KR20090012338A - 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법 - Google Patents

크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크랭크 샤프트 (1) 의 메인 베어링 (HL) 및 로드 베어링 (PL) 의 베어링 시트의 기계가공 방법에 관한 것으로, 메인 베어링 (HL) 및 로드 베어링 (PL) 의 베어링 시트 (30) 는 단조 또는 주조를 통한 크랭크 샤프트 (1) 의 예비 성형 후 하기의 가공 공정: 특정한 절삭날을 이용한 기계가공에 의한 성형, 메인 베어링 및 로드 베어링의 모든 필렛 또는 리세스의 딥 압연, 크랭크 샤프트 (1) 의 직선처리, 각 경우에 고속의 거친 절삭 턴-밀링 및 다듬질 절삭 턴-밀링에 의한 엔드 밀링 커터 (12) 를 이용한 정밀 절삭 가공, 다듬질 절삭 턴-밀링 후 크랭크 샤프트의 베어링 시트의 평탄화 압연을 받게 되며, 상기 거친 절삭 턴-밀링과 상기 다듬질 절삭 턴-밀링은 각 경우에 크랭크 샤프트 (1) 의 본질적으로 완전한 회전 동안 엔드 밀링 커터 (12) 의 종방향 이송없이 및 접선방향 이송없이 수행된다.
Figure P1020087028887
베어링

Description

크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법 {METHOD OF MACHINING THE BEARING SEATS OF THE MAIN AND ROD BEARINGS OF CRANKSHAFTS}
본 발명은 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트를 기계가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트는 단조 또는 주조를 통한 크랭크 샤프트의 예비 성형 후 여러 가공 공정을 받게 된다.
통상적으로 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트들은 다단계로 칩 제거 가공된다. 이러한 점에서 전형적인 가공 순서에 따르면, 단조된 또는 주조된 크랭크 샤프트의 베어링 시트들은 우선 터닝 (turning), 밀링 또는 턴-브로칭 (turn-broaching) 을 통해 예비 가공되고, 그 후 연삭을 통해 중간 가공되며, 최종적으로 다듬질 가공을 거친다. 특히 베어링 시트를 그 밖의 제조 과정에서 손상으로부터 보호하기 위해, 가공은 보통의 경우 경화 및 후속의 연삭을 포함하는데, 상기 연삭은 베어링 시트가 경화된 후 상기 베어링 시트를 최종 치수로 가공하기 위한 것이다.
헤겐샤이트 에어켈렌츠 (Hegenscheidt, Erkelenz) 사의 1983년도 발행 회사 팸플릿에는 '크랭크 샤프트의 기술 - 품질 및 서비스 수명을 향상시키기 위한 가공' 이라는 제목하에 '4-실린더, 5-베어링 승용차용 크랭크 샤프트를 위한 가공 순서' 가 기술되어 있다 (상기 문헌은 하기에서 간략히 Do 라고 불리운다). 상기 공지의 가공 순서는 크랭크 샤프트의 완전한 가공을 위해 25 가지의 공정을 포함한다 (Do, 8 쪽 및 9 쪽 참조). 상기 문헌에 기술되어 있는 모든 가공 공정이 본 발명과 관계되는 것은 아니다. 관계되는 것은 공정 04, 05, 06, 09, 10, 11, 12, 13, 14 및 22 a 이다. 공정 04 내지 06 은 '특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공에 의한 성형' 의 개념에 해당될 수 있다. 공정 09 와 10, 즉 경화와 어닐링에 대해 대안적으로, 공정 22 a, 즉 평탄화 압연이 제시된다; 즉, 베어링 시트의 경화되지 않은 표면의 강화. 그 후, 어느 경우이든 공정 13 과 14 에 상응하여 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 다듬질 연삭이 수행된다.
예컨대 DE 212950 및 AT 286067 에는 크랭크 샤프트의 베어링 시트의 턴-밀링 (turn-milling) 이 제안되어 있다. 이 경우에는, 가공되어야 하는 베어링 시트의 축에 수직으로 있는 축 둘레로 회전하는 엔드 밀링 커터가 접선방향 이송과 더불어, 회전하는 공작물을 지나 안내된다. 이러한 제안은 특히 연삭시 생기는 연삭 슬러지를 피하기 위해 최근에 다시 관심을 갖고 다루어졌다.
WO 97/32680 A1 에는 (상기 문헌은 하기에서 간략히 D1 이라고 불리운다) 크랭크 샤프트의 베어링 시트를 가공하기 위한, 습식 연삭이 생략되는 방법이 제안되어 있고, 상기 방법에서 크랭크 샤프트는, 상기 크랭크 샤프트가 그 안에 클램핑되어 있으며 기계의 C 축과 서로 같은 그의 종축 둘레로 회전 가능하게 구동되도록 설치되어 있는 수용 장치를 수단으로 분당 약 20 내지 100 회전으로 회전되고, 밀링 공구로 가공되며, 상기 밀링 공구는 공구 스핀들 안에서 (기계의 X 축에 대해 평행인) 그의 A 축 둘레로 회전할 수 있고, 그의 X 축을 따라 공작물 쪽으로 인피드 가능하며, 그의 X 축에 대해 수직으로 (기계의 Y 방향으로; 공작물에 대해 접선적으로) 옮겨질 수 있다. 이때, 해당 가공은 두 단계로 수행된다.
상기 설명에 따르면, 상이한 하중들을 받는 절삭 공구, 및 가공 단계에서 실현되어야 하는 질을 고려하여, 접선방향 이송 속도는, 베어링 시트의 예비 가공 단계 동안은 (거친 절삭) 밀링 공구의 둘레 절삭날이 최적의 절삭 조건을 갖고 다듬질 가공 동안은 (다듬질 절삭) 정면 절삭날이 전체 베어링 시트를 커버할 수 있도록 제어된다 (D1, 11 쪽 11 행 내지 25 행 참조). 턴-밀링 공구의 상응하는 높은 회전속도를 통해, High-Speed-Cutting 시 필요한 높은 절삭속도가 달성될 수 있고, 크랭크 샤프트는 그럼에도 불구하고 약 100 min-1 까지의 일반적인 회전속도로 회전되며, 상기 회전속도는 연삭시에도 공작물의 고품질을 실현하기 위해 이용된다. 높은 절삭속도를 통해 공작물이 받는 하중이 작고, 매우 좋은 입체 기하학이 획득될 수 있다. 베어링 시트의 윤곽에 맞춰진 공구에 있어서 턴-밀링 공구의 접선방향 이송은 하나의 공정에서 베어링 시트의 전체 폭을 가공할 수 있도록 한다. 베어링 시트의 통상적인 단계, 즉 예비 가공과 연삭 가공은 (한 기계에서 및 크랭크 샤프트의 클램핑과 더불어) 하나의 작업단계로 통합될 수 있고, 이로써 현저한 합리화가 달성될 수 있다. 밀링 공구에는, 통용되는 절삭날 재료 종 류로 구성되며 각각 정면쪽 절삭날과 둘레쪽 절삭날을 구비하는 3 개의 인서트가 장착된다. 인서트 기하학은 이행 구역의 반경, 평면 어깨부 등과 관련하여 가공되어야 하는 베어링 시트의 기하학에 맞춰져 있다 (D1 6 쪽 33 행 내지 7 쪽 5 행 참조).
베어링 시트의 가공을 수행하기 위해서는, 크랭크 샤프트의 상승 높이를 고려할 때 공지의 턴-밀링 공구는 매우 길게 뻗어야만 한다 (돌출 길이) (D1 8 쪽 18 행 내지 20 행 참조).
요약하자면, D1 에는 고속 턴-밀링을 이용함으로써 크랭크 샤프트의 베어링 시트 가공시 짧은 사이클 시간 및 매우 좋은 품질이 달성되는 방법 및 장치가 제안되어 있고, 따라서 연삭 가공 단계가 생략되어도 된다 (D1 15 쪽 22 행 내지 27 행 참조). 단조되거나 또는 주조될 수 있는 자동차용 크랭크 샤프트와, 예컨대 선박 엔진용의 무거운 대형 크랭크 샤프트가 구별된다 (D1 1 쪽 1 단락 및 2 단락, 2 쪽 2 단락, 3 쪽 1 단락 참조). 이와 같이 명칭된 크랭크 샤프트가 경화되어 있는지 또는 어떤 다른 방식으로 베어링 시트의 표면의 강화가 수행되었는 지는 알 수 없는 상태이다. 그러나, 당업자는, 승용차용 크랭크 샤프트의 가공과 선박 엔진용 크랭크 샤프트의 가공 사이에는 큰 기술적 차이가 있음을 알고 있다. 그러므로, 이점에서 당업자가 진보시켜야 하지 않고 D1 의 사상을 제한 없이 크랭크 샤프트의 모든 유형에 적용할 수 있을 지가 의심스럽다.
