KR20160133494A - 대형 크랭크 샤프트를 연삭하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트럭 엔진, 선박 엔진, 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트들을 완전 연삭하는 방법 및 연삭 장치에 관한 것이며, 여기서 크랭크 샤프트(10)의 메인 저널 및 크랭크핀 및 원통형, 가능하게는 원추형 단부 영역 및 플랜지가, 하나의 클램핑 셋업에서 사전-연삭 및 마무리-연삭된다. 크랭크 샤프트(10)의 사전-연삭 동안, 스테디-레스트 시트들이 연삭되며, 복수의 스테디 레스트들(11)이 연삭되어진 스테디-레스트 시트들에 대해 배치된다. 크랭크 샤프트(10)는 서로 동기적으로 작동하는 전기 구동부들에 의해 양쪽 클램핑 단부들에서 수동된다. 크랭크핀 및/또는 메인 저널의 측면에 대한 원하는 형상은 CNC-제어되는 X 및 Z 축들을 중심으로 하며 또한 소위 WK 피봇 축(16.1)을 중심으로 하는 제 1 연삭 디스크(7)의 보간 움직임에 의해 만들어지며, 이 연삭 디스크(7)는 CBN 연삭 디스크이며, 크랭크 샤프트의 메인 저널들 및 크랭크 핀들의 축방향 길이보다 작은 폭을 갖는다. 적어도 2개, 가능하게는 다수개의 현재의 직경들이, 공정중 측정 장치(30)에 의하여 메인 저널 및/또는 크랭크 핀의 축방향 길를 따르는 서로의 위치에서 측정되며, X1, Z1, 및 WK 축들에 대한 구동들은, 상기 측정 결과에 기초하여, 서로에 대한 보간 방식으로 제어되며, 이에 따라 상기 메인 저널 및/또는 크랭크 핀의 측면의 원하는 타겟 윤곽을 달성할 수 있다.

Description

대형 크랭크 샤프트를 연삭하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR GRINDING LARGE CRANKSHAFTS}
본 발명은 트럭 엔진, 선박 엔진 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트를 연삭 가공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 범위 내에서의, 대형 크랭크 샤프트는 800 mm보다 큰 길이, 특히 1000 mm 내지 대략 4000 mm의 길이를 갖는 크랭크 샤프트인 것으로 의도된다. 승용차의 크랭크 샤프트의 경우와는 달리, 이러한 타입의 대형 크랭크 샤프트는 동일한 크기의 조각 수로 제조되지 않는다. 크랭크 샤프트 치수가 커질수록, 그 크랭크 샤프트가 제조되는 배치 사이즈(batch size)는 작아지게 된다.
일반적으로는, 예를 들어, 대략 1500 mm의 길이를 가진 크랭크 샤프트를 가공하기 위해 제공되는 연삭 장치들은, 로딩 보조장치(loading aids)에 의하여 수작업으로 로딩 및 언로딩된다. 이러한 크기 정도를 갖는 크랭크 샤프트의 조각 개수가 작으며 또한 이러한 타입의 대형 크랭크 샤프트의 경우에는, 직경 방향에서의 최대 2mm의 연삭 오버사이즈(grinding oversize) 및 평탄면 상의 측면마다 최대 0.5mm의 연삭 오버사이즈가 연삭될 필요가 있다는 사실 때문에, 연삭 장치로 넘겨진 비가공된 부품은 고도로 비용 집약적이고, 이러한 대형 크랭크 샤프트에 대한 초점이 연마 시간을 특히 단축시키는 것에 맞추어지더라도, 이것은 연삭 대상인 비가공된 크랭크 샤프트 부품에 대한 허용가능한 품질을 갖는 부품으로서 상당한 중요성을 갖는다. 이것은 어떠한 상황에서도, 높은 금융 손실 때문에 거부할 수 없다는 것을 의미한다. 연삭 시간의 증가는 크랭크 샤프트를 거절 부품인 것으로 품질을 매기게 되는 잘못된 연삭 결과보다 빠르게 받아들여지게 된다. 대형 크랭크 샤프트의 연삭 동안, 예비적인 소프트 가공 처리 때문에 필요한 오버사이즈 연삭의 증가 및 후속적인 베어링 포인트의 경화는 높은 재료 제거율을 필요로 하며, 이것은, 그것의 부품에 대한, 연삭 동안에 뒤틀리게 되는 크랭크 샤프트의 위험성을 수반한다. 이러한 결과 또는 이러한 단점은, 베어링의 평탄면들이 함께 연삭되어야 하는 경우에 더욱더 심각하게 모두 발생한다. 특히, 대형 크랭크 샤프트의 경우에는, 함께 연삭될 베어링 포인트와 평탄면 사이에 존재하는 전이 반경(transition radii)이 이러한 문제점을 더욱 악화시킨다. 개별 베어링 포인트의 경화 이후에, 이 경화 영역은 통상적으로 전이 반경으로 연장되거나 또는 인접한 플랫 숄더(flat shoulder)로도 연장될 수 있다. 대형 크랭크 샤프트의 연삭 동안에는, 더 작은 크랭크 샤프트(예를 들어, 승용차 크랭크 샤프트)의 경우보다 실질적으로 더 큰 뒤틀림이 예상된다. 일반적으로, 높은 정밀도를 갖는 이러한 타입의 크랭크 샤프트를 제조하기 위하여, 소형 크랭크 샤프트에 대해서는 성공적인 연삭 순서 및 연삭 조건들을 대형 크랭크 샤프트에게 적용하는 것은 용이하게 가능하지 않다. 일반적으로, 대형 크랭크 샤프트는 복수의 공정 단계에서 대형 연산 장치들로 제조되며, 그 연삭은 커런덤(corundum) 연삭 휠들에 의해 행해진다.
DE 43 27807 C2는 특별히 대형 크랭크 샤프트에 초점을 맞추지 않은 크랭크 샤프트를 연삭하는 방법 및 연삭 장치를 기재하고 있다. 이 알려진 방법에서는, 크랭크 샤프트가 축방향 텐션에 의해 클램핑되며, 각각의 개별적으로 장착되어 있는 적어도 2개의 형상 연삭 휠에 의해 연삭된다. 워크 헤드스톡 및 풋스톡에 클램핑된 크랭크 샤프트가 워크 헤드스톡의 구동에 의해 회전되는 것으로 설정된다. 연삭된 크랭크 샤프트의 정밀도는, 단일의 셋업에서 크랭크 샤프트에 대한 전체 마무리-연삭(그러나, 오직 마무리-연삭)이 구현되는 사실에 의해서 달성되는 것으로 의도되어 있다. 스테디 레스트의 사용에 대한 어떠한 정보도 기재하고 있지 않다.
