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정반

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목차

1. 개요

정반은 기계 정밀 기구의 평탄한 표면으로, 주로 금속이나 화강암으로 제작되며, 부품의 측정 및 검사에 사용된다. 정반은 "게이지 자동 생성" 원리를 통해 정밀도를 얻으며, 헨리 모즐리와 조지프 휘트워스에 의해 스크레이핑 기술이 개발되었다. 제2차 세계 대전 이후 화강암이 금속을 대체하면서 주재료로 자리 잡았으며, 주철, 유리 등 다양한 재료로도 제작된다. 정반은 정확도에 따라 여러 등급으로 나뉘며, 정기적인 교정을 통해 정확도를 유지해야 한다. 직각자, 스트레이트 에지, 높이 게이지 등 다양한 부속품과 함께 사용된다.

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정반
개요
화강암 정반
화강암 정반
설명정반은 고정밀 표면을 제공하는 데 사용되는 평평한 표면이다. 검사, 공구 제작, 마킹과 같은 정밀 작업의 기준면으로 사용된다. 정반은 일반적으로 주철, 화강암, 세라믹과 같은 재료로 만들어진다.
종류 및 재료
주철 정반주철 정반은 전통적으로 사용되어 왔다.
화강암 정반화강암 정반은 주철보다 내마모성이 우수하고 온도 변화에 덜 민감하여 더 높은 정밀도를 제공한다.
유리 또는 세라믹 정반유리 또는 세라믹 정반도 사용된다.
정밀도
평탄도 공차평탄도 공차는 정반의 등급에 따라 다르다.
AA 등급AA 등급 화강암 정반의 경우 평탄도 공차는 이다.
기타
관련 표준ISO 8512-2:1990

2. 역사

정반은 다른 기계 정밀 기구와 달리, 더 정밀한 표준에서 정밀도를 얻는 것이 아니라, "게이지 자동 생성" 원리를 통해 정밀도를 확보한다. 이 과정은 대략 평평한 세 개의 표면을 서로 짝을 지어 색소를 바르고 손으로 문지른 다음, 튀어나온 부분을 핸드 스크레이핑하여 점진적으로 정밀한 평탄도로 다듬는 방식으로 이루어진다. 평탄도 오류는 이러한 스크레이핑을 통해 제거되는데, 이는 유일하게 안정적이고 서로 공액적인 표면 형상이 평면이기 때문이다.

정반의 역사는 19세기 초 헨리 모즐리와 조지프 휘트워스에 의해 확립되었다.

2. 1. 헨리 모즐리와 조지프 휘트워스

헨리 모즐리는 1800년경 고정밀 정반의 중요성을 처음으로 인식했다. 그는 주철판을 평탄하게 스크레이핑하고, 결함을 강조하기 위해 두 판 사이에 마킹 블루를 문지르며, 오목과 볼록 쌍을 피하기 위해 세 개의 세트로 판을 작업하는 시스템을 고안했다.[3]

조지프 휘트워스는 1803년에 태어나 1825년부터 모즐리의 견습생으로 일했지만, 1833년에 자신의 사업을 시작했다. 그는 1840년 영국 협회에 제출한 논문 ''"금속 표면에 진정한 평면 또는 표면을 생성하는 방법"''에서 이 과정을 설명했다. 그는 1856년 글래스고에서 열린 영국 기계 기술자 협회 창립 회의에서 의장 연설을 하면서 이 내용을 다시 언급했다.[3][4] 그의 1840년 논문과 과거 모즐리를 위해 했던 작업 때문에 일부 저자들은 휘트워스가 모즐리가 아닌 정반 스크레이핑 기술의 창시자라고 주장하기도 한다.

2. 2. 제2차 세계 대전과 화강암 정반

제2차 세계 대전 이전에는 금속이 정반의 표준 재료였지만, 전쟁으로 인해 금속 공급에 어려움이 생겼다. 오하이오 주 데이턴의 기념물 및 금속 공장 소유주 월리스 허먼은 직원 도널드 V. 포터와 함께 금속 대신 화강암을 사용하기 시작했다. 오늘날 대부분의 정반은 흑색 다이아베이스(흑색 화강암)로 만들어지며, 내마모성이 더 뛰어난 정반은 석영을 함유한 화강암으로 제작된다.[5] 석영 함유 화강암은 흑색 화강암보다 두껍게 만들어지는데, 이는 흑색 화강암만큼 강성이 높지 않기 때문이다.