대략적으로 평가할 때, 승용차용 크랭크 샤프트의 제품량에서 약 25% 가 경화되어 있지 않다. 생산된 모든 승용차용 크랭크 샤프트의 약 50% 에 있어서 베어링 시트가 경화된다. 생산된 승용차용 크랭크 샤프트의 거의 25% 는 또한 베어링 시트와 크랭크 웨브의 사이에 경화된 이행 구역 또는 경화된 리세스를 갖는다.
EP 1 030 755 B1 에는 (상기 문헌은 하기에서 간략히 D2 라고 불리운다) 가공 단계의 순서, 즉 절삭 - 경화 - 절삭 - 다듬질을 통한 크랭크 샤프트의 가공이 공지되어 있다. 이를 위해, 무엇보다도 강철 크랭크 샤프트에 있어서 베어링 시트면은, 표면에 가까이 있는 영역에서 경화된다. 이는, 베어링 시트의 마모 강도를 상승시키고, 전체 제조과정 동안의 취급시 베어링 시트를 손상으로부터 보호하며, 크랭크 샤프트의 강도 특성에 영향을 주기 위한 것이다 (D2 1 단 23 행 내지 30 행 참조). D2 의 사상의 기술적인 출발점은 4 가지 단계로 이루어진 크랭크 샤프트의 통상적인 가공이다: 제 1 단계는 특정한 절삭날을 이용한 절삭 가공이다; 이와 관련하여 턴-밀링, 특히 고속 턴-밀링이 언급된다. 뒤따르는 제 2 가공 단계에서는 크랭크 샤프트의 베어링 시트가 경화된다. 제 3 단계는 단단하고 솔리드한 연삭 공구, 예컨대 연삭휠에 의한 연삭에 관한 것이다. 최종적으로 제 4 단계에서는 보통의 경우 정지해 있는 연삭 벨트 또는 연삭 숫돌에 의한 다듬질이 수행되는데, 상기 연삭 숫돌은 크랭크 샤프트의 회전하는 베어링 시트의 바깥둘레에 눌려진다. 제거되는 재료 여유는 다듬질시 1 내지 10 ㎛ 의 범위에 있다 (D2 2 단 32 행 내지 3 단 15 행 참조).
크랭크 샤프트의 가공 비용을 낮추기 위해, D2 에 따르면 베어링 시트의 가공을 4 가지 가공 단계에서 3 가지 가공 단계로 감소시키고자 한다 (D2 3 단 21 행 내지 24 행 참조). 연삭 가공을 생략함으로써 가공 단계는 4 가지에서 단지 3 가지의 원칙적으로 상이한 가공 방법으로 줄어든다. 그러므로, 연삭 슬러지의 제거시 처리 문제가 없을 뿐만 아니라 연삭 기계를 위한 투자비 및 공구 사용비가 없어도 되며, 특히 공작물의 연장된 순환 시간으로 인하여 증가된 공작물의 재고가 없다. 이에 반해 절삭 가공의 칩을 처리하는 것은 문제가 되지 않는데, 왜냐하면 (고속 밀링) 건식 절삭되거나 또는 연삭 먼지에 비해 칩의 훨씬 작은 특수한 표면으로 인해 칩과 오일의 분리가 완전히 가능하기 때문이다 (D2 4 단 21 행 내지 33 행 참조).
이 이외에, 베어링 시트의 기존의 연삭에서는, 절삭 예비 가공으로 인해 생기는 원형 편차가 연삭에 의해 일반적으로 단지 절대값에서만 감소되지 그 특성에 있어서는 감소되지 않는다는 것이 고려되어야만 한다. 즉, 장파의 원형 편차로부터 연삭에 의해 단파의 원형 편차가 되는 것이 아니라, 파동 골의 수량이 유지되거나 또는 심지어 감소되며, 그 결과, 다듬질 작업에 의한 원형 편차의 그 밖의 개선은 시간 단위당 결과 개선을 따져볼 때 다듬질 작업시 오히려 악화되었다 (D2 7 단 49 행 내지 8 단 3 행 참조). 경화 후, D2 에 따르면 다시 한번 재료 감소는 절삭, 특히 두 단계로 이루어진 절삭 중 두 번째 절삭 단계 (다듬질 절삭) 에 의해 수행된다 (D2 9 단 20 행 내지 24 행 참조).
D1 과 D2 에 기술된 것들에서 공통적인 것은, 습식 연삭을 통한 베어링 시트의 다단계 턴-밀링 가공을 피하는 것이다. 그러므로, 상술된 바와 같이, 경화된 (D2 참조) 베어링 시트에서 제조의 질이 향상될 수 있으며, 연삭 슬러지의 제거 로 인해 발생하는 비용이 없다. 그러므로, 만장일치의 공지된 견해는, 다단계의 턴-밀링 가공을 예비 가공 내에 통합시키고자 하는 것이다. 크랭크 샤프트의 사용 가능한 상태까지 가공 순서들의 가능한 조합으로서 언급되는 것도 이 견해에 반하지 않는다: 절삭 - 경화 - 절삭 - 다듬질 작업 (D2 4 단 50 행 내지 54 행 참조).
독일 특허문헌 4446475 도 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 가공 방법에 관한 것으로, 상기 인용참증에 분명하게 상술되어 있진 않으나, 상기 가공 방법의 출발점은 해당 베어링 시트의 가공 전에 단조 또는 주조를 통한 크랭크 샤프트의 예비 성형이 선행되는 것일 것이다. 이 문헌에는 로드 베어링의 턴-밀링 가공이 제시되어 있다; 이에 반해 크랭크 샤프트의 메인 베어링의 가공은 분명히 턴-밀링을 통해 수행되는 것이 아니라 오히려 턴-브로칭 또는 턴-턴-브로칭 (turn-turn-broaching) 을 통해 수행된다. 상기 인용참증에 따르면 분명히 '편심 공작물 표면' 만이, 즉 로드 베어링만이 턴-밀링 가공을 거친다.
본 발명은, 베어링 시트, 특히 편심 베어링 시트를 가진 크랭크 샤프트 및 그 밖의 샤프트의 구조적인 복잡함으로 인해 공지의 수단만으로는 제조비 및 작업 결과의 최적화가 달성될 수 없다는 인식에서 시작된다. 본 발명의 목적은, 비교적 적은 비용으로 고품질의 크랭크 샤프트를 제조하는데 기여할 수 있는, 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법을 제공하는 것이다. 상기 목적은 본 발명에 따르면 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트가 단조 또는 주조를 통한 크랭크 샤프트의 예비 성형 후 하기의 가공 공정을 받게 된다.
- 특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공에 의한 성형
- 메인 베어링 및 로드 베어링의 모든 필렛 (fillet) 또는 리세스 (recess) 의 딥 압연 (deep rolling)
- 크랭크 샤프트의 직선처리 (straightening)
- 각 경우에 고속의 거친 절삭 턴-밀링 및 다듬질 절삭 턴-밀링에 의한, 엔드 밀링 커터를 이용한 정밀 절삭 가공
- 다듬질 절삭 턴-밀링 후 크랭크 샤프트의 베어링 시트의 평탄화 압연 (smooth rolling)
상기 거친 절삭 턴-밀링과 상기 다듬질 절삭 턴-밀링은 각 경우에 크랭크 샤프트의 본질적으로 하나의 완전한 회전 동안 엔드 밀링 커터의 종방향 이송없이 및 접선방향 이송없이 수행되는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법을 통해 달성된다.
상기 칩 제거 절삭날을 이용한 성형 공정과 상기 필렛 및 리세스의 딥 압연 공정의 사이에 크랭크 샤프트가 경화되는 경우에는, 베어링 시트의 경화 후 특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공의 다단계 과정이 거친 절삭 및 다듬질 절삭을 구비한 턴-밀링을 통해 수행되고, 이때 각 경우에 크랭크 샤프트의 해당 회전 동안, 즉 엔드 밀링 커터의 절삭 개시와 퇴장의 사이에, 가공되어야 하는 베어링의 축에 대한 엔드 밀링 커터의 위치는 변하지 않는다. 제거될 재료의 밀도 또는 경도로 인해, 또한 턴-밀링 가공의 다단계성으로 인해, 단지 비교적 적은, 연소된 칩이 발생하며, 상기 칩은 건조되어 문제 없이 처리될 수 있다. 크랭크 샤프트가 거친 절삭 턴-밀링 동안 및 다듬질 절삭 턴-밀링 동안 크기 자리수 (order of magnitude) 와 관련하여 각 경우에 대략 하나의 완전한 회전 만큼만 회전됨으로써 (이는 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 크랭크 샤프트의 대략 1 과 1/2 만큼의 완전한 회전을 포함함), 턴-밀링 가공은 최소한의 시간 내에 실행될 수 있다.
