표면 거칠기

표면 거칠기(surface roughness) 또는 간단히 거칠기는 표면이 매끄럽지 않은 특성으로, 표면 질감에 대한 인간의 (촉각) 지각과 관련이 있다. 수학적 관점에서 이는 표면의 공간적 변동성 구조와 관련이 있으며, 본질적으로 다중 스케일 속성이다. 고려되는 분야에 따라 다른 해석과 정의를 가진다.

표면 측정학에서 표면 거칠기는 표면 조도(표면 질감)의 한 구성 요소이다. 이는 실제 표면의 법선 벡터 방향에서 이상적인 형태로부터의 편차로 정량화된다. 이러한 편차가 크면 표면은 거칠고, 작으면 표면은 매끄럽다. 거칠기는 일반적으로 측정된 표면의 고주파수, 단파장 성분으로 가정된다. 그러나 실제로는 표면이 목적에 적합한지 확인하기 위해 진폭과 주파수 모두를 아는 것이 종종 필요하다.

 역할 및 효과 
거칠기는 실제 물체가 주변 환경과 어떻게 상호 작용할지 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 마찰학에서 거친 표면은 일반적으로 매끄러운 표면보다 더 빨리 마모되고 마찰력 계수가 높다. 거칠기는 표면의 불규칙성이 균열이나 부식의 핵 형성 부위를 형성할 수 있으므로 기계 부품의 성능을 예측하는 데 종종 좋은 지표가 된다. 반면에 거칠기는 접착을 촉진할 수 있다. 일반적으로 스케일 특정 서술자보다는 표면 프랙탈성과 같은 교차 스케일 서술자가 접촉 강성 및 정적 마찰을 포함한 표면에서의 기계적 상호 작용에 대한 더 의미 있는 예측을 제공한다.

높은 거칠기 값은 종종 바람직하지 않지만, 제조에서 이를 제어하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 예를 들어, 용융 적층 모델링(FDM)으로 제조된 부품의 표면 거칠기를 제어하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다. 표면의 거칠기를 줄이면 일반적으로 제조 비용이 증가한다. 이는 종종 부품의 제조 비용과 적용 성능 사이의 절충으로 이어진다.

거칠기는 "표면 거칠기 비교기"(알려진 표면 거칠기 샘플)와 수동 비교를 통해 측정할 수 있지만, 일반적으로 측정기로 표면 프로파일 측정이 이루어진다. 이는 접촉식(일반적으로 다이아몬드 스타일러스) 또는 광학식(예: 백색광 간섭계 또는 레이저 주사 공초점 현미경)일 수 있다.

그러나 제어된 거칠기는 종종 바람직할 수 있다. 예를 들어, 광택 표면은 눈에 너무 빛나고 손가락에 너무 미끄러울 수 있으므로(터치패드가 좋은 예) 제어된 거칠기가 필요하다. 이는 진폭과 주파수 모두가 매우 중요한 경우이다.

표면 구조는 접촉 역학을 지배하는 데 핵심적인 역할을 한다. 즉, 두 고체 물체가 서로 접근하고 비접촉 상태에서 완전 접촉 상태로 전환될 때 계면에서 나타나는 기계적 거동을 말한다. 특히, 법선 접촉 강성은 주로 요철 구조(거칠기, 표면 기울기 및 프랙탈성)와 재료 특성에 의해 지배된다.

공학 표면의 관점에서 거칠기는 부품 성능에 해로운 것으로 간주된다. 결과적으로 대부분의 제조업체 인쇄물은 거칠기에 대한 상한을 설정하지만 하한은 설정하지 않는다. 유압유가 표면 프로파일에 유지되고 최소 거칠기가 필요한 실린더 보어의 경우는 예외이다.

표면 구조는 종종 표면의 마찰 및 마모 특성과 밀접하게 관련된다. 프랙탈 차원이 높거나  값이 크거나 가 양수인 표면은 일반적으로 마찰이 다소 높고 빠르게 마모된다. 거칠기 프로파일의 피크가 항상 접촉점인 것은 아니다. 형태와 요철(즉, 진폭과 주파수 모두)도 고려해야 한다.

