1. 서 론

산업용 부품들의 정밀도에 대한 요구가 점차 증가하면서 기존 연삭가공(Grinding) 만으로는 제품에서 요구되는 정밀도를 달성하기 어려워지고 있다. 특히 수십 나노미터 이하의 표면거칠기는 특수가공으로 분류되는 전해연마나 CMP 등과 같은 폴리싱 기술들이 사용되어야 달성이 가능한 실정이다.[1]
자기연마가공(Magnetic abrasive polishing)은 이러한 산업계의 요구 정밀도를 충족시키기 위한 가공방법들 중의 하나로, 비교적 간단한 장치의 구성으로 공작물 재질에 크게 구애 받지 않고 수십 나노미터급의 정밀도를 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 자기연마가공에서는 고경도의 연마입자를 전자석에 부착하여 공구로 사용하게 된다. 이때 주로 사용되는 연마입자로는 Al2O3, SiC와 같은 세라믹 입자와 CBN이나 다이아몬드 등이 있고, 적용되는 입자의 종류에 따라서 얻어지는 공작물의 정밀도와 표면품위는 달라지게 된다.
본 논문에서는 세라믹 입자들을 초정밀 자기연마가공의 연마입자로 사용했을 때, 연마입자들이 공구에 부착되는 특성과 우수한 공작물 표면을 얻기 위한 최적 가공조건의 선정방법을 설명한다. 또한 초음파 진동(Ultrasonic vibration)을 부가한 자기연마가공의 효과 및 습식 자기연마가공에 관해서 논하고자 한다.

2. 자기연마가공과 세라믹 입자

2.1 자기연마가공
자기연마가공은 기본적으로는 자기장의 영향을 받는 입자들을 전자석 공구에 구속시킨 후에, 공구의 회전운동을 통해서 공작물의 표면을 정밀하게 다듬질하는 가공기술이다. 결국 전기와 자기의 효과에 기계적 가공을 결합시켜 초정밀 표면을 얻을 수 있는 공정이다.
이러한 자기연마가공의 개념도를 그림. 1에 간략히 나타내었다. 금속막대에 코일을 감고 직류전원을 인가하면 금속막대는 전자석(Electromagnet)이 되고 이것이 자기연마 공구(Magnetic tool)이다. 이때 공구의 끝단에서는 공구의 길이방향으로는 자기력선(Magnetic force line)이 형성되고, 직각방향으로는 등자위선(Equipotential line)이 생성된다. 이들의 영향 하에 자성입자들이 공구에 부착되어 구속되고, 유연성을 갖는 브러쉬 형상이 된다.
그림. 2는 자기연마가공에서 작용하는 관련된 에너지를 도시한 것이다. 첫 번째는 자기력에 의해 연마입자 혼합물에 발생하는 자력에 의한 에너지이다. 두 번째는 연마입자 혼합물이 매개체의 점성에 의해 입자들 간에 서로 가해지는 인장 에너지이다. 마지막으로, 연마입자 혼합물사이에는 패러데이 법칙에 의해 자화되었기에 척력이 발생하게 되어 서로 밀어내어 발생하는 반발에너지이다.

2.2 세라믹 입자(Ceramic particle)
자기연마가공에서는 주로 수 내지 수십 마이크로미터 크기를 갖는 산화알루미나 또는 탄화규소 세라믹 알갱이가 연마입자로 사용되고 있다. 세라믹 입자들은 자성을 띄지 않기 때문에 자기연마가공에서 연마입자로 활용하기 위해서는 고 점성의 오일 속에 철계 자성입자와 세라믹 입자를 함께 혼합시킨 상태로 사용하거나, 고온의 플라즈마를 이용하여 철계 자성입자를 완전 용융하여 세라믹 입자와 결합시켜 새로운 연마입자를 형성하는 방법이 사용되고 있다. 오일 속에 철계 자성입자와 세라믹 입자를 혼합시켜 사용하는 경우에는 세라믹 입자뿐만 아니라 사용하는 오일의 종류와 점도, 철계 입자의 크기와 사용량 등이 매우 중요한 공정인자로 작용하게 된다. 그림. 3은 자기연마가공에서 연마입자에 작용하는 절삭력을 간략히 도식적으로 나타낸 것이다. 또한 표. 1에는 자기연마가공에서 일반적으로 사용되고 있는 세라믹 입자들의 기본 성질을 나타낸 것이다.

3. 세라믹 입자를 적용한 자기연마 연구 사례

3.1 세라믹 연마입자의 부착특성
자기연마가공에서는 연마입자들이 매개체들과 혼합되어 공구에 구속되는 형상특성에 따라 자기연마가공의 효율과 얻어지는 표면거칠기가 달라지게 된다. 따라서 공구에 대한 입자들의 분포특성과 자기연마가공 효과의 관계를 명확히 규명하는 연구가 필요하다.
그림. 4는 자기연마가공에서 100μm 크기의 철계 자성입자와 8μm크기의 탄화규소 세라믹 입자를 혼합하여 사용했을 때, 가공조건에 따른 입자들의 분포특성을 나타낸 것이다. 가공조건으로는 공구의 자속밀도(Magnetic flux density)가 60mT이고, 공구의 회전수는 각각 1000, 1200 및 1800rpm으로 변화시켰다. 동일한 자속밀도에서는 공구의 회전수가 증가할수록 구속되는 입자의 양이 감소함을 알 수 있다. 이는 자기연마가공에서 입자를 구속하는데 필요한 힘인 자기력은 일정한데 반해 회전속도의 증가와 함께 입자를 공구로부터 탈락시키려는 힘인 원심력이 급격히 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 공구에 구속되는 연마입자의 양이 감소하더라도, 그 분포형상은 자기력의 영향을 받아서 매우 유사한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 이러한 분포특성 때문에 공구에 구속되는 연마입자의 양이 다소 감소하더라도 자기연마가공에서는 어느 정도의 가공능력을 발휘할 수 있다고 하는 것을 알 수 있다.
그림. 5는 자기연마가공에서 공구의 회전속도와 자속밀도의 변화에 따른 연마입자의 구속량 변화를 나타낸 것이다. 예비실험을 통해서 입자의 구속량이 초기 부착량의 30% 미만으로 되면, 표면거칠기의 변화가 급격히 일어남을 확인하였기 때문에, 가공물에서 얻을 수 있는 표면거칠기와 한번 부착으로 작업이 가능한 지속시간을 고려해서, 도시한 것과 같이 적절한 작업조건 범위를 선정할 수 있다.
그림. 6은 공구의 회전속도 변화에 따른 공작물의 표면거칠기 향상정도(Improvement in surface roughness)를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 적절한 작업조건 범위에서는 표면거칠기의 향상이 있으나, 1600rpm 이상에서는 표면거칠기의 향상이 급속하게 둔화되는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 연마입자가 자기연마 공구에 구속되는 양과도 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.

* 자세한 내용은 세라믹 코리아 2월호에서 확인하실 수 있습니다.