화강암 정반은 손상되어도 칩이 발생할 뿐, 전체 평면의 정확도에는 큰 영향을 미치지 않는다. 반면, 주철 정반은 손상 시 주변 재료가 튀어나와 검사 대상 물체가 작업 평면에 평행하게 놓이지 않게 된다. 화강암은 또한 안정적이고, 비자성이며, 진동 감쇠 특성이 우수하고 녹슬지 않는 장점이 있다.

1961년 8월 3일, 미국 연방 규격 GGG-P-463B가 발행되어 정밀 위치 지정, 레이아웃 및 검사 작업에 사용되는 미국 관습 단위의 화성암(화강암) 정반에 대한 요구 사항을 제공했다. 1973년 9월 12일에는 GGG-P-463C로 개정되어 표면 평판 제조 및 상거래를 위한 일반적인 언어 및 분류 용어를 제공했다. 2013년 6월, 미국 기계 기술자 협회(ASME)는 Fed Spec GGG-P-463C를 대체하는 미국 국가 표준 ASME B89.3.7 – 2013 화강암 표면 평판을 발행했다.[5] ISO 표준은 화강암 표면 평판에 대해 ISO8512-2를 정의하고 있으며, 현재 사용되는 것은 1990년에 제정된 것이다.[6]

3. 정반의 재료

주철 표면 플레이트. 손잡이는 플레이트를 들어 올리고 래핑 작업에 사용하도록 돕는다.


제2차 세계 대전 이전에는 거의 모든 정반(표면 플레이트)이 리브(rib)가 있는 주철로 만들어졌다. 리브는 견고한 구조의 무게를 늘리지 않고 강성을 높이는 데 사용되었다. 주철은 시간이 지남에 따라 정반이 뒤틀리거나 휘어질 가능성을 줄이기 위해 금속의 잔류 응력을 감소시키는 석출 경화 과정을 거쳤다.[7]

주철 정반은 현재 화강암 정반을 래핑하는 도구로 생산 현장에서 자주 사용된다. 금속은 넓고 평평한 표면에 래핑 매체를 침투시킬 수 있기 때문이다.

기계 공장에서는 주철 정반의 인기가 감소했지만, 실험실 계측학자, 기계 제작자, 게이지 제작자 등 평탄도 측정을 필요로 하는 고정밀 산업 분야에서는 마스터 표면(정반과 다른 용도) 재료로 여전히 가장 선호된다. 제대로 주조된 주철은 화강암이나 세라믹보다 시간이 지나도 치수 및 기하학적으로 더 안정적이며, 더 높은 등급의 평탄도로 가공하기 쉽고, 다른 마스터 표준을 생성하는 데 도움이 되는 더 나은 베어링 표면을 제공하기 때문이다.[7] 이러한 특수 정반은 세 세트로 생산되어 Whitworth 3 플레이트 방식을 통해 정기적으로 확인하고 개선할 수 있다. 주철은 높은 안정성에도 불구하고 열팽창 때문에 고정밀 생산 응용 분야에서 일반적인 정반으로는 적합하지 않다. 그러나 마스터 표면의 특성상 재료 선택과 관계없이 온도 제어를 위한 고가의 조치가 필요하며, 이 경우 주철이 더 선호된다.

주철은 화강암과 달리 매우 균일한 광학적 특성을 가지며, 유리나 세라믹과 달리 빛 투과 깊이가 매우 작아 특정 광학 응용 분야에 유리하다.[8]

유리는 대체 재료이며, 재료와 제조 능력이 부족했던 제2차 세계 대전 중에 사용되었다. 유리는 적절하게 연마될 수 있으며, 회주철 사용 시 발생하는 버 대신 칩이 생기는 이점이 있다.

