접근 어려운 영역을 위한 휴대용 표면 조도 게이지

알렉상드르 뒤푸르(Alexandre Dufour), 마르(Mahr Inc.) 엔지니어드 솔루션 디렉터 작성

약 30년 전, 셔츠 주머니에 들어갈 만큼 작은 휴대용 표면 조도 게이지가 제조 현장에 새로운 수준의 부품 관리를 가져왔습니다. 표면 조도 검사를 실험실에서 현장으로 가져온 건 두 가지 이유에서 중요했습니다. 이전 50년간 부품 치수 공차가 점점 엄격해졌습니다. 그 결과 표면 조도와 형상 부정형이 전체 치수 공차의 점점 더 큰 부분을 잠식하는 추세가 오늘날까지 이어지고 있습니다. 또한 표면 조도가 부품 성능에 매우 중요한 역할을 한다는 게 명확해졌습니다. 표면의 고유 특성이 페인트 부착, 윤활 유지·누설, 표면 간 마찰 시 '소음' 발생량 등을 결정합니다.

적절한 위치 결정과 고정으로 소형 휴대용 표면 조도 게이지는 보통 버튼 하나만 누르면 표면 조도 파라미터를 쉽게 측정할 수 있습니다. 치수 수공구처럼 범용 휴대용 표면 조도 게이지는 많은 애플리케이션에 사용하기 쉽고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다. 주머니 크기 게이지를 부품 위에 올려 내장 레스트 패드가 위치를 잡게 하고 버튼을 누르면 결과가 나타나 요구사항과 비교할 수 있습니다.

하지만 항상 그렇게 쉬운 건 아닙니다. 표면 조도 파라미터는 부품의 거의 모든 표면에 적용될 수 있습니다. 작은 보어 안쪽, 짧은 랜드 위, 구멍 주변, 두 벽 사이 외경, 심지어 그 벽 위까지. 종종 표준 휴대용 표면 조도 게이지는 작동하지 않습니다. 드라이브 유닛이 너무 크거나, 프로브 암이 너무 짧거나, 부품 자체의 방해물이 게이지 배치를 방해하기 때문입니다.

프로브 암 연장

한 가지 가능한 해결책은 프로브 암 연장 사용이지만, 이것도 한계가 있습니다. 연장을 추가하면 프로브 암 무게가 증가합니다. 스키드 프로브의 경우 추가 무게가 연질 소재인 알루미늄 등에서 부품 표면 손상을 유발할 수 있습니다. 또한 추가 무게가 게이지가 수평 외 위치에서 사용될 때 스키드 스프링 힘을 압도할 수 있습니다. 이는 측정 중 프로브가 표면과 접촉을 잃게 해 잘못된 측정 결과와 '측정 범위 초과' 오류를 유발합니다. 스키드리스 프로브의 경우 추가 프로브 암 무게가 진동을 유발해 측정 결과에 영향을 줍니다.

일반적으로 프로브 연장은 스키드 힘이 0.6N을 초과하지 않도록 100mm 이하여야 합니다. 또한 기기의 각도 범위는 수평에서 45°부터 드라이브 유닛 어셈블리가 아래를 향하는 위치까지 135° 범위 내에 유지되어야 합니다.

엔지니어드 솔루션

표준 장치로 기대 결과를 얻을 수 없을 때, 특정 애플리케이션에 맞춰 게이지를 맞춤 설계하거나 엔지니어링하는 게 더 나은 솔루션입니다. 이는 대량 부품과 빠르고 신뢰할 수 있는 측정이 요구되는 경우(종종 치수와 표면 조도 측정에서 반숙련된 기계공이 수행해 부품 품질을 보장하고 부품 리콜의 높은 비용을 없애는 경우)에 특히 그렇습니다. 전용 또는 맞춤 엔지니어드 게이지는 더 빠르고, 사용하기 쉽고, 더 나은 성능과 GR&R로 결과를 냅니다. 전용 게이지로 거의 모든 작업자가 가공 부품을 쉽게 검사하고 품질 판단을 내릴 수 있습니다. 공정 분석과 관리를 위해 결과를 수집할 수도 있습니다.

