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워터제트에 의한 자동차 부품의 세정과 디버링
 
●「다듬질 기술」의 최신 동향
 
월간 기계기술기자 | 2004.10.01 | 2004년 10월호
 
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약30,000점의 부품으로 구성되어 있는 자동차는 고장이 가장 발생하지 않는 기계이다. 여기에는 각부품의 고품질화가 크게 기여하는데 품질을 향상 시키려면 고정밀도의 가공 제조 기술과 노하우가 요구된다. 한편 2차 가공으로 위치부여되는 세정 이나 디버링도 매우 중요한 공정이다.
  세정이나 디버링이 불충분하면 엔진,미션, ABS(Anti-lockBrakeSystem) 등에서 동작 트러블을 불러일으켜 때로는 리콜로 이어진다.
  세정·디버링에는 에어 분사나 브러시 제거, 서멀 디버링, 전해(電解) 디버링, 숫돌입자 유동(流動) 가공, 배럴 연마 등이 있지만 이 방법들 외에 물의 운동 에너지를 주로 이용한 워터제트 가공이 있다. 본문에서는 워터제트에 의한 세정·디버링의 특징과 장치 및 사례에 대해 소개한다.
워터제트에 의한 자동차 부품의 세정과 디버링
약 30,000점의 부품으로 구성되어 있는 자동차는 고장이 가장 발생하지 않는 기계이다. 여기에는 각부품의 고품질화가 크게 기여하는데 품질을 향상 시키려면 고정밀도의 가공 제조 기술과 노하우가 요구된다. 한편 2차 가공으로 위치부여되는 세정 이나 디버링도 매우 중요한 공정이다.
  세정이나 디버링이 불충분하면 엔진,미션, ABS(Anti-lockBrakeSystem) 등에서 동작 트러블을 불러일으켜 때로는 리콜로 이어진다.
  세정·디버링에는 에어 분사나 브러시 제거, 서멀 디버링, 전해(電解) 디버링, 숫돌입자 유동(流動) 가공, 배럴 연마 등이 있지만 이 방법들 외에 물의 운동 에너지를 주로 이용한 워터제트 가공이 있다. 본문에서는 워터제트에 의한 세정·디버링의 특징과 장치 및 사례에 대해 소개한다.
1. 특징
지름 0.1~2mm정도의 노즐에서 고압수를 분사 하여 발생시키는 워터제트의 분사 속도는 압력 400MPa이고 약 800m/s에 달한다. 이것은 일본 해군의 전함 「大和」의 주포(主砲)에서 발사되는 탄환의 처음 속도에 거의 필적한다. 워터제트에 의한 부품의 세정과 디버링은 이 제트의 동압(動壓)과충격력, 캐비테이션 등의 상승 효과로 이루어진다.
  고압수를 발생시키는 펌프는 주로 3열의 플런저 펌프가 사용되나 다단식 터빈 펌프나 특수한 다이어 프램 펌프도 사용된다. 워터제트에 의한 부품의 세정과 디버링에는 다음과 같은 특징이 있다.
 ① 자동화를 용이하게 할 수 있다.
 ② 분사 압력을 조정하여 소정의 버를 선택적으로 제거할 수 있다.
 ③ 열적 영향이 없다.
 ④ 교차 구멍을 세정·디버링할 수 있다.
  그리고 세정·디버링 방법을 크게 나누면 <그림 1>과 같고 세정에서는 대기중과 수중에서 분사하는 2종류가 있다. 디버링에 서는 물만 분사하는 경우와 플라스틱이나 세라믹스 등의 매개체를 고압수로 가속시켜 분사하는 방식이 있다. 물만으로 제거할수 있는 버의 뿌리 두께는 일반적으로0.05mm 정도이고 그 이상의 버에 대해서는 매개체 분사가 이용된다.
  한편 수중 세정에서는 주위의 물 저항으로 인해 제트력이 크게 저하되나 제트와 주위 물과의 사이에서 캐비테이션이 발생한다. 이 캐비테이션에 의해 수중 내에 생기는 수 kHz의 진동과 제트의 분사력을 세정에 이용하는 것이 수중 세정이다. (주)스기 노머신이 개발한 「혼(Horn)형 노즐」은 간단한 형상에도 걸리지 않고 캐비테이션을 효과적으로 발생시킨다 <그림 2>.이 노즐은 출구가 나팔과 같은 테이퍼 형상을 지녀 테이퍼 안으로 말려드는 물에 의해 제트 주변에서 소용돌이 발생이 촉진되어 캐비테이션을 보다 효과적으로 발생시 킨다. 이 수중 세정을 (주)스기노머신에서는 「U-Jet」이라고 지칭하고 있다.
2. 세정·디버링 장치
<그림 3>에서는 세정·디버링 장치의 분류를 나타낸다. 자동차 부품의 디버링은 대기중 분사 방식이고 세정도 동시에 하는 경우가 많으므로 대기중 디버링 세정 기라고 한다.
 