DE 199 19893 A1는 하나의 셋업에서의 크랭크 샤프트에 대한 거친-연삭 및 마무리-연삭에 대해 기재하고 있다. 특히, 예를 들어 300 mm보다 큰 길이를 가진 대형 크랭크 샤프트(예를 들어, 트럭 엔진용)에 대한 언급이 되어 있다. 또한, 긴 크랭크 샤프트 때문에 적어도 메인 베어링 상에 스테디 레스트 시트가 제공된다. 사용되는 연삭 휠은 CBN 연삭 휠이며 또한 코런덤 연삭 휠일 수도 있고, 여기서는 CBN 연삭 휠이 사용될 경우에는, 연삭 휠의 수명이 더 길어지고 더 큰 정밀도가 또한 달성될 수 있다는 사실에 대한 언급이 이루어져 있다. 워크 헤드스톡 및 풋스톡 모두는 전용 구동부를 가질 수 있으며, 이 구동부들은 서로에 대해 동기적으로 운영된다. 또한, 단일의 셋업에서, 적어도 크랭크 샤프트의 메인 베어링이 거친-연삭될 수 있으며, 그 후에 그것의 크랭크 핀 베어링이 그리고 후속적으로 그것의 메인 베어링이 적어도 하나의 연삭 휠로 마무리-연삭될 수 있음에 대해 언급되어 있다. 베어링 표면이 볼록 형상을 갖는 것으로 예정된 경우에는, 사용되는 연삭 휠에 대한 적절한 드레싱을 통해, 특히 재척킹(rechucking)할 필요없이도, 이것이 가능할 수 있다. 특히, 상기 방법은, 척의 클램핑 죠가 크랭크 샤프트의 원통형 저널 엔드의 역할을 하기 때문에, 크랭크 샤프트의 원통형 단부 섹션들의 연삭 및 플랜지의 연삭에 대해서는 기재되어 있지 않다.
Cinetic Landis에서의 인터넷 인쇄물은 디자인 LT3을 가진 대형 CNC 크랭크 핀 베어링 연삭 장치를 기재하고 있다. 이 장치는 최대 8 m의 크기인 것으로 기재되어 있다. 이 장치는 공정중 측정을 사용하여 크랭크 핀 베어링과 메인 베어링을 연삭하는 것을 사용한다. 특히 실제의 베어링 표면으로부터 그 베어링 경계에 있는 치크(cheeks) 상에 있는 단부면으로의 전이 반경을 연삭할 수 있도록 하기 위해, CNC 연삭 휠 드레서가 제공된다. 이러한 공지의 장치는 일 셋업에서 메인 베어링 및 크랭크 핀 베어링을 연삭하며, 또한 경사 부분이나 원추형 부분을 비롯한, 원통형 단부 영역들을 연삭할 수도 있다. 또한, 서보-제어 스테디 레스트에 대한 언급이 되어 있다.
또한, CBN 크랭크 핀 베어링 연삭 장치 PQ500x1250의 장치 데이터에 대한 Ingersoll Naxos로부터의 회사 브로셔는, 첫째로 연삭 대상인 크랭크 샤프트에 대한 1500 mm의 워크피스 길이에 관한 것이며, 둘째로 CBN 연삭 휠의 사용에 관한 것이다. 이 장치는 공정중 직경 측정 장치에 결합된다.
대형 크랭크 샤프트에 대한 광범위한 코런덤 연삭 휠의 사용으로, 특히, 베어링 포인트에서는, 실제의 베어링 포인트로부터 치크의 평탄면들로의 전이 반경의 연삭 동안에, 또한 그 치크를 연삭할 경우에, 그 반경을 연삭하는 연삭 휠이 미리 드레싱될 필요가 있다. 연삭 휠이, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 베어링 포인트 또는 원통형 단부 섹션의 연삭을 위해 후속적으로 사용될 필요가 있는 경우에는, 다시 드레싱되어야 한다. 일반적으로, 코런덤 연삭 휠은 개개의 상이한 작업 단계들 사이에서 빈번하게 드레싱되어야만 한다. 코런덤 연삭 휠의 비용이 상대적으로 낮기 때문에, 이것은 받아들여질 수 있다. 또한, 개별 작업 단계들 사이에서의 빈번한 드레싱은 대형 크랭크 샤프트에 대한 전반적으로 긴 제조 시간을 필요로 하며, 대형 크랭크 샤프트가 거절품으로 형성되는 것이 방지될 수 있는 임의의 속도에서 이것도 또한 전체적으로 받아들여질 수 있다.
종래 기술에서 알려진 공정 중 측정 장치들은 베어링 포인트의 현재 직경을 측정하기 위해 제공되며, 따라서 원하는 직경이 달성 또는 유지되는 연삭 동안에는 유효할 수 있다.
한편, 본 발명의 목적은 트럭 엔진, 선박 엔진 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트가 고정밀 및 고효율로 연삭될 수 있고, 또한 수명이 긴 연삭 휠이 사용될 수 있으며 드레싱 공정의 수가 감소될 수 있는 방법 및 연삭 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에서 청구되는 특징들을 갖는 방법 및 청구항 12에서 청구되는 특징들을 갖는 연삭 장치에 의해 달성된다.
편리한 개선사항들은 각각의 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 대형 크랭크 샤프트들을 전체 연삭하기 위한 본 발명에 따른 방법의 경우에 있어서, 적어도 크랭크 샤프트의 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들 모두가, 적어도 하나의 제 1 CBN 연삭 휠에 의하여 거친-연삭 및 마무리-연삭된다. 또한, 적어도 크랭크 샤프트의 원통형 단부 영역들 및 플랜지들 모두는 마찬가지로 크랭크 샤프트의 단일 셋업에서 거친-연삭 및 마무리-연삭된다. 이러한 CBN 연삭 휠의 사용으로 인해, 소정 작업 사이클의 각 연삭 가공 이후에 드레싱될 필요 없이도, 수명이 길어지고 높은 정밀도를 가진 연삭이 가능하게 도니다. 크랭크 샤프트의 거친-연삭 동안에, 일반적으로 복수의 스테디 레스트 시트들이 연삭되며, 하나의 스테디 레스트가 그 연삭된 스테디 레스트 시트들 각각에 맞춰 정렬된다. 사용되는 스테디 레스트들의 수는 연삭 대상인 크랭크 샤프트의 크기 및 길이에 의존한다. 짧은 크랭크 샤프트들의 경우에는, 몇몇 환경들에서 2개의 스테디 레스트로 충분하며, 따라서 오직 2개의 스테디 레스트 시트들만이 연삭될 필요가 있다. 크고 긴 크랭크 샤프트들의 경우에는, 각각의 메인 베어링 상에 있는 스테디 레스트를 연삭하고 또한 대응하는 스테디 레스트에 맞춰 정렬하는 것이 필요하며 일반적이다.
스테디 레스트들을 많이 사용하여 크랭크 샤프트가 더 길어지는 경우에는, 워크 헤드스톡의 구동에 의해 행해지는 회전 동안에 크랭크 샤프트의 뒤틀림을 가질 수 있는 문제점이 더 커지게 된다. 이러한 타입의 회전 구동부는 C1으로 표시된다. 뒤틀림을 방지하기 위해, 회전 구동부 C2가, 마찬가지로 본 발명에 따라 워크 헤드스톡의 반대편 단부에 배치된 제 2 워크 헤드스톡에 제공된다. 이 2개의 구동부들 C1 및 C2는 전기적으로 서로 동기 동작한다.
