테이퍼의 형상을 쉽고 정확하게 측정하는 방법

테이퍼란?

테이퍼란 길쭉한 구조물의 지름·폭·두께 등이 점점 가늘어지는 상태 가리킵니다. 테이퍼 모양에는 다양한 종류가 있으며 목적에 따라 구분하여 사용합니다. 테이퍼는 구조물에 강도를 부여하거나 감합을 용이하게 할 수 있으며 프레스 또는 절삭 가공 등으로 만듭니다.
덧붙여 테이퍼 형상으로 설계하는 것을 「테이퍼를 붙인다」라고 하고 테이퍼의 각도가 큰 경우에는 「테이퍼가 빡빡하다」, 작은 경우에는 「테이퍼가 느슨하다」라고 합니다. 테이퍼와 비슷한 단어로는 구배가 있지만 엄격하게 구분하여 사용해야 합니다.

테이퍼와 기울기의 차이

양측에 경사가 붙어 있는 형상을 「테이퍼」, 한쪽은 수평이고 다른 한쪽에만 경사가 붙어 있는 형상을 「구배」라고 합니다. 예를 들어 같은 원뿔 형태의 소재에서 중심선을 기준으로 한쪽에만 경사가 져 있다면 구배이지만 양쪽에 경사가 져 있다면 테이퍼 입니다.

테이퍼와 구배 도면 표기

테이퍼와 구배는 각각 기호와 수치로 표시합니다. 테이퍼의 크기는 테이퍼 각이나 테이퍼 비율로 표시됩니다. 한편 구배는 구배 비율이라는 값으로 표시합니다.

테이퍼를 이용한 부품

테이퍼는 핀이나 축을 지지하는 베어링, 배관 또한 방열판이나 플랜지 등 많은 부품에 사용되고 있습니다. 모두 테이퍼에 해당하는 형상을 띄고 있지만 각각 목적은 다르며 그 형상에도 특징이 있습니다.

그 외 배관이나 항공기의 기체 등 유체의 저항을 억제하고 싶은 부품에는 포물선 같은 형상의 「포물선 테이퍼」가 사용되며, 핀 등 부품과 부품을 결합시키는 부품에는 일반 테이퍼와는 달리 앞쪽으로 갈수록 두꺼워지는 「역 테이퍼」가 이용됩니다.

테이퍼 각 계산

테이퍼는 일반적으로 도면 상에서 테이퍼 비율로 표시합니다. 그러나 선반에 의한 가공 등의 경우에는 테이퍼 각의 값이 필요할 수 있습니다.

테이퍼 비율

굵은 쪽 치수와 가는 쪽 치수의 비율입니다. 예를 들어 테이퍼 비율이 3 : 100 이라면 직경은 100mm당 3mm 가늘어집니다.

a

더 큰 직경

b

더 작은 직경

L

길이

Φ

테이퍼 각

테이퍼 각

테이퍼 각은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.

예를 들어 도면에 표시된 테이퍼 비율이 3/100인 경우 테이퍼 각도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

테이퍼의 가공법

테이퍼는 선반이나 프레스로 가공합니다. 프레스 가공의 경우 금형을 만들 때 테이퍼를 설정합니다. 선반의 경우는 공구대 각도 조정을 사용하여 가공합니다. 여기에서는 선반에 의한 테이퍼 가공을 소개합니다.
선반이란 재료를 회전시켜 깎는 공작 기계를 말합니다. 가공하는 물건을 회전시켜 고정해 놓은 공구로 공작물을 깎아서 만듭니다. 가공물을 회전시키며 깎기 때문에 앞쪽로 갈수록 가늘어지는 테이퍼 가공에 적합합니다. 선반에서는 테이퍼 블레이드 엔드밀의 각도를 테이퍼 각의 1/2로 지정합니다. 또한 테이퍼 각의 1/2은 구배 각입니다.

① 선반을 회전시켜 각도를 조정한다
↓
② 선반의 핸들을 조작하여 깎는다
↓
③ 끝까지 깎은 후 날 끝을 처음 위치로 되돌린다
↓
④ 이것을 반복하여 원하는 형상이 될 때까지 깎는다

초정밀 선반에서는 마이크로 오더의 미세 테이퍼도 가공할 수 있습니다. 따라서 품질 관리를 진행할 때에는 정도가 높은 측정기가 필요합니다.

기존의 테이퍼 측정 과제

테이퍼의 가공으로 원하는 치수(공차 내)·형상을 얻었는지 확인하는 것은 매우 중요합니다. 특히 원뿔형 테이퍼는 입체적인 형상을 띠고 있으므로 고정도 및 정량적인 3D 형상의 측정이 요구됩니다.
그러나 기존의 투영기나 윤곽 형상 측정기, 테이퍼 게이지 등의 경우, 정확하게 측정하기에는 난이도가 높고 편차가 생기는 등 여러가지 과제가 있었습니다.