 매개변수 

거칠기 값은 프로파일(선) 또는 표면(면적)에서 계산할 수 있다. 프로파일 거칠기 매개변수(, , ...)가 더 일반적이다. 면적 거칠기 매개변수(, , ...)는 더 중요한 값을 제공한다.

 프로파일 거칠기 매개변수 
프로파일 거칠기 매개변수는 ISO 4287:1997 표준과 동일한 BS EN ISO 4287:2000 영국 표준에 포함되어 있다.BS EN ISO 4287:2000, Geometrical product specification (GPS). Surface texture. Profile method. Terms, definitions and surface texture parameters 이 표준은 "M"(평균선) 시스템을 기반으로 한다.
사용되는 거칠기 매개변수는 여러 가지가 있지만 는 초기 거칠기 측정기만이 를 측정할 수 있었기 때문에 특정 장점 때문이 아니라 역사적인 이유로 인해 가장 일반적이다. 다른 일반적인 매개변수로는 , , 가 있다. 일부 매개변수는 특정 산업 또는 특정 국가에서만 사용된다. 예를 들어,  매개변수군은 주로 실린더 보어 라이닝에 사용되며, 모티프(Motif) 매개변수는 주로 프랑스 자동차 산업에서 사용된다.Dietzsch M., Papenfluss K., Hartmann, T. The MOTIF method (ISO 12085: 1996)- A suitable description for functional, manufactural and metrological requirements, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998, 38, No 5-6, pp. 625–632 모티프 방법은 요철을 거칠기에서 필터링하지 않고 표면 프로파일의 그래픽 평가를 제공한다. 모티프는 두 개의 피크 사이의 프로파일 부분으로 구성되며, 이러한 모티프의 최종 조합은 "무의미한" 피크를 제거하고 "의미 있는" 피크를 유지한다. 는 마이크로미터 또는 마이크로인치가 될 수 있는 차원 단위이다.

이러한 매개변수는 프로파일의 모든 정보를 단일 숫자로 줄이므로, 이를 적용하고 해석할 때 매우 주의해야 한다. 원시 프로파일 데이터가 필터링되는 방식, 평균선이 계산되는 방식, 측정 물리가 약간만 변경되어도 계산된 매개변수에 큰 영향을 미칠 수 있다. 최신 디지털 장비로는 스캔을 평가하여 값이 왜곡될 수 있는 명백한 결함이 없는지 확인할 수 있다.

많은 사용자에게 각 측정값이 실제로 무엇을 의미하는지 명확하지 않을 수 있으므로, 시뮬레이션 도구를 통해 사용자는 주요 매개변수를 조정하여 사람의 눈에는 분명히 다른 표면이 측정값에 의해 어떻게 구별되는지 시각화할 수 있다. 예를 들어, 는 하나는 그렇지 않은 매끄러운 표면에 피크로 구성되고 다른 하나는 동일한 진폭의 트로프(골)로 구성된 두 표면을 구별하지 못한다. 이러한 도구는 앱 형식으로 찾을 수 있다.

관례적으로 모든 2D 거칠기 매개변수는 대문자  뒤에 아래첨자 문자가 붙는다. 아래첨자는 사용된 공식을 식별하며, 은 공식이 2D 거칠기 프로파일에 적용되었음을 의미한다. 다른 대문자는 공식이 다른 프로파일에 적용되었음을 의미한다. 예를 들어, 는 거칠기 프로파일의 산술 평균이고, 는 필터링되지 않은 원시 프로파일의 산술 평균이며, 는 3D 거칠기의 산술 평균이다.

