프로파일 연삭 시 형상 및 프로파일의 정밀도는 드레싱된 연삭 휠의 기하학적 구조에 따라 달라집니다. 60년대에 회전식 다이아몬드 드레싱 롤러가 개발되어 대량 생산에서 연삭 휠과 공작물의 프로파일 정밀도를 보장해왔습니다. 그러나 개발 작업은 회전형 드레서에 국한되지 않았으며 공작기계 및 드레싱 유닛을 포함한 전체 시스템을 포함하게 되었습니다.

Motion 블로그에서 다양한 유형의 다이아몬드 드레싱 롤러와 그 사용에 대한 주요 파라미터에 대해 알아보겠습니다.

프로파일 드레싱 롤러는 두 가지 주요 그룹으로 구분됩니다.

1. 네가티브 다이아몬드 롤러: 이 방식에서는 다이아몬드는 네가티브 형상의 틀에 배치되고, 틀은 나중에 파괴됩니다.
2. 포지티브 다이아몬드 롤러: 이 방식에서는 다이아몬드 코팅이 정밀하게 제작된 강철 지지대 바디에 직접 적용됩니다.

아래 그림은 두 방식 간의 차이를 명확히 보여줍니다. 왼쪽은 최종 공작물의 형상에서 다이아몬드 입자의 두께만큼을 제외한 강철 몸체로 구성된 포지티브 형상의 드레서입니다. 오른쪽은 더 복잡한 디자인과 더 큰 다이아몬드 입자를 갖춘 네가티브 형상의 롤러(역방향으로 부르기도 함)입니다. 이 기사에서는 정밀 작업에 더 적합한 네가티브 형상의 다이아몬드 롤러에 중점을 두어 살펴보겠습니다. 포지티브 형상의 다이아몬드 롤러는 프로토타입 제작에 적합하지만 대량 생산에는 덜 적합합니다.

역방향 또는 네가티브 형상 방식이 고정밀 가공과 더욱 밀접한 관련을 가지며, 이는 다시 세 가지의 하위 공정으로 나뉩니다.

1. 단일층 분산형 다이아몬드 사용 네가티브 형상 다이아몬드 드레싱 롤러

첫 번째 단계는 주로 알루미늄 또는 드물게 흑연 소재로 정밀 금형을 만드는 것입니다. 고정밀 CNC 선반을 사용하여 최종 다이아몬드 드레싱 롤러의 치수와 일치하는 형상을 역방향(반대 형상)으로 가공합니다. 이때 다이아몬드 절삭 공구는 정확히 연삭되어 측정된 반경을 가집니다. 프로파일을 회전시킨 후, 다이아몬드가 한 겹으로 코팅되어 프로파일 내에 분산되거나 직접 배치됩니다. 그런 다음 두꺼운 니켈 코팅으로 다이아몬드를 전기 도금합니다. 강철 바디는 알루미늄 틀의 기준 직경에 동심으로 배치되고, 니켈층과 강철 바디 사이의 남은 공간은 레진 캐스팅으로 채워집니다. 마지막으로 이 공정에서 알루미늄 틀이 파괴됩니다.

이 공정은 매우 정밀한 드레싱 롤러를 만들어내며, 모든 다이아몬드가 고정밀하게 가공된 네가티브 형상의 틀(금형)의 외부 "회전 평면"에 위치하게 됩니다. 다이아몬드는 금형 내부에 접착되지 않고 원심력에 의해 제자리에 고정됩니다. 이 방법은 높은 밀도의 다이아몬드 배치를 가능하게 하고, 매우 작은 프로파일 각도와 반경을 허용하며, 최종 정밀도를 위한 연삭공정이 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다. 이러한 드레싱 롤러는 상당한 투자가 필요하지만 공구의 긴 수명과 정밀성 측면에서 투자할 가치가 있습니다. 여기에서 설명한 유형 중에서 분산된(무작위로 분포된) 다이아몬드 입자가 적용된 드레싱 롤러가 가장 정확한 드레싱 공구입니다.

