カムシャフトのバリ取りおよび洗浄：2個分で66秒、3mg

概要

カムシャフトは、長く細長い軸状部品で、ミクロン単位（0.01mm）の精度で研削加工された複数のカム（凸形状）が配置されています。また、油穴が掘削された後には、軸頸部と交差する微細な油穴と、油が流れるべき場所に precisely 位置するバリが存在します。

このため、カムシャフトのバリ取りは、エンジンブロックやハウジングなどのバリ取りとは異なる課題を伴います。バリ自体は小さいものの、その隣接面は完成されたカムプロファイルであり、バリを除去する際にブラシや切削工具がカム表面に触れると、不良品となってしまいます。また、洗浄についても同様に課題があります。油穴は極めて細く、シャフト外側から大量の洗浄液を流し込むような「洪水式」の洗浄は不可能だからです。

ここで説明するセルでは、2個の部品を66秒で一括処理し、部品の残留バリ量を3mg以下に保っています。ビッグバード・インダストリアル社（旧島田ビッグバード・インダストリアル社）は2001年より、自動車用パワートレイン部品向けの洗浄・バリ取り装置を製造しており、本装置の構成はカムシャフトの生産ラインに準拠したものであり、実験室的な配置ではありません。

1. カムシャフトの特徴とは？

カムシャフトのバリ取り作業には、他の部品とは異なる2つの特徴があります。すなわち、形状が細長く、かつ機能面へのアクセスが困難で、接触せずに加工することがほぼ不可能である点です。

たわみやすい細長い部品

両端で支持されたカムシャフトは、自重およびクランプによる締付け力によってたわみます。これは、バリ取りに接触が必要であるという点で重要です。なぜなら、細長いシャフトへの接触は、研削によって形成された幾何形状を変化させてしまうからです。そのため、2点以上の支持点を設け、位置制御だけでなく、力制御により工具を作用させることが、設計形状の維持に不可欠です。

輪郭形状こそが基準

ブロッキング加工では、バリの隣接面は通常、公差が緩い一般的な鋳造面である。カムシャフトの場合、バリの隣接面はカムローブであり、そのローブこそが部品が存在する理由である。すべてのバリ取り方法は、エッジから材料を除去できるかどうかだけでなく、隣接する面に影響を与えないかどうかという観点から評価されなければならない。

バリが実際に存在する場所

カムシャフトのバリは、ごく少数の特定の位置に集中しており、それぞれに異なる処理方法が必要となる。

オイル穴の交差部

すべてのドリル加工によるオイル穴は、ジャーナルまたはローブ側面に開口しており、その開口部の内周縁にはバリが発生する。このバリは部品上で最も有害なものであり、剥離してオイル流中に混入し、ベアリング面に到達する可能性がある。また、直径数ミリメートル程度の狭い穴内部に位置するため、最もアクセスが困難なバリでもある。

ローブエッジとキー溝

グラインド加工されたローブの側面には微細なバリが残り、キーウェイやスプロケットの位置決め部にはフライス加工によるより大きなバリが残る。微細なバリはブラシで除去できるが、大きなバリは工具を用いて除去する必要があり、その際はローブ側面に接触しない方向から工具を当てる必要がある。

3．形状面に接触せずにバリ取りを行う

この方法では、隣接する面には一切影響を与えることなく、エッジから材料を除去する必要があります。カムシャフトの場合、これらの2つの面はわずか数ミリメートルしか離れていないため、極めて精密な制御が求められます。

位置制御ではなく、力制御

位置指令で駆動されるロボットは、その位置誤差の大きさに応じてブラシをカムローブに押し込みます。一方、力制御を備えたロボットは、定義された接触力を維持しながらエッジに追随します。これにより、研削面の実際の位置がどこであっても、ブラシは常にバリに正確に当たった状態を保ちます。細長い部品であるカムシャフトでは、この違いが「バリ取り成功」と「不良品として廃棄」の分かれ目になります。

同一セル内での湿式バリ取り

洗浄セル内で液体に浸した状態でバリ取りを行うと、発生したバリ片を空気中に飛散させず、液体中に捕捉できます。ブロックに比べてカムシャフトでは、この点が特に重要です。なぜなら、バリ片が極めて微細であり、かつブラシ作業部に近接してオイル穴が配置されているためです。

4．オイル穴の洗浄

カムシャフトのオイル穴は小さく、しばしば角度がついており、清潔な状態を保たなければならない面に開口しています。シャフト外部から噴射すると、穴内部を洗浄せずに表面だけが濡れてしまいます。

穴を通した洗浄

効果的な方法は、液体を穴の入口から供給し、出口から流出させ、その際にバリの破片を一緒に押し出すことです。そのためには、入口に密着するノズル、あるいは穴内に挿入するランスが必要であり、さらに小さな内径の壁面に沿って破片を動かすのに十分な圧力も必要です。

