KR20100021984A - 왕복 피스톤 연소 기관의 실린더 라이너의 실린더 벽의 주행면 제조를 위한 기계가공 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 왕복 피스톤 연소 기관, 특히 저속 2행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너(3)의 실린더 벽(2) 상에 주행면(1)을 제조하기 위한 기계가공 방법에 관한 것으로서, 상기 실린더 라이너(3) 내에는 피스톤이 작동 상태에서 실린더 축(4) 방향으로 주행면(1)을 따라 왕복 운동 가능하도록 배치된다. 이와 관련하여, 본 기계가공 방법은 실린더 라이너 블랭크(cylinder liner blank)(31)를 이용하는 단계와, 선삭 공구에 의해 실린더 벽(2)을 선삭하는 단계를 포함하고, 선삭 공구 및 실린더 벽(2)은 소정의 회전 속도로 실린더 축(4)을 중심으로 움직이는 동시에, 실린더 축(4)을 따라 소정의 이송 속도로 칩 형성 방식으로 서로가 상대적으로 움직여, 원주 방향(5)으로의 실린더 벽(2) 내를 정밀 기계가공 단계에서 정밀 선삭함으로써, 원주 방향 모세관(61)을 갖는 모세관형 미세 조직(6)이 원주 방향으로 실린더 벽(2) 내에 형성되고, 상기 모세관형 미세 조직(6)은 실린더 라이너(3)의 상기 실린더 벽(2) 내에 실린더 축(4)을 따라 나선형으로 연장된다. 본 발명에 따르면, 교차 기계가공 방법에 의해, 모세관형 미세 조직(6)의 복수의 원주 방향 모세관(61) 사이에 교차 연결부(7)가 형성되어, 모세관형 미세 조직(6)이 실질적으로 유지된다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 실린더 라이너(3)에 관한 것이다.
주행면, 실린더 벽, 실린더 라이너, 실린더 축, 모세관형 미세 조직, 교차 연결부
Description
본 발명은, 각 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른 실린더 라이너, 및 왕복동 피스톤 연소 기관, 구체적으로는 저속 대형 디젤 기관(slow running large diesel engine)의 실린더 라이너의 실린더 벽의 주행면 제조를 위한 기계가공 방법에 관한 것이다.
대형 디젤 기관은 선박용 구동 유닛 또는 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기 구동용 고정식 운전에 주로 사용된다. 이와 관련하여, 대체로 대형 디젤 기관은 영구적인 운전으로 상당한 시간 동안 작동되며, 이는 운전 안정성 및 가동성이 매우 요구된다. 따라서, 특히, 연료 및 작동 재료의 경제적 운용 장시간의 사용 연수, 낮은 마모는 작업자가 기계를 작동하는데 중요한 척도가 된다. 그 중에서도 특히, 이러한 대형 보어 저속 디젤 기관의 피스톤 운동의 거동이 사용 연수의 기간, 가동성에 대한 결정적인 요인이 되고, 또한, 윤활제를 소비함에 있 어, 작동 비용에 대해 직접적으로 영향을 주어, 작동 효율에 대해 중대한 영향을 미친다. 따라서, 대형 디젤 기관의 윤활에 대한 복합적인 문제가 더욱 더 중요성을 갖는다.
반드시 이에 국한되는 것은 아니지만, 대형 디젤 기관에서는 윤활 장치에 의해 왕복 피스톤 또는 실린더 벽 내에 피스톤 윤활이 일어나며, 이 윤활 장치에 의해 윤활유가 실린더 벽의 주행면에 분사되어, 피스톤과 주행면 사이의 마찰을 최소화하고, 이에 따라 주행면 및 피스톤 링의 마모를 최소화시킨다. Waertsilae 2행정 기관과 같은 최신 기관에 대하여, 1,000 시간의 작동 기간 동안 주행면의 마모는 0.05㎜ 미만이 된다. 이러한 기관의 윤활제 전달량은 대략 1.3g/kWh이하이고, 동시에, 특히 비용상의 이유로, 마모가 최소화될 수 있는 곳에서 훨씬 더 감소되어야 한다.
윤활 장치의 특정 실시예 및 윤활 방법에 대해, 주행면의 윤활을 위한 매우 다양한 해결 수단이 공지되어 있다. 요컨대, 복수의 윤활제 개구를 통해 윤활유를 공급하는 윤활 장치가 공지되어 있으며, 이 윤활 장치는, 윤활제 개구를 지나면서 움직이는 피스톤 상에 실린더 벽의 원주 방향으로 설치되어, 피스톤 링에 의해 원주 방향과 축 방향으로 윤활제를 공급한다. 이러한 식으로, 윤활제는 실린더 벽의 주행면 걸쳐 많은 부분에 공급되는 것이 아니라, 피스톤의 측면에 걸쳐 피스톤 링 사이에 다소 불균일하게 공급되기 때문에, 주행면에 대한 윤활유의 공급이 대부분 만족스럽지 못하게 이루어질 뿐인데, 이는, 과도한 마찰로 인한 발열에 의해 피스톤의 접촉면과 주행면을 들러붙게 하여, 재료의 파손, 즉 피스톤 소착(piston seizure)을 발생시킨다.