평탄화 압연 기술은 소성 변형 가능한 모든 금속성 재료를 위한, 칩이 발생하지 않는 표면 정밀 다듬질이다. 상기 가공은 회전하는 크랭크 샤프트에서 비교적 낮은 가압력하에, 경화된, 고광택 연마된 작업 롤들을 수단으로 수행된다. 평탄화 압연 공정 동안 재료의 가장자리층에서는 소성 변형이 시작되고, 부분적인 또는 완전한 평탄함이 시작될 때까지, 프로파일 상승부는 아래쪽으로 흐르고 뾰족한 끝은 평탄하게 된다. 평탄화 압연의 전과 후의 조직 구조는 겹침이 시작되지 않음을 분명히 나타낸다.
큰 하중을 받는 공작물에서 표면의 질을 개선하기 위한 모든 다른 기술과 비교하여 평탄화 압연 기술의 장점은 다음과 같다.
- 표면의 균일한 가공
- 큰 지지 부분
- 낮은 공구비용
- 공구의 긴 수명
- 가장자리층에서 경도의 상승
- 비틀림 강도의 상승
- 서비스 수명의 연장
딥 압연 기술은 평탄화 압연 기술과 유사하나 아주 다른 목표 설정을 갖는다. 딥 압연력하에 눌려진 작업 롤들은 공작물의 윤곽선을 따라간다. 리세스에서 상기 방법을 적용할시, 롤들의 딥 압연력은 가공되어야 하는 직경의 전체 둘레에서 각도에 따라, 미리 선택 가능한 최소 압력과 최대 압력의 사이에서, 즉 크랭크 샤프트의 매 회전 이내에 자동으로 조절될 수 있다. 랩 심 (lap seam) 의 수량은 미리 선택될 수 있다.
피로 강도의 상승의 달성은 재료, 반경 크기, 압연력 및 리세스의 랩 심의 수량에 좌우된다.
딥 압연의 장점은 다음과 같다.
- 가장자리층의 경도의 상승
- 압축 응력의 도입
- 목표값에 상응하는 딥 압연될 기하학적 형태
다음과 같은 여러 가지의 딥 압연 방법이 있다.
- 이송 방법
- 플런지 인 (plunge in) 방법.
본 발명에 따른 턴-밀링시 엔드 밀링 커터의 축은 가공되어야 하는 베어링 시트의 축에 대해 편심만큼 오프셋되어 있고, 상기 편심은 공구의 투입 및 퇴장 단계를 포함하여 해당 가공 단계 동안 유지 (즉, 일정하게) 된다. 턴-밀링 동안, 종축에 대해 가로질러, 즉 Y 방향으로 또는 공작물에 대해 접선적으로 엔드 밀링 커터의 이송 운동이 행해지지 않는다. 가공 속도 (상대적인 이송) 는 크랭크 샤프트의 회전 속도 및 가공되어야 하는 베어링 시트의 반경에만 좌우된다. 이때, 예컨대 하기의 가공 속도가 달성된다. 200 mm/min 와 9000 mm/min 사이, 바람직하게는 약 600 mm/min 와 1500 mm/min 사이의 상대적인 이송; 60 m/min 와 600 m/min 사이, 바람직하게는 약 80 m/min 와 180 m/min 사이의 절삭 속도이다. 가공될 베어링 시트의 축에 대한 엔드 밀링 커터의 축의 오프셋은 베어링 기하학에 좌우되며, 상기 오프셋은 엔드 밀링 커터의 직경의 0.1 내지 0.25 배의 값, 바람직하게는 약 0.15 내지 0.2 배의 값에 일치한다. 엔드 밀링 커터의 상기 편심에 의해 정면 절삭날들은 전체 베어링 시트를 커버할 수 있다. 상기 편심은 밀링 공정의 동특성 (진동 반응) 을 감소시키기 위해 최적화될 수 있다. 베어링 시트의 밀링 가공은 절삭날 도입시 하향 절삭 또는 상향 절삭으로 수행될 수 있다.
본 발명의 특별한 관점에 따르면, 공작물은 제 1 가공 단계에서의 거친 절삭 턴-밀링 후 측정되고, 상기 측정 결과에 따라 제 2 가공 단계에서의 다듬질 절삭 턴-밀링을 위한 밀링 커터의 인피드 (infeed) 가 산출된다. 각 베어링 시트의 중간 가공을 위해 적절한 NC 제어가 제공되는 것이 중요하다. 이러한 제어는 측정 장치 및 측정 프로그램의 존재를 전제로 하며, 상기 측정 장치 및 측정 프로그램으로 가공 결과가 곧바로 검출되어 기계의 NC 프로그램에서 베어링 시트의 가공을 위해 사용된다. 바람직하게는, 중간 가공의 거친 절삭 후 직경 측정이 수행되고, 이어서 최종 치수를 위해 정확한 인피드가 다듬질 절삭으로서 수행된다. 이때, 표면 기하학, 예컨대 직경, 진원도 (roundness), 조도 및 진직도가 산출되고, 보상 전략과 관련하여 인피드를 위해 이용된다. 측정은 바람직하게는 비접촉식 측정 장치를 갖고 수행된다. 제 1 절삭 후, 프로그래밍이 가능한 NC 축을 통하여, 메인 베어링 및 로드 베어링을 측정하기 위한 하나 또는 여러 개의 측정 장치가 이용된다. 이때, 거친 절삭 턴-밀링 후 베어링 시트의 측정은 클램핑되어 있는 크랭크 샤프트에서 수행되며, 따라서 거친 절삭 턴-밀링, 측정, 다듬질 절삭 턴-밀링은 즉각적인 순서로 수행된다. 개별적인 여건에 따라, 베어링 시트의 턴-밀링 가공의 개별 단계들에 있어서, 베어링 시트 표면의 동일한 크기 또는 상이한 크기의 여유가 제거될 수 있다. 특히 유리한 것은 대개는 두번째로 언급한 경우이며, 즉 경화 후 존재하는 여유는 거친 절삭 턴-밀링 동안에는 60 내지 80%, 바람직하게는 약 65 내지 75% 가 제거되고 나머지는 다듬질 절삭 턴-밀링 동안 제거된다. 제 1 가공 단계와 제 2 가공 단계 사이의 여유 분배는 제 1 가공 단계의 작업 결과에 따른다. 턴-밀링시, 경우에 따라서는 최소 칩 두께 (예컨대 0.1 mm) 가 엄수되어야 한다. 턴-밀링 가공의 두 단계에서 턴-밀링 가공을 통해 통틀어 제거되어야 하는 여유의 최적의 분배를 산출하기 위해서는, 크랭크 샤프트의 베어링들을 상기 기술된 방식으로 이미 고속의 거친 절삭 턴-밀링 전에 측정하는 것이 유리하다.
표면의 품질에 대한 요구 및 다른 주변 조건에 따라, 턴-밀링에 이어서 대개의 경우는 베어링 시트의 평탄화 압연이 수행된다. 그러나 비용과 관련된 관점에서 볼 때 다듬질 작업이 생략된 방법이 특히 선호될 수 있다. 이는 또한 원칙적으로 실현될 수 있다; 왜냐하면 다듬질 절삭 턴-밀링 후 아직 존재하는 표면 비평탄부는 방법상 베어링 시트에서 평행으로 뻗어 있는 것이 아니라 오히려 운동 방향에 대해 가로질러 뻗어 있기 때문이다. 이로써 상기 비평탄부는 작동시 보다 빨리 고르게 되고, 그곳에서 윤활 필름이 국부적으로 찢어지는 위험은 베어링 시트 안에서 반경방향으로 둘러싸는 홈의 경우에서보다 적다.