투영기의 테이퍼 측정 과제

투영기는 광학 측정기의 일종으로 측정 원리는 광학 현미경과 유사합니다. 물체를 받침대에 올려 놓고 아래에서 빛을 비추면 물체의 윤곽이 화면에 투영됩니다. 대형 투영기의 경우 스크린의 직경이 1 m가 넘는 것도 있습니다. 2차원 투영에서는 확인할 수 없는 깊은 테이퍼 부분은 샘플을 절단하여 측정합니다.

이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 일반적인 투영기 렌즈는 물체의 일부에만 초점을 맞춥니다. 따라서 측정 항목마다 수동으로 초점을 맞춰야 합니다. 예를 들어 대상 물체가 원뿔형이면 각 측정 항목마다 미세하게 초점을 조정해야 합니다. 사람에 따라 초점을 맞추는 위치가 다르면 측정 오차가 생기고 측정 항목이 많을수록 초점 맞추는 데 시간이 소요된다는 문제가 있습니다. 또한 단면 형상을 측정하기 위해서는 대상 물체를 절단해야 합니다.
• 형상 비교를 하고 싶은 경우에는 10배로 확대한 도면을 투영 이미지에 겹쳐서 그 차이를 육안으로 확인해야 합니다. 또한 치수 및 도면과의 차이점 수치를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 윤곽 형상의 경우 트레이스지에 전사하여 측정하기 때문에 데이터의 보존이나 비교가 어렵습니다.

이와 같이 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 있는 것은 아니고 측정할 수 없는 부분도 있으며 나아가 대상 물체에 따라서는 절단이 필요하게 되는 등 큰 과제가 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 테이퍼 측정 과제

윤곽 형상 측정기는 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다. 최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉 방식으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.
윤곽 형상 측정기를 사용할 때에는 측정하려는 테이퍼의 형상에 대해 수직 방향으로 정확한 측정 라인을 맞춰야 합니다.

그래서 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 시료를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업을 진행하는 데에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 필수적으로 요구됩니다.
• 윤곽 형상 측정기의 프로브는 프로브 암의 지점을 중심으로 상하 원호 운동을 하며, 촉침 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
• 원하는 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어려우며 미묘한 프로브의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.

테이퍼 측정의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기가 가지고 있는 과제를 돌이켜보면 어떠한 공통점이 있다는 것을 알 수 있습니다. 그것은 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 것입니다.
이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다. 대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 따라서 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 구체적인 장점은 다음과 같습니다.

장점 1: 샘플을 절단하지 않아도 측정할 수 있다

예를 들어 절삭날 공구나 방열판의 핀과 같이 피치가 작고 깊은 물체의 경우, 접촉식 측정기에서는 바닥면까지 프로브 등의 측정자가 닿지 않아 측정이 어렵습니다.
「VR 시리즈」를 사용하면 단면을 절단하여 평면 측정을 해야 했던 대상 물체도 가상으로 절단하여 테이퍼 등의 단면 형상을 측정할 수 있습니다. 이 때문에 단면을 절단하지 않고 깊은 부분을 측정할 수 있습니다.
또한 사전에 측정 항목을 등록할 수 있는 해석 템플릿을 사용하여 대상 물체의 형상을 해석 할 수 있어 지금까지 시간이 걸리거나 불가능했던 측정도 단시간에 할 수 있습니다.

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장점 2: 최대 200mm×100mm의 광범위를 측정 가능

대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 OK. 정밀한 위치 결정 등의 사전 준비가 필요하지 않으므로 측정기에 관한 지식이나 경험이 없어도 즉시 고정도의 측정을 할 수 있습니다.

기존 측정기와 달리 스테이지에 놓은 대상 물체의 특징을 추출하여 자동으로 위치를 보정할 수 있습니다. 지금까지 많은 노력과 시간이 걸렸던 정밀한 위치 조정이 필요하지 않습니다. 이로 인해 특정 작업자만 할 수 있었던 측정 작업을 익숙하지 않은 분이라도 단하고 빠르게 할 수 있습니다.

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요약: 측정하기 어려웠던 테이퍼면의 형상 측정을 비약적으로 개선 · 효율화

고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순간적으로 측정할 수 있는 「VR 시리즈」는 기존 측정기의 과제를 해결할 수 있습니다.

• 대상 물체를 절단하지 않고 단면을 측정할 수 있습니다.
• 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적으로 측정할 수 있습니다.
• 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현했습니다. 특정 작업자만 측정 업무를 할 수 있는 문제를 해소합니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.

그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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