윤활유의 양호한 공급을 보장, 즉 주행면 상에 더욱 균일한 윤활유막의 형성을 보장하도록, WO 00/28194에는 윤활 시스템이 개시되어 있는데, 예컨대 이 윤활 시스템에서는, 실린더 벽 내에 대체로 실린더 벽과 접하여 장치된 분무화 노즐(atomisation nozzles)에 의해 고압으로 윤활유가 연소 공간 내의 소기 공기로 분사되며, 윤활유는 소립자로 분무화된다. 이에 의해, 분무화된 윤활유는 소기 공기 내에 미세하게 분사되어, 소기 공기 및 소기 공기 내에 미세하게 분사된 윤활유 입자를 나르는 핀의 원심력에 의해 실린더 벽의 주행면 쪽으로 보내진다. 이러한 과정에서는, 방사상 윤활유 주입에 의한 것보다 주행면 상에 훨씬 더 균일한 윤활유막이 확실하게 형성되지만, 이러한 방법의 중대한 단점으로는, 사용되는 윤활유의 쓸모없는 부분이 소기 공기로부터 멀어지는 방향으로 운반되지 않거나, 다음의 연소 사이클로 연소되지 않는다는 점이다. 이에 따라, 윤활유의 불필요한 소비는 증가하고, 작동 비용에 있어 확실히 악영향을 미친다.
또 다른 과정에서는, 바람직하게 가동 피스톤에 복수의 윤활제 노즐이 설치될 수 있어서, 주행면의 전체 높이에 걸쳐 임의의 원하는 지점에 윤활제가 공급될 수 있다.
이와 관련하여, 실린더 벽의 주행면에 윤활제가 공급되는 방식 외에도, 윤활제의 양을 측정하는 것 또한 중요하다. 단위 시간 및 단위 면적당 주행면에 공급되는 윤활제의 양은 왕복 피스톤 연소 기관의 작동 시 다양한 많은 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 사용되는 연료의 화학 조성, 예를 들면 특히 연료의 유황 함유량은 중요한 역할을 한다. 실린더의 윤활, 즉 피스톤과 실린더 주행면 사이, 더 구체적으로는 피스톤 링과 실린더 벽의 주행면 사이의 마찰 감소 외에도, 특히 윤활제는 기관의 연소 공간 내의 연소 과정에서 발생하는 강한 산, 특히 유황을 함유하는 산을 중화시키는 기능을 한다. 사용되는 연료에 따라, 소위 윤활제의 BN 값이 측정값인 특히 중화성이 다른 상이한 종류의 윤활제가 사용될 수 있다. 따라서, BN 값이 높은 윤활제는 산성에 대하여 높은 중성 효과를 가지기 때문에, 낮은 황 함유량을 갖는 연료보다 높은 황 함유량을 갖는 연료에 BN 값이 높은 윤활제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
그러나, 대체로 상이한 특성의 연료에 동일한 종류의 윤활제가 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 연소 생성물 내에 높거나 낮은 산성 함유량은, 예컨대 이에 대응하여 사용되는 윤활제의 양을 증가시키거나 감소시킴으로써 보상될 수 있다.
가해질 윤활제의 양을 측정시 나타나는 또다른 문제는, 시간 및/또는 윤활막 상태, 특히 왕복 운동 피스톤 연소 기관의 작동 상태에서의 윤활막의 두께의 국부적 변동이다.
윤활제의 필요한 양은, 예컨대 속도, 연소 온도, 기관 온도, 기관 냉각을 위한 냉각력, 부하 및 많은 다른 작동 파라미터 등의 가장 흔한 작동 파라미터에 따라 물론 달라질 수도 있다. 따라서, 동일한 속도에서, 높은 부하일 때, 낮은 부하일 때와 다른 양의 윤활제가 실린더의 주행면에 가해질 수 있다.
또한, 연소 기관의 상태도 윤활제의 양에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 예를 들면, 실린더 주행면, 피스톤 링, 피스톤 등의 마모 상태에 따라, 적용될 윤활 제의 양은 크게 달라질 수 있다는 것이 공지되어 있다. 실린더가 새로운 피스톤 링 및/또는 이 링과 함께 가동되지 않은 새로운 실린더 주행면을 가지면, 런-인 단계(run-in phase)에서 마찰 증가가 어느 정도 절대적으로 요구되어지기 때문에, 상대-작동부(counter-running partners), 즉 예를 들어 피스톤 링과 주행면은 시트 연삭되어, 서로에 대해 이상적으로 구성될 수 있다. 이는, 특히 상당한 작동 시간 동안 작동된 실린더와, 런-인 단계에 있는 실린더에는 서로 다른 양의 윤활제가 작용된다는 점에서, 달성될 수 있다. 그러므로, 기계가 복수의 실린더를 포함하기 때문에, 대체로 윤활제의 양은, 특히 각각의 실린더 마다 개별적으로 설정될 수 있다.
일반적으로, 실린더 주행면도 수행된 작동 시간의 양에 따라 원주 방향과 길이 방향으로 상이하게 마모된다. 마찬가지로, 예를 들면 피스톤 링과 피스톤 자체도 작동 시간의 양에 따라 원주 방향과 길이 방향으로 상이하게 마모된다.
이처럼, 왕복 운동 연소 기관 내의 윤활제의 양은 수행된 작동 시간의 양에 따라 정해져야할 뿐만 아니라, 시간에 따라, 그리고 하나 및 동일한 실린더 내의 실린더 벽의 주행면의 상이한 점에서의 지시에 따라 국부적으로 다르게 결정될 수 있어야 한다.
이에 따라, 실린더의 주행면 또는 움직이는 피스톤의 상이한 부분에 윤활제 노즐을 제공하는 것이 공지된지 수년이 되었는 바, 상기 윤활제 노즐은 모두 바람직하게 개별적으로 제어될 수 있어서, 윤활제의 양은 지시에 따라 적절한 시기에, 그리고 국부적으로 시간상 탄력적으로 달라질 수도 있다.
특정 시간에 특정 윤활제 노즐에 의해 유입될 윤활제의 양을 결정하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. 간단한 경우로서, 윤활제의 양은 왕복 피스톤 연소 기관의 작동 상태에 따라 간단히 제어되고, 예컨대 부하 또는 속도의 기능으로서 사용중인 연료 및 윤활제의 특성이 고려될 수 있으면서, 이미 수행된 작동 시간에 기초하여 상대-작동부의 마모 상태 또한 고려될 수도 있다.
