현재 산업 분야에서 가장 많이 쓰이는 가공 공정 중의 하나로 가공 툴인 회전 커터를 회전시켜 대상물을 깎아내는 가공 공정이다. 초기에는 밀링 머신이었으나 컴퓨터 수치해석 기술의 발전으로 CNC (computer numerical control) 밀링 머신으로 발전하였다가 공구 자동 교체나 덥개 등의 기능이 추가된 머시닝 센터 (machining center)로 발전하였다.
장착 위치에 따라 : male (pipe inside) or female (pipe outside)
움직임 방향에 따라 : reciprocating (왕복) or rotating (회전)
압력 조건에 따라 : internal or external
재질 선택
-53~301 deg. C 작동 온도와 사용 유체의 적합성에 따라 선택한다. 대부분의 경우는 별 차이가 없어서 적당히 골라도 된다.
( -184 deg. C까지 사용 가능한 PolyTetraFluoroEthylene (PTFE)은 보통 오링으로 분류하지 않는다. KS나 JIS 에서는 용도별로 P,G,V, 재료별로 1A, 1B, 2, 3, 4C, 4D로 구분한다. )
백업링
백업링의 포함 여부에 따라 오링 그루브의 폭 설계가 달라진다.
그림 출처 : RHHUDSON 오링 핸드북
- 백업링의 목적
고압에서 오링의 이탈에 의한 손상 (=누설) 방지로 백업링 자체는 기밀 성능이 없다.
-포함 여부 선정 기준
그루브 설계 이전에 아래 표를 보고 삽입 여부를 결정한다 (백업링 포함여부에 따라 그루브 폭이 바뀐다!). 표에서 알 수 있듯이 간극이 클수록 압력이 높을수록 백업링이 필요하다. 예를 들어 경도 70 shore A 오링에 간극 0.07 mm, 사용압력 50 bar 면 백업링 사용이 불필요하다. 경도(70, 80, 90 shore A)는 같은 FKM재질이라도 세부적인 화학 구성에 따라 틀려지므로 제품 구입 시에 모델 번호를 정확히 아는 것이 좋다.
- 종류
크게 3가지 종류가 있다.
기본은 솔리드인 엔드리스,
끼우기가 어려우면 바이어스 컷,
온도차가 크면 여러번 감긴 스파이럴을 쓴다.
백업링은 주로 오링보다 단단한 PTFE 재질로 압력 입력의 반대측에 장착하게 되며 가죽제를 사용하기도 한다.
(아래 그림에서 Parbak은 파커사의 상품명이다.)
그림 출처 : 파커 오링 핸드북
오링 및 그루브(혹은 글랜드) 설계
많은 사이트에서 표로 매우 잘 정리되어 있다. 대부분 비슷한 포맷으로고르기만 하면 된다. 오링 사이즈는 다양한 규격이 있으나 AS 568 (미국의 항공우주 규격, mechengineering.tistory.com/596)이 가장 일반적으로 쓰인다. 이 규격에서 세자리 숫자로 내경과 두께를 정의한다 (세자리 숫자가 클수록 내경과 두께가 커진다).
아래 그림을 보면 정적 Radial 오링 그루브 설계를 보여준다. SAE AS5857은 미국 SAE 항공우주 표준이다.
씰이 피스톤의 장착되는 경우는 일단 C 값을 보자. 그걸 보고 고르면 된다. 보어 직경 A는 조립이 가능해야 하므로 당연히 피스톤 직경 보다는 크게 된다. C에서 F 를 뺀 값이 압축률을 결정하게 된다.
그림 출처 : 파커 오링 핸드북
위의 그루브를 설계한 이후에는 그루브 폭과 오링을 설정해야 하며 위의 AS568 dash no.를 기준으로 아래표에서 고르면 된다.
그림 출처 : 파커 오링 핸드북
오링과 닿는 면은 기밀 성능을 수행하는 기밀면이 되고 기밀면에서 조도는 매우 중요한 요소이다. 그루브 면의 위치, 정/동적, 기/액체 , 백업링 포함 여부에 따라 다르나 Ra 16, 32, 63 (mm 단위계로는 0.4, 0.8, 1.6) 셋 중 하나다. 동적, 기체, 백업링 미포함 할수록 조도가 높아야 한다.
표면 조도를 위와 같이 하려면 일반 기계 가공으로도 가능할 수 있으나 Ra 0.4는 매우 힘들다. 원칙적으로는 가공 후 조도 검사가 필요하다. 조도를 확실히하려면 기계 가공 이외의 표면 처리 (연삭, 전해연마 등) 가 필요하다.
그루브 설계 원리
이미 표로 잘 정리되어 상용품 카탈로그에서 고르기만 하면 되지만 일반적인 설계 원리는 다음과 같다. 세부 값은 제조사에 따라 바뀔 수 있다.
- Radial Seal
그루브에 오링이 잘 고정되기 위해서는 오링을 조금 늘여서 장착하는 것이 좋다. 따라서 오링 원주를 그루브 내경에 비해 1~5% 작게 설계하는데 2 % 정도를 추천한다. 수식으로 보면 아래와 같다.
오링 내부 직경 = 그루브 내부 직경 x 0.98
기밀을 위해 정적 오링의 경우는 최대 약 40%, 동적 오링의 경우는 약 30 %정도 단면의 압축이 발생되게 그루브 내경을 설정한다. 수식으로 보면 아래와 같다.
호닝은 연마재를 금속 대상물에 마찰시켜 정밀한 면을 만드는 연마 가공이다. 기하학적 형상 (진원도, 직진도, 홀의 사이즈 등)의 정확도와 표면 (조도) 을 개선 시킨다. 내연기관의 실린더의 마감, 공압용 베어링 스핀들이나 기어에 주로 적용한다. 유사한 가공법으로 래핑 (lapping)과 수퍼피니싱 (superfinishing) 이 있다.
가공면은 아래 그림에서 알 수 있듯이 다른 연마 가공들에 비해 매끄럽지 않은데 피스톤과 같이 왕복운동이 경우에 그물망 형태의 교차선틈새에 윤활제가 머무를 수 있어 윤활이 보다 효율적이다. 호닝 면의 조도는 숫돌 입자 외에도 시간, 연삭량, 숫돌 압력, 절삭 속도, 숫돌 결합도, 가공물 재질, 강도 등에 따라서도 달라진다.
호닝 가공된 금속 표면
공정
호닝은 크게 보어 호닝 (bore honing) 과 평 호닝 (flat honing) 이 있으며 튜브, 파이프나 구멍에 대한 작업은 보어 호닝이며 평면에 대한 호닝은 평 호닝이다.
보통 보어 호닝을 많이 하며 일반적으로 호닝이라고하면 보어 호닝을 지칭한다. 보어 호닝은 절삭 가공이 아닌 연마 가공이므로 드릴링, 보링 등으로 이미 홀을 어느 정도 유사한 크기로 조금 직경을 작게 미리 가공을 한 후에 호닝 작업을 해야 한다. 호닝은 연마제 헤드를 회전시키면서 위아래로 반복해서 움직여 연마를 시킨다. 호닝 헤드를 보면 숫돌이 달려 있으며 반경방향으로 스프링이나 유압을 이용하여 압력을 가하면서 연마를 하게 된다.
