캠축 데버링 및 세척: 두 부품 처리 시간 66초, 3mg

개요

캠축은 길고 가늘며, 수백 분의 1밀리미터 단위로 정밀하게 연마된 여러 개의 캠 프로파일을 갖춘 축이다. 또한 드릴링 후에는 축저부와 교차하는 오일 구멍과 오일 흐름 경로 바로 옆에 위치한 버러를 갖춘 부품이기도 하다.

따라서 캠축의 데버링은 블록이나 하우징의 데버링과는 다른 문제이다. 버러는 작지만, 그 주변 표면은 이미 완성된 프로파일이기 때문에 버러를 제거하면서 캠 프로파일에 접촉하는 브러시나 커터는 폐기처분되는 부품을 만들어낸다. 세척 역시 다른 문제인데, 오일 구멍이 작고 축 외부에서 세척액을 과도하게 공급할 수 없기 때문이다.

여기서 설명하는 셀은 두 개의 부품을 66초 만에 하나의 케이스 내에서 모두 처리하며, 부품의 중량을 3mg 이하로 유지한다. 빅버드 인더스트리얼(Big Bird Industrial, 이전 이름: 시마다 빅버드 인더스트리얼)은 2001년부터 자동차 파워트레인 부품용 세척 및 디버링 시스템을 제작해 왔으며, 이 구성은 실험실 배치가 아니라 캠축 생산 라인을 따르고 있다.

1. 캠축을 특별하게 만드는 요소

캠축을 다른 디버링 대상 부품과 구분짓는 두 가지 특성이 있다: 첫째, 가늘고 길며, 둘째, 기능 표면에 도구를 접근시키기 어렵고, 그 과정에서 접촉을 피하기 어렵다.

굽어지는 가늘고 긴 부품

양쪽 끝에서 지지된 캠축은 자체 중량과 클램핑 힘에 의해 휘어진다. 이는 디버링 과정에서 접촉이 필수적이기 때문에 중요하다. 그런데 가늘고 긴 샤프트에 접촉하면, 이미 연삭으로 형성된 기하학적 형상이 변형될 수 있다. 따라서 두 지점 이상에서 지지하고, 위치 제어만이 아니라 힘을 정밀하게 제어하는 공구를 사용해야만 프로파일을 원래 상태 그대로 유지할 수 있다.

프로파일이 기준이다

블록의 경우, 버가 있는 부분 옆의 표면은 일반적으로 허용 오차가 넉넉한 일반 주조 면이다. 캠축의 경우, 버가 있는 부분 옆의 표면은 로브이며, 이 로브가 바로 해당 부품이 존재하는 이유다. 모든 제버링 방법은 가장자리에서 재료를 제거하면서 인접한 표면을 변경하지 않을 수 있는지 여부로 평가되어야 한다.

2. 버가 실제로 위치한 곳

캠축의 버는 소수의 특정 위치에 집중되며, 각 위치마다 서로 다른 처리 방식이 필요하다.

오일 홀 교차부

모든 드릴링된 오일 홀은 저널 또는 로브 측면으로 빠져나가며, 그 출구 가장자리 내측에는 버가 형성된다. 이 버는 부품 전체에서 가장 해로운 버인데, 오일 흐름 속으로 떨어져 베어링 표면까지 도달하기 때문이다. 또한 이 버는 접근하기 가장 어려운 버이기도 한데, 지름이 단 몇 밀리미터에 불과할 수 있는 구멍 안쪽에 위치해 있기 때문이다.

로브 가장자리 및 키웨이

연마된 로브의 측면 가장자리에는 연마 공정으로 인해 미세한 버가 형성되며, 키웨이 또는 스프로킷 레지스터에는 밀링 공정으로 인해 더 두꺼운 버가 형성된다. 미세한 버는 브러시로 제거할 수 있으나, 두꺼운 버는 전용 도구를 사용해야 하며, 이 도구는 측면 가장자리에 접촉하지 않는 방향에서 접근해야 한다.

3. 프로파일에 접촉하지 않고 버어 제거하기

이 방법은 인접한 표면은 그대로 둔 채, 가장자리에서 재료를 제거해야 하며, 캠축의 경우 이 두 표면 간 거리는 밀리미터 단위로 매우 좁음.

위치 제어보다는 힘 제어

위치 기반으로 구동되는 로봇은 위치 오차만큼 브러시를 캠 로브에 밀어넣게 됨. 반면 힘 제어 로봇은 정해진 접촉 힘으로 가장자리를 따라 움직여, 연마면의 실제 위치와 관계없이 브러시가 항상 버어 위에 유지되도록 함. 가늘고 민감한 부품에서는 이 차이가 버어 제거 성공 여부, 즉 캠축을 양품으로 완성할지 폐기할지의 차이를 만듦.

동일 셀 내 습식 버어 제거

세정 셀 내에서 액체로 완전히 잠긴 상태로 버어 제거 작업을 수행하면, 버어 조각이 공기 중으로 확산되지 않고 액체에 포획됨. 캠축의 경우 블록보다 이 점이 훨씬 중요함. 왜냐하면 버어 조각이 매우 미세하고, 브러시 작동 위치 근처에 오일 홀이 위치해 있기 때문임.

4. 오일 홀 세정

캠샤프트의 오일 홀은 작고 흔히 각도가 있으며, 청결함이 유지되어야 하는 표면으로 나온다. 외부에서 샤프트를 분사하면 전체가 젖게 되지만, 오일 홀 내부는 세척되지 않는다.

홀을 통한 세척

효과적인 방법은 액체를 홀 안쪽으로 주입해, 이 액체가 출구를 통해 흘러나가면서 버러 조각을 함께 씻어내는 것이다. 이를 위해서는 입구에 밀착되는 노즐 또는 홀 안으로 삽입되는 랜스가 필요하며, 작은 지름의 구멍 벽을 따라 조각을 움직일 수 있을 만큼 충분한 압력도 필수적이다.