이와 관련하여, 윤활제의 양의 조절을 위한 특수한 방법도 일반적으로 공지되어 있다. 이에 따라, 예컨대 CH 613495에는 피스톤 연소 기관용 실린더 장치가 개시되어 있는 바, 이 실린더 장치는 피스톤 링의 소착(seizing)을 방지하기 위한 온도 센서 또는 진동 센서에 의해 피스톤 링의 비정상적인 마찰 상태를 감지하여, 그러한 결함의 발생에 대한 특정 윤활점에 의해 투여되는 윤활제의 양을 증가시킨다. EP 0 652 426에는, 온도 상승 특성과 관련하여 실린더 벽 온도의 주기적 측정에 의해 스커핑(scuffing) 또는 마모 소착(wear seizure)의 발생을 인식하고, 자동 전력 감소(automatic power reduction) 및/또는 윤활제 공급 증가에 의해 그에 대응하는 손상을 예방하는 방법이 개시되어 있다. 내연 기관의 임계 작동 상태의 초기 인식을 위한 공지된 또다른 방법은 EP 1 006 271에 개시된 초음파 방법으로서, 상대-작동부가 실린더 내에 배치된 초음파 변환기에 의한 초음파 신호에 의해 작동되고, 그 반사 에코 신호가 상대-작동부의 상태를 결정하기 위해 사용된다.
만일, 예컨대 종래 기술로부터 공지된 장치에 의해, 특정 실린더 내에 피스톤 소착 또는 스커핑의 발생이 감지된다면, 감지된 비정상적인 작동 상태가 다시 사라질 때까지 상기 실린더에 공급되는 윤활제의 양은 오랫동안 증가되다가, 다시 단위 시간당 상기 실린더에 공급되는 윤활제의 양은 감소될 수 있다.
따라서, 당업자는, 소위 유체 윤활(hydrodynamic lubrication) 부분을 부족 윤활 상태 및 혼합 윤활 상태와 구분한다. 소정의 두께를 갖는 윤활제막이 상대-작동부 사이, 즉 실린더 벽의 주행면과 피스톤의 피스톤 링 사이에 형성되었을 때, 예를 들면 상대-작동부의 표면이 윤활제막에 의해 서로 잘 분리되어, 서로 접촉하지 않게 될 때, 유체 윤활이라고 말한다. 소위, 혼합 마찰 상태 또는 혼합 윤활 상태는 또다른 경계부를 나타낸다. 혼합 마찰의 경우에, 상대-작동부 사이의 윤활제막은 적어도 부분적으로 매우 얇기 때문에, 상대-작동부는 직접적으로 서로 접촉하게 된다. 이런 경우에는, 스커핑되어, 결국엔 피스톤 소착이 형성될 위험이 있다. 소위 말하는 부족 윤활은 이들 2개의 경계부 사이에 배치된다. 부족 윤활 상태에서는, 윤활제막이 매우 두꺼워서 상대-작동부가 더이상 서로 접하지 않지만, 유체 윤활을 형성할 수 있기에는 상대-작동부 사이의 윤활제의 양은 충분하지 않다. 종래 기술에 의하면, 혼합 윤활 상태와 부족 윤활 상태를 가능한 한 많이 방지할 수 있다. 이는, 유체 윤활의 상태가 상대-작동부 사이에 형성되도록, 윤활제막의 두께가 바람직하게 선택될 수 있다는 것을 의미한다.
유체 윤활의 범위에서의 작동은 이에 대응되게 높은 윤활제 소비를 자연스럽게 초래한다. 이는 매우 비경제적일 뿐만 아니라, 한편으로, 윤활제 부족 뿐만 아니라 윤활제 과잉도 실린더의 상대-작동부에 손상을 초래할 수 있다는 사실을 놀랍게도 알게되었다.
실린더 윤활과 관련하여 앞서 기술된 복잡한 문제을 해결하기 위해, 종래 기 술에서는 많은 해결방법들이 제시되었으며, 이러한 해결방법은, 일부의 경우에 서로 중복되며, 윤활제를 적용하는 방식에 관한 것이고, 윤활제의 양을 관측 및 조정하며, 피스톤 설계의 최적화, 특히 개별 피스톤 링 또는 전체 피스톤 링 패킷의 최적화에 관한 것으로, 즉 예를 들면 윤활유 또는 연료의 화학 조성을 통해 윤활 시스템을 최적화하여, 피스톤 거동을 최적화하려고 한다.
그러나, 이러한 모든 방안들은, 작동 상태에서 왕복 운동할 때 피스톤이 피스톤 링을 통해 마찰 접촉하는 실린더 라이너의 실린더 벽의 주행면 상에 신뢰할만한 윤활막을 형성하는데에 있어서 주행면이 적합하지 않거나 충분히 적합하지 못할 때, 다소 비효과적이다.
따라서, 실린더 라이너의 실린더 벽에 주행면을 제조하는 것이 중요한 포인트이며, 이 포이트의 관찰이 확실히 더욱더 중요해지고 있다.