본 발명의 다른 바람직한 개선예에 따르면, 거친 절삭 턴-밀링의 시작시 및 다듬질 절삭 턴-밀링시 투입 동안 엔드 밀링 커터의 인피드는 엔드 밀링 커터의 축과 관련하여서만 축방향 성분을 구비한다. 다른 말로 하자면, 크랭크 샤프트가 특정한 양 만큼 (하기 참조) 회전되는 동안, 엔드 밀링 커터는 그의 종축을 따라 인피드되고, 반경방향으로 공작물 상에 놓인다. 이는 제거되어야 하는 재료 안으로의 엔드 밀링 커터의 투입시 '함몰부' 의 생성을 저지하는 데 유리하다. 이러한 방식으로 함몰부의 생성을 피함으로써, 턴-밀링 전에 존재하는 여유는 상응하여 적을 수 있고 (예컨대 단지 0.5 mm, 즉 r = 0.25 mm 내지 r = 0.15 mm), 이는 다단계 정밀 턴-밀링의 경제성에 유리한 작용을 한다. 제거될 재료 안으로의 엔드 밀링 커터의 투입이 거친 절삭 턴-밀링을 위해 결정적인 그의 위치로 크랭크 샤프트의 약 3°내지 15°, 바람직하게는 약 5°의 회전 각도에 걸쳐 연장되면 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 마찬가지가 다듬질 절삭 턴-밀링시 엔드 밀링 커터의 투입에 적용된다.
엔드 밀링 커터의 절삭 개시 및 퇴장과 협력하여 최적의 진원도를 얻기 위해, 공구 스핀들에 걸친 배분력의 변동은 센서 기술 및 액츄에이터 기술의 도움으로 보상된다. 이때, 공구 스핀들의 경로는 약 10 내지 20 ㎛ 의 Xm 범위에서 압전 소자를 이용해 교정된다. 정밀 턴-밀링된 베어링 시트의 진원도를 개선하기 위해 힘 측정 및 X 축의 위치 조절을 수단으로 하는 자동화된 인피드 교정은, 정밀 턴-밀링 가공 동안 공구/공작물의 배분력들의 균형을 이루는 것에 그 기초를 두고 있다. 이는, 배분력을 결정하기 위한, 공구 스핀들 안에서의 (공구에 대해 축방향으로) 힘 측정을 통해 수행된다. 힘 (시간 신호 △t 를 포함하여) 의 포지티브/네카티브 상승을 결정하기 위한 비교적 높은 스캔율 (샘플링 주파수) > 1 kHz 및 연속하는 2 개의 측정점의 수치상 평가가 꼭 필요하다. 마찬가지로 > 1 kHz 에서 10 내지 20 ㎛ 를 (공지의 간격에서 시간 천이됨 (time-shifted): 측정 간격/계산 간격/이동 간격) 예컨대 압전 소자를 통해 발생시킬 수 있는 빠른 X 축 구동이 필요하다.
그 배경에는, 배분력이 경도 변동으로 인해 또는 절삭 횡단면의 변경 (오일 보어) 으로 인해 변하면 공구의 인피드는 X 방향으로 상응하여 교정되어야 한다는 기본 사상이 있다. 충분히 높은 해상도 및 10 내지 20 ㎛ 내의 X 축 구동의 속도에서 (이동-윈도우), 절삭날의 도입 및 퇴장에 의한 진동 영향 조차 현저히 감소될 수 있다 (대응 진동/파동 마루와 파동 골의 소멸의 원칙).
그러나 이때, 시스템은 교정된 이동 운동에 의해 초래될 수 있는 배분력 변경을 통해 오버슈팅의 경향이 있음을 주의해야만 한다. 예컨대 경도가 감소하면, 그러므로 배분력도 감소하면, 그리고 이때 + X 방향으로 공작물로부터 멀리 '보정' 되는 경우에는, 배분력은 계속 감소하고 시스템은 '스윙 업한다'.
가능한 해결책은, 힘 신호의 평가를 보다 긴 기간에 걸쳐 수행하거나 또는 이동 평균값의 적분 계산, 및 교정들 사이에 휴지를 가진 지연된 교정을 통해 수행하는 것이다. 그럼에도 불구하고, 고주파 진동이 아직 감소되어야만 한다.
본 발명의 다른 바람직한 개선예의 특징은, 턴-밀링을 위해 이용된 엔드 밀링 커터의 절삭날 직경이 가공되어야 하는 베어링 시트의 폭보다 크다는 데에 있다. 바람직하게는, 턴-밀링을 위해 이용된 엔드 밀링 커터의 직경은 가공되어야 하는 베어링 시트의 폭의 약 1.15 내지 1.35 배의 크기이다. 이 경우, 유리하게는 예비 성형 동안, 제조되어야 하는 베어링 시트의 양쪽에 각각, 턴-밀링 가공시의 밀링 커터의 배출 (run out) 을 위한 언더컷 (undercut) 이 제공된다. 이 파라미터들을 고려할 때, 턴-밀링 가공 후 베어링 시트의 표면에 남아 있는 표면 프로파일의, 윤활제 필름의 유지에 유리한 연장이 발생한다.
크랭크 샤프트의 베어링 시트의 가공시, 크랭크 샤프트는 다단계의 턴-밀링 가공을 위해 그의 플랜지쪽에서는 회전 가능한 제 1 척 (chuck) 에 클램핑되고 그의 저널쪽에서는 회전 가능한 제 2 척에 클램핑되는 것이 유리하다. 바람직하게는, 상기 두 척은 동기식으로 구동될 수 있고, 1 과 100 min-1 사이의 회전 속도로 회전한다.
크랭크 샤프트가 바람직하게는 동시에, 적어도 하나의 인접한 메인 베어링에서 반경방향에서 1 개 또는 2 개의 방진구에 의해 지지되는 동안, 크랭크 샤프트의 개별 메인 베어링들의 베어링 시트들은 유리하게는 차례대로 하나의 유일한 턴-밀링 공구로 가공된다. 상응하는 방식으로, 크랭크 샤프트가 동시에, 가공된 로드 베어링에 인접한 적어도 하나의 메인 베어링에서 반경방향에서 1 개의 방진구에 의해 지지되는 동안, 개별 로드 베어링들의 베어링 시트들은 유리하게는 차례대로 하나의 유일한 턴-밀링 공구로 가공된다.
방진구에 의한 지지를 통해, 크랭크 샤프트가 가공력하에 구부러져 가공 결과가 나빠지는 것을 피할 수 있다.
대안적으로, 여러 개의 메인 베어링 또는 로드 베어링이 여러 개의 턴-밀링 공구로 동시에 가공될 수 있다. 이 경우에는, 상응하는 다수의 턴-밀링 공구가 제공된다.
각 베어링 시트의 다단계 턴-밀링 가공을 위해, 고유의 개별적인 NC-제어 프로그램이 진행되면 특히 바람직하다. 이러한 개별적인 제어는 측정 장치 및 측정 프로그램의 존재를 전제로 하며, 상기 측정 장치 및 측정 프로그램으로 거친 절삭 턴-밀링 가공의 개별적인 가공 결과는 곧바로 산출되고, 기계의 NC 프로그램에서 다듬질 절삭 턴-밀링 가공 동안 해당 베어링 시트의 가공을 위해 사용된다. 바람직하게는, 설명한 바와 같이, 다단계 턴-밀링 가공의 거친 절삭 후 측정되고, 이어서 다듬질 절삭을 위한 인피드가 수행된다. 최근의 개발들 덕택에, 가공 기계의 이렇게 복잡한 NC 제어는 오늘날 쉽게 가능하다.
도입부에 기술한 바와 같이 승용차 엔진용의 크랭크 샤프트의 가공 이외에, 보다 큰 엔진, 예컨대 소형 선박, 장갑차 또는 기관차용의 엔진을 위한 크랭크 샤프트도 동일한 방식으로 가공될 수 있다. 캠 샤프트 또는 컨트롤 샤프트의 가공도 가능하다.
본 발명은 또한 상기 방법을 실행하기 위한 공작 기계에 관한 것이다. 상기 공작 기계는 하기의 것을 구비한다.
- 가공될 샤프트의 메인 회전축에 대응하는 Z 축 둘레의 회전축 (C 축) 을 가진 메인 스핀들,
- C 축에서 회전 가능하게 구동될 수 있는 척,
- Y 방향 및 Z 방향으로 이동 가능하고, X 방향으로 인피드 가능하며, X 축 둘레로 회전하는 적어도 하나의 공구 스핀들,
- 베어링 시트들 중 하나에서 크랭크 샤프트를 위한 적어도 하나의 지지부를 가진, Z 방향을 따라 이동 가능한 적어도 하나의 방진구,
- 데드 센터를 구비한 심압대 또는 제 2 척.
