법 및 그림 6에 비트리파이드 본드 cBN 숫돌의 트루잉 후와 어브레이시브 제트를 작용시킨 숫돌 표면의 관찰 예이다. 트루잉 후의 숫돌 표면에서는 cBN 숫돌의 끝단과 동일한 높이까지 비트리파이드 본드를 작용시킴으로써 본드 표면이 후퇴해 숫돌입자의 돌출 높이가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 본드 표면이 후퇴하면 연삭저항이 감소하는 것도 확인됐다.

 

 

가공 기술 진화의 시점

 

연삭뿐만 아니라 모든 기술이 진화하는 근원에는 인류의 욕구가 존재한다. 즉, 그때마다의 사람 혹은 제조업계에서 느끼는 불편함이 있었으며, 그 불편함을 개선 혹은 해소시키기 위해 기술을 진화시켜 왔다고 생각한다. 불편함의 개선에는 그 불편함의 발생 상황 및 원인을 해명하는 것이 반드시 필요하며, 거기서부터 불편함 개선을 위한 새로운 기술이 창성된다. 물론 연삭가공 기술에서도 마찬가지일 것이다. 따라서 연삭가공 기술의 진화에는 아무래도 연삭 현상의 파악이 필요하다고 생각한다.

 

 

연삭가공에서는 각각의 목표에 따라 고능률화, 고정도화, 고품질화가 지향되고 연삭 결과에 따라 그 달성의 정도가 평가되지만, 그 구조는 그림 7에 나타냈듯이 여러 가지 연삭 조건을 입력하는 연삭 현상의 최종 출력으로서 연삭 결과가 나타난다. 즉, 연삭 결과는 연삭 현상이 만들어 내는 것이 아니라, 연삭 결과에 만족하지 못하는 경우는 만족하는 결과를 가져오는 연삭 현상의 발현이 반드시 필요하게 된다. 그런데 특히 연삭에서는 연삭 현상을 결정하는 조건 인자가 많고, 인자가 서로 복잡하게 영향을 미치기 때문에 연삭 조건의 최적화에 고민하는 경우가 많다. 따라서 열쇠가 되는 것이 연삭 현상의 파악으로, 이것에 의해 연삭가공의 메커니즘이 명확해지고 사고 착오 없이 최적의 연삭 조건에 의해 근접할 수 있다. 이에 의한 과제 해결의 프로세스를 그림 8에 나타냈다.

 

 

연삭 결과에 기초해 과제가 인식, 추출되면, 연삭의 상황을 파악할 필요가 있다. 지금까지도 워크의 치수나 연삭 동력 등에 의한 연삭 상황의 시각화 기술이 개발되고 있는데, 여기서는 연삭 데이터의 계측 대상을 특정하고 센서 기술, 계측 기술, 그리고 오늘날에는 네트워크 기술을 구사해 계측 데이터로부터 가공 상황의 시각화를 도모할 수 있다. 또한 얻은 데이터를 해석함으로써 연삭 현상을 명확하게 하고, 과제 해결의 방책을 고안해 실현에 이르게 된다.

 

 

연삭 현상의 파악에 있어 그 대상에 따라 시간적 및 공간적 시점이 다르다. 그 대략을 그림 9에 나타냈다. 연삭 그을음이나 스크래치 등의 생성이라는 연삭면 품질에 관한 현상은 공작물 표면 연삭점의 숫돌입자 절삭날 간섭을 주체로 하며 비교적 단시간 내에 생긴다. 따라서 이 현상의 해명에는 높은 응답성 및 시간 분해능의 계측에 의한 데이터 취득이 필요하다. 한편 치수나 형상 정도가 대상이 되는 경우에는 시간적으로는 연삭 사이클에서 연삭 로트로 눈을 돌리고, 공간적으로는 연삭점에서 공작기계 수준까지 폭넓은 시점에서 현상 해명하는 것이 필요하다. 또한 연삭가공의 불량 원인에 많은 숫돌의 눈메움은 숫돌입자 절삭날의 마모 진행에 의한 비교적 장시간에 걸친 현상이다. 눈메움은 숫돌 작업면 전체가 대상이 되고 그 진행 속도는 가공 조건에 따라 다르다.

 

 

그림 10에 원통 연삭에 관한 측정 대상과 각각의 측정 형태를 나타냈다. 연삭가공의 계측 형태에는 연삭과 동시에 계측되는 인프로세스 계측과 연삭하는 중간 혹은 연삭 종료하고 계측하는 포스트 프로세스 계측이 있다. 또한 포스트 프로세스 계측의 일부는 연삭반에서 실시되고, 이들과 인프로세스 계측을 병용한 온머신 계측이 실시된다. 그림에서 검은색 글씨는 연삭 결과(그림 7의 최종 출력)의 주요 평가 대상을 나타낸다. 그림에서 흰색 글씨로 나타낸 연삭 현상의 직접 출력 내, 원통 연삭반 상에서 인프로세스 측정되는 것은 치수장치에 의해 측정되는 공작물 지름 정도이고, 연삭저항이나 공작물 표면 온도에 대해서는 인프로세스 계측이 가능하지만 현재의 연삭가공에서 실시하는 경우는 아직 적다. 또한 최종 출력인 평가 대상의 대부분은 연삭 후에 기기 외부에서 포스트 프로세스 측정되고 있는 것이 현 상황이다. 따라서 기존 기기 외부에서 포스트 프로세스로 계측되고 있던 연삭의 평가 대상이 기기 내부에서 계측 평가되는 것은 생산성 형상에 기여하며, 앞에서 말한 각각의 기술은 그 일부를 담당하고 있다.

 

한편 연삭 온도나 연삭 그을음 등의 가공 변질층 평가는 구태의연하다. 진정한 연삭 온도 측정에는 열전대의 원리를 이용하는 방법이나 절삭에서는 파이버형 2색 적외온도계가 이용되는데, 열전대선이나 광파이버 센서를 공작물에 넣을 필요가 있어 인라인의 실시는 곤란하다. 또한 연삭 그을음 등의 가공 변질층 평가는 연삭면 표층의 단면 관찰 등의 파괴 검사에 의존할 수밖에 없다. 공작물에 뭔가 수를 써야 하는 평가를 비파괴 검사할 수 있는 검사가 개발되는 것도 연삭 기술의 진화에는 필요하다. 따라서 평가 대상 그 자체와 강한 상관을 가지고 있으며, 연삭반 상에서 인라인 가공과 동일한 상태로 계측하는 것이 가능한 별도의 물리량을 계측하는 기술의 개발도 한 가지 방향이다. 연삭가공의 계측 평가 기술은 연삭의 주변 기술이지만 이들 기술이 개발되어 실용화되면, 연삭가공에 큰 임팩트를 주고 이것을 이용한 연삭가공의 제어 기술로 발전할 것으로 기대된다.

 

맺음말

 

이 글에서는 연삭가공 기술의 동향과 앞으로의 진화를 위한 시점에 대해서 개인적인 의견을 소개해 왔다. 연삭가공은 공구인 연삭 숫돌에도 그 실체에 미지의 부분이 여전히 많고, 연삭 현상 자체도 매우 복잡해 아직 충분히 해명되어 있지 않다. 그렇기 때문에 연삭가공 기술의 진화를 위해서는 연삭 현상 해명이 더 진전될 필요가 있으며, 연삭 현상 해명 기술과 이에 기초해 이상적인 연삭가공 기술이 서로 맞물려 진화를 거듭하기를 기대한다.