Ra Rz Rmr 표면 거칠기 규격과 측정 완전 해설

CNC 가공에서 표면 거칠기 불량은 가공 문제보다 규격 지정이나 측정 설정 문제인 경우가 더 많습니다. 조도계에서 Ra 0.8 um를 달성한 작업자도 컷오프 길이, 평가 길이, 측정 방향이 잘못되면 검사에서 탈락할 수 있습니다. 본 가이드는 첫 시도에 부품이 검사를 통과할 수 있도록 Ra, Rz, Rmr을 정확하게 규정·측정·검증하는 방법을 다룹니다.

표면 거칠기 트러블슈팅 빠른 참조표

Ra, Rz, Rmr: 각 파라미터가 실제로 측정하는 것

Ra는 전체를 평균하는 반면 Rz는 최악의 단일 결함을 포착하므로, 동일한 Ra 0.8 um를 갖는 두 면이라도 실제로 어느 파라미터를 관리했느냐에 따라 누유하거나 밀봉될 수 있습니다.

**Ra(산술평균 거칠기)**는 평가 길이에 걸쳐 프로파일 중심선에서의 절대 편차 평균입니다. 측정이 용이하고 모든 장비에서 보편적으로 지원되기 때문에 가장 흔히 규정되는 파라미터입니다. 그러나 Ra는 모든 것을 평균화하므로, 깊은 고립 스크래치가 있는 면과 균일한 얕은 피크로 이루어진 면이 동일한 Ra 값을 보이면서 하중이나 시일 환경에서는 매우 다르게 거동할 수 있습니다.

**Rz(프로파일 최대 높이)**는 ISO 4287에서 Rp + Rv로 정의되며, 단일 샘플링 길이 내 최대 피크 높이와 최대 밸리 깊이의 합입니다. Rz는 Ra가 은폐하는 고립 결함에 민감합니다. 시일 면에서는 평균 거칠기가 공차 내에 있어도 단일의 깊은 밸리가 누출 경로를 형성할 수 있으므로 Rz가 Ra보다 기능적으로 중요합니다. 참고로 DIN 4768을 따르는 구 도면은 Rz를 평가 길이에 걸친 다섯 개 피크-밸리 높이의 평균으로 정의하여, 동일 면에 대해 ISO 4287 Rz보다 낮은 값을 산출합니다.

**Rmr(재료 비율 / Abbott-Firestone 곡선)**은 주어진 깊이 위에 면의 몇 퍼센트가 위치하는지를 나타냅니다. Rz의 10% 절삭 깊이에서 재료 비율은 초기 길들임 후 하중을 지지할 면적 비율을 알려줍니다. 10% 깊이에서 Rmr(c) = 80%인 베어링 면은 Ra가 동일하더라도 Rmr(c) = 40%인 면보다 훨씬 넓은 하중 지지 면적을 가집니다.

공학 도면 표면 거칠기 규격(ISO 1302)

ISO 1302는 기술 도면의 표면 조직 표시 규격이며, 불완전한 지시는 검사 단계에서 발생하는 공급사-고객사 분쟁 대부분의 상류 원인입니다. ISO 1302는 표면 조직 표기 표준 기호를 정의합니다. 잘못되거나 불완전한 지시는 가공과 검사 부서 간의 분쟁을 야기합니다.

기본 기호는 각 파라미터를 위한 확장을 가진 체크마크 형태입니다. 전체 표기에는 다음이 포함됩니다:

1. 상한값 -- 허용 최대 거칠기(예: Ra 1.6 um)
2. 하한값 -- 규정 시의 최소 거칠기(예: 베어링 길들임용 Ra 0.4 um 최소)
3. 가공 공정 -- 특정 공정이 요구되는 경우 기호 위에 배치(예: "연삭", "선삭", "래핑")
4. 레이 방향 -- 주 패턴 방향을 나타내는 기호: = 투영면과 평행, 수직, X 교차, M 다방향, C 원형, R 방사형
5. 가공 여유 -- 제거될 소재량, 단위 mm
6. 평가 길이 및 컷오프 -- ISO 4288 기본값이 부적절할 때 규정

일반적인 규격 지정 실수:

• 평가 길이를 규정하지 않고 Ra만 지시 -- ISO 4288 기본값이 검사자의 전제와 일치하지 않을 수 있음
• 스크래치 패턴이 시일과의 상대 위치에 따라 누출 경로를 좌우하는 시일 면에서 레이 방향을 누락
• 상·하한이 기능적으로 모두 필요한 경우에 상한만 단독 규정(과도 연마된 베어링 면은 길들임 단계를 건너뜀)
• 대응 Ra 값 없이 N 등급 표기(N6, N7) 사용 -- 구·현행 규격판 사이에서 모호함

하한 없는 Ra 단독 지시는 활주 접촉면과 베어링 면의 가장 흔한 도면 오류입니다 — 오일을 보유하지 못하는 미러 폴리시 마감을 허용하여, 러닝인에 필요한 마이크로 돌기가 제거된 상태에서 초기 하중 하에 실패를 유발합니다.

조도계 셋업: 컷오프, 평가 길이, 필터

잘못된 ISO 4288 컷오프 길이는 면 자체가 동일해도 Ra 측정값을 20-50% 시프트시키며, 이는 공급사-고객사 측정 분쟁의 단일 최대 원인입니다. 부정확한 조도계 셋업은 공급사와 고객사 간 측정 분쟁의 가장 흔한 원인입니다. ISO 4288은 예상 Ra 범위를 기준으로 컷오프 길이를 정의하며, 이를 잘못 선택하면 측정값이 20-50% 시프트합니다.

ISO 4288 기준 컷오프 길이 선택:

평가 길이는 컷오프 길이의 5x입니다. 이는 통계적 신뢰성을 위해 다섯 개의 샘플링 길이를 제공합니다. 다섯 개 미만의 컷오프로 측정하면 신뢰도가 낮아지며 ISO 4287에 부적합합니다.

필터 선택(ISO 16610): ISO 16610은 표면 프로파일 필터링을 위한 현행 규격군이며, Gaussian 필터가 동일 면에서 2RC보다 5-15% 낮은 값을 산출하여 숨은 바이어스를 제거하기 때문에 구형 2RC 필터링보다 선호됩니다. Gaussian 필터가 현행 ISO 규격이며, 도면에서 달리 규정하지 않는 한 사용되어야 합니다. 구형 장비는 2RC 필터를 기본값으로 사용할 수 있으며, 이는 동일 면에서 Gaussian 필터보다 5-15% 높은 값을 산출합니다. 공급사와 고객사가 서로 다른 필터 유형을 사용하면 셋업이 동일해도 측정값이 일치하지 않습니다. 활성 필터를 확인하고 검사 보고서에 문서화하십시오 — 이 한 가지 설정이 합격 면에 대한 실험실 간 체계적 불일치의 상당 부분을 설명합니다. 조도계 하드웨어 자체(스타일러스 팁 반경, 이송 속도, 수직 분해능)는 ISO 3274의 관할이며, 이는 ISO 4287 측정이 기반하는 접촉 스타일러스 장비 규격입니다.

허위 탈락을 유발하는 흔한 측정 오류

레이 방향에 수직으로 측정하는 것은 ISO 4288이 의무화한 사항으로, 레이 평행 방향 측정은 Ra를 2-5× 과소 보고하여 공급사에서는 통과하고 고객사에서는 탈락하는 부품을 만듭니다. 컷오프 선택 외에도, 실제 표면 요구조건을 충족함에도 부품을 검사에서 탈락시키는 여러 실무 오류가 있습니다.

1. 레이 방향을 가로지르는 측정. 가공 자국에 수직으로 측정한 Ra는 레이 방향과 평행하게 측정한 Ra보다 2-5x 높게 나타납니다. ISO 4288은 레이에 수직인 측정을 기본으로 규정하지만, 많은 작업자가 확인 없이 편한 방향으로 측정합니다.

2. 마모되거나 오염된 스타일러스 팁. 표준 다이아몬드 스타일러스는 2 um 또는 5 um 팁 반경을 갖습니다. 파손·오염된 팁은 미세 면 특징을 추종하지 못하여 인위적으로 낮은 값을 산출합니다. 기준 시편을 사용하여 매월 팁 상태를 검증하십시오.

3. 측정 중 열팽창. 부품을 차가운 창고에서 따뜻한 검사실로 옮기면 열팽창으로 이송 중 면 프로파일이 변합니다. +/-0.001mm 정확도로 측정하려면 30-60분의 열적 안정화를 허용하십시오.