본 발명에 따르면, 제 1 연삭 휠은 각각의 CNC-제어되는 X1, Z1 및 WK1 축들에 의해서 구동된다. 제 1 연삭 휠은 크랭크 샤프트의 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 축방향 길이보다 작은 폭을 갖는다. 크랭크 핀 베어링들 및/또는 메인 베어링들의 측면에 대한 원하는 형상은, X1, Z1 및/또는 WK1 축을 중심으로 하는 제 1 연삭 휠의 보간 이동에 의해 만들어진다. 본 발명의 범위 내에서, 측면은 크랭크 샤프트의 실제의 베어링의 측면 및 또한 규정된 반경에 의하여 그 측면으로부터, 베어링 포인트의 경계에 있는 치크(cheeks) 상에 있는, 베어링 포인트의 길이방향 축에 수직하게 배치되는 평평한 표면으로의 전이를 의미하는 것으로 여기서는 이해된다. X1 축은 진행 방향에 있어서 베어링 포인트의 길이방향 축에 수직한 연삭 휠의 인피드(infeed)를 구성한다. Z1 축은 베어링 포인트의 길이방향 축에 평행한 축인, 연삭 휠의 이동 축을 구성한다. 또한, WK1 축은 연삭 휠이 그것의 길이방향 축에 대하여 변경될 수 있는 각도로 이동되는 방식에 의한 피봇 축을 구성한다. 즉, WK1 축은 연삭 휠 및 연삭 대상인 워크피스 상에 있는 그 연삭 휠의 결합 포인트를 통과하여 크랭크 샤프트의 길이방향 축에 수직하게 연장되는 피봇 축을 구성한다. 연삭 휠이 바로 이러한 WK1 축을 중심으로 피봇팅될 수 있을 경우에만, 정확하고, 고품질인, 원통형 형상의 베어링 포인트가 달성될 수 있으며, 그렇지 않은 경우에는, 연삭 결합 라인의 둘레가 평평하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 적어도 2개의, 바람직하게는 다수개의, 현재의 직경들이 메인 베어링들 및/또는 크랭크 핀 베어링들의 연삭 동안에 또는 연삭 중단의 발생 시에 측정 장치에 의하여 측정되며, 구체적으로는 상기 베어링들의 축방향 길이를 따라 이격되어 있는 측정 위치들에서; 이들 측정 결과에 기초하여, 제 1 CBN 연삭 휠의 X1, Z1 및 WK1 축들이 서로에 대한 보간 방식으로 또한 크랭크 샤프트의 메인 베어링들 및/또는 크랭크 핀 베어링들의 측면에 대한 원하는 윤곽을 달성되도록 서로 의존하는 방식으로 제어된다. 연삭의 중단은 연삭 휠이 결합되지 않는 것을 의미하는 것으로 여기서는 이해한다.
원칙적으로, 대형 크랭크 샤프트는 단일의 연삭 헤드스톡 상에 장착된 단일의 연삭 휠에 의하여 연삭될 수 있다. 상기 연삭 휠은 충분히 좁아야 하며, 이에 따라 크랭크 샤프트의 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들을 연삭할 수 있을 뿐만 아니라, 그 베어링들 상의 원통형 단부 섹션들 및 또한 플랜지들 및 평탄면들도 연삭할 수 있어야 하고 또한 실제의 베어링 표면들로부터 그 베어링의 평탄면으로의 전이부의 반경도 연삭할 수 있어야 한다. 효율성을 위하여, 2개의 연삭 헤드스톡들이 제공되고 또한 이에 대응하는 연삭 휠이 각 연삭 헤드스톡 상에 제공되는 것이 전반적으로 유리하다. 그 결과, 크랭크 샤프트를 연삭하는 시간을 상당히 감소시킬 수가 있다. X1, Z1 및 WK1 축을 중심으로 하는 연삭 휠의 이동에 의하여(이것은 보간 방식으로 실행됨), 이제 상이한 치수를 갖는 반경이, 각각의 드레싱 작업들 없이도, CBN 연삭 휠에 의해 연삭될 수가 있다. 즉, 연삭 대상인 반경은 연삭 휠의 드레싱 없이도 그것에 의해 직접 카핑될 수 있다. 이것은 코런덤 연삭 휠들에 비교할 때 결정 시간 및 정확도의 장점을 구성한다.
그러나, 각각의 베어링 포인트들의 길이방향 축에 수직하게 배치된 평평한 표면들로의 전이부에서는, 연삭 휠을 연삭하는 WK1 축이 베어링 표면들 상에서 연삭하는 직경 및 인접 반경으로부터 거기에 수직하게 배치된 평평한 표면까지 머징(merging)할 수 있도록 작동될 필요가 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 정밀도가 높고, 사용되는 연삭 휠의 수명이 길며 또한 효율이 높게, 단일의 셋업에서 대형 크랭크 샤프트를 연삭할 수가 있다.
바람직하게는, 크랭크 샤프트의 연삭 가공 사이에 규정된 인터벌들에서 제 1 연삭 휠이 드레싱된다. 특히, CBN 연삭 휠의 실질적인 장점은, 예를 들어 상당히 많은 연삭 작업들이, 연삭 휠이 드레싱될 필요없이도, 수행될 수 있다는 점이다. 소정의 윤곽을 달성하기 위해 어떠한 레이트의 드레싱도 필요하지 않으며, 그 이유는 연삭 휠의 3개의 CNC-제어되는 축들 모두의 사용을 갖는 높은 수준의 유연성으로 인하여, 이러한 목적을 위해 매번 드레싱할 필요 없이도, 임의의 윤곽, 예를 들어, 원통형 형상이 만들어질 수 있게 되기 때문이다. 바람직하게는, 임의 레이트의 드레싱은, 연삭 휠에서의 프로파일링을 달성하기 위해서가 아니라, 연삭 휠에 대한 소정의 마모도가 보상될 필요가 있을 경우에만 행해지게 된다.
바람직하게는, 크랭크 샤프트의 길이 치수가 측정되며, 이에 따라 적어도 제 1 연삭 휠의 연삭 위치를 제어하며, 이 치수는 X1 및 Z1 축에 대한 CNC 컨트롤러로 송신된다. 그 결과, 연삭 휠을 연삭 위치까지 정확하게 이동시킬 수가 있으며, 이것에 의해 연삭되는 축방향 길이 치수가 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 제 1 연삭 휠의 X1, Z1 및 WK1 축들이, 메인 베어링들 및/또는 크랭크 핀 베어링들의 원통형 형상으로부터 벗어난 원하는 형상이 만들어지도록 하는 방식으로, 제어된다. 본 발명에 따른 방법에 의할 경우, 또한, 각각의 베어링의 길이방향 축을 따르는 것과 다른 위치들에서 현재의 직경을 결정하는 대응하는 수의 측정 평면들에 의하여, 종래 기술에 따라 사용되는 공정중 측정 장치의 경우에는, 항상 베어링 영역의 단일 포인트에서만 이루어지는 정도로만 측정이 가능했기 때문에 가능하지 않았거나 또는 제한된 정도까지만 임의의 레이트가 가능했던 고정밀한 원통형 형상이 달성될 수가 있다.