표에 나열된 각 공식은 거칠기 프로파일이 원시 프로파일 데이터에서 필터링되고 평균선이 계산되었다고 가정한다. 거칠기 프로파일은 추적을 따라 개의 순서가 있고 동일한 간격으로 배치된 점을 포함하며, 는 평균선에서  데이터 지점까지의 수직 거리이다. 높이는 벌크 재료에서 멀어지는 위쪽 방향으로 양수로 가정한다.

 진폭 매개변수 
진폭 매개변수는 평균선에서 거칠기 프로파일의 수직 편차를 기반으로 표면을 특징화한다. 이들 중 다수는 모집단 표본을 특징화하기 위한 통계의 매개변수와 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 는 평가 길이 내에서 중심선으로부터의 편차를 기준으로 결정된 필터링된 거칠기 프로파일의 산술 평균 값이고, 는 수집된 거칠기 데이터 포인트의 범위이다.

산술 평균 거칠기 는 가장 널리 사용되는 1차원 거칠기 매개변수이다.

 매개변수  설명  공식 Ra, Raa, Ryni 평균선으로부터의 프로파일 높이 편차의 평균 또는 산술 평균. Rq, Rms 평균선으로부터의 프로파일 높이 편차의 제곱평균제곱근 평균. Rvi; Rv 단일 샘플링 길이 내에서 평균선 아래의 최대 골 깊이. 평가 길이 전체의 평균 Rv 값;  Rpi; Rp 단일 샘플링 길이 내에서 평균선 위의 최대 피크 높이. 평가 길이 전체의 평균 Rp 값;  Rzi; Rz 단일 샘플링 길이 내에서 프로파일의 최대 피크-골 높이. 평가 길이 전체의 평균 Rz 값;  Rsk 비대칭도, 또는 평균선에 대한 프로파일의 비대칭도 측정. Rku 첨도, 또는 평균선에 대한 프로파일의 뾰족함(또는 꼬리 길이) 측정. RzDIN, Rtm 각 샘플링 길이에서 가장 높은 피크와 가장 낮은 골 사이의 평균 거리, ASME Y14.36M - 1996 표면 질감 기호 , 여기서 는 샘플링 길이의 수이고, 는  샘플링 길이에 대한 이다. RzJIS 전체 샘플링 길이에 걸쳐 가장 높은 5개 피크와 가장 낮은 5개 골을 기반으로 한 에 대한 일본 산업 표준. , 여기서 와 는 각각  가장 높은 피크와 가장 낮은 골이다.

다음은 거칠기 등급 번호가 있는 일반적인 변환 표이다.
             거칠기, N 거칠기 값, Ra RMS (μin.)             중심선 , CLA 거칠기, Rt ISO 등급 번호 마이크로미터 (μm) 마이크로인치 (μin.) (μin.) (μm)N1250200022002000200N1125100011001000100N1012.550055050050N96.325027525025N83.2125137.512513N71.66369.3638N60.83235.2324N50.41617.6162N40.288.881.2N30.144.440.8N20.0522.220.5N10.02511.110.3

 기울기, 간격 및 계산 매개변수 
기울기 매개변수는 거칠기 프로파일의 기울기 특성을 설명한다. 간격 및 계산 매개변수는 프로파일이 특정 임계값을 얼마나 자주 교차하는지 설명한다. 이러한 매개변수는 선반에서 선삭 작업으로 생성되는 것과 같은 반복적인 거칠기 프로파일을 설명하는 데 자주 사용된다.
매개변수  설명  공식샘플링 길이 내 프로파일 기울기의 RMS샘플링 길이 내 프로파일 기울기의 평균 절대값여기서 델타 i는 ASME B46.1에 따라 계산되며 5차 사비츠키-골레이 평활 필터이다.

다른 "주파수" 매개변수는 Sm, a 및 q이다. Sm은 피크 사이의 평균 간격이다. 실제 산과 마찬가지로 "피크"를 정의하는 것이 중요하다. Sm의 경우 표면은 새로운 피크로 다시 상승하기 전에 평균 표면 아래로 내려갔어야 한다. 평균 파장 a와 제곱평균제곱근 파장 q는 a에서 파생된다. 진폭과 주파수 모두에 의존하는 표면을 이해하려고 할 때 어떤 쌍의 측정값이 균형을 최적으로 설명하는지 명확하지 않으므로, 가장 강한 상관 관계를 찾기 위해 쌍의 측정값(예: Rz 및 a 또는 Ra 및 Sm)에 대한 통계 분석을 수행할 수 있다.