보통 사용되는 실린더 라이너는 대체로 주지된 주조 방법에 의해 제조되기 때문에, 실린더 라이너 블랭크(blank)가 초기에 제공된다. 이와 관련하여, 주물 재료는 경질 재료 또는 주조에 의해 적절히 강화되고, 냉각 공정은, 실린더 라이너 블랭크의 주조 및/또는 냉각시에, 자체로 공지된 카바이드를 포함할 수 있는 주물 베이스 재료(casting base material)의 경질상의 다소 확장된 영역 또는 기타 그 자체로 공지된 경질상이 형성되거나 분리되도록, 자체로 공지된 방식에 의해 영향을 받는다. 이들 경질상은 주물 베이스 재료 내에 다소 불규칙한 배열 또는 매트릭스를 형성하여, 비교적 연성의 주물 베이스 재료와 경질상의 바람직한 조합이 발생한다. 이와 관련하여, 비교적 연성의 주물 베이스 재료는, 예를 들면 특히 실린 더 라이너의 기계적 탄성 및 장기적 강도를 보장하여, 내연 기관이 작동 상태에 있을 때, 실린더 라이너가 아주 높은 온도와 압력 요동 부하를 견딜 수 있다. 이와 대조적으로, 경질상은, 반드시 그렇지는 않지만, 특히 피스톤과 실린더 주행면 사이의 마찰에 의한 과도한 마모에 대하여, 실린더의 실린더 벽이나 주행면에 충분히 높은 경도를 제공한다. 이러한 유형의 실린더 라이너의 다른 제조 방법 및 특성은 당업자는 이러한 유형의 실린더 라이너의 다른 제조 방법 및 특성을 잘 알고 있으므로, 여기서는 상기 제조 방법 및 특성에 대해 더이상 자세히 설명하지 않기로 한다.
그 다음으로, 실린더 벽 상에 피스톤을 위한 주행면을 차후에 형성할 실린더 라이너 블랭크의 내측벽은 대체로 복잡한 다수의 작업공정에 의해 기계가공된다. 먼저, 선삭 단계에서 실린더 벽의 원주 방향으로 원주 방향 채널을 갖는 채널형 거친 조직이 형성되고, 상기 거친 조직은 실린더 라이너의 실린더 벽 내에 실린더 축을 따라 나선형으로 연장된다. 이와 관련하여 당업자는 잘 이해하겠지만, 채널형 거친 조직은, 특히 사용되는 선삭 공구 및 이송 속도에 의해, 실질적으로 영향을 받으며, 물론 선삭 공구의 회전 속도 또한 상기 채널형 거친 조직의 형성에 실질적으로 영향을 미칠 수 있다.
다음으로, 실린더 주행면은 사전 호닝 및 마무리 호닝될 수 있으며, 가능하다면, 적절한 연마 공정을 받게 되어, 주행면은 더욱 미세 조직으로 형성된다.
만일, 길이방향 단면이 실린더 라이너의 실린더 벽을 관통하여 실린더 축을 따라 놓이게 되면, 주행면은 길이방향 단면을 따라, 즉 실린더 축 방향을 따라 다 소 뚜렷한 물결형 조직을 나타낼 것이다.
실린더 라이너의 기계가공시, 예컨대 선삭 가공 또는 호닝 가공 시 주된 문제는, 주행면의 지지부를 형성하고, 약 1/10㎜에서 1㎜까지의 비교적 큰 범위를 가질 수 있는 경질상이 기계가공 시에 발생하여, 주행면에 대한 손상, 예컨대 1㎜ 이상의 깊이로 주행면 안으로 연장될 수 있는 손상을 초래할 수 있다는 점이다. 이러한 손상은, 사용되는 비정밀 공구가 재료 조직에 적합하지 않거나, 불량하거나 마모된 경우, 또는 이송 속도나 회전 속도, 주행면 상의 공구의 가압력 등이 부적절하게 선택되거나 적합하지 못한 경우에, 특히 위험 요소가 된다.
이러한 손상은, 통상 공지되어 있는 바와 같이, 실린더의 주행면 상에 윤활유막의 형성에 매우 악영향을 미친다.
그러면, 만일, 물결형 조직이 엔진 작동 시 공지된 마찰 메커니즘을 통해 피스톤에 의하여 점차 마모된다면, 피스톤 또는 피스톤 링은, 몇천 시간, 예컨대 16,000시간의 작동시간이 될 수 있는 특정 작동시간 후 발생하는 브레이크-아웃(break-outs)에 의해 손상되는 파동 골(wave troughs)에 이르게 되어, 엔진 작동 시, 경질상 및 주물 베이스 재료가 부적절한 선삭 또는 호닝 가공에 의해 미리 손상된 실린더 벽에서 발생됨에 따라, 윤활유를 오염시키고, 최악의 경우, 피스톤과 실린더의 주행면 사이에 마찰을 굉장히 증가시킨다.
이러한 문제들을 해결하기 위해, 실린더 주행면은 실린더의 길이방향으로 연장되는 물결형 조직의 피크부와 파동 골에 대해 가로방향으로 소정의 각도로 미리 교차 호닝되어, 상기 교차 호닝에 의해 형성된 훨씬 더 미세한 교차-퍼로우(cross- furrows)만이 주행면에 남겨되도록, 물결형 조직은 실질적으로 완전히 제거되었다. 이와 관련하여, 대응하는 공지된 방법은 매우 많은 시간이 소비된다. 공지된 방법을 사용하여 단일 실린더 라이너를 기계가공하는 데에는 보통 많은 시간이 걸린다. 요컨대, 내부 직경이 96㎝인 실린더 라이너 블랭크를 기계가공하는 데에는 약 10시간 정도의 시간이 필요한데, 이는 상기 생산 공정에 대응되게 오랜 시간 동안 대응 공구 성능과 인력을 물론 필요로하며, 결국엔 높은 생산 비용을 발생시킨다.
추가로 알게된 사실은, 실린더 벽에서 경질상이 발생되는 문제가 주로 물결형 조직의 제거에 의하여 확실히 처리될 수 있었지만, 이러한 문제가 주행면에 대한 윤활유막의 다양한 특성에 손상을 주기 때문에, 상술한 장점들을 얻는데는 고비용이 따른다는 점이다.