또한, 바람직하게는, 크랭크 샤프트의 원통형 단부 영역 및/또는 플랜지의 연삭을 위하여, 크랭크 샤프트의 단부 영역에 있는 워크 헤드스톡 상의 척 또는 크랭크 샤프트의 단부 영역의 반대편에 있는 풋스톡 상의 척 또는 풋스톡 대신에, 상기 단부 영역의 제 2 워크 헤드스톡 상에 있는 척이 해제되며, 그 경우에는 각각 제공되는 각 척의 포인트들에 의해 크랭크 샤프트가 중앙적으로 유지된다. 예를 들어, 각각의 척을 통해 크랭크 샤프트의 센터링 보어에 대해 가벼운 압력이 발생하는 경우에는, 크랭크 샤프트가 또한 구동될 수 있다. 척이 해제되는 경우, 크랭크 샤프트의 단부 영역이 임의의 레이트로 연삭될 수 있으며, 구체적으로는 적어도 제 1 연삭 휠에 의하여 거친-연삭 및 마무리-연삭될 수 있다. 유사한 절차가 크랭크 샤프트의 반대편 단부 영역에서 이루어진다. 따라서, 단일 셋업에서 고효율 및 고정밀도로 대형 크랭크 샤프트를 완전 연삭할 수 있다.
개선사항에 따르면, 본 발명에 따른 방법에서는 WK2 피봇 축에서 CNC-제어되는 X2 및 Z2 축 구동부들 및 추가의 CNC-제어되는 구동부에 의하여 크랭크 샤프트가 거친-연삭 및 마무리-연삭되는 제 2 CBN 연삭 휠이 제공된다. 각각의 연삭 헤드스톡들 상에 장착되는, 2개의 개별적인 CBN 연삭 휠 제공에 의하여, 대형 크랭크 샤프트를 위한 제조 시간이 감소되며, 가능하게는 절반으로 줄어들 수도 있다.
특히 긴 크랭크 샤프트들의 경우에는, 적어도 4개의 스테디 레스트 시트들(대응하는 스테디 레스트들이 이에 맞춰 정렬될 수 있음)을 연삭하는 동안에 도입되는 연삭력에 의한 가공 시의 변형을 보상하기 위하여, 더 연삭되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 크랭크 샤프트의 단부 영역들이 제 1 연삭 휠에 의하여 연삭되며, 여기서는 크랭크 샤프트의 한쪽의 단부 영역이 제 1 연삭 휠에 의해 연삭될 수가 있고, 크랭크 샤프트의 반대편 단부 영역이 제 2 연삭 휠에 의해 연삭될 수 있으며, 이 제 2 연삭 휠은 규정된 인터벌들에서 드레싱될 수도 있다. 이 규정된 인터벌들의 길이는 제 1 연삭 휠에 대하여 전술한 바와 유사한 양태들 하에서 결정될 수 있다.
바람직하게는, 특히 연삭 휠들의 선행 드레싱 없이도, CBN 연삭 휠들에 의한, 직접 카핑에 의해, 특히 베어링 포인트들에서의, 크랭크 샤프트의 측면 윤곽의 반경이, 필요로 하는 정밀한 반경 값으로 연삭된다.
그렇지 않았을 경우 개별 가공 단계들 사이에 필요한 업로딩/언로딩이 과잉적으로 되었을, 단일 셋업에서 대형 크랭크 샤프트의 완전 연삭 또는 완전 가공으로 인하여, 복수의 상이한 연삭 스테이션에서 가공을 수행할 경우 발생하게 되는 단점, 상기 크랭크 샤프트가 다음의 연삭 장치 또는 연삭 스테이션으로 다시 로딩될 때까지 외부 측정 동안에 크랭크 샤프트가 열적 변형되는 것이 방지된다. 이외에도, 대형 크랭크 샤프트들의 경우, 상기 무거운 크랭크 샤프트들을 로딩 또는 언로딩하기 위해 항상 상당한 장치가 지출되었다.
앞서 설명한 2개의 연삭 헤드스톡들을 사용하는 경우, 크랭크 샤프트들의 거친-연삭 및/또는 거친-연삭 및/또는 마무리-연삭 동안에 적어도 부분적으로 구현되는 병렬 가공에 부가하여, 2개의 상이한 윤곽을 만드는 연삭 휠들을 사용할 수 있게 된다. 이 연삭 휠들은 그들 각각이 개별의 베어링 포인트들에서 각각의 가공 작업에 더욱 양호하게 적응될 수 있거나 또는 거기에 최적화될 수 있는 장점을 갖는다.
대형 크랭크 샤프트들의 연삭을 위해, 연삭될 베어링 포인트들의 또는 원통형 단부 영역들 및 플랜지들의 가동 동안에 다음과 같은 상이한 기술들 또는 작업 순서들이 사용되는 것으로 의도된다:
a) 전이 반경 및/또는 평탄면들이 있거나 없는 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 거친-연삭 및 마무리-연삭하는 것;
b) 실제의 베어링 포인트의 경계가되는 평탄면들 상의 스러스트 베어링의 거친-연삭 및 마무리-연삭하는 것;
c) 메인 베어링들 및/또는 크랭크 핀 베어링들에서 및 스러스트 베어링에서 반경 보간의 가능성을 갖는 평탄면들에 대한 전이부에서 베어링 포인트들의 전이 반경을 연삭하는 것, 여기서 베어링 포인트들의 직경에서 그 평탄면들로의 전이부들에서의 반경은 그것의 "코너(corner)"에서의 반경을 갖는 연삭 휠로 연삭된다. 다수의 크랭크 샤프트들에서 베어링 전이부들의 반경은 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 설계시에 동일하지 않기 때문에, 작은 반경이 연삭 휠로 드레싱되며, 그 후에 이 반경은 베어링 포인트에서 "카핑"된다(도 11 참조).
d) 플랜지 및/또는 저널 가공과 같은, 크랭크 샤프트의 단부 영역들을 연삭하는 것, 여기서는 연삭 휠들의 추가의 WK 축으로 인해, 원추형 샤프트 단부들을 연삭할 수 있음;
e) 저널들 및/또는 저널 단부들 상의 전방 단부면들을 연삭하는 것;
f) CBN 연삭 휠들만을 가지고 연삭을 수행하는 것; 및
g) 연삭 오일 또는 연삭 에멀젼을 냉각 윤활제로서 사용하는 것.
측정 장치를 이용한 공정중 측정이 가장 먼저 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들에 대해 사용되며, 이 사용되는 측정 장치는 베어링 포인트의 길이방향에서의 연삭 휠을 통해 이동될 수 있으며, 이에 따라 직경에 대한 측정 값들이 베어링 포인트의 길이방향의 다수의 포인트들에서 기록될 수 있고, 즉 각 베어링 포인트에서의 원통도, 원추도 또는 볼록도로부터의 편차를 측정할 수 있다. 또한, 상기 측정 장치에 의하여, 베어링 포인트에서의 각 직경뿐만 아니라, 그것의 진원도(roundness)를 자동으로 감지할 수도 있다. 이 측정 값들은 본 발명에 따라 이 장치의 대응 제어 장치로 입력되며, 따라서, 연삭 가공 동안의 적절한 보정을 가지고, 워크피스 상에서 달성되는 윤곽이 보정될 수 있으며, 특히 크랭크 샤프트가 장치로부터 꺼내져서 특수 측정 장치를 가진 특수 측정 룸에서 측정될 필요 없이도, 원하는 윤곽이 얻어질 수 있다. 또한, 베어링 포인트들에서의 가공후 측정이 제공된 측정 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 이러한 목적을 위해, 연삭 휠이 베어링 포인트들로부터 작은 반경 거리까지 인피드되며, 그 후에 측정 장치가 가공후 측정 방법에서 직경을 측정할 수 있다. 이러한 측정 방법 이후에도, 마찬가지로 각 베어링 포인트의 원통도, 원추도 또는 볼록도로부터의 편차를 측정할 수 있다.