3. 1. 화강암

제2차 세계 대전 이전에는 금속이 표면 평판의 표준 재료였지만, 전쟁으로 인해 금속 공급에 부담이 가해졌다. 오하이오 주 데이턴의 기념물 및 금속 공장 소유주 월리스 허먼은 직원 도널드 V. 포터와 함께 금속 대신 화강암을 사용하기 시작했다.[5] 오늘날 대부분의 표면 평판은 흑색 다이아베이스로 더 정확하게 불리는 흑색 화강암으로 제작되며, 내마모성이 더 뛰어난 것은 석영을 함유한 화강암으로 만들어진다. 석영 함유 화강암(보통 분홍색, 흰색 또는 회색)은 흑색 화강암보다 두껍게 만들어져 동일한 내하중 능력을 제공한다.

화강암 표면 평판이 손상되어도 칩이 발생할 뿐 전체 평면 정확도에는 영향을 미치지 않는다. 화강암은 본질적으로 안정적이고 비자성이며, 우수한 진동 감쇠 특성을 가지고 녹슬지 않는다.[5]

1961년 8월 3일, 연방 규격 GGG-P-463B가 발행되어 화성암(화강암) 표면 평판에 대한 요구 사항을 제공했다. 1973년 9월 12일에는 GGG-P-463C로 재발행되었고, 1977년 6월 15일에는 미터법 요구 사항을 포함하는 수정안이 발행되었다. 2013년 6월, 미국 기계 기술자 협회(ASME)는 Fed Spec GGG-P-463C를 대체하는 미국 국가 표준(ANS) ASME B89.3.7 – 2013을 발표했다.[5] ISO 표준은 화강암 표면 평판에 대해 ISO8512-2를 정의하고 있지만, 현재 사용되는 것은 1990년에 제정된 것이다.[6]

3. 2. 주철



제2차 세계 대전 이전에는 거의 모든 표면 플레이트가 리브가 있는 주철로 만들어졌다. 리브는 견고한 구조의 무게를 늘리지 않고 강성을 증가시키는 데 사용되었다. 주철은 시간이 지남에 따라 플레이트가 뒤틀리거나 휘어질 가능성을 줄이기 위해 금속의 잔류 응력을 감소시키는 석출 경화를 거쳤다.

주철 표면 플레이트는 현재 특정 등급의 정확도를 얻기 위해 화강암 표면 플레이트를 래핑하는 도구로 생산 현장에서 자주 사용된다. 금속은 넓고 평평한 표면에 래핑 매체를 침투시킬 수 있다.

기계 공장 사이에서 인기가 감소했음에도 불구하고 주철은 실험실 계측학자, 기계 제작자, 게이지 제작자 및 평탄도 측정을 필요로 하는 기타 고정밀 산업 분야에서 마스터 표면(표면 플레이트와 다른 용도)에 가장 인기 있는 재료로 남아 있다. 제대로 주조된 주철은 화강암 또는 세라믹보다 시간이 지남에 따라 치수 및 기하학적으로 더 안정적이며,[7] 더 높은 등급의 평탄도로 가공하기가 더 쉽고 다른 마스터 표준을 생성하는 데 도움이 되는 더 나은 베어링 표면을 제공한다. 이러한 특수 표면 플레이트는 이를 사용할 회사에서 세 세트로 생산되므로, Whitworth 3 플레이트 방식을 포함하여 정기적으로 확인하고 개선할 수 있어 플레이트를 재조정하기 위해 외부로 보낼 필요가 없다. 높은 안정성에도 불구하고 주철은 열팽창으로 인해 고정밀 생산 응용 분야에서 일반적인 표면 플레이트로 사용하기에는 적합하지 않다. 반대로, 마스터 표면의 특성과 사용은 재료 선택과 관계없이 온도를 제어하기 위한 값비싼 조치를 이미 필요로 하며, 주철이 더 선호된다.

주철은 화강암과 달리 매우 균일한 광학적 특성을 가지고 있으며, 유리 또는 세라믹과 달리 빛 투과 깊이가 매우 작아 특정 광학 응용 분야에 유리하다.[8]

3. 3. 유리

유리는 대체 재료이며, 재료와 제조 능력이 부족했던 제2차 세계 대전 중에 사용되었다. 유리는 적절하게 연마될 수 있으며, 회주철을 사용할 때 문제인 버가 생기는 대신 칩이 생기는 이점이 있다.

