마모량을 간단·정확하게 측정하는 방법
마모는 공구의 날끝이나 기계 부품의 접동부에 발생하는 현상이며 그 양인 마모량은 이러한 공구 등의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 마모가 미치는 영향은 발열·진동에 의한 가공 불량이나 덜컹거림에 의한 동작 불량의 원인이 되어 최악의 경우, 기기의 고장이나 파손에 이릅니다.
마모가 발생하는 부분은 오일 등의 윤활제로 마모를 방지하는 고안이 실행되고 있습니다. 그러나 마모는 여전히 피하기 어려운 잠재적 위험 요소입니다. 이러한 점에서 마모량의 측정은 제품의 품질 유지나 장치의 보전, 나아가 안전을 보장하기 위해 필수적이라고 할 수 있습니다.
마모란?
마모는 마찰에 의해 고체 표면의 양이 순차적으로 감소하는 현상입니다. 즉, 마찰에 따라 고체의 표면의 양이 지속적으로 감소하는 것입니다. 마찰이나 마모의 현상은 외적 요인(하중·속도·온도·환경 등)이나 공학적 요인(기하학 형상·변형·계면 준위 등)이 복잡하게 영향을 미치고 있는 문제입니다.
덧붙여 마모와 비슷한 현상인 침식(이로젼)은 유체와 고체의 마찰에 의한 마모로 배관에 흐르는 유체와 배관의 사이에 발생합니다.
마모의 종류
마모는 마찰 부분에 작용하는 하중이나 두 마찰재의 물성, 주위의 환경, 열, 온도, 물리적, 화학적 작용 등 매우 많은 변수 등이 복합적으로 조합되어 발생하기 때문에 마모의 종류를 구분하는 데는 다양한 분류 방법을 고려해 볼 수 있습니다. 여기에서는 그 중에서 대표적인 마모에 대해 소개합니다.
응착 마모
응착 마모는 2개의 고체가 마찰 운동을 하고 있을 때 표면의 돌기 부분이 서로 접촉하여 결합된 부분(응착)이 되어 표면이 닳아 없어지는 현상입니다. 응착 마모는 고체 사이의 화학적 결합에 의해 발생합니다. 때문에 다음과 같은 고체 사이에서 발생하기 쉬워집니다.
- 같은 종류의 재료
- 결정 구조가 동일하고 격자 상수가 비슷한 재료
연마 마모
연마 마모에는 연삭 마모나 분체 마모, 거친 마모, 스크래치 마모, 절삭 마모 등 많은 호칭이 있습니다. 이 마모는 2개의 고체 사이에서 딱딱한 재질 쪽의 표면 돌기가 부드러운 쪽의 재질을 기계적으로 깎아내거나, 2개의 고체 사이에 끼인 경질의 입자가 부드러운 쪽의 고체를 깎아내는 현상입니다. 윤활 상태가 비교적 양호하고 응착 정도가 적으며, 다른 마모 형태와 비교하여 마모량이 많은 것이 특징입니다.
피로 마모
피로 마모는 베어링의 전동면이나 톱니 바퀴(기어)의 기어면 등 미끄럼 마찰에 비해 구름 마찰이 압도적으로 많은 경우에 발생합니다. 피로 마찰에 이르는 과정은 다음과 같습니다.
- ① 금속 부품끼리 접촉하는 표면에 반복 응력이 작용한다.
- ② 반복 응력에 의해 표면이 점차 경화된다.
- ③ 미세한 균열이 발생하여 균열로 발전한다.
- ④ 표면이 박리된다.
「③」의 균열을 발생시키는 전단 응력은 표면에서 약간 내부로 들어간 부분에서 가장 커집니다. 또한 구름 피로에 의해 베어링에 반점 형상의 작은 구멍(피트)이 발생하는 피칭이나 기어의 기어면에서 재료의 피로가 발생하여 상당히 큰 금속 조각이 탈락하는 스폴링도 상기와 같은 과정을 거쳐 발생합니다.
프레팅 마모
프레팅 마모는 본래 미끄럼을 저지할 것을 전제로 설계한 부자재의 접촉면 사이에 발생하는 마모입니다. 볼트나 너트로 체결한 부품의 감합부나 부품 사이의 접촉면에 반복 응력이 가해져 미세하게 양쪽에 미끄럼(프레팅)이 발생함으로써 생기는 마모입니다. 프레팅 마모가 발생한 면에는 미세한 균열이 생깁니다. 또한 프레팅 마모 부분에는 외부 하중과 반복 응력이 작용하기 때문에 피로 강도가 본래의 절반 이하로 저하(프레팅 피로)되어 피로 파괴에 이르는 경우가 있습니다.
마모 측정의 필요성
마모는 가공 공구의 경우에는 가공 품질, 부품의 경우에는 작동 정확도와 안전성에 직결됩니다. 때문에 마모량이나 마모면의 형상 등 마모 상태를 측정하는 것은 매우 생깁니다. 여기에서는 예시로 브레이크 패드와 절삭 공구의 날끝 마모 측정의 중요성에 대하여 설명합니다.