직경 및 진원도의 측정에 부가하여, 크랭크 샤프트의 길이방향 위치를 측정하는 장치가 제공되며, 여기서는 연삭 헤드스톡 상에 또는 연삭 헤드스톡들 상에 정밀 측정 헤드가 제공된다. 따라서, 크랭크 샤프트에 대한 길이 치수를 자동으로 측정하는 것이 가능하다. 소위 스위칭 측정 헤드가 측정 헤드로서 사용되며, 즉 키 헤드(key head)가, 전기 스위칭 신호가 출력될 때까지, Z 축을 따르는 연삭 헤드스톡의 이동에 의해서 워크피스와 접촉하는 것을 반영한다. 그 후에, 상기 스위칭 신호는 Z 축의 길이 측정 장치의 위치 값에 할당된다. 베어링 포인트들의 규정된 또는 모든 평탄면들의 측정을 반복함으로써, 연삭 이전에 각 베어링 포인트에 대한 정확한 길이방향 위치가 결정될 수 있으며, 따라서, 먼저, 연삭되어야 하는 각 평탄면에 대한 연삭 오버사이즈가 정밀하게 측정될 수 있으며 이에 따라 결정될 수 있다. 그 결과, 소위 "공기 연삭(air grinding)"이 없어질 수 있기 때문에, 연삭 시간이 최적화될 수 있다. 이러한 원리에 따라, 동일한 측정 헤드를 이용하여 크랭크 샤프트 상의 반경 방향 위치들이 또한 결정될 수 있다. 그 후에, 이 측정된 반경 방향 위치들이 또한 워크 헤드스톡들의 C 축들에게 할당된다.
단일 셋업에서 대형 크랭크 샤프트의 완전 가공이 또한 특히 중요하며, 그 이유는 예를 들어 대량 2500 mm의 길이를 갖는 대형 크랭크 샤프트는 대략 2시간의 연삭 시간을 필요로 하기 때문이다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 트럭 엔진, 선박 엔진 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트들을 완전 가공하는 연삭 장치가 제공되며, 여기서는 다음과 같은 요소들이 장치 베드 상에 배치된다:
a) 각각의 CNC-제어되는 회전 구동부 C1 및 C2를 가진 제 1 및 제 2 워크 헤드스톡. 연삭 대상인 크랭크 샤프트는 워크 헤드스톡들 사이에 클램핑된다. 이러한 셋업은 크랭크 샤프트의 전체 완전 연삭 가공 동안에 유지되며, 따라서 재척킹 작업들을 필요로 하지 않는다. 회전 구동부들 C1 및 C2는 서로 동기적으로 2개의 단부들에서 크랭크 샤프트를 구동한다. 따라서, 이들은 소위 일렉트릭 웨이브(electric wave)를 보장한다. 2개의 회전 구동부들 C1 및 C2의 동기 구동에 의하여, 그것의 회전 중에 크랭크 샤프트가 뒤틀리지 않는 것이 보장된다. 본 발명에 따른 연삭 장치에 의하여 상대적으로 큰 길이의 대형 크랭크 샤프트들이 가공되기 때문에, 상기 대형 크랭크 샤프트들은 복수의 메인 베어링들, 보다 바람하게는 모든 메인 베어링들 상에서 지지될 필요가 있다. 그 결과, 마찰 모멘트가 크랭크 샤프트에 가해져서, 그 부분에 대한, 뒤틀림 하중으로 이어질 수 있다. 이러한 뒤틀림 하중을 방지하거나 이에 대응하기 위하여, 회전 구동부들 C1 및 C2이 크랭크 샤프트의 양단부에 배치되어서, 서로 동기적으로 작동한다.
b) 크랭크 샤프트의 메인 베어링들 상의 지지부들, 이 지지부들은 각각의 스테디 레스트 시트가 제 1 연삭 헤드스톡 상에 배치된 제 1 연삭 휠에 의하여 연삭된 이후에, 크랭크 샤프트 메인 베어링들과 접촉하는 방식으로, 각각의 크랭크 샤프트 메인 베어링들까지 이동할 수 있는 다수의 스테디 레스트들에 의해 보장된다.
c) 제 1 연삭 휠을 가진 제 1 연삭 헤드스톡, 상기 연삭 휠은 CBN 연삭 휠이며, 크랭크 샤프트의 적어도 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 거친-연삭 및 마무리-연삭을 위해 X1 및 Z1 축들의 CNC-제어되는 구동부들을 갖는다. 또한, WK1 피봇 축에 대한 다른 CNC-제어되는 구동부가 상기 제 1 연삭 휠에 대해 제공되고, 여기서 X1, Z1 및 WK1 축들이 서로 보간될 수 있으며, 적어도 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 원하는 측면 윤곽이 달성될 수 있는 방식으로 서로에 대해 의존적으로 제어될 수 있다.
d) 연삭 헤드스톡 상에 배치되며 또한 메인 베어링들 또는 크랭크 핀 베어링들의 길이방향 축에 평행하게 연장되는 변위 축을 갖는 측정 장치, 여기서 측정 장치는 이 변위 축을 따라서 현재의 직경들이 기록될 수 있는 측정 위치들로 이동될 수 있다. 상기 측정된 현재의 측정들에 기초하여, 제 1 연삭 휠의 X1, Z1 및 WK1 축들이 제어될 수 있으며, 이에 따라 원하는 윤곽을 달성할 수 있다.