4. 불충분한 이송 길이. 컷오프 길이 다섯 개 미만으로 측정하는 것은 ISO 4287 위반이며 측정 신뢰도를 저하시킵니다. 전체 평가 길이가 들어가지 않는 소형 피처에서는 컷오프 길이를 한 단계 낮추고 편차를 문서화하십시오.

5. 면 오염. 쿨런트 잔여물, 칩, 지문은 거칠기 프로파일에 허위 피크를 추가합니다. 매 측정 전에 이소프로필 알코올과 린트프리 와이프로 면을 세척하십시오.

공급사와 고객사 측정값이 15% 이상 불일치하는 경우, 대부분 컷오프 길이 불일치나 필터 유형 차이가 원인이며 — 나머지는 레이 방향 오류와 스타일러스 상태가 설명합니다. 가공 공정이 부적합하다고 결론짓기 전에 이 네 가지 설정을 검증하십시오.

가공 공정별 표면 거칠기

각 공정은 특성 Ra 대역을 갖습니다 — 정삭 선삭은 일반적으로 Ra 1.6 um, 호닝은 Ra 0.2 um에 도달 — 따라서 밀링 공정에 Ra 0.4 um를 요구하면 하류에 연삭 또는 호닝 공정이 강제됩니다. 서로 다른 공정은 특성 거칠기 범위를 산출합니다. 아래 표는 측정값이 사용된 공정에 대해 현실적인지 확인하고, 목표 규격에 맞는 공정을 선택하는 데 도움이 됩니다. 특정 Ra 목표 달성을 위한 절삭 파라미터 최적화 지침은 CNC 가공 최적화 가이드를 참조하십시오.

호닝과 래핑은 양산에서 Ra 0.1 um 미만에 도달할 수 있는 유일한 일반 공정입니다 — 연삭은 추가 슈퍼피니싱 없이는 통상 Ra 0.1-0.2 um 근방에서 한계에 이르며, 밀링은 예리한 공구와 높은 이송에서도 Ra 0.4 um 미만을 신뢰성 있게 달성하지 못합니다.

정면 밀링 측에서 와이퍼 인서트로 일반적인 Ra 0.4-0.8 um를 달성하는 방법에 관한 지침은 정면 밀링 커터와 셸 밀 비교를 참조하십시오.

Ra로는 부족할 때: 기능적 표면 규격

시일 면은 Rz가, 베어링 면은 Rmr이, 광학 면은 웨이브니스 관리가 필요합니다 — Ra 단독으로는 이 어떤 기능도 신뢰성 있게 수행할 수 없습니다. 중요 용도에서 Ra만 규정하는 것은 너무 많은 여지를 남깁니다. 기능적 표면 규격은 파라미터를 면의 역할에 매칭합니다.

시일 면에는 Rz 관리가 필요합니다. Ra 0.4 um로 규정된 유압 밸브 시트라도 고립된 깊은 스크래치로 Rz가 4.0 um에 이르면 누유할 수 있습니다. Rz 최대 2.5 um를 추가하면 단일 밸리가 누출 경로를 형성하지 못하도록 보장됩니다. 잘 관리된 공정의 Rz/Ra 비는 통상 4-7x이며, 8x 이상이면 공정 불안정성을 나타냅니다.

베어링 면에는 Rmr 규격이 필요합니다. Abbott-Firestone 곡선은 프로파일의 플래토, 코어, 밸리 영역을 정의합니다. 절삭 깊이 10%에서 Rmr(c) = 70-90%를 규정하면 러닝인 후 충분한 하중 지지 면적이 확보됩니다. 실린더 보어의 플래토 호닝이 대표 용도입니다 -- 크로스해치 밸리는 오일을 보유하고 평탄화된 피크는 피스톤 링 하중을 받습니다.

광학 및 장식 면에는 거칠기 외에 웨이브니스(W) 관리가 필요합니다. 웨이브니스는 거칠기 필터가 제거하는 장파장 기복을 포착합니다. 어떤 면은 Ra 0.05 um를 통과하면서도 반사 용도에서 왜곡을 유발하는 가시 웨이브니스를 나타낼 수 있습니다.

출처

• ISO 4287: Geometrical Product Specifications -- Surface Texture: Profile Method
• ISO 4288: Rules and Procedures for the Assessment of Surface Texture
• ISO 1302: Indication of Surface Texture in Technical Product Documentation
• Mitutoyo: Surface Roughness Measurement Guide
• Machinery's Handbook, 32nd Edition