특히, 실린더 라이너의 주행면에서의 오일 유지량은 전반적으로 악영향을 받기 때문에, 오일막에 요구되는 균일성은 더이상 충분히 보장되지 못하고, 또한 실린더 주행면 전반에 걸친 윤활유의 동적 배분은 심하게 제한되거나, 바람직하지 못하게는 교차 호닝에 의해 형성된 교차-퍼로우의 구조에 의하여 적어도 불균형적으로 미리 설정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 왕복 피스톤 연소 기관, 특히 저속 2행정 대형 디젤 기관의 실린더 벽 상의 주행면을 제조하기 위한 개량된 기계가공 방법을 제공하는 데 있으며, 이러한 방법에 의해, 상기 기계가공 방법 자체를 수행하는 동안 그리고 나중에 실린더 라이너가 구동될 때, 경질상(hard phases)의 발생이 매우 크게 예방되어, 주행면의 오일 유지량(oil retention volume)은 최적화되고, 주행면에 대한 윤활유막의 분포가 개선되는 동시에, 실린더 라이너가 작동 상태에 있을 때 주행면 상의 유동에 대한 윤활유 움직임의 방향 및 유량에 대하여, 충분한 역학이 보장된다. 또한, 본 발명의 목적은 이에 대응하는 실린더 라이너를 제공하는 데 있다.
기술적 방법과 장치의 관점에서 상기 목적을 만족시키는 본 발명의 대상은 각 카테고리의 독립 청구항의 특징부에 의해 규정되는 것을 특징으로 한다.
종속 청구항은, 특히 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고 있다.
이와 같이, 본 발명은, 왕복 피스톤 연소 기관, 특히 저속 2행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너의 실린더 벽 상의 주행면을 제조하기 위한 기계가공 방법에 관한 것으로서, 피스톤이 설치된 상태로 상기 실린더 라이너 내에 실린더 축 방향으로 주행면을 따라 왕복 운동 가능하게 배치된다. 상기 기계가공 방법은 실린더 라이너 블랭크(cylinder liner blank)를 이용하는 단계와, 선삭 공구에 의해 실린더 벽을 선삭하는 단계를 포함하고, 선삭 공구 및 실린더 벽은 소정의 회전 속도로 실린더 축을 중심으로 움직이는 동시에, 실린더 축을 따라 소정의 이송 속도로 칩 형성 방식으로 서로가 움직여, 원주 방향으로의 실린더 벽 내의 정밀 기계가공 단계에서 정밀 선삭에 의해, 원주 방향 모세관을 갖는 모세관형 미세 조직이 원주 방향으로 실린더 벽 내에 형성된다. 이와 관련하여, 모세관형 미세 조직은 실린더 라이너의 실린더 벽 내에 실린더 축을 따라 나선형으로 연장된다. 본 발명에 따르면, 교차 기계가공 방법에 의해, 모세관형 미세 조직의 원주 방향 모세관 사이에 교차 연결부가 형성되어, 모세관형 미세 조직이 실질적으로 유지된다.
본 발명은, 한편으로 본 발명에 따른 교차 기계가공 방법의 사용에 의해 원주 방향 모세관을 유지함으로써, 상기 기계가공 방법 자체를 수행하는 동안과 실린더 라이너가 늦게 작동할 때, 경질상의 발생이 매우 크게 예방되어, 주행면의 오일 유지량이 최적화되고, 주행면에 대한 윤활막의 분포가 개선되는 동시에, 실린더 라이너가 작동 상태에 있을 때 주행면 상의 유동에 대한 윤활유 움직임의 방향 및 유동 속도에 대하여, 충분한 역학이 보장된다는 사실에 대한 주요 인식에 기초를 둔다.
이는, 한편으로, 실린더 라이너의 주행면에서 원주 방향으로 움직이고, 모세관 특성에 기반을 둔 특수한 모세관 특성을 가져서, 윤활막을 실린더 라이너의 주행면에 이상적으로 결합시키는 모세관 조직에 의해 보장되며, 다른 한편으로, 원주 방향으로 주행면 상의 윤활유의 유동 역학을 충분히 지지하고 보장한다. 본 발명에 따른 교차 기계가공에 의해 복수의 교차 연결부가 2개의 인접하는 원주 방향 모세관 사이에 동시에 형성되기 때문에, 이들 모세관 사이에 윤활유의 효과적이고 충분한 교환 및 일정한 분배가 항상 보장된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해, 한편으로 충분한 오일 유지량이 실린더 라이너의 주행면에 제공되는 동시에, 주행면에 대한 유동 역학과 주행면에 대한 윤활유막의 분포 및 결합이 최적화된다. 다른 한편으로는, 본 발명에 따른 고정밀 기계가공 방법에 의해, 경질상의 발생에 의한 주행면의 손상이 매우 크게 예방된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는, 원주 방향으로 실린더 벽 내에, 선삭 단계에서 모세관형 미세 조직이 형성되기 전에, 원주 방향 채널을 갖는 채널형 거친 조직이 형성되고, 상기 거친 조직은 실린더 라이너의 실린더 벽 내에 실린더 축을 따라 나선형으로 연장된다. 이는, 고정밀 선삭에 의해 실린더 주행면 내에 미세한 모세관 조직이 형성되기 전에, 실린더 라이너 블랭크의 내부면은 먼저 비정밀하게 선삭되어, 블랭크의 주물 상에 발생했던 거친 불규칙한 구조에서 벗어난다는 것을 의미한다.
실제로 특히 중요한 실시예에서는, 채널형 거친 조직의 제조를 위한 선삭 이후와 모세관형 미세 조직의 제조를 위한 고정밀 선삭 이전에, 원주 방향 미세 채널을 갖는 스코어링 조직이 발생되고, 상기 스코어링 조직은 실린더 라이너의 실린더 벽 내에 실린더 축을 따라 나선형으로 연장된다.