특히 대형 크랭크 샤프트들의 경우에는, 연삭 스핀들이 또한 적절한 크기 및 중량을 갖도록 치수화될 필요가 있다. 상기 큰 질량의 이동에 큰 구동이 필요하지만, 이들 구동은 고정밀의 표면 또는 고정밀의 원하는 측면 윤곽, 특히 이러한 타입의 크랭크 샤프트의 베어링들 상에 대한 것들에 있어서 자유롭고 매우 낮은 마찰 방식으로 실행되어야 한다. 연삭 휠들의 추가 WK 축에 대한 실질적인 장점은, 이것에 의해 이동되는 연삭 휠들은 거의 관성 없이 그리고 높은 정밀도를 가지고 상대적으로 작은 각도량에 대해 비스듬하게 위치될 수 있으며, 이에 따라 곡면이 직 및/또는 기울어진 워크피스 윤관의 신뢰성 있고 비용 효율적인 연삭을 달성하거나 또는 원통형의 원하는 윤곽으로부터 벗어난 편차를 보상할 수 있다는 점이다. 따라서, WK 축은 그것의 연관 구동에 의해 정밀하게 조정될 수 있는 방식을 반영하며, 따라서 연삭 휠은 이에 대응하게 시작 위치에 대하여 약간 기울어지도록 위치된다. 이러한 피봇 축은 그것의 피봇팅 기능에 있어서 실질적으로 자유롭다. 본 발명에 따른 연삭 장치에 의할 경우, 평평한 방식으로 드레싱된 연삭 휠들을 이용하여, 대응 베어링 상에 있는 소위 "볼러스(ballus)"를 연삭할 수가 있다. 연삭 후리의 이동에 대한 X 및 Z 축들을 이용할 경우, 통상의 라운드/언라운드 범용 연삭 장치의 경우에 제시된 바와 같은, 수평 기준 평면이 규정된다. 정밀한 원통형 형상을 연삭하기 위한 요구사항은, 메인 베어링들 및/또는 크랭크 핀 베어링들이 정밀하게 축방향으로 평하게 클램핑되는 것이다. 잦은 불가피한 클램핑 에러로 인하여 그리고 대형 크랭크 샤프트들은 상대적으로 소프트한 구조물을 형성하며, 모든 주의에도 불구하고 연삭 동안에는 모든 메인 베어링들의 요소들을 클램핑 및 지지하는 중앙 축들이 크랭크 샤프트의 길이방향 축에 대하여 정확하게 정렬되는 방식으로 연장되는 그러한 방식으로 설치될 수가 없으며 따라서 원하는 윤곽에 대한 약간의 편차가 발생하기 때문에, 연삭 휠에 대한 추가의 WK 축에 의하여, 상기 에러들을 상쇄하여, 특히 대형 크랭크 샤프트들의 경우에 보다 정밀한 자신이 원하는 윤곽을 달성할 수가 있다. 또한, 상기 추가의 WK 피봇 축을 이용할 경우, 연삭 대상인 각각의 베어링 상에 볼록한 둘레면을 만드는 것이 또한 가능하게 된다. 연삭 휠이 양 측면쪽으로 기울어지게 위치될 수 있는 경우(즉, 피봇팅될 수 있는 경우)에는, 좁은 연삭 휠을 이용하여 외측으로 볼록한 볼록 윤곽이 또한 달성될 수 있다. 따라서, 원하는 베어링의 볼록 윤곽에 따라 제공되며 또한 그것의 두께(즉, 연삭 휠 폭)가 전체 베어링 폭을 통해 도달되는 프로파일링된 연삭 휠을 더 이상 만들 필요가 없게 된다.
크랭크 샤프트의 양단부들 상에서 작동하며 그 단부 영역들에서 크랭크 샤프트를 클램핑하는 워크헤드스톡들은 특히 유압식으로 이동될일 수 있다. 이 유압 이동성으로 인하여 정확하고 용이하게 위치 설정할 수 있으며, 이에 따라 크랭크 샤프트가 그것의 단부들에서 최적으로 클램핑될 수 있다.
바람직하게는, 제 2 연삭 헤드스톡은 마찬가지로 CBN 연삭 휠인 제 2 연삭 휠을 가지며, 또한 크랭크 샤프트의 거친-연삭 및 마무리-연삭을 위한 CNC-제어되는 X2 및 Z2 축들을 구비한다. 바람직하게는, 상기 제 2 연삭 휠은 또한 WK2 피봇 축에 대한 추가 CNC-제어되는 구동부를 갖는다. 제 2 연삭 휠의 상기 WK2 피봇 축은 동일한 기능을 가지며, 제 1 연삭 휠에 대한 WK1 피봇 축과 유사하게 구성된다.
마모로 인하여, CBN 연삭 휠들이 경우에 따라 드레싱될 필요가 있지만, 코런덤 연삭 휠들의 경우와 같이, 매 연삭 작업 후는 아니므로, 바람직하게는, 연삭 장치는 다이아몬드 드레싱 휠을 가진 드레싱 장치를 구비하며, 이것에 의해 제 1 및 제 2 연삭 휠이 그들 각각의 연삭 휠 원하는 윤곽으로 드레싱될 수 있다.
크랭크 샤프트의 단부 영역들 상에 있는 플랜지의 평평한 표면들의 그리고 또한 각 베어링 표면의 경계가 되는 크랭크 샤프트 치크(cheeks) 상에 있는 평탄면들의 정확한 연삭을 위하여, 바람직하게는, 길이 측정 장치가 한쪽 또는 양쪽 모두의 연삭 헤드스톡들 상에 배치되며, 이 길이 측정 장치는 Z 축을 따라 상이한 측정 위치들로 이동될 수 있고, 이 것에 의해 제 2 연삭 휠이 연삭 위치를 제어함으로써, 크랭크 샤프트 상의 각각의 평평한 표면들을 연삭할 수가 있다. 따라서, 다른 것에 대한 크랭크 샤프트의 평평한 표면들의 고정밀도가 또한 달성될 수 있다. 바람직하게는, 길이 측정 장치는 스위칭 측정 헤드를 구비한다.
더욱 바람직하게는, 연삭 장치는 복수의 스테디 레스트, 적어도 4개의 스테디 레스트를 갖는다. 스테디 레스트 홀더들이 연삭 테이블 상에 이동 가능하게 장착될 수 있으며, 이에 따라 대응하는 스테디 레스트 시트들이 연삭된 이후에는, 이들이 각각의 베어링 포인트까지 이동될 수 있다. 따라서, 길이방향을 따라 크랭크 샤프트를 신뢰적으로 지원함으로써, 가공 동안에 크랭크 샤프트가 처지는 것(sagging)을 방지할 수 있다(즉, 또한 연삭 동안에 연삭 휠에들에 의해 크랭크 샤프트에 도입되는 연삭력들을 흡수함).
크랭크 샤프트에 대한 전체적인 완전 연삭 가공 동안에, 회전 구동부들 C1 및 C2는 크랭크 샤프트를 클램핑한 위치를 유지한다. 이것은 크랭크 샤프트의 원통형 단부 영역들에서 작동하는 클램핑 죠를 가진 대응 척들에 의해서, 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들을 연삭하는 동안에 먼저 달성된다. 또한, 상기 단부 영역들이 크랭크 샤프트의 완전 가공의 견지에서 연삭되는 경우, 각 척의 클램핑 죠들은 해제되어 퇴피할 필요가 있다. 따라서, 크랭크 샤프트가 재척킹될 필요가 없도록 하기 위해, 이 척들은 회전 구동부들 C1 및 C2에 결합되는 팁들을 가지며, 이 회전 구동부들에 의해 구동되어, 원통형 단부 영역들에 있는 크랭크 샤프트의 센터링 보어들에 결합하며, 이에 따라 크랭크 샤프트를 클램핑하여, 그 팁들 사이에서 회전 방식으로 이것을 회전시킨다.
크랭크 핀 베어링들의 연삭 동안에, 크랭크 핀 베어링들 상의 연삭 포인트들로 냉각 윤활제/연삭 오일을 신뢰성있게 공급하는 것을 보장하기 위해(이 연삭 포인트들은 편심 이동하며, 즉 궤도 경로(orbital path)로 회전함), 이 장치에는 특히 냉각 노즐들이 상기 연삭 포인트의 편심 회전 동안에 상기 연삭 포인트들로부터 실질적으로 등거리를 유지하게 되도록, 냉각 노즐들을 안내하는 추가의 CNC 구동부가 더 구비된다.
이제, 본 발명의 다른 특징, 이점 및 사용 가능성에 대하여 아래의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연삭 장치의 평면도.