크랭크 샤프트를 칩 제거 가공하기 위한 이러한 기계 이외에, 필렛 또는 리세스를 딥 압연하기 위한 또는 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트를 평탄화 압연하기 위한 별도의 기계들 또는 장치들이 제공된다. 이러한 것들이 칩 제거 가공을 위한 장치들의 로드 베어링들을 위한 상기 공작 기계에 이미 존재해 있지 않거나 또는 상기 공작 기계에 설치될 수 없는 경우에는, 딥 압연 공정 및 평탄화 압연 공정은 이를 위해 전문화된 독립형 기계들에서 제조 공정들의 연쇄 (chain) 내에서 수행된다.
회전 가능하게 구동될 수 있는 2 개의 척을 구비한 기계에서 크랭크 샤프트의 베어링 시트의 가공시, 제 1 척은 크랭크 샤프트를 그의 플랜지에서 수용하고 제 2 척은 크랭크 샤프트를 그의 저널에서 수용한다. 척으로는 바람직하게는 데드 센터 수용부를 가진 보상 척 (compensating chuck) 이 사용된다. 턴-밀링 공구를 구비한 공구 스핀들의 회전축 (A 축) 은 기계의 작업 평면에 대해 직각으로 X 축 둘레로 회전한다. 턴-밀링 공구를 위한 공구 스핀들은, 가공되어야 하는 베어링 시트의 축과 공구 축 사이의 편심 (오프셋) 을 조정하기 위해 상기 공구 스핀들을 기계의 Y 방향에서 조정 가능하게 하기 위한 장치를 또한 구비한다. 최종적으로, 개별 베어링 시트들을 차례대로 가공할 수 있기 위해, 공구 스핀들은 또한 공작 기계의 Z 방향에서 이동 가능 및 고정 가능하다.
로드 베어링의 베어링 시트의 표면을 가공하기 위해 공구 스핀들은 장치를 구비하며, 상기 장치의 도움으로 상기 공구 스핀들은 조정되어 X 축의 방향으로 진동할 수 있고, 따라서 상기 공구 스핀들은 메인 축을 중심으로 하는 크랭크 샤프트의 회전 동안 로드 베어링의 원형 운동을 따라갈 수 있다. 제 2 의 '중첩된' X 축은 압전 소자를 수단으로 하는 예컨대 10 ㎛ 까지의 인피드를 위해 제공되어 있다. 이로 인해, 공정 동특성의 감소가 가능해진다.
공구 스핀들은 바람직하게는 엔드 밀링 커터를 수용하기 위해 설치되어 있고, 상기 엔드 밀링 커터의 섕크는 그의 직경에 비례하여 길이를 가지며, 상기 길이와 상기 직경과의 비율은 10:1.5 내지 10:3 이다. 엔드 밀링 커터의 이 슬림함은, 회전하는 크랭크 샤프트에 있어서 베어링 시트의 모든 면 (외피면) 이 공구로 가공될 수 있는 전제 조건이다. 그러나 슬림함은 엔드 밀링 커터의 섕크가 높은 굽힘 강성을 가질 것을 전제로 한다. 엔드 밀링 커터의 섕크가 초경합금으로 제조되거나 또는 높은 굽힘 강성을 가진 그 밖의 재료로 제조되면 바람직하다. 엔드 밀링 커터는 바람직하게는 수축끼워맞춤 척 (shrink fit chuck) 에 클램핑된다.
조용하고 균일한 절삭을 실현하기 위해, 엔드 밀링 커터에는 납땜되거나 또는 달리 적합하게 고정된 CBN (입방정 질화붕소) 인서트로 만들어진, 또는 다른 적합한 재료로 구성된 인서트로 만들어진 바람직하게는 적어도 3 개의 정면 절삭날이 장착된다. 엔드 밀링 커터의 상기 정면 절삭날들은 각각 바람직하게는 0.02°와 0.08°사이의 매우 작은 설정각 (setting angle) 을 가진다. 이러한 설정각에 의해, 크랭크 샤프트에 있어서 베어링 표면의 유리한 볼록한 (공 모양의) 형태가 획득된다. 정면쪽 공구 절삭날의 비스듬한 연삭 섹션에 의해 만들어질 수 있는 상기 설정각은 특히 약 0.04°일 수 있다. 공구는 요구에 따라 내부가 냉각될 수 있다.
방진구 (상기 참조) 에 의한, 각 경우에 가공 상태에 처해 있지 않은 베어링 시트들을 위해 바람직하게 제공될 수 있는 지지는 메인 베어링의 유리하게는 3 개의 점에서 행해지고, 상기 점들 중 하나는 X 방향에 (턴-밀링 공구에 마주하여) 놓여 있다. 메인 베어링 및 로드 베어링 안의 필요한 오일 보어에 의해 지지가 방해되는 것을 배제하기 위해, 방진구의 지지면은 바람직하게는 슬라이딩 블록으로서 형성되며, 상기 슬라이딩 블록들은 각각 메인 베어링 시트의 오일 보어의 영역에서 그루브 (groove) 형태의 리세스 (recess) 를 구비할 수 있다. 추가로, 특히 베어링 직경에 맞춰진 중공 그라인딩 (hollow grinding) 을 통하여, 슬라이딩 블록들은 베어링의 외피 라인의 표면 윤곽에 맞춰질 수 있다. 이는 지지 부분의 최대화를 통한 최적의 지지에 도움이 된다.
본 발명의 특별한 장점들은, 전술한 바와 같이, 베어링 시트가 경화되는 특히 크랭크 샤프트 및 그 밖의 샤프트에서 나타난다. 그러나 베어링 시트의 경화가 그 밖의 취급 동안의 보호의 관점에서 필요하지도 않고 추구되는 마모 저항성의 관점에서도 필요하지 않다면, 베어링 시트의 경화 없이 본 발명에 따른 방법을 이용하는 것이 고려된다. 이 경우에는 턴-밀링 공구의 절삭날들에게 보다 적은 요구가 제시될 것이다. 게다가, 경화시 대개의 경우 생기는 뒤틀림이 없기 때문에 턴-밀링 가공을 위한 여유는 경화된 베어링 시트에서보다 적을 것이고, 이는 제조 경제성의 관점에서 볼 때 유리하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 1 은 4-실린더-크랭크 샤프트의 사시도,
도 2 는 축척으로 도시한, 도 1 에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 시트들을 가공하기 위해 이용될 수 있는 엔드 밀링 커터의 측면도,
도 3 은 배척으로 도시한, 도 2 의 화살표 (A) 방향으로의 도 2 에 따른 엔드 밀링 커터의 평면도,
도 4 는 배척으로 도시한, 엔드 밀링 커터의 정면쪽 단부의 측면도,
도 5 는 도 1 에 따른 크랭크 샤프트의 메인 베어링의 가공 단면도,
도 6 은 턴-밀링 가공의 여러 단계의 상대적인 이송을 나타내는 벡터 도면,
도 7 은 다른 메인 베어링의 지지를 나타내는 단면도,
도 8 은 방진구의 슬라이딩 블록의 평면도,
도 9 는 딥 압연을 위해 바람직한 지점들을 가진 크랭크 샤프트의 측면도,
도 10 은 로드 베어링 저널에서 딥 압연 공구의 맞물림을 나타내는 도면,
도 11 은 평탄화 압연을 위해 바람직한 지점들을 가진 크랭크 샤프트의 측면도,
도 12 는 로드 베어링 저널에서 평탄화 압연 공구의 맞물림을 나타내는 도면이다.
도면은 실제 척도로 나타내지 않았으며, 부분적으로 매우 간략히 도시하였다.
특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공을 통해 성형된 (예비 성형된) 크랭크 샤프트 (1) 에서, 제공되어 있는 경우, 우선 모든 베어링 시트의 표면 및 이에 동반하여 대개의 경우에는 이행 구역 (필렛 또는 리세스) 이 경화된다. 상기 경화에 상관없이, 후속의 가공 공정으로 모든 필렛 또는 리세스 (42) 의 딥 압연이 수행된다 (도 9). 이 때, 크랭크 샤프트 (1) 가 회전하는 동안, 2 개의 딥 압연 롤 (43, 44) 은 소정의 딥 압연력하에서 리세스 (42) 안으로 눌려진다. 딥 압연 롤 (43, 44) 은 딥 압연 동안 딥 압연 롤 헤드 (46) 안에 회전 가능하게 설치 되어 있는 가이드 롤 (45) 에 의해 지지된다 (도 10). 딥 압연 롤 (43, 44) 에 대해 저널 (PL) 은 2 개의 지지 롤 (47) 에 의해 지지되고, 상기 지지 롤들은 지지 롤 헤드 (48) 안에 회전 가능하게 설치되어 있다. 딥 압연 롤 헤드 (46) 와 지지 롤 헤드 (48) 는 딥 압연 공구의 부품들이다 (도시되어 있지 않음).