이것이 의미하는 바는, 본 발명에 따른 모세관형 미세 조직은, 주행면 각각의 구조를 순차적으로 강화시키는 3가지 단계에 의해 발생된다는 것이다. 이 특수 방법은, 특히 경질상에 대하여 매우 정교하다. 표면 구조는 단계적으로 강화되기 때문에, 실제로 어떠한 경질 입자나 경질 영역에도 경질상이 발생되지 않지만, 표 면은, 본 발명에 따른 모세관형 정밀 구조를 형성할 때까지, 훨씬 더 정밀한 방식으로 정교하게 다듬어진다.
전술한 선삭 단계 또는 호닝 단계 중 하나, 다수 또는 모두가 일어난 후에, 자체로 공지된 방식의 평탄한 호닝(plateau honing)에 의해 실린더 벽 상의 금속판 파편이 제거될 수 있으며, 마찬가지로 당업자에게 그 자체로 공지되어 있는 바와 같이, 복수의 모세관 사이 및/또는 복수의 채널 사이 및/또는 복수의 미세 채널 사이의 피크부(peaks)가 소정의 높이로 감소된다.
이와 관련하여, 보다 엄밀히 말하면, 본 발명에 따른 교차 기계가공 방법은 스파이럴 호닝이며, 이 스파이럴 호닝은 실린더 축에 수직한 방향에 대하여 20°내지 80°의 각도, 바람직하게는 30°내지 75°의 각도를 이루며 일어날 수 있다.
이와 관련하여, 스파이럴 호닝은, 특히 바람직하게 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝이며, 이 스파이럴 호닝은 다이아몬드 및 탄화규소 스톤 특성 US 메시 100 내지 150을 가지면서 행해진다. 이와 관련하여, 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝은, 재료가 다이아몬드 탄화규소로 자체로 공지된 방식으로 이루어진 호닝 공구를 사용하여 행해진다.
이와 관련하여, 연마용 브러시 또는 입자 크기가 US 메시 240 내지 600인 코르크 스톤을 사용하여 실린더 벽의 주행면이 나선형으로 브러싱되거나 매우 정밀하게 호닝된, 본 발명에 따른 실시예는 실제로 특히 중요하다. 이와 관련하여, 스파이럴 호닝, 특히 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝 및 연마용 브러시를 사용한 스파이럴 브러싱 및/또는 코르크 스톤을 사용한 고정밀 호닝은 선택된 순서에 따라서 순차적으로 행해진다. 이와 관련하여, 경질상에 대해서는, 연마용 브러시나 코르크 스톤을 사용한 표면의 후처리 또는 마무리가 무엇보다 특히 정교하며, 주행면의 표면으로부터의 브레이크아웃(breakouts)을 방지한다.
이와 관련하여, 예컨대 브러시 및/또는 코르크 스톤 및/또는 다이아몬드 및 탄화규소 호닝 공구는 결합 공구에 배치되거나, 바람직하게는 각 경우에 비스듬하게 서로 마주보고 배치된다는 점에서, 스파이럴 호닝, 특히 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝, 및 연마용 브러시를 이용한 스파이럴 브러싱 및/또는 코르크 스톤을 이용한 고정밀 호닝은 동시에 행해질 수도 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 기계가공 방법을 사용하여 제조되는 2행정 대형 디젤 기관용 실린더 라이너에 관한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실린더 라이너는, 정밀 기계가공 단계에서 정말 선삭에 의해 실린더 벽 내에 원주 방향으로 제조된 원주 방향 모세관을 갖는 모세관형 미세 조직을 포함한다. 이와 관련하여, 모세관형 미세 조직은 실린더 라이너의 실린더 벽 내에 실린더 축을 따라 나선형으로 연장된다. 본 발명에 따르면, 교차 기계가공 방법에 의해 모세관형 미세 조직의 원주 방향 모세관 사이에 교차 연결부가 형성되어, 실질적으로 모세관형 미세 조직은 유지된다.
이하에서는, 개략적인 도면을 참조로 하여 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.
도 1에서는, 본 발명에 따른 실린더 라이너(cylinder liner, 3)의 주행면(1) 에 대한 종단면의 상세도가 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 주행면(1)은 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에 따라서 제조되었다.
저속 2행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너(3)의 실린더 벽(2)에 형성되는 주행면(1)을 명확하게 볼 수 있다. 도 1에 도시되지는 않지만, 설치 상태에서는 피스톤이 공지된 방식에 의해 실린더 라이너(3) 내에 배치되고, 대형 디젤 기관의 작동 상태에서는 피스톤은 주행면(1)을 따라 실린더 축(4) 방향으로 왕복 운동한다.
이와 관련하여, 주행면은, 3단계 중 제1 단계로서, 채널형 거친 조직(coarse structure, 8)이 실린더 라이너 블랭크(31)의 원통형 내면 상에 선삭되는 실린더 벽(2)의 선삭가공에 의해 실린더 라이너 블랭크(cylinder liner blank, 31)로부터 제조되었다. 그런 다음, 미세 채널(91)을 갖는 스코어링 조직(scoring structure, 9)이 거친 조직(8) 내로 가공된 결과, 모세관형 미세 조직(capillary-like fine structure, 6)이 형성되고, 마지막으로, 모세관형 미세 조직(6)의 연결을 위해, 원주 방향 모세관형 미세 조직(6) 사이에 교차 연결부(cross-connections, 7)가 교차 기계가공 방법(cross-machining method), 예컨대 다이아몬드 및 탄화규소(SiC) 공구를 사용한 스파이럴 호닝(spiral honing), 및/또는 코르크 스톤(cork stone) 및/또는 연마 브러시를 사용한 기계가공 방법에 의해 가공된다.