신뢰할 수 있고 반복 가능한 결과를 얻으려면 표면 조도 게이지는 두 가지를 해야 합니다: 1) 프로브 암 끝의 다이아몬드 스타일러스를 지정된 측정 표면 영역에 정확히 위치시키고, 2) 측정 작업 중 민감한 프로브 암과 스타일러스를 손상으로부터 보호해야 합니다. 접근하기 어려운 표면 영역에 대한 이 요건 충족으로 기계공이 제조 현장에서, 종종 부품이 아직 공작기계에 고정된 상태에서 빠르고 신뢰할 수 있는 표면 조도 분석을 할 수 있게 하는 전용 게이지 제품군이 탄생했습니다.

실린더 보어

실린더 보어는 오일 보유와 부드러운 축 방향 이동의 균형을 위한 특정 마감이 필요합니다. 표면 조도 측정을 위한 전용 게이징이 설계된 최초의 애플리케이션 중 하나였습니다. 보어는 다양한 크기로 나오며 꽤 깊을 수 있습니다(일부 8인치까지). 도면은 특정 깊이와 위치에서 검사를 요구할 수 있고, 일부 블록은 최대 12실린더, 대다수 대량 애플리케이션은 4실린더라 측정할 보어가 많습니다. 따라서 게이지는 높은 휴대성과 작업자가 쉽게 정렬하고 깊이를 설정할 수 있어야 합니다. 설계는 게이지를 부품에 가져갈 때 민감한 프로브가 손상되지 않게 보호해야 합니다.

전용 휴대용 표면 조도 보어 게이지는 확장형 트라이보어 게이지와 매우 유사합니다. 트라이보어는 일정 크기 조절 범위가 있지만 특정 크기로 설정할 수 있습니다. 이는 '고정'을 도와 작업자 영향 없이 매우 반복 가능한 판독을 제공합니다. 표시 장치도 전이 메커니즘으로 보호돼 게이지를 부품에 올릴 때 위치 결정 힘이 가해지지 않습니다.

표면 조도 실린더 보어 게이지는 같은 원리를 차용합니다. 교체 가능한 플레이트로 적절한 측정 범위를 달성해 다양한 크기에 맞춰 고정할 수 있도록 조절성을 부여합니다. 적절한 블록 세트로 게이지를 설정하면 실린더 보어에 쉽게 진입할 수 있고, 제자리에 있으면 수동 제어 에어 실린더가 사이징 블록을 확장해 게이지를 위치에 고정합니다.

하지만 게이지 실린더는 또 다른 더 중요한 기능이 있습니다. 에어 미적용 시 압축 상태에서 민감한 표면 조도 프로브를 수축된 위치에 유지합니다. 이는 삽입 중 프로브가 게이지 본체 안에 보호된다는 뜻입니다. 작업자가 게이지 위치에 만족하면 에어를 가해 게이지를 고정하고 프로브가 확장돼 표면 테스트를 할 수 있습니다. 끝나면 에어를 해제, 프로브가 수축되고 게이지가 자유로워져 사용자가 쉽게 제거할 수 있습니다.

작고 방해받은 보어

실린더 헤드 밸브 가이드의 표면 조도 측정은 작은 크기(6mm)와 실린더 헤드 내 위치 때문에 특히 수행하기 어렵습니다. 가장 신뢰할 수 있는 측정은 실린더 헤드 '스프링 쪽'에서 수행되는데 여기가 가장 접근하기 쉽기 때문입니다. 하지만 캠샤프트 타워가 게이지 드라이브 시스템이 측정을 위해 위치해야 할 영역으로 돌출해 문제가 됩니다. 작은 드라이브 시스템이 최선의 기술적 솔루션인데, 캠샤프트 타워 사이에 드라이브 시스템을 배치할 수 있기 때문입니다. 엔지니어드 게이지를 사용하면 과도한 측정 프로브 연장과 셋업 없이 드라이브 유닛을 측정 위치 가까이 배치할 수 있어 이런 문제를 해결합니다. 작업자는 게이지를 밸브 가이드 외경에 장착하기만 하면 유닛이 측정할 영역 내에 들어맞습니다.