4. 정확도 및 등급

측정 장비의 정확성을 나타내기 위해 AA, A, B, 워크샵 등급 등 다양한 등급이 사용된다. 워크샵 등급이 가장 정확도가 낮지만, 모든 등급의 표면 평판은 높은 평탄도를 유지한다.[1]

표면 평판은 칩핑, 변형, 마모가 발생하지 않도록 정기적으로 교정해야 한다.[1] 흔히 특정 영역이 마모되는 문제가 발생하는데, 예를 들어 높이 게이지와 같은 도구를 한 곳에서 자주 사용하면 표면이 고르지 않게 되어 전체 평판의 정확도가 떨어진다.[1] 연마성 먼지가 있으면 이 현상이 가속화될 수 있다.[1] 공구나 공작물이 표면 평판에 떨어지거나, 쇠똥 등 이물질이 제거되지 않아도 손상이 발생하여 측정 결과가 부정확해질 수 있다.[1] 평판 손상은 재표면 처리를 통해서만 수정할 수 있으며, 이는 평판 등급에 따라 전문적인 기술과 장비가 필요하다.[1]

5. 정반의 교정

측정 장비의 정확성을 설명하기 위해 다양한 등급이 사용된다. 예를 들어 AA, A, B, 워크샵 등급 등이 있다. 워크샵 등급이 가장 정확도가 낮지만, 모든 등급의 표면 평판은 높은 평탄도를 유지한다.

정반은 칩핑, 변형, 또는 마모가 발생하지 않도록 정기적으로 교정해야 한다. 흔한 문제점은 특정 영역의 마모이다. 예를 들어 높이 게이지와 같이 한 곳에서 도구를 자주 사용하면 표면이 고르지 않아 전체 평판의 정확도가 감소한다. 연마성 먼지가 존재하면 이 현상이 크게 가속될 수 있다. 또한 공구나 공작물이 표면 평판에 떨어지거나, 쇠똥 및 기타 이물질이 제거되지 않아도 손상이 발생할 수 있다. 이는 잘못된 측정 결과를 초래한다. 평판 손상은 재표면 처리로만 수정할 수 있으며, 이는 평판 등급에 따라 전문적인 기술과 장비를 필요로 한다.

화강암 정반의 교정은 적절한 평탄도를 유지하고 시간이 지남에 따라 측정 정확도를 보장하기 위해 정기적으로 수행되어야 한다. 교정 간격은 정반이 위치한 환경에 따라 달라진다. 필요한 경우, 측정값을 등급 지침 내로 맞추기 위해 래핑 또는 재표면 처리가 제공된다. 이 절차에는 연마 페이스트로 표면을 연마하여 원치 않는 모든 재료를 제거하는 작업이 포함된다. 화강암 정반 교정에는 청소 및 가벼운 연마도 포함된다.

6. 정반과 함께 사용되는 부속품

직각자, 스트레이트 에지, 게이지 블록, 사인 바, 사인 플레이트, 다이얼 인디케이터, 패럴, 앵글 플레이트, 높이 게이지 등과 함께 사용된다.

참조

[1] 서적 Building Victory: Aircraft Manufacturing in the Los Angeles Area in World War II Cypress, CA 2013
[2] 웹사이트 ISO 8512-2:1990 https://www.iso.org/[...]
[3] 서적 Notices and Abstracts of Communications to the British Association for the Advancement of Science, at the Glasgow meeting, August 1840. John Murray 1841
[4] 간행물 The Institute of mechanical Engineers in Glasgow: Chairman's address https://books.google[...] 2011-10-26
[5] ASME B89.3.7 Granite Surface Plates https://www.asme.org[...]
[6] ISO ISO8512-2 Granite Surface Plates standard has been reviewed and then confirmed in 2012 http://www.iso.org/i[...]
[7] 서적 Foundations of Mechanical Accuracy Moore Special Tool Company 1970
[8] 웹사이트 Surface Plate http://www.zebraopti[...]


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