필요한 경우, 크랭크 샤프트는 필렛 또는 리세스 (35) 의 경화 및/또는 딥 압연 후 직선처리된다. 상기 직선처리는 딥 압연때와 동일한 딥 압연 공구로 수행되나, 크기 및 방향에 따라 딥 압연력의 조절하에서 수행된다. 딥 압연을 통해, 강철로 만들어진 크랭크 샤프트의 피로 강도는 본래의 피로 강도에 비해 200% 만큼 상승될 수 있고, 구상 주철로 만들어진 크랭크 샤프트의 피로 강도는 300% 만큼 상승될 수 있다. 칩 제거 가공을 통해 예비 성형되며, 경화되지 않거나 또는 경화되고, 딥 압연되고 직선처리된 크랭크 샤프트 (1) 는 그의 메인 회전축 (2) 둘레로 회전 가능하게 공작 기계 (도시되어 있지 않음) 안에 클램핑되고, 상기 공작 기계에서 이제 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트는 정밀 턴-밀링을 통해 가공된다. 저널 (3) 에서부터 차례대로 메인 베어링들을 HL 1 내지 HL 5 라고 한다. 이와 유사하게, 로드 베어링들도 도면에서 저널 (3) 에서부터 차례대로 PL 1 내지 PL 4 라고 한다. 저널 (3) 반대편에 있는 크랭크 샤프트 (1) 의 단부는 플랜지 (4) 이다. 본 예에서 크랭크 샤프트 (1) 는 플랜지 (4) 및 저널 (3) 에서 각각 1 개의 척에 의해 클램핑되고, 상기 척각각에는 2 개의 클램핑 조 (clamping jaw, 5) 가 도시되어 있다. 클램핑력은 화살표 (6) 방향으로 반경방향에서 플랜지 (4) 에 작용한다.
크랭크 샤프트 (1) 의 회전축 (2) 은 동시에, Z 방향으로 뻗어 있는 공작 기계의 C 축이다.
플랜지 (4) 에서부터 차례대로 크랭크 샤프트 (1) 의 메인 베어링 (HL 5 내지 HL 1) 이 먼저 화살표 (9) 대로 정밀 턴-밀링을 통해 칩 제거 가공된다. 화살표 (9) 방향으로의, 즉 공작 기계의 - X 방향으로의 가공 동안, 크랭크 샤프트 (1) 의 지지는 가공 방향 (9) 의 반대쪽에 있는 화살표 (10) 방향으로 행해진다. 화살표 (10) 방향으로의 지지는 공작 기계의 1 개 또는 2 개의 방진구 (도시되어 있지 않음) 를 통해 행해진다. 이때, HL 5 의 가공은 HL 4 에 지지하는 동안 수행되며, HL 4 의 가공은 HL 3 에 지지하는 동안 수행되고, HL 3 의 가공은 HL 4 및/또는 H2 에 지지하는 동안 수행되며, HL 2 의 가공은 HL 3 에 지지하는 동안 수행되고, HL 1 의 가공은 HL 2 에 지지하는 동안 수행된다. 로드 베어링 (PL 1 내지 PL 4 ) 을 가공할 때의 지지도 이와 유사하게 행해진다. 예컨대, 가공 방향 (11) 에서 PL 1 을 가공할 때는 HL 1 및/또는 HL 2 에 지지한다. PL 2 의 가공은 HL 2 및/또는 HL 3 에 지지하는 동안 수행되고, PL 3 의 가공은 HL 3 및/또는 HL 4 에 지지하는 동안 수행되며, 최종적으로 PL 4 의 가공은 HL 4 및/또는 HL 5 에 지지하는 동안 수행된다. 편의상, 가공 방향 (11) 은 가공 방향 (9) 에 일치하며, 그러므로 공작 기계의 - X 방향에 일치한다고 가정된다.
HL 및 PL 의 베어링 시트들을 정밀 턴-밀링하기 위해 엔드 밀링 커터 (12) 가 제공된다 (도 2). 본 실시예에서 엔드 밀링 커터의 직경 (13) 은 24 mm 인 반면에 메인 베어링 시트 (HL) 및 로드 베어링 시트 (PL) 의 폭은 19 mm 이다. 이에 상응하여, 칩 제거 가공을 통한 크랭크 샤프트 (1) 의 예비 성형 동안 각 베어링 시트에는 양쪽에 각각, 엔드 밀링 커터 (12) 의 배출을 위한 2.5 mm 의 언더컷이 제공된다. 엔드 밀링 커터의 직경 (13) 에 비례하여 엔드 밀링 커터 (12) 의 섕크 (15) 는 긴 길이 (14) 를 가진다. 섕크 (15) 의 긴 길이 (14) 로 인해, 예컨대 로드 베어링 (PL 1 또는 PL 4) 의 베어링 시트의 표면은 상기 표면이 방향 (9, 11) 으로부터 (크랭크 샤프트 (1) 의 대략 반 바퀴 회전 후) 하부 위치에 위치할 때에도 가공될 수 있다 (상기 하부 위치에는 2 개의 내부 로드 베어링 (PL 2, PL 3) 이 도시되어 있다 (도 1)). 이를 위해, 엔드 밀링 커터 (12) 의 섕크 (15) 는 높은 굽힘 강성을 갖는다. 섕크 (15) 는 공작 기계의 공구 스핀들 (도시되어 있지 않음) 의 통상적인 공구 수용부 (16) 안에 끼워져 있다. 엔드 밀링 커터 (12) 의 회전축 (17) 은 동시에 공작 기계의 X 방향에 대해 평행으로 놓여 있다.
화살표 (A) 방향에서 볼 때, 엔드 밀링 커터 (12) 는 3 개의 인서트 (18) 를 구비하며, 상기 인서트들은 둘레에 균일하게 분배되어 있다 (도 3). 인서트 (18) 는 입방정 질화붕소, 즉 간략하게는 CBN 으로 구성된다. 회전축 (17) 쪽으로 인서트 (18) 의 정면 절삭날들은 각각 작은 설정각 (19) 을 가진다.
도 5 는 크랭크 샤프트 (1) 의 임의의 메인 베어링 (HL) 의 단면을 도시하고 있다. 회전축 (2) 방향으로 공작 기계의 C 축이 위치한다. 즉, Z 축은 도면 평면에 대해 수직으로 놓여 있다. 이에 대해 직각으로 - X 축이 연장되고, - X 축에 대해 및 Z 축에 대해 직각으로 Y 축이 연장된다 (도 1 에서 오른쪽 하단 ). X 축에 대해 엔드 밀링 커터 (12) 의 회전축 (17) 은 오프셋 (e) 만큼 - Y 방향으로 이동되어 있고, 상기 오프셋은 본 실시예에서 약 4 내지 5 mm 이다. 크랭크 샤프트 (1) 의 회전 방향은 구부러진 화살표 (20) 로 표시되어 있고, 엔드 밀링 커터 (12) 의 회전 방향은 구부러진 화살표 (21) 로 표시되어 있다.
메인 베어링 (HL) 의 다단계 칩 제거 턴-밀링 가공을 위해 간극 (22) (예컨대 0.25 mm) 이 제공된다. 크랭크 샤프트 (1) 가 방향 (20) 으로 대략 하나의 완전한 회전을 하는 거친 절삭 턴-밀링 동안에는 소정의 두께 (예컨대 0.15 mm 의 조면화 여유 (roughing allowance)) 를 가진 외부층 (23) 이 메인 베어링 (HL) 에서 제거된다. 그 후 바로, 즉 크랭크 샤프트 (1) 를 재클램핑하지 않고, 상기 거친 절삭 턴-밀링 후의 베어링을 측정한 후 정밀 절삭 턴-밀링으로 내부층 (24) (예컨대 0.1 mm 의 다듬질 여유) 의 제거가 수행되고, 이때 크랭크 샤프트 (1) 는 또다시 회전 방향 (20) 으로 회전하며 엔드 밀링 커터 (12) 는 회전 방향 (21) 으로 회전한다. 정밀 절삭 턴-밀링을 위해 회전 방향 (20, 21) 의 방향 전환도 가능하다. 정밀 절삭 턴-밀링 동안 크랭크 샤프트 (1) 는 하나의 완전한 회전보다 약간 더 많이 회전한다. 정밀 절삭 턴-밀링 가공 단계의 시작시, 엔드 밀링 커터 (12) 를 투입하기 위한 회전 각도 범위와 더불어, 엔드 밀링 커터 (12) 는 여기에서는 약 420°의 각도 범위에 걸쳐 맞물려 있다.