 2.1 저격(狙擊), 인덱스 세정기
 <그림 4>에서는 4축 로봇에 의해 노즐의 위치결정을 정확히 해서 소정의 개소에 있는 버를 30~100MPa의 고압수로 저격하는 세정기를 나타 낸다. 공작물을 회전시키면 6면을 디버링할 수 있다. 공작물은 수동으로 착탈하나 반송용 로봇 등을 사용하면 자동화도 가능하다. 자동 변속기(AT)용유압 제어 부품인 밸브 보디나 트랜스미션 케이스의 미세한 버와 칩을 제거하는 데 많이 사용되고 있다.
  사이클타임이 짧을 경우에는 인덱스 타입이 사용된다. 분할각 180°, 120°, 90°에 따라 각각 2, 3, 4인덱스가 되고 4인덱스 타입에서는 공작물의 장착, 탈착, 디버링, 린스 세정 및 물기 빼기를 동시에 실시할 수 있다. 분사수는 제거한 버나 칩과 함께 회수되고 필터로 여과하여 순환 사용된다. 로봇 사용이 표준이기는 하나 옵션으로 NC사양도 대응할 수 있다.
 
 2.2 터릿형 고압 디버링 세정기
  <그림 5>에서는 터릿형 고압 디버링 세정기 「제 트클린센터」를 나타낸다. CNC에서 고정밀도로 위치결정된 노즐로부터 최고 50MPa의 고압 제트를 분사하여 교차 구멍, 깊은 구멍 및 탭 구멍을 디버링한다. 또한 챔퍼링 공구나 브러시 등을 비어 있는 터릿의 축에 장착하면 복합 디버링을 할 수 있게 된다. 교차 구멍에 대한 디버링에 서는 랜스 노즐(막대형 노즐)을 구멍 안에 삽입하고 버를 저격하여 제거한다. 랜스(Lance)의 최소 지름은 4mm전후이고 랜스 축심에 대해 노즐 구멍은 직각 방향으로 2~4개가 대칭으로 설치되어 분사 압력으로 인한 랜스의 변위를 방지하고 있다. 그리고 랜스는 100~5000min -1로 회전하여 동일한 구멍 내에 가공된 복수의 교차 구멍을 디버링하는 데 대응할 수 있다. 분사수는 필터로 여과하여 순환시켜 사용하고 있다. 주로 자동차의 브레이크나 펌프 부품, 에어컨/컴프레서 등의 소형 부품을 대상으로 한다.
 
 2.3 트랜스퍼식 디버링 고압 세정기
  반입, 디버링 세정, 린스 세정, 물기빼기, 건조, 반출 등의 스테이션을 가진 트랜스퍼 머신 타입의 디버링 세정기이다. 대형 유압 펌프 부품이나 트랜스미션 케이스 등의 디버링과 칩 제거를 짧은 사이클타임으로 실시하고 압력은 30~50MPa이다. 디버링 면적을 넓게 할 경우에는 XYZ직교 로봇의 선단에 복수의 노즐이 붙은 회전건(Gun)을1,500~1,800min -1로 회전시킨다. 분사수는 물처리 장치에 의해 순환시켜 사용한다. <그림 6>에서는 트랜스미션 케이스의 디버링 세정기를 나타낸다. 압력과 노즐 회전수는 각각 50MPa, 1,000min -1 이고 사이클타임은 120초이다.
 
 2.4 노즐 가진(加振)식 세정기
  공작물을 에워 쌓는 형태로 등간격 배치한 노즐이 전동 모터에 의해 전후좌우로 요동되면서 오르내리는 세정기이다. 공작물 형상이 복잡하고 탭 구멍이 많은 트랜스미션 케이스를 세정하기에 가장 적당하고 압력은 5~10MPa이다. 공작물에 따른 티칭이나 프로그램을 필요로 하지 않는다 <그림 7>.
 