브레이크 패드의 마모 측정
자동차의 브레이크 패드가 새것일 때의 두께는 약 10mm입니다. 또한 브랜드에 따라 차이는 있지만 약 3mm~1mm정도 마모된 시점에서 교환합니다. 브레이크 패드는 디스크 브레이크의 경우 디스크 로터, 드럼 브레이크의 경우 브레이크 드럼과의 마찰로 마모됩니다. 그리고 디스크 로터와 브레이크 드럼도 마모됩니다. 브레이크 패드의 마모면에는 마찰 상태가 드러나므로 이 체적이나 마모량을 측정 또는 관찰함으로써 브레이크 패드의 내구성이나 브레이크 시에 발생하는 마모의 종류를 파악할 수 있습니다.
날끝의 마모 측정
엔드밀이나 바이트의 칩 등의 날끝은 피삭물이나 절삭 칩과의 마찰로 마모됩니다. 마모되는 부분은 재질에 따라 다르지만 대부분은 경사면과 여유면에 생깁니다. 발생 원인으로는 절삭 속도가 너무 빨랐을 경우나 날끝의 재질이 적절하지 않았을 경우 등을 생각해 볼 수 있습니다. 특히 가공이 어려운 소재는 날끝에 큰 부담을 주기 때문에 일반 소재를 가공할 때 보다 마모량이 커집니다. 또한 여유면의 마찰은 절삭력의 증가나 절삭량이 변화하는 원인이 되므로 주의가 요구됩니다.
이러한 점에서 날끝의 마모를 측정하는 것은 절삭 속도와 날끝의 재질 선택을 평가하는 데 매우 중요합니다.
기존의 마모량 측정 과제
지금까지 마모량을 측정하기 위해서는 윤곽 형상 측정기나 3차원 측정기를 사용하고 있었습니다. 그러나 넓은 마모면이나 미세한 부품의 마모량을 측정하기 위해서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.
윤곽 형상 측정기를 이용한 마모량 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 방식을 이용하여 면으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.
윤곽 형상 측정기를 사용할 때에는 측정 항목에 대해 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, 프로브 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
- 원하는 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어려우며, 미묘한 프로브의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.
- 특정 위치를 조준하여 측정해야 하므로 N수 증가가 어렵습니다.
- 일부 측정값만 받아볼 수 있기 때문에 면에서의 평가를 할 수 없습니다.
3차원 측정기를 이용한 측정 과제
예를 들어 마모 부분의 면적이 1mm2로 작은 경우, 그 부분을 프로브로 맞춰 가상의 면을 만들고 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 작은 부분의 3차원 형상을 측정하는 경우에는 측정점이 적어져 정확한 형상을 파악하기 어렵습니다. 게다가 측정 데이터의 집계나 도면과의 대조 등 많은 수고가 요구됩니다.
마모량 측정의 과제 해결 방법
기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정합니다. 이 때문에 전체적인 형상을 파악할 수 없고 측정값의 신뢰성이 낮다는 과제가 있었습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 면에서 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.
장점 1: 최고 속도 1초, 원샷으로 80만 포인트의 점 데이터를 수집
광범위한 형상을 「면」으로 측정하여 80만 포인트의 점 데이터를 수집. 선이나 점에 의한 측정이 아니므로 재검토가 필요하지 않아 측정 시간을 단축할 수 있습니다. 마모량 등 정의하기 어려운 항목도 체적이나 표면적으로 평가할 수 있어 평면도의 정량적인 평가도 쉽게 할 수 있습니다. 또한 임의로 지정한 부분에 대해 프로파일 측정을 할 수 있습니다. 측정 후에도 대상 물체를 다시 설정하지 않고 3D 스캔한 데이터에서 다른 부분의 프로파일 데이터를 취득할 수도 있습니다.
뿐만 아니라 모든 측정 데이터가 저장되므로 저장된 데이터를 비교하거나 3D 설계 데이터와 비교할 수 있습니다.
장점 2: 최대 200mm×100mm에 달하는 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 측정이 가능합니다.
스테이지에 놓은 대상 물체의 특징을 추출하여 자동으로 위치를 보정할 수 있으므로 지금까지 많은 노력과 시간이 걸렸던 정밀한 위치 조정이 필요하지 않습니다.또한 최대 200mm×100mm에 달하는 광범위를 연결하여 측정할 수 있습니다. 이로 인해 특정 작업자뿐만 아니라 익숙하지 않은 분이라도 빠르고 간단하게 측정할 수 있습니다. 「VR 시리즈」를 사용하면 대형의 브레이크 패드와 같은 넓은 면적의 대상 물체도 스테이지에 두고 버튼을 누르는간단한 조작만으로도 정확한 마모량 측정을 할 수 있습니다.
요약: 측정하기 어려웠던 마모량 측정을 비약적으로 개선·효율화
「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 접촉 방식을 이용하여 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다. 또한 마모면의 최고점이나 최저점은 물론, 체적·단면적·표면적과 단면적의 비율 등의 측정에 있어 존재했던 기존 측정기의 과제를 모두 해결할 수 있습니다.
- 최고점, 최저점, 면적, 체적, 표면적을 동시에 고정도로 면밀하게 측정할 수 있습니다.
- 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적인 측정을 할 수 있습니다.
- 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현. 측정 작업을 특정 작업자에게 의존해야 했던 문제를 해결했습니다.
- 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.
그 외에도 과거에 측정했던 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.