도 6 은 재료 안으로의 투입시 (파선으로 도시되어 있음), 즉 절삭 개시시, 회전시 (실선으로 도시되어 있음) 및 퇴장시 (일점 쇄선으로 도시되어 있음) 엔드 밀링 커터 (12) 의 상대적인 이송을 벡터 도면을 통해 도시하고 있다. 기하학 으로 인해 (베어링 시트의 직경 및 각속도만이 회전시의 벡터를 결정함), 크랭크 샤프트 (1) 의 회전시 순수한 접선방향으로의 상대적인 이송이 존재하지 않는다. 오히려 접선 성분 (35) 에는, (과장되어 크게 도시되어 있는) 반경방향 성분 (36) 이 겹쳐있고, 그로부터 크랭크 샤프트 (1) 의 회전 동안 벡터로서 도시되어 있는 상대적인 이송 (37) 이 발생한다. 절삭 개시 동안, 엔드 밀링 커터 (12) 의 인피드 운동 (infeed motion, 38) 이 그 종축 (17) 을 따라 (- X 방향으로) 추가된다. 절삭 개시 동안 벡터 (37) 와의 오버랩에 의한 합성적인 상대적인 이송은 상응하는 절삭 개시 또는 투입 벡터 (39) 를 통해 도시되어 있다. 크랭크 샤프트 (1) 의 완전한 회전 후 엔드 밀링 커터 (12) 의 퇴장 동안, 상대적인 이송 (37) 에는 - X 방향으로 행해지는 엔드 밀링 커터 (12) 의 인피드 운동 (40) 이 추가된다. 엔드 밀링 커터 (12) 의 퇴장 동안 벡터 (37) 와의 오버랩에 의한 합성적인 상대적인 이송은 상응하는 퇴장 벡터 (41) 를 통해 도시되어 있다. 인피드 운동 (38, 40) 의 각 크기는 미리 실험적으로 산출되며, 이때 크랭크 샤프트 (1) 의 회전 방향 (20) 은 크랭크 샤프트 (1) 의 회전축 (2) 에 대한 밀링커터 축 (17) 의 오프셋 (e) 의 방향으로 또는 상기 오프셋의 반대 방향으로 고려될 수 있다. 절삭 개시가 바람직하게는 크랭크 샤프트 (1) 의 3°내지 15°의 회전 각도 범위에 걸쳐 연장되는 것은, 나머지 가공 파라미터들 및 기하학적 비율에 따라 인피드 속도의 크기 자리수를 산출하기 위한 근거로 여겨질 수 있다. 이는 메인 베어링 (HL) 및 커넥팅 로드 베어링 (PL) 에 동일한 정도로 적용된다.
이미 언급한 바와 같이, 크랭크 샤프트 (1) 는 메인 베어링 (HL) 의 다단계 칩 제거 턴-밀링 가공시 공작 기계의 1 개 또는 2 개의 방진구 (도시되어 있지 않음) 에 의해 지지된다. 상기 지지는 첫째로 X 방향에서 행해지며, 상기 X 방향은 도 7 에 수직 방향으로서 도시되어 있다. 상기 지지를 위해 슬라이딩 블록 (25) 이 사용되며, 상기 슬라이딩 블록은 양 방향 (26) 에서 X 축을 따라 움직일 수 있다. 슬라이딩 블록 (25) 에 의한 X 방향에서의 지지 이외에, 추가로 2 개의 그 밖의 슬라이딩 블록 (27, 28) 에 의한 지지가 행해지고, 상기 슬라이딩 블록들은 반경방향 (29) 에서 크랭크 샤프트 (1) 의 메인 베어링 시트 (HL) 쪽으로 움직일 수 있고, 그리고 다시 상기 메인 베어링 시트로부터 멀리 움직일 수 있다. 상기 방진구의 메커니즘 (도시되어 있지 않음) 은, 슬라이딩 블록 (25) 이 이중 화살표 (26) 의 방향으로 아래쪽으로 움직이는 동안에는 슬라이딩 블록 (27, 28) 이 메인 베어링 (HL) 쪽으로 움직이도록 3 개의 운동 (26, 29) 을 조정한다. 정반대로, 슬라이딩 블록 (25) 이 이중 화살표 (26) 의 방향으로 위쪽으로 움직이는 동안에는 슬라이딩 블록 (27, 28) 은 이중 화살표 (29) 의 방향으로 메인 베어링 (HL) 으로부터 멀리 움직인다. 여기에서는 더 상세한 설명이 필요 없는 공지의 메커니즘이 운동 (26, 29) 의 조정을 담당하며, 이로 인해, 베어링 시트의 상이한 직경들에 있어서 크랭크 샤프트 (1) 의 중심 응력이 발생한다.
그 이외에, 메인 베어링 (HL) 의 베어링 시트 (30) 는 오일 보어 (31) 에 의해 중단된다. 상기 오일 보어 (31) 의 가장자리로부터 고장이 시작될 수 있는데, 상기 고장은 메인 베어링 (HL) 이 슬라이딩 블록 (25, 27, 28) 에 의해 지지되는 동안 크랭크 샤프트 (1) 의 회전시 발생한다. 이러한 고장을 피하기 위해 슬라이딩 블록들 (25, 27, 28) 에는 각각 그루브 (32) 가 제공된다. 그루브 (32) 는, 슬라이딩 블록 (25, 27, 28) 의 전체 지지면에서 지지하는 부분 (33) 이, 지지 동안 메인 베어링 (HL) 을 향해 있는 지지면의 해당 횡단면 표면 (34) 보다 적도록 한다. 중공 그라인딩을 수단으로 한, 제조되어야 하는 베어링 시트의 외피 라인에의 슬라이딩 블록의 가능한 적응은 도면에 도시되어 있지 않다 (상기 참조).
선행 가공 공정들, 즉 상기 거친 절삭 턴-밀링 및 상기 다듬질 절삭 턴-밀링에 이어서, 선택적으로, 즉 요구에 따라 베어링 시트 (HL, PL) 의 평탄화 압연 공정이 수행될 수 있다 (도 11 및 도 12).
도 11 은 크랭크 샤프트 (1) 에서 바람직하게 평탄화 압연될 수 있는 베어링 시트 (HL, PL) 의 위치를 도시하고 있다. 바람직하게는 크랭크 샤프트 (1) 의 스러스트 베어링 (HL, 3) 의 칼라 면 (BL) 이 평탄화 압연된다. 그러나, 이 가공 공정은 더 이상 본 발명에 포함되지 않으며, 여기에서는 단지 완벽을 기하기 위해 언급된 것이다. 베어링 시트 (HL, PL) 의 평탄화 압연은 돌이나 벨트를 통한 다듬질 작업 대신 수행된다.
3 개의 원통형 평탄화 압연 롤을 이용해 평탄화 압연되고, 상기 평탄화 압연 롤들은 베어링 시트 (PL) 의 둘레에 분배되어 있다. 그 중 도 12 에서는 2 개의 평탄화 압연 롤 (49, 50) 만을 볼 수 있다. 이러한 평탄화 압연 롤은 이해를 돕기 위해 도면의 평면으로 옮겨놓은 것이다. 각 평탄화 압연 롤 (49, 50) 은 측면에서 각각 2 개의 지지 롤 (51, 52) 에 의해 지지되고, 상기 지지 롤도 마 찬가지로 도면의 평면으로 선회되어 있다. 지지 롤 (51, 52) 은 도시된 바와 같이 하우징 (53 또는 54) 안에 회전 가능하게 설치되어 있다. 평탄화 압연 동안 크랭크 샤프트 (1) 는 회전하고, 이때 상기 크랭크 샤프트는 평탄화 압연 롤 (49, 50) 을 회전시키며, 또한 동시에 상기 평탄화 압연 롤 (49, 50) 을 통하여 지지 롤 (52, 52) 을 회전시킨다. 평탄화 압연시, 평탄화 압연 롤 (49, 50) 은 소정의 압연력하에 크랭크 샤프트 (1) 의 베어링 시트 (PL) 상에 눌려진다.