 2.5 매개체 분사 디버링 세정기
  이것은 플라스틱, 유리구슬, 세라믹스 등의 매개체를 슬러리로 만들어 <그림 8>에 나타내는 바와 같이 이젝터 방식을 적용하여 고압수로 흡인·가속·분사하여 디버링하는 세정기이다. 압력은 20MPa전후이나 버제거능력은 물만 사용하는 경우에 비해 크다. 노즐부에는 세정용 노즐이 설치되고 분사 경로를 바꾸어 디버링 후의 잔류 매개체를 제거한다. 매개체는 플라스틱에서는 멜라민, 나일론, 폴리에틸렌을 사용하고 세라 믹스에서는 알루미나, 탄화규소 등을 사용 하며 사이즈는 0.1mm 전후가 많이 사용된다. 그리고 매개체는 단단할수록 그 능력이 커진다. 예를들면 멜라민 수지와 알루미나를 노즐 지름 3mm, 압력 10MPa의 고압수로 스테인리스재에 약10초간 분사했을 경우 멜라민에는 상처가 없으나 알루미나는 약 0.1mm 정도 연삭되었다. 또한 디버링 이외에 미세한 챔퍼링도 가능하다. 분사 후매개체와 물은 분리되고 각각 순환시켜 사용한다.
  순환해서 사용하면 매개체가 가늘어져 디버링 능력이 저하되므로 가늘어진 매개체는 분급기를 사용하여 제거한다. 그리고 감소분을 정기적으로 보급하여 디버링 능력을 유지 보전한다. <그림 9>에 서는 장치 폭 1,000mm인 소형 디버링 세정기 「디 버제트미니」를 나타낸다. 분사 압력은 최대 15MPa이고 공작물의 치수는 400×280×200(높이)mm이다. 노즐은 X, Y, Z의 이동이 가능하고 평면 버를 대상으로 한다. 3차원 버에 대해서는 X, Y, Z에 더하여 노즐과 공작물이 회전하는 기구(機構)를 추가한다.
 