순서가 중요한 이유

버링 제거 전에 세척하는 것은 무의미한 작업이다. 왜냐하면 버러 조각은 버링 제거 과정에서만 생성되기 때문이다. 반면 버링 제거 후, 세척은 했으나 헹굼 전에 끝내면 조각들이 오일 홀 내부에 그대로 남아 있게 된다. 따라서 올바른 순서는 버링 제거 → 세척 → 헹굼 → 건조이며, 세척 단계에서는 별도로 여과된 액체를 사용해야 하여 이전 부품의 잔여물이 재유입되지 않도록 해야 한다.

5. 66초 이중 단계 사이클

셀은 한 사이클당 두 개의 캠축을 66초 동안 가공하며, 부품의 잔류 버러를 3mg 이하로 유지한다. 한 사이클에 두 개의 부품을 처리하는 것은 기계 크기의 우연한 결과가 아니다. 이는 데버링 시간과 세정 시간을 균형 있게 조정하여 어느 단계도 다른 단계를 기다리지 않도록 하기 위함이다.

가늘고 긴 부품에서 페어링이 효과적인 이유

캠축은 길이 대비 부피가 작기 때문에, 하나의 캠축만 수용하도록 설계된 챔버는 대부분 여유 공간을 갖는다. 양쪽 끝을 지지하고 서로 분리하여 두 개의 캠축을 동시에 적재하면, 챔버 크기를 늘리지 않고도 공간을 효율적으로 활용할 수 있으므로, 에너지 단위당 처리량보다는 케이싱 단위당 처리량을 향상시킬 수 있다.

66초가 결정되는 이유

사이클 시간은 세정 공정이 아니라 데버링 동작에 의해 결정된다. 두 개의 캠축에 대해 여러 개의 로브와 오일 홀 출구를 따라 움직이는 브러시 작업은 긴 프로그램을 필요로 하며, 세정 단계는 데버링 단계보다 짧다. 이러한 시간 배분 때문에 캠축 전용 셀은 하우징 전용 셀과 외관이 다르게 보이며, 후자의 경우 세정 공정이 전체 사이클을 주도한다.

6. 검증

캠샤프트 검증에는 종종 혼동되는 두 가지 요소가 있다: 버러와 청결도. 부품은 버러가 없을 수 있지만, 탈버링 과정에서 생긴 조각이 오일 홀 내부에 남아 있어 질량 한계를 초과해 불합격 판정을 받을 수 있다. 반대로, 부품은 질량 한계는 통과했지만 나중에 떨어질 수 있는 버러를 여전히 지니고 있을 수도 있다.

실제 검증은 확대경 하에서 지정된 엣지를 육안으로 점검하는 것과 오일 홀 내부 측정을 병행하여 플러시 통과 여부를 확인하는 것이다. 샤프트 외부만 점검하는 것은 고객이 결코 보지 못할 표면을 테스트하는 것이다. 캠샤프트의 경우 이 두 가지 점검은 또한 서로 다른 시점에 수행된다: 엣지 점검은 배치의 첫 번째 부품에서 실시할 수 있으나, 플러시 점검은 배치 중간 및 마지막에서 샘플을 채취해 수행한다. 이는 배치 진행 중 마모되는 브러시로 인해 오일 홀 내부로 도달하는 물질이 달라지기 때문이다.

자주 묻는 질문

캠샤프트를 블록과 동일한 기계에서 탈버링할 수 있나요?

동일한 사이클에서 거의 발생하지 않음. 블록 셀은 중량 부위에 고압 및 대유량을 사용하고, 캠축은 세밀한 부위에 힘 제어 공구를 필요로 함. 이들은 동일한 건물과 여과 철학을 공유할 수 있으나, 챔버는 공유하지 않음.

로브를 브러시로부터 어떻게 보호하나요?

위치가 아닌 접촉력을 제어함으로써, 그리고 해당 접촉력에서 연마면을 손상시키지 않을 만큼 충분히 낮은 강성을 가진 브러시를 선택함으로써 보호함. 이 두 설정은 함께 조정됨.

이 정도 길이의 부품에 대해 3mg은 현실적인가요?

오일 홀을 분사가 아닌 세척 방식으로 정화하고, 헹굼 회로를 별도로 유지할 경우 현실적임. 캠축의 대부분의 결함은 외부 표면보다는 오일 홀에서 발생함.

사이클 타임을 제한하는 요인은 무엇인가요?

디버링 프로그램임. 제어된 공구로 여러 로브와 여러 홀 출구를 따라 작업하는 데는 동일한 부품을 세척하는 것보다 더 오랜 시간이 소요되며, 이는 하우징 라인과 정반대임.

결론

캠샤프트는 거친 표면이 아니라 마감된 표면에 대해 데버링되며, 이것이 이 방법을 제한하는 요인이다. 힘 제어 공구, 습식 작동, 각 오일 홀을 통한 세척은 병합 셀이 작동하도록 만드는 세 가지 결정 사항이다.

사양서에는 데버링할 엣지, 세척할 오일 홀, 청결도 한계 및 사이클 단위를 명시해야 한다. 66초당 2개 부품으로 견적된 캠샤프트 셀은 두 번째 수치가 함께 명시되어야만 비교 가능하다. 마찬가지로 3밀리그램으로 견적된 셀도 마찬가지인데, 이 수치가 적용되는 영역은 수치 자체만큼 중요하기 때문이다. 샤프트 외부에서 측정한 수치는 오일 홀 내부에서 측정한 수치와 다른 부품을 설명한다.