거친 조직(8)이 스코어링 조직(9)의 중간 제조 단계에 의해 제거되었기 때문에, 이에 따라, 모세관형 미세 조직(6)이 스코어링 조직(9) 안으로 가공되어, 스코어링 조직(9)은 고정밀 선삭에 의해 제거되었기 때문에, 도 1에서는 당연히 거친 조직(8) 및 스코어링 조직(9)을 더이상 알아볼 수 없다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명에 따른 방법의 제4단계 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 2a는 실린더 라이너(3)의 원주 방향(5)으로의 채널(81)을 포함하는 거친 조직(8)을 구비하는, 실린더 라이너(3)의 실린더 벽(2)의 상세도를 개략적으로 나타내고 있으며, 상기 채널(81)은 제1 선삭 단계에서 실린더 라이너 블랭크(31)의 내면 상에 형성된다.
그 다음, 도 2b의 (A)에 따르면, 거친 조직(8)은 제2 가공 단계에 의해 제거되는데, 상기 제2 가공 단계는 원주 방향 미세 채널(91)을 구비한 더 미세한 스코어링 조직(9)이 적절한 선삭 공구에 의해 채널형 거친 조직(8)으로 가공되며, 상기 적절한 선삭 공구는 특히 상기 거친 조직(8)을 위해서보다는 상기 선삭 공구를 위해 더 낮은 이송 속도가 선택된다. 도 2b의 (A)에서는, 거친 조직이 더이상 존재하지 않기 때문에, 거친 조직(8)은 점선(8)으로 표시되어 있다.
그 다음에, 추가적인 가공 단계로서, 실린더 주행면(1)에 대해 고정밀 선삭이 적용된다. 본 발명에 따른 고정밀 선삭의 결과가 도 2b의 (B)에 개략적으로 도시되어 있으며, 본 도면은 상기 고정밀 선삭에 의해 주행면(1)의 작은 영역 B에 형성된 원주 방향 모세관(61)을 갖는 모세관형 미세 조직(6)을 나타내고 있다.
이를 달성하기 위해, 절삭 각도가 확실하고 최소 직경이 바람직하게 19㎜ 이상인 원형 가역 절삭판(round reversible cutting plate)이 사용되어, 절삭 속도가 10m/min 내지 50m/min, 바람직하게는 20m/min 내지 30m/min로 감소되고, 절삭 깊이 가 0.01㎜ 내지 0.07㎜, 바람직하게는 0.03㎜ 내지 0.05㎜이며, 1 회전당 이송 거리가 0.1㎜ 내지 0.7㎜, 바람직하게는 0.3㎜ 내지 0.5㎜인 형성면을 형성한다.
이 적절한 종류의 가공, 특히 경질상(hard phases)을 갖는 주철의 가공의 현저한 장점은, 그 경질상이 매우 적게 손상되거나, 아니면 전혀 손상되지 않는다는 점이다. 본 발명과는 대조적으로, 종래에는 절삭 에지가 사용되어, 펄라이트(pearlite)와 경질상의 탄성 계수의 차이로 인해 경질상의 파괴를 야기시키는 강한 방사상 압력을 가한다. 이와 반대로, 본 발명에 따른 기계가공 방법에서는, 선삭 시 압력이 실질적으로 축 방향으로 가해지는데, 즉 축 방향으로 실린더 벽에 가해지는 선삭 공구의 압력이 방사 방향으로 실린더 벽에 가해지는 선삭 공구의 압력보다 더 클 수 있기 때문에, 파손이 일어날 수 있는 경질상은 순식간에 가공처리되어 제거되고, 베이스 재료 내에 남아있는 경질상은 파손되지 않은 상태를 유지한다. 상기 적절한 가공에 의해, 금속 시트 표면 상의 버어(burr) 및 세라믹 재료 부분의 손상이 방지된다. 이러한 표면은 실린더 주행면(1)의 일부이며, 이 표면의 모세관형(61)은 0.5㎛ 내지 8㎛ 사이, 바람직하게는 1㎛ 내지 4㎛ 사이의 오일 유지량(oil retention volume)(Rvk)을 나타내며, 이는 피스톤이 아무런 문제 없이 운동할 수 있도록 하는데 적합하다. 일정한 윤활막은 이들 모세관형(61)의 유사 수평 위치에 따라 형성되고, 오일 소비를 동시에 감소시킨다.
실린더 주행면(1) 상에 일정한 윤활막을 배치시키기 위해, 도 2b의 (B)에서는 도시되어 있지 않지만, 추가적으로 모세관형(61)은 교차 연결부(7)에 의해 서로 소통해야 한다. 이는, 다이아몬드 및 탄화규소(SiC) 스톤 특성 US 메시 100 내지 150을 가지며, 10°내지 85°의 각도, 바람직하게는 30°내지 75°의 각도를 이루는 본 발명에 따른 스파이럴 호닝에 의해 이루어진다. 이러한 호닝 시간은 상술한 고정밀 선삭에 의해 실질적으로 감소되고, 이에 따라 본 발명에 따른 실린더 라이너(3)의 제조 비용은 종래 기술에 비하여 실질적으로 줄어든다.
본 발명에 따른 주행면의 거칠기를 얻고, 플레토우(plateau)라고도 불리는 어떠한 금속 시트 표면의 버어(burr)를 방지하기 위해, 실린더 주행면(1)은 연마용 브러시 또는 입자 크기가 US 메시 240 내지 600인 코르크 스톤에 의해 나선형으로 브러싱되거나 매우 정밀하게 연삭된다. 상기 브러싱에 의해, 틈이 형성될 수 있을 세라믹 재료 부분은 추가로 제거되고, 이에 따라 본 발명에 따른 실린더 라이너(3)의 가공 시간 또는 유효 수명은 종래의 공지된 실린더 라이너에 비해 상당히 증대된다.