 베어링 비율 곡선 매개변수 
이 매개변수는 베어링 비율 곡선(애벗-파이어스톤 곡선이라고도 함)을 기반으로 한다. 여기에는 Rk 매개변수군이 포함된다.

섬네일|음수 및 양수 비대칭도를 갖는 표면을 나타내는 스케치. 거칠기 트레이스는 왼쪽에, 진폭 분포 곡선은 중앙에, 베어링 면적 곡선(애벗-파이어스톤 곡선)은 오른쪽에 있다.

 프랙탈 이론 
수학자 브누아 망델브로는 표면 거칠기와 프랙탈 차원 사이의 연관성을 지적했다. 미세 거칠기 수준에서 프랙탈이 제공하는 설명은 재료 특성 및 발생하는 칩 형성 유형을 제어할 수 있게 할 수 있다. 그러나 프랙탈은 공구 이송 자국에 의해 영향을 받는 일반적인 가공 표면의 전체 규모 표현을 제공할 수 없다. 이는 절삭날의 기하학적 구조를 무시한다. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit.). 표면의 프랙탈 서술자는 물리적 표면 특성과 표면 구조를 상관시키는 데 중요한 역할을 한다. 여러 분야에서 물리적, 전기적, 기계적 거동을 거칠기 또는 기울기의 기존 표면 서술자와 연결하는 것은 어려웠다. 표면 프랙탈성 측정값과 거칠기 또는 표면 형상 측정값을 함께 사용함으로써 접촉 역학, 마찰 및 전기 접촉 저항을 포함한 특정 계면 현상을 표면 구조와 관련하여 더 잘 해석할 수 있다.Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces Journal of Engineering Mechanics 143

 면적 거칠기 매개변수 

면적 거칠기 매개변수는 ISO 25178 시리즈에 정의되어 있다. 결과 값은 Sa, Sq, Sz 등이다. 많은 광학 측정 장비는 면적에 대한 표면 거칠기를 측정할 수 있다. 접촉 측정 시스템으로도 면적 측정이 가능하다. 목표 영역에 대해 여러 개의 조밀하게 간격을 둔 2D 스캔이 수행된다. 그런 다음 관련 소프트웨어를 사용하여 디지털 방식으로 함께 이어붙여 3D 이미지와 해당 면적 거칠기 매개변수를 생성한다.

 같이 보기 
 불연속성 (지반 공학)
 주름도
 법선 접촉 강성
 표면 조도
 표면 측정학
 표면 거칠기 측정 ISO 25178
 요철
 요철 (재료 과학)
 토양 표면 거칠기

 각주 

 외부 링크 

 표면 측정학 가이드
 거칠기 용어 
 Ra 및 Rz 설명
 표면 거칠기(조도) 검토 및 방정식
 SPE (Surface Profile Explorer)
 거칠기 매개변수 Ra 및 Rz를 변환하는 온라인 계산기
 Enache, Ştefănuţă, La qualité des surfaces usinées (Transl.: Quality of machined surfaces).Dunod, Paris, 1972, 343 pp.
 Husu, A.P., Vitenberg, Iu., R., Palmov, V. A., Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (Transl.: Surface roughness (theoretical-probabilistic approach)), Izdatelstvo "Nauka", Moskva, 1975, 342 pp.
 Davim, J. Paulo, Surface Integrity in Machining, Springer-Verlag London Limited 2010, 
 Whitehouse, D. Handbook of Surface Metrology, Institute of Physics Publishing for Rank Taylor-Hobson Co., Bristol 1996

분류:기계공학
분류:마찰학