 2.6 수중 세정기
  수중 세정을 하는 목적은 주로 기계가공 실시 후에 남은 칩을 제거하는 것이고 실린더 헤드나 블록을 대상으로 한다. <그림 10>에 나타내는 바와 같이‥범용형 수중 세정기 「U-JetⅢ」은 Horn형 4축 로봇으로 움직이고 또 다시 공작물을 회전시켜 세정 사각(死角)을 없애는 범용 세정기이다.
  공작물의 치수와 질량은 500×250×200(높이)mm와 10kg이고 공작물은 수동으로 탈착시킨다. 물속에서 세정 개소를 저격하고그 다음에는 대기중에서 린스 세정과 물기 빼기용 에어 블로를 실시하면 세정 공정이 끝난다. 분사 압력은 5MPa이다. 3~4기통을 갖는 실린더 헤드의 워터 재킷 내부를 세정하기에 적당하다.
  대기중 세정과 마찬가지로 사이클타임이 짧을 경우에는 인덱스 타입이 이용된다.
  <그림 11>에서는 4인덱스 타입의 세정기를 나타낸다. 하나의 회전축에 공작물의 반출 입, 수중 세정, 린스 세정, 물기빼기용 에어 블로 스테이션이 있고 분사 압력은3.5MPa, 사이클타임은 약 30초이다. 어느 세정기이든 칩은 물과 함께 필터로 여과되고 사용한 물은 순환 사용된다.
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3. 디버링 세정 사례
3.1 대기중 디버링 세정
  <그림 12>에서는 ABS밸브 보디나 유압 제어 밸브의 교차부에 대한 디버링 가공법을 나타낸다. 사용하는 기기는 <그림 5>에 나타 내는 제트클린센터이다.
  터릿에 장착된 랜스 노즐은 X, Y, Z으로 이동할 수 있고 소정의 교차 구멍을 회전하 면서 삽입된다. 랜스에는 삽입하는 방향에 직각으로 노즐이 2개 있고 교차부의 버를 제거한다. <그림 13>에서는 유압 제어 밸브의 스프루 구멍 주변을 디버링하는 예를 나타 낸다.
  분사 압력은 30MPa, 회전수는 150min -1,이송속도는 0.15m/min이다. 버를 제거할수 없을 경우에는 압력을 올리거나 혹은 가공 속도를 내려서 대응한다. 일반적으로 최고 압력까지 승압(昇壓)하여 상태를 관찰하고 그래도 제거할 수 없을 경우에는 가공 속도를 낮춘다.
  <그림 14>, <그림 15>에서는 세정기로 디버링을 실시한 트랜스액슬 케이스의 디버링 상황과 가공 상태를 나타낸다.
  분사 압력은 50MPa, 재질은 알루미늄 다이캐스트이고 주변의 미세한 버가 제거되어 있다. <그림 16>에서는 윤활용 오일 구멍의 교차부에 대한 디버링법을 나타낸다. 자동차용 엔진을 구성하는 부품인 실린더 헤드에는 급배기 밸브 개폐용 캠 샤프트로 향하는 윤활용 오일 구멍이 만들어져 있다.
 이 오일 구멍은 내경이 10mm전후이고 길이는 약 400~700mm로 가늘고 길며 그 도중에 교차부가 있다.
 이 교차부에 생기는 버를 랜스 노즐을 회전시키면서 교차 구멍 안에 삽입하여 제거한다.
  랜스에는 삽입하는 방향에 직각으로 노즐이 2개 있다. 가공조건 예로서 분사 압력은 50MPa, 회전수는 300min -1, 이송속도는 1m/min이다. 공정은 반입, 디버링, 린스 세정, 물기빼기 건조, 반출 스테이션을 가진 트랜스퍼 머신 타입으로 실시한다. 랜스 노즐은 에어나 유압 또는 전동 모터로 회전시키고 삽입은 유압이나 전동 실린 더로 실시한다.
  매개체 분사에 의한 디버링에서는 2가지 예에 대해 소개한다. 하나는 재질이 FCD인 엔진 부품에서 홈가공시 발생하는 버를 제거하는 예이다. 버가 단단하기 때문에 물만으로는 제거할 수 없고 수지 매개체를 압력 30MPa로 분사하여 디버링을 실시하였다. 공정은 매개체 분사에 의한 디버링 잔류 매개체 제거 세정 물기빼 기이다.
  매개체는 순환하여 사용하고 가늘어진 매개체는 침전시켜 정기적으로 꺼내고 있다.
 또 하나의 예는 Common Rail 방식에 서의 고압 분배기에 대한 챔퍼링이다. 연료 공급 압력의 고압 화로 인한 교차부의 응력 집중률을 저하시키기 위해 매개체 분사로 챔퍼링을 실시했다. 매개체는 알루미나와 탄화규소를 사용하고 분사 압력은 20MPa이다. 관통 구멍의 선단을 막고 다른 쪽 선단에서 매개체를 분사하면 매개체는 강제로 유동 방향을 90° 바꾸어 교차 구멍에서 배출되고 챔퍼 링을 실시할 수 있다.
 그 다음에는 매개체 분사구와 마개의 위치를 바꾸어 분사함으로써 교차 구멍 주변을 균일하게 챔퍼링하였다.
 
 3.2 수중 세정
  수중 세정은 실린더 헤드나 실린더 블록의 워터 재킷 내에 있는 칩을 세정하는 데많이 사용되고 있다. <그림 17>의 실린더 헤드는 <그림 10>의 U-JetⅢ로 재킷면을 물속에서 저격 세정했다. 분사 압력은 5MPa, 사이클타임은 약 2분이다. 그 외에 ABS밸브 보디에 대한 세정이 있다. ABS에서는 30~50MPa의 대기중 세정으로 디버링을 실시한 후 수중 세정한다.
  ABS의 청정도는 엄밀하고 잔류 칩의 크기는 1/10mm 오더이다. 그러므로 물속에 서의 세정 압력은 10~30MPa로 하고 또 린스 세정도 세정압과 같은 정도로 실시한다.
  우리는 여과 정밀도를 올리기 위해 필터의 다단(多段)화라든가 액체 처리조를 연구하고 있다.
  「좀더 좋고, 좀더 빠르고, 좀더 저렴한 비용으로」를 요구하는 자동차 부품업계에서 워터제트에 의한 세정·디버링은 견실한 공정이나 품질 면에서는 필요 불가결하다.
  앞으로 고기능, 고정밀도화가 더욱 진행될 자동차는 더 한층의 고품질화가 요구되므로 워터제트도 노즐, 분사액, 물처리 등의 요소기술이나 에너지 효율의 검토를 도모할 필요가 있다.
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