이러한 상황 때문에, 다이아몬드 및 탄화규소 호닝 및 브러싱 및 코르크 스톤의 고정밀 호닝이 2개의 개별적인 연속 작업 단계 또는 하나의 작업 단계로 수행될 수 있다. 만일, 다이아몬드 및 탄화규소 호닝과 같은 공정이 하나의 작업 단계로 수행된다면, 호닝 공구는 브러시 및 코르크 스톤과 브러시 및 코르크 스톤에, 그리고 브러시, 코르크 스톤과 다이아몬드 및 탄화규소 스톤에 비스듬하게 체결될 수 있으며, 이 또한 제조 비용을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 기계가공 방법에 의해, 피스톤, 피스톤 링 및 실린더 주행면의 유효 수명이 상당히 증가될 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 윤활제의 소비도 최소화되고, 그 사용 연수도 현저하게 늘어나 제조 비용이 줄어든다.
도 1은 본 발명에 따른 실린더 라이너의 주행면에 대한 종단면의 상세도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 4 단계 방법의 개략도이다.
Claims (12)
- 왕복 피스톤 연소 기관, 특히 저속 2행정 대형 디젤 기관의 실린더 라이너(3)의 실린더 벽(2) 상에 주행면(1)을 제조하기 위한 기계가공 방법에 있어서,피스톤은, 설치된 상태에서, 상기 실린더 라이너(3) 내에 실린더 축(4) 방향으로 상기 주행면(1)을 따라 왕복 운동 가능하도록 배치되고, 상기 기계가공 방법은 실린더 라이너 블랭크(cylinder liner blank)(31)를 제공하는 단계와, 선삭 공구에 의해 상기 실린더 벽(2)을 선삭하는 단계를 포함하고, 상기 선삭 공구 및 상기 실린더 벽(2)은 소정의 회전 속도로 상기 실린더 축(4)을 중심으로 이동하는 동시에, 상기 실린더 축(4)을 따라 소정의 이송 속도로 칩 형성 방식으로 서로가 상대적으로 움직여, 원주 방향(5)으로의 상기 실린더 벽(2) 내에 정밀 기계가공 단계에서 정밀 선삭에 의해, 원주 방향 모세관(61)을 갖는 모세관형 미세 조직(6)이 상기 원주 방향으로 상기 실린더 벽(2) 내에 형성되고, 상기 모세관형 미세 조직(6)은 상기 실린더 라이너(3)의 상기 실린더 벽(2) 내에 상기 실린더 축(4)을 따라 나선형으로 연장되며,상기 모세관형 미세 조직(6)이 실질적으로 유지되도록, 교차 기계가공 방법에 의해, 상기 모세관형 미세 조직(6)의 상기 원주 방향 모세관(61) 사이에 교차 연결부(7)가 형성되는,기계가공 방법.
- 제1항에 있어서,상기 모세관형 미세 조직(6)의 형성 이전에, 원주 방향 채널(81)을 갖는 채널형 거친 조직(8)이 선삭 공정 단계에서 상기 원주 방향으로 상기 실린더 벽(2) 내에 형성되고, 상기 거친 조직(8)은 상기 실린더 라이너(3)의 상기 실린더 벽(2) 내에 상기 실린더 축(4)을 따라 나선형으로 연장되는, 기계가공 방법.
- 제2항에 있어서,상기 채널형 거진 조직(8)의 제조를 위한 상기 선삭 공정 단계 이후 및 상기 모세관형 미세 조직(6)의 제조를 위한 상기 정밀 선삭 이전에, 원주 방향 미세 채널(91)을 갖는 스코어링 조직(9)이 형성되고, 상기 스코어링 조직(9)은 상기 실린더 라이너(3)의 상기 실린더 벽(2) 내에 상기 실린더 축(4)을 따라 나선형으로 연장되는, 기계가공 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 실린더 벽(2) 상의 금속판 버어(burr)가 플레토우 호닝 단계(plateau honing step)에 의해 제거되는, 기계가공 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 모세관(61) 사이 및/또는 상기 채널(81) 사이 및/또는 상기 미세 채널(91) 사이의 피크부(peaks)가 소정의 높이로 감소되는, 기계가공 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 교차 기계가공 방법은 스파이럴 호닝이며, 상기 스파이럴 호닝은 20°내지 80°의 각도, 바람직하게는 30°내지 75°의 각도로 바람직하게 일어나는, 기계가공 방법.
- 제6항에 있어서,상기 스파이럴 호닝은 다이아몬드 및 탄화규소 스톤 특성 US 메시 100 내지 150을 갖는 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝으로써 행해지는, 기계가공 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 실린더 벽(2)의 상기 주행면(1)은, 연마용 브러시 및/또는 바람직하게 입자 크기가 US 메시 240 내지 600인 코르크 스톤을 사용하여, 나선형으로 브러싱되거나 매우 정밀하게 호닝되는, 기계가공 방법.
- 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 스파이럴 호닝, 특히 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝, 및 연마용 브러시를 이용한 스파이럴 브러싱 및/또는 상기 코르크 스톤을 이용한 고정밀 호닝은 임의의 순서에 따라 순차적으로 행해지는, 기계가공 방법.
- 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 스파이럴 호닝, 특히 다이아몬드 및 탄화규소 스파이럴 호닝, 및 연마용 브러시를 이용한 스파이럴 브러싱 및/또는 상기 코르크 스톤을 이용한 고정밀 호닝은 동시에 행해지는, 기계가공 방법.
- 제10항에 있어서,상기 브러시 및/또는 상기 코르크 스톤 및/또는 상기 다이아몬드 및 탄화규소 호닝 공구는 결합 공구 상에 배치되거나, 바람직하게는 비스듬하게 서로 마주보며 배치되는, 기계가공 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 2행정 대형 디젤 기관용 실린더 라이너.
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