2. 수작업으로 다이아몬드를 배치한 네가티브 형상 드레싱 롤러

이 경우 다이아몬드는 네가티브 형상의 틀에 무작위로 배치되지 않고, 미리 정해진 배치 패턴에 따라 수작업으로 배치됩니다. 전기 도금 공정 전에 각 다이아몬드 입자는 정확히 사전 결정된 위치에 배치됩니다. 이 방법은 입자의 밀도를 미리 결정할 수 있게 하여, 원뿔형 다이아몬드 연삭 롤러나 단면 연삭 롤러에서 다이아몬드가 겹치는 부분을 제어할 수 있습니다. 이를 통해 연삭 휠이 어느 한 지점에서 과도하게 연삭되지 않게 되어, 연삭 열손상의 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 더 큰 다이아몬드를 사용하면 더 빨리 마모되는 중요한 영역을 보강할 수 있습니다. 또한 수작업으로 배치된 드레싱 롤러에는 추가적인 모서리 보강이 가능하며, 예를 들어 더 빠르게 마모되는 연삭 롤러의 특정 영역에 CVD 막대를 추가하여 보강할 수 있습니다.

3. 소결 금속 결합(침투 공정)

이 드레싱 롤러는 뜨거운 액체 금속을 침투시키고 800°C의 오븐에서 소결 과정을 거쳐 제작됩니다. 형상과 최대 직경과 최소 직경의 차이에 따라 다양한 수축률이 발생하며, 이는 전체적인 기하학적 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 정확성을 보장하기 위해, 이러한 드레싱 롤러는 연삭해야 합니다. 그러나 금속 매트릭스는 매우 내구성이 뛰어나며 이러한 유형의 드레싱 롤러는 사용 수명이 가장 깁니다.

포지티브 형상 드레싱 롤러

단일층 다이아몬드가 적용된 포지티브 형상 다이아몬드 드레싱 롤러는 네가티브 형상 드레싱 롤러와는 달리 모든 다이아몬드 끝점이 외부 "회전 평면"에 정확하게 위치하지 않습니다. 드레싱 롤러의 정확도는 공칭 다이아몬드 입자 크기의 통계적 분포와 실제 입자 크기의 차이에 따라 감소합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 드레싱 롤러는 비용 대비 효율이 높아 프로토타입 제작 및 낮은 정확도와 수명을 요구하는 어플리케이션에 적합합니다.

드레싱 작업을 최적화할 때 가장 중요한 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

• 연삭 휠과 다이아몬드 롤러 사이의 회전 방향
• 연삭 휠과 다이아몬드 롤러 사이의 속도 비율 q_d
• 다이아몬드 연삭 롤러의 연삭(mm/min 또는 연삭 휠 회전당 mm)

연삭 휠에 대한 다이아몬드 드레싱 롤러의 회전 방향과 속도 비율 q_d 는 공작물의 제거 성능과 결과적인 표면 품질에 중요한 역할을 합니다. 이러한 회전 방향은 동일 회전 드레싱과 반대 회전 드레싱으로 나뉩니다. 동일 회전 드레싱에서는 연삭 휠과 다이아몬드 연삭 롤러가 접촉 지점에서 동일한 방향으로 회전합니다. 반대 회전 드레싱에서는 연삭 휠과 드레싱 롤러가 접촉 지점에서 반대 방향으로 회전합니다.

연삭 휠과 드레싱 롤러의 상대 속도 q_d 는 연삭 휠의 울퉁불퉁함이나 표면 거칠기에 영향을 미칩니다.

이 다이어그램은 다이아몬드 드레싱 롤러와 연삭 휠의 속도 비율 q_d 가 표면 거칠기 R_ts 에 큰 영향을 미치는 것을 보여줍니다. 동일 회전 드레싱의 경우 연삭 휠의 표면 거칠기 R_ts 는 반대 회전 드레싱의 경우보다 거칩니다. 이는 다양한 드레싱 깊이 a_d(연삭 휠 내 드레싱 롤러의 침투 깊이)에서도 마찬가지입니다. q_d 비율이 1에 가까울수록 연삭 휠 표면은 더욱 거칠어집니다. 그러나 속도 비율이 q_d = 1이면 다이아몬드와 연삭 휠 사이에 발생하는 압착 메커니즘으로 인해 다이아몬드 드레싱 롤러가 손상됩니다. 따라서 동일 회전 드레싱의 경우 속도 비율 q_d = v_R/ v_c가 0.8인 것이 좋습니다.

그래프에서 볼 수 있듯이 반대 회전 모드에서 연삭 휠의 속도 비율 q_d를 변경할 때 표면 거칠기 R_ts에는 크게 변화가 발생하지 않습니다. 또한 반대 회전 모드는 동기화보다 훨씬 더 미세한 연삭 휠 표면 거칠기를 생성합니다. 연삭 작업에서는 연삭 휠의 표면 거칠기가 더 높은 것이 유리합니다. 이를 통해 연삭 휠이 더 차갑고 공격적으로 작동하여 공작물에 연삭 열손상이 발생할 위험을 줄일 수 있기 때문입니다. 따라서 가능한 경우 동일 회전 드레싱을 사용해야 합니다.