평탄화 압연을 통해 베어링 시트 (HL, PL) 의 기능에 적합하고 개선된 표면 특성이 획득된다. 정밀 턴-밀링 후 남아 있는 조도가 감소된다. 프로파일의 지지 부분이 향상되고 가장자리층의 경도가 상승된다. 크랭크 샤프트 (1) 의 비틀림 강도가 상승된다. 최종적으로, 혹시 여전히 존재하는 형태 편차가 감소된다.
바람직하게는, 각 크랭크 샤프트 (1) 에서 저널 (3) 및 플랜지 (4) 에서의 밀봉면 (55, 56) 도 평탄화 압연된다 (도 11).
상기 기술된 방법은 크랭크 샤프트의 가공 이외에 캠 샤프트 및 모든 유형의 제어 샤프트를 동일한 방식으로 가공하는 데에도 적합하다.

Claims (28)

  1. 단조 또는 주조를 통한 크랭크 샤프트의 예비 성형 후, 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트가 하기의 가공 공정;
    - 특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공에 의한 성형,
    - 메인 베어링 및 로드 베어링의 모든 필렛 또는 리세스의 딥 압연,
    - 크랭크 샤프트의 직선처리,
    - 각 경우에 고속의 거친 절삭 턴-밀링 및 다듬질 절삭 턴-밀링에 의한, 엔드 밀링 커터를 이용한 정밀 절삭 가공,
    - 다듬질 절삭 턴-밀링 후 크랭크 샤프트의 베어링 시트의 평탄화 압연을 받으며,
    상기 거친 절삭 턴-밀링과 상기 다듬질 절삭 턴-밀링은 각 경우에 크랭크 샤프트의 본질적으로 완전한 회전 동안 엔드 밀링 커터의 종방향 이송없이 및 접선방향 이송없이 수행되는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 거친 절삭 턴-밀링 후 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 직경 측정이 수행되고, 그 후 상기 측정의 결과에 따라 상기 다듬질 절삭을 위한 인피드가 가공 기계의 NC 제어를 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방 법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 특정한 절삭날을 이용한 칩 제거 가공에 의한 성형에 이어서 경화가 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거친 절삭 턴-밀링의 시작시 및 상기 다듬질 절삭 턴-밀링의 시작시 투입 동안 엔드 밀링 커터의 인피드는 상기 엔드 밀링 커터의 회전축과 관련하여서만 상기 회전축의 방향으로 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 엔드 밀링 커터의 투입 동안 절삭 개시는 크랭크 샤프트의 3°내지 15°, 바람직하게는 약 5°의 회전 각도에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 턴-밀링을 위해 사용된 엔드 밀링 커터의 직경은 가공될 베어링 시트의 폭의 1.15 내지 1.35 배의 크기인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비 성형 동안, 가공될 베어링 시트의 양쪽에 각각 언더컷이 제공되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거친 절삭 턴-밀링 및 상기 다듬질 절삭 턴-밀링은, 엔드 밀링 커터의 회전축을 베어링 시트의 회전축에 대하여 오프셋하여 수행되고, 상기 오프셋은 상기 엔드 밀링 커터의 직경의 약 0.15 내지 0.2 배의 값인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 플랜지측에서는 제 1 척에 클램핑되어 있고 저널측에서는 제 2 척에 클램핑되어 있는 크랭크 샤프트의 베어링 시트가, 상기 거친 절삭 턴-밀링 및 상기 다듬질 절삭 턴-밀링을 통해 가공되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 샤프트가 동시에 각 경우에 인접한 메인 베어링에서 반경방향의 방진구에 의해 지지되는 동안, 메인 베 어링들의 각 개별 베어링 시트가 하나의 유일한 엔드 밀링 커터에 의해 차례대로 정밀 가공됨으로써, 크랭크 샤프트의 메인 베어링들의 베어링 시트들이 가공되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 샤프트가 동시에 각 경우에 인접한 메인 베어링에서 반경방향의 방진구에 의해 지지되는 동안, 로드 베어링들의 각 개별 베어링 시트가 하나의 유일한 엔드 밀링 커터에 의해 차례대로 정밀 가공됨으로써, 크랭크 샤프트의 로드 베어링들의 베어링 시트들이 가공되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다듬질 절삭 턴-밀링은 크랭크 샤프트의 360°보다 큰 회전 각도를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거친 절삭 턴-밀링시 및/또는 상기 다듬질 절삭 턴-밀링시, 정밀 절삭 가공은 오일 보어의 영역에서 개시되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트의 메인 베어링 및 로드 베어링의 베어링 시트의 기계가공 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을, 특히 크랭크 샤프트에서 실행하기 위한 공작 기계에 있어서, 상기 공작 기계는,
    - 가공될 크랭크 샤프트 (1) 의 메인 회전축 (2) 에 대응하는 Z 축 둘레의 회전축 (C 축) 을 가진 메인 스핀들,
    - 크랭크 샤프트 (1) 를 위해 C 축에서 회전 가능하게 구동될 수 있는 척,
    - Y 방향 및 Z 방향으로 이동 가능하고, - X 방향으로 인피드 가능하며, X 축 둘레로 회전하는 적어도 하나의 공구 스핀들,
    - 메인 베어링들 (HL) 의 한 베어링 시트에서 크랭크 샤프트 (1) 를 위한 적어도 하나의 지지부를 가진, Z 방향으로 이동 가능한 적어도 하나의 방진구,
    - 2 개의 척 또는 1 개의 척, 및 데드 센터를 구비한 심압대 또는 콜릿척 (collet chuck) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 공작 기계는 회전 가능하게 구동될 수 있는 2 개의 척을 구비하며, 상기 척들 중 제 1 척은 크랭크 샤프트 (1) 를 플랜지 (4) 에서 수용하고 제 2 척은 크랭크 샤프트 (1) 를 저널 (3) 에서 수용하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 공구 스핀들은 양 (e) 만큼 Y 방향에서 오프셋될 수 있는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구 스핀들은 엔드 밀링 커터 (12) 를 수용하기 위해 설치되어 있고, 상기 엔드 밀링 커터의 섕크 (15) 는 그의 직경 (13) 에 비례하여 길이를 가지며, 상기 길이와 상기 직경과의 비율은 10:1.5 내지 10:3 인 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 엔드 밀링 커터 (12) 는 납땜된 CBN 인서트 (18) 로 만들어진 3 개의 정면 절삭날을 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 CBN 인서트 (18) 는 각각 설정각 (19) 을 가지며, 상기 설정각은 엔드 밀링 커터 (12) 의 바깥둘레로부터 그의 종축 (17) 쪽으로 0.02°와 0.08°사이의 양 만큼 감소하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 척 또는 척들의 회전 속도와 상기 공구 스핀들의 회전 속도와의 비율은 1:400 내지 1:2000 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방진구에 의한 지지는 크랭크 샤프트 (1) 의 메인 베어링 (HL 1-5) 의 3 개의 점에서 행해지고, 상기 점들 중 하나는 X 방향에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  22. 제 21 항에 있어서, 크랭크 샤프트 (1) 를 위한 상기 방진구의 지지부는 슬라이딩 블록 (25, 27, 28) 으로서 형성되며, 상기 슬라이딩 블록들은 각각 메인 베어링의 베어링 시트 (30) 의 오일 보어 (31) 의 영역에서 리세스 (32) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  23. 제 14 항에 있어서, 상기 공작 기계는, 딥 압연 공구 (43 내지 48) 를 이용하여 필렛 또는 리세스 (42) 를 딥 압연하기 위한 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  24. 제 14 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 공작 기계는 메인 메어링 (HL) 및 로드 베어링 (PL) 의 베어링 시트들을 평탄화 압연하기 위한 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  25. 제 14 항에 있어서, 상기 공작 기계는 필렛 또는 리세스 (42), 또는 메인 베어링 (HJ) 및 로드 베어링 (PL) 의 베어링 시트들을 경화하기 위한 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  26. 제 14 항에 있어서, 상기 공작 기계는 공작물의 양쪽 구동을 위해, 피동 역스핀들 (counter spindle) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  27. 제 14 항에 있어서, 상기 공작 기계는, 메인 베어링 및 로드 베어링을 측정하기 위해 선회 가능한 및/또는 배치 가능한 적어도 하나의 측정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
  28. 제 27 항에 있어서, 메인 베어링 및 로드 베어링을 측정하기 위한 비접촉식 측정 장치들이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
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