도 2는 클램핑된 크랭크 샤프트의 평면도인 도 1의 부분도.
도 3은 크랭크 샤프트의 연삭 작업을 설명하기 위해 개략적으로 도시된 연삭 영역들을 가진 크랭크 샤프트를 나타낸 도면.
도 4는 워크 헤드스톡에 의한 단부 영역들에서의 크랭크 샤프트의 클램핑을 나타낸 도면.
도 5는 센터링 보어에서 크랭크 샤프트와 결합하는 센터링 팁 및 클램핑 죠가 퇴피된 워크 헤드스톡을 나타낸 도면.
도 6은 폐쇄된 척을 가진 크랭크 샤프트의 풋스톡-측 클램핑을 나타낸 도면.
도 7은 센터링 보어와 결합되는 센터링 팁을 갖고 또한 크랭크 샤프트의 원통형 단부 영역 상에서 연삭을 수행하는 연삭 휠을 갖는 크랭크 샤프트의 풋스톡-측 클램핑을 나타낸 도면.
도 8은 도 7에 따른 예시로서, 크랭크 샤프트의 원통형 엔드 부분 상에 있는 원추형 단부 영역 및 연삭 휠을 나타낸 도면.
도 9는 풋스톡 상에서 완전히 퇴피된 척 및 원통형 단부 영역의 단부 측을 연삭하기 위해 크랭크 샤프트의 원통형 단부 영역을 지지하는 추가의 스테디 레스트를 나타내는 도면.
도 10은 직접 베어링 영역과 평탄면들 사이의 베어링 포인트에서 상이한 전이 반경 발생 시에 CBN 연삭 휠에 의한 카핑(copying)을 나타내는 도면.
도 11은 X 및 Z 축들만을 가진 연삭과 비교하여, 추가적인 피봇 축들 WK1 및 WK2을 이용하여 볼록한 베어링 윤곽을 연삭하는 것을 나타낸 도면.
도 12는 베어링 포인트에서의 현재 직경을 측정하는 공정중 측정 장치의 개략 구성을 나타낸 도면.
도 13은 편심 회전하는 크랭크 핀 베어링의 연삭 동안에 냉각 노즐의 안내를 개략적으로 나타낸 도면.
도 14는 메인 베어링의 연삭 동안에 실질적으로 정지되는 방식으로 구성된 냉각 노즐을 개략적으로 나타낸 도면.
도 1은 대형 크랭크 샤프트들이 가공될 수 있는, 본 발명에 따른 연삭 장치의 기본 설계를 보여준다. 종래의 방식에서, 연삭 장치는 필요한 모든 어셈블리를 수용하는 장치 베드(1) 상에 배치된다. 제 1 CBN 연삭 휠(7)로 연삭 스핀들(6)을 베어링하는 제 1 연삭 헤드스톡(5)은, 장치 베드(1)의 후방 영역에 배치된다. 또한, 제 2 연삭 휠(9)로 연삭 스핀들(8.1)을 베어링하는 제 2 연삭 헤드스톡(8)도 배치된다. 각각의 연삭 헤드스톡(5, 8)은 각 경우에 있어서 제어되는 X 및 Z 축을 구비하는 크로스 슬라이드(cross slide) 상에 구성된다. 상기 축들을 통하여, 이에 따라 제 1 연삭 휠(7)은 자신의 X1 및 Z1 축을 통해 구동가능하게 이동될 수 있으며, 또한 제 2 연삭 휠(9)은 자신의 X2 및 Z2 축을 통해 구동가능하게 이동될 수 있다. 또한, 각각의 연삭 헤드스톡들(5, 8)은, 고정밀 방식으로 원통형 형상을 연삭하기 위해, 특히 원통형 형상에서 벗어나는 베어링 포인트의 형상을 제조하기 위하여, 각각의 관련된 연삭 휠을 가진 제 1 연삭 헤드스톡(5)의 연삭 스핀들(6) 및 제 2 연삭 헤드스톡(8)의 연삭 스핀들을, 연삭 대상인 베어링 포인트로 내향 피봇팅하는 것을 허용하는 WK 축으로 지칭되는 것을, 각 경우에 있어서 그 연삭 스핀들 유닛 상에, 구비한다. 연삭 헤드스톡들(5, 8)은 그들 각각의 가이드(22)를 통한 X 이동들 및 대응하는 가이드들(21)을 통한 Z 이동들을 구현한다. 제 1 연삭 헤드스톡(5) 상의 제 1 연삭 스핀들(6)의 피봇 축 WK1은 참조 부호 16.1를 가지며 WK1으로 지칭된다. 제 2 연삭 헤드스톡(8) 상의 제 2 연삭 휠(9)의 연삭 스핀들의 피봇 축은 표기 WK2를 포함하며 또한 참조 부호 16.2를 갖는다. 연삭 헤드스톡들(5, 8)의 Z 축에 대한 구동들은, 제 1 연삭 헤드스톡에 대해서는 Z1 축의 구동부(14)에 의하여 구현되는 한편, 제 2 연삭 헤드스톡(8) 상에는 제 2 연삭 휠의 Z2 축에 대한 구동부(15)가 제공된다. 바람직하게는, 이 2개의 구동부들(14, 16)은 마스터-슬레이브 구동부들로 설계된다.
길이방향 포지셔닝 장치(19)가 제 2 연삭 헤드스톡(8) 상에 제공되는데, 이것은 길이를 측정하거나 또는 크랭크 샤프트(10)의 평평한 표면을 연삭하기 위한 연삭 위치를 결정하기 위해 제공된다.
연삭 장치의 모든 축 움직임들은 CNC 제어에 따라 이동될 수 있다.
워크 헤드스톡(work headstock)(3)에 대하여 C1 축을 위한 구동부(12)를 제공하는 연삭 테이블(2)은 장치 베드(1)의 전방 부분에 위치된다. 워크 헤드스톡(3)은 클램핑 죠(clamping jaws)에 부가하여 팁(tip)을 가진 척(chuck)(17)을 구비하는 워크 스핀들(work spindle)을 포함한다. 클램핑 죠(17)는 크랭크 샤프트의 엔드 저널(end journal)(10.3)에 대한 보상 방식으로 그것의 클램핑 위치에 놓여 있다. 클램핑 죠(17)는 크랭크 샤프트(10)의 단부 섹션(10.3)에 작동하며, 상기 팁은 크랭크 샤프트(10)의 단부 섹션(10.3)의 평탄면에 제공되어 있는 센터링 보어(centering bore)(10.4)에 결합된다. 바람직하게는, 워크 헤드스톡(3)은 그것의 포지셔닝에 관하여 유압식으로 이동될 수 있으며, 이것이 워크 헤드스톡(3)의 워크 스핀들 상에 양방향 화살표로 표시되어 있다. 이러한 가동성에 의하여, 크랭크 샤프트를 로드/언로드하기 위하여, 클램핑 죠(17)가 퇴피된 이후에는, 팁(26)(도 4 참조)이 크랭크 샤프트(10)의 센터링 보어(10.4) 밖으로 이동될 수가 있다.