동일 회전 모드에서 다이아몬드의 침투 각도는 반대 회전에 비해 훨씬 가파르기 때문에 결과적으로 연삭 휠 표면 거칠기 R_ts가 더 크게 나타납니다. 따라서 일반적으로 가능하다면 동일 회전 모드로 드레싱하는 것이 권장됩니다. 반대 회전 드레싱은 동일 회전 드레싱으로 표면 요구 사항을 충족할 수 없거나 드레셔의 동력이 충분하지 않을 때만 사용해야 합니다. 구동력이 충분하지 않으면 연삭 휠이 회전 드레셔를 구동하기 시작하여 연삭 휠 속도로 가속할 수 있습니다. 다음 다이어그램은 회전 드레셔의 두 모드와 주변에 있는 단일 다이아몬드의 이론적 드레싱 경로를 보여줍니다. 설명을 위해 하나의 다이아몬드만 선택되었습니다.  그러나 실제로는 회전 드레서의 둘레에는 수백에서 수천 개의 다이아몬드가 있습니다. 동일 회전 드레싱 시에는 개별 다이아몬드가 연삭 휠에 수직으로 부딪힙니다. 이 "망치로 치는 충격"은 연삭 휠을 더 날카롭고 공격적으로 만듭니다. 반대 회전 모드에서는 단일 다이아몬드의 접촉 경로가 연삭 휠 표면에 미끄러지는 충격을 만듭니다. “미끄러지는” 충격은 연삭 휠 표면을 더 부드럽게 만듭니다.

좌상단의 그림은 동일 방향 드레싱에서 연삭 휠에 수직으로 충돌하는 다이아몬드의 "망치로 치는 충격"을 보여줍니다. 오른쪽 그림은 반대 회전 시 다이아몬드 입자의 "미끄러지는" 충격을 보여줍니다. 다이아몬드 롤러의 수명은 일반적으로 동일 회전 시 반대 회전에 비해 더 깁니다. 이는 개별 다이아몬드 입자의 작용 경로로 인한 것입니다. 동일 회전 시 다이아몬드 입자가 휠과 짧은 시간 동안만 접촉합니다. 반대 회전 시에는 입자가 "역방향" 하이포사이클로이드 경로를 따라 연삭 휠에 미끄러지며 더 오랫동안 접촉 상태를 유지합니다. 이러한 작용 경로로 인해 더 높은 오버랩을 초래하여 다이아몬드 입자에 더 큰 열 부하가 가해집니다. 더 높은 오버랩은 반대 회전 드레싱에서 작용하는 거칠기가 더 낮아지는 이유가 되기도 합니다. 이러한 열 부하를 방지하기 위해 드레싱 공정 중에 다이아몬드 롤러에 냉각 윤활제를 충분히 뿌려야 합니다.

드레싱 매개변수 계산을 위한 유용한 공식

속도 비율 q_d:연삭 휠과 드레싱 롤러의 원주 속도의 비율을 나타냅니다.

qd = (드레싱 롤러의 주속도(m/s)) / (연삭 휠의 주속도(m/s))   
qd= vRvc  = (비율)

드레싱 롤러 및 연삭 휠의 주속도 계산(m/s):

V = (n×d×π)/ (1000 ×60)

주속도(m/s (V)) 기준 드레싱 롤러 또는 연삭 휠의 분당 회전수(n) 계산

n = (V×1000 ×60)/ (d × π)

• V = 연삭 휠 또는 드레싱 롤러의 주속도(m/s)
• d = 연삭 휠 또는 드레싱 롤러의 직경(mm)
• n = 연삭 휠 또는 드레싱 롤러의 분당 회전수

구동력

원통형 연삭기는 크립 피드 연삭기와 같은 강력한 연삭 구동력을 제공하지 않으므로, 연삭 구동 스핀들의 출력을 충분히 확보해야 합니다.

연삭 휠 회전당 드레싱 깊이 a_d

연삭 휠 회전당 드레싱 깊이는 연삭 휠의 작용 거칠기(R_ts)에 영향을 미칩니다. 즉, 드레싱 깊이가 클수록 작용 거칠기가 커집니다. 그러나 이는 과도한 작용 시간을 고려하지 않았을 경우에만 해당됩니다. 드레싱 깊이 a_d 는 연삭 휠 회전당 0.5µm~1.5µm 사이에 있어야 이상적입니다. 최대 드레싱 깊이는 연삭 휠 회전당 1.5 µm를 초과해서는 안 됩니다. 너무 높은 드레싱 깊이는 드레싱 롤러의 수명을 줄이거나 드레싱 롤러를 손상시킬 수 있습니다.