실린더 게이지처럼 이 표면 조도 버전도 플러그가 최종 측정 위치에 도달하면 기계적 전이 메커니즘이 프로브를 해제할 때까지 프로브를 수축시킵니다.

깊은 막힌 구멍

보어는 접근 가능하고 측정 깊이가 최소화되면 숍 플로어 환경에서 표면 조도 측정이 일반적으로 쉽습니다. 하지만 엔진 블록 캠샤프트와 크랭크샤프트 보어는 종종 깊은 막힌 구멍(대부분 엔진 500mm까지)이고, 직경이 너무 작아 일반적인 표면 조도 드라이브 유닛이 적절한 위치 결정을 위해 내부에 들어가지 못합니다.

일반적으로 표면 조도 드라이브 유닛은 보어 외부에 두고 긴 측정 프로브 연장을 사용해 중간 캠과 크랭크샤프트 보어에 도달해야 합니다. 하지만 이런 측정을 수행하는 이상적 솔루션은 측정 드라이브 시스템을 측정할 표면에 직접 가져가는 것입니다.

전용 게이지는 긴 측정 연장 없이 드라이브 유닛과 측정 프로브를 측정할 표면 바로 위에 위치시킬 수 있습니다. 드라이브 유닛 자체 직경이 작아 보어 내 측정 위치 바로 위에 배치할 수 있습니다.

방해받은 표면

평평한 표면도 측정 장치 배치가 가능할 만큼 충분히 크고 측정 방향을 방해하는 장애물이 없으면 숍 플로어에서 표면 조도와 웨이비니스 측정이 쉽습니다. 하지만 종종 장애물과 최소 랜드 영역이 전통적인 휴대용 장치 사용을 금지합니다.

일부 표면은 작은 랜드 영역뿐 아니라 주물의 장애물로 전통적인 표면 조도 웨이비니스 시스템 사용을 금지합니다. 보통 이 표면은 드라이브 시스템을 부품에서 떨어져 있게 하고 긴 측정 프로브 연장을 사용해 표면에 도달해야 측정할 수 있습니다.

게이지는 스키드리스 드라이브 유닛과 측정 프로브를 가깝게 유지하고 프로브 연장 없이 숍 플로어에서 스키드리스 표면 조도 측정을 수행할 수 있습니다. 시스템은 템플릿 지그로 스키드리스 드라이브 유닛을 위치시키고 장애물을 피하기 위해 약간 높게 위치시킵니다.

저널 표면

표면 조도는 크랭크샤프트에서 매우 중요합니다. 수천 RPM으로 회전하고 베어링과 크랭크 표면 및 그 단면이 금속 대 금속 접촉 상태라 마모 잠재력이 엄청납니다. 표면 조도가 이 제품들의 수명을 결정합니다.

크랭크 저널 표면 조도 측정 시 스냅 게이지와 유사한 개념이 사용됩니다. 표면 조도 게이지는 다양한 크기에 맞게 조절 가능해야 하고, 고정돼야 하며, 프로브를 보호해야 합니다.

에어 작동 방식의 전용 저널 마감 게이지는 사용자가 잠금 조를 대략적 크기로 설정할 수 있게 합니다. 수동 에어 작동으로 게이지가 스스로 위치에 고정되고 프로브가 부품에 접촉하도록 해제합니다. 이 모든 게이지와 마찬가지로 프로브는 게이지가 완전히 고정되지 않으면 접촉하지 않습니다. 이 게이지의 핵심 차이는 프로브가 부품 크라운을 따라 수평으로 움직이는 트래버스 프로브 작동 방식이라는 점입니다.

베어링과 크랭크 저널만큼 중요한 건 이들이 맞물리는 추력면입니다. 또 다른 스냅 게이지 개념으로 표면 조도 프로브를 여기 배치하며, 같은 생각으로: 사용하기 쉽고, 작업자 영향 없고, 보호된 프로브 위치.

이전 Quality Magazine에 게재됨.