作業順序が重要な理由

バリ取り前の洗浄は無駄な作業です。なぜなら、バリの破片はバリ取り工程で初めて発生するからです。また、バリ取り後の洗浄をすすぎ前に実施すると、破片がオイル穴内に残留したままになり、その後のすすぎ工程でようやく希釈されます。正しい手順は「バリ取り→洗浄→すすぎ→乾燥」であり、この際の洗浄には、前工程の部品から混入した異物を含まない別途フィルター処理された液体を使用します。

5．66秒の2工程サイクル

セルは1サイクルで2本のカムシャフトを66秒間処理し、部品の重量を3 mg以下に保ちます。1サイクルで2個の部品を処理するのは、単に機械のサイズによる偶然ではありません。これは、バリ取り時間と洗浄時間をバランスよく配分し、どちらの工程も他方を待つことなく連続運転できるようにするためです。

細長い部品におけるペア処理の効果

カムシャフトはその長さに対して体積が小さいため、1本用に設計された処理室は実際には大部分が空洞となります。そこで、両端で支持され、互いに離して配置した状態で2本を同時に処理すれば、処理室の容積を有効活用でき、 enclosure（筐体）単位あたりの生産性を向上させることができます（エネルギー単位あたりではなく）。

66秒というサイクル時間の根拠

このサイクル時間は、洗浄工程ではなくバリ取り工程によって決定されます。2本のシャフトそれぞれに複数のカムローブおよびオイルホール出口があるため、ブラシによるバリ取り動作は非常に長いプログラムとなり、洗浄工程よりも時間がかかります。このような工程時間の配分が、カムシャフト専用セルとハウジング専用セルの外観や構成を異なるものとしている理由です（ハウジングでは洗浄工程が支配的です）。

6．検証

カムシャフトの検証には、混同されがちな2つの項目があります：バリと清浄度です。部品がバリを一切持たない場合でも、質量制限に不合格となることがあります。これは、バリ取り時に生じた破片がオイル穴内部に残っているためです。逆に、質量制限は合格しても、後に剥離する可能性のあるバリが残っている場合もあります。

実際の検証では、規定されたエッジを拡大して目視確認するとともに、オイル穴内部の測定を行い、「フラッシュ（貫通）」が確実に達成されていることを確認します。シャフト外周のみを検査しても、顧客が実際に目にすることのない表面しか評価できません。カムシャフトでは、この2種類の検査を異なるタイミングで実施します。エッジ検査はロットの最初の部品で行いますが、フラッシュ検査はロットの中間および終了時点のサンプルで行います。これは、ロット作業中にブラシが摩耗し、その結果、オイル穴に到達する除去効果が変化するためです。

よくあるご質問

カムシャフトは、シリンダーブロックと同じ機械でバリ取りできますか？

同じサイクルで実施されるケースは極めて稀です。ブロック部品の加工では、重量部に対して高圧・大流量を用いるのに対し、カムシャフトでは細長い部位に対して力制御型の工具を用います。両者は建屋やフィルトレーションの基本理念を共有できますが、洗浄チャンバーは共用できません。

ローブはブラシからどのように保護されるのですか？

接触力を位置ではなく力で制御し、その力値において研削面に傷をつけないよう十分に柔らかい剛性のブラシを選定します。この2つの設定は、相互に調整して決定されます。

この長さの部品に対して3mgは現実的ですか？

オイル穴をスプレー噴射ではなくフラッシュ洗浄し、すすぎ回路を独立させた場合、3mgは現実的な値です。カムシャフトの不具合の多くは、外周面ではなくオイル穴から生じます。

サイクルタイムを制限している要因は何ですか？

バリ取りプログラムです。力制御型工具を用いて複数のローブおよび複数の穴出口を順次処理するため、同様の部品を単純に洗浄する工程（ハウジングラインとは逆の特性）よりも時間がかかります。

まとめ

カムシャフトのバリ取りは、粗加工面ではなく仕上げ面に対して行われるため、この方法には制約があります。力制御型工具の使用、湿式作業、および各オイル穴へのフラッシングが、複合セルを機能させるために採用された3つの決定事項です。

仕様書には、バリ取り対象のエッジ、フラッシング対象のオイル穴、清浄度限界値、およびサイクル単位を明記する必要があります。たとえば、「66秒で1サイクルあたり2本」という条件で提示されたカムシャフト用セルは、その「66秒」という数値が併記されて初めて他社製品と比較可能になります。同様に、「3ミリグラム」という清浄度値も、その測定対象領域が数値と同等に重要であるため、併記が不可欠です。シャフト外周部で測定した値と、オイル穴内部で測定した値では、対象となる部品の部位が異なります。