드레싱 중 연삭 휠 원주 속도(v_c
) 드레싱 시 가능한 경우 연삭시와 동일한 연삭 휠의 원주 속도 v_c 를 선택해야 합니다. 세라믹 결합 연삭 휠은 절대로 완전히 균질한 구조로 되어 있지 않습니다. 드레싱 속도가 최종 사용 속도보다 낮으면 연삭 휠의 직경이 불균일하게 변할 수 있습니다. 이와 같은 미세한 변형은 연삭 휠의 불균형으로 이어져 형상 또는 표면 결함과 관련된 문제를 일으킬 수 있습니다.

다이아몬드 롤러 드레싱 장치의 드라이브
드레싱 장치에는 속도 비율 q_d 와 회전 방향을 적절하게 조정하여 드레싱할 연삭 휠의 작용 거칠기 깊이 R_ts 에 영향을 미칠 수 있도록 무단으로 회전속도를 조절할 수 있는 드라이브가 장착되어 있어야 합니다. 또한 상이한 부하 조건에서도 속도가 일정하게 유지되는 것이 중요합니다.

프로파일 드레싱 롤러의 작용 회전수
드레싱 롤러로 프로파일을 연삭 휠에 적용하는 경우, 롤러가 최종 드레싱 깊이에 도달하면 작용 회전수(다이어그램의 수평 축)를 제한해야 합니다. 드레싱 롤러가 최종 위치에서 계속 드레싱하면 연삭 휠의 적용 거칠기 깊이 R_ts가 아래와 같이 너무 매끄러워집니다. 낮은 작용 회전수에서는 동시 회전 및 반대 회전 모두에서 연삭 휠의 거칠기가 유지됩니다. 작용 회전수가 50회일 때 두 모드 모두 표면 거칠기 R_ts가 감소합니다. 이 낮은 거칠기는 연삭 휠이 자립 절삭을 하지 못해 연삭 압력으로 인한 형상 결함이나 연삭 열손상으로 이어질 수 있습니다.

연속 드레싱(CD 드레싱, 영문명 “Continuous Dressing”의 약어)을 이용한 연삭은 지속적으로 연삭 휠을 날카롭게 유지하기 때문에 가장 높은 제거율을 달성합니다. 그러나 높은 제거율은 연삭 휠의 높은 마모율이라는 대가를 요구합니다. 이 높은 연삭 휠 마모율을 설명하기 위해, 다이아몬드 롤러의 이송량을 회전당 0.5µm로 설정하고, 연삭 휠의 평균 회전 속도를 1,640RPM, 그리고 원주 속도(v_c)를 28m/s로 일정하게 유지한다고 가정해 보겠습니다.          

CD 모드에서 평균 회전 속도가 1,640RPM일 때, 분당 연삭 휠의 직경 마모량은 다음과 같이 계산됩니다. 1,640 x 0.0005 x 2 = 1분 내에 휠 직경 1.65mm 마모. 따라서 종단 직경이 275mm인 400mm 휠은 약 75분 내에 소모됩니다! 따라서 공정의 경제성을 개선하기 위해 드레싱 깊이를 가능한 한 작게 선택해야 합니다.

높은 연삭 휠 마모에 대응하기 위해 공작기계 제조업체들은 "공정 중 드레싱”(In-Process-Dressing, 약칭 IPD)을 개발했습니다. IPD는 CD 드레싱과 유사하며 공작기계에 동일한 요구사항을 제시합니다. CD 드레싱과 달리 IPD의 드레싱 롤러는 연삭 휠이 무뎌지거나 스핀들 부하가 설정된 기준 이상으로 증가할 때만 주기적으로 다이아몬드 롤러가 연삭됩니다. 장점은 휠 소모율이 낮아지고 칩과 연삭 휠 마모가 적다는 점입니다.

결론
다이아몬드 드레싱 롤러는 대량 생산 공정에서 높은 효율성과 일관된 정밀도를 제공하며, UNITED GRINDING 그룹의 모든 최신 크립 피드 연삭 및 원통 연삭 기계에서 사용할 수 있습니다.

당사에 연락 주시기 바랍니다. 언제든 도와드리겠습니다.