C2 축에 대한 구동부(13)를 갖는 풋스톡(footstock)(4)은, 워크 헤드스톡(3)의 반대편에 있는 연삭 장치의 측면 상에 배치된다. 풋스톡 대신에, 워크 헤드스톡(3)의 방식으로 제 2 워크 헤드스톡이 또한 제공될 수도 있다. 본 예시적인 실시에에서, 풋스톡(4)은 미러 설계(mirrored design)로 워크 헤드스톡(3)과 유사하게 구성된다. 바람직하게는, 풋스톡(4)은 또한 크랭크 샤프트를 로딩/언로딩하도록 유압식으로 이동될 수 있으며, 양방향 화살표와 같이 풋스톡 스핀들 상에 배치된다. 풋스톡(4)은 크랭크 샤프트의 단부 섹션의 평탄면에 배치된 센터링 보어(10.4)에 결합하여 그것과 함께 구동될 수 있는 센터링 팁(27) 및 클램핑 죠를 가진 척(18)을 포함한다. 크랭크 샤프트(10)는 워크 헤드스톡(3)의 척(17)과 풋스톡(4)의 척(18) 사이에서 클램핑된다.
이 2개의 축들, 워크 헤드스톡(3)의 C1 및 풋스톡(4)의 C2는 결합되어진 축들로서 이동되며, 따라서 C1 및 C2는 전기적으로 CNC-제어되는 방식으로 동기 구동된다. 크랭크 샤프트가 클램핑된 상태에서 양 크랭크 샤프트 단부 상에서의 크랭크 샤프트의 동기 구동으로 인하여, 재료의 탄성 영역에서의 뒤틀림 때문에 크랭크 샤프트의 길이에 걸쳐 "자체 뒤틀림(twisting on itself)"되는 것이 방지된다. 이에 따라, 크랭크 샤프트가 고정밀도로 연삭될 수 있는 것이 보장될 수 있다.
상대적으로 큰 크랭크 샤프트(10)의 길이 때문에, 크랭크 샤프트(10)는, 그들 부분에 대하여, 연삭 테이블(2) 상에 고정되는 스테디 레스트(steady rest)들(11)에 의하여 복수의 메인 베어링들에서 지지되며(본 경우에는 4개의 메인 베어링들), 그들이 각각의 메인 베어링(10.1)에 맞추어 정렬될 수 있는 방식으로 이동될 수 있으며, 또한 대응하는 스테디 레스트 시트들이 상기 메인 베어링들 상에서 연삭된 이후에는, 메인 베어링(10.1)을 지지할 수 있다.
크랭크 샤프트(10)가 완전히 연삭 완료되어 이것을 연삭 장치로부터 언로딩하는 것을 의도하는 경우, 각각의 척들의 팁들(26, 27)을 동시에 분리하면서, 워크 헤드스톡(3)의 척(17) 및 풋스톡(4)의 척(18)이 퇴피된다. 이 경우, 크랭크 샤프트는 연삭 테이블(2) 상에 마찬가지로 탑재되며 2개의 메인 베어링들(10.1) 상에서 작동하는 서포팅 프리즘(supporting prism)(미도시)으로 지칭되는 것에 얹히게 된다. 이러한 방식으로 배치되는 크랭크 샤프트는 그 후에 해당 리프팅 장치에 의해 연삭 장치로부터 분리될 수 있다. 마찬가지로, 연삭되어야 하는 새로운 크랭크 샤프트가 상기 서포팅 프리즘 상에 놓임으로써 연삭 장치에 로딩되며, 그 후에 척들(17 및 18)에 의해서 상기 크랭크 샤프트가 각각의 단부 영역들에서 클램핑된다.
다수의 연삭 동작들로 인하여 발생하는 CBN 연삭 휠들(7, 9)의 마모를 보상하기 위해 그리고 원하는 연삭 휠의 형상을 복원하기 위해, 연삭 휠들이 마모-발생 인터벌에서 드레싱(dressing)된다. 이러한 목적을 위하여, 다이아몬드 휠을 가진 드레싱 장치(dressing device)(20)가 연삭 테이블(2) 사에 추가로 배치되며, 이 드레싱 장치를 이용하여 드레싱함으로써 연삭 휠의 지오메트리가 ㎛ 정밀도로 복원될 수 있다.
제 2 연삭 헤드스톡(8) 상에 추가로 배치되는 길이 측정 장치(19)는 스위칭 측정 헤드를 갖는다. 상기 스위칭 측정 헤드는 연삭 헤드스톡(8)의 X2 및 Z2 축과 함께 움직임으로써 다양한 측정 위치들로 이동될 수 있다. 상기 측정 키 헤드를 가지고, 예를 들어, 비가공되어 있는 부분 및 완성된 크랭크 샤프트 상에서의 실제의 연삭 이전에, 실제의 길이 치수들이 측정된다. 그러나, 반경 방향 위치들도 또한 상기 측정 장치를 가지고 측정될 수 있다.
완성된 워크피스 상에서의 연삭 동안에도 현재의 직경 치수를 연속적으로 측정할 수 있기 위해, 공정중 측정 장치로 지칭되는 것이 제공된다. 이 공정중 측정 장치는 명확성의 이유 때문에 도 1에서는 도시되어 있지 않다. 상기 공정중 측정 장치들은 일반적으로 연삭 헤드스톡(5, 8) 상에 구성되며, 여기서는 연삭 스핀들 및 연삭 휠마다 보통 하나의 공정중 측정 장치가 제공된다. 상기 측정 장치는 추가의 CNC-제어 축을 가지며, 따라서 측정 장치는 연삭 휠을 구비한 연삭 스핀들의 움직임과는 독립적으로 Z 축을 따라 이동될 수 있다. 결과적으로, 예를 들어 메인 베어링들의 길이 방향 및 크랭크 핀 베어링들의 길이 방향에서의 복수의 원하는 위치들에서 현재의 직경에 대한 측정 값들을 얻을 수가 있다. 상기 측정 값들은 우선 연삭 가공 동안에 베어링 포인트의 원추 또는 볼러스들을 모니터링하기 위해 필요하며, 그 측정 값들에 기초하여, 대응하는 연삭 휠의 연삭 동작에 대한 대응하는 제어를 처리하기 위해서 필요하다. 따라서, 연삭 동안에는, 연삭될 원하는 형상이 또한 달성되도록 하는데 필요한 경우에는 치수 보정이 행해질 수 있다. 따라서, 심지어 상기 대형 크랭크 샤프트들에 대하여도 매우 높은 정밀도를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 이 측정 장치는 참조 부호 16.1 및 16.2를 갖는 피봇 축들 WK1 및 WK2의 추가 구동과 함께, 연마 동안에 각각의 베어링 포인트에서 가능한 한 정확하면서 원하는 측면 표면 형상을 달성하기 위한 보정을 처리하는 기반을 제공한다.
크랭크 샤프트들의 연삭은 CBN이 코팅된 연삭 휠들에 의하여 베어링 포인트들에서 및 축 단부들의 중앙 부분들 상에서도 구현된다. 바람직하게는, 이미 설명한 마모-발생 인터벌들에서, 연삭 처리를 계속할 시에 드레싱될 수 있는 세라믹 결합된 CBN에 대한 사용이 이루어진다. 그러나, 특수 연삭 작업들을 위해서는, CBN이 갈바닉 코팅된 연삭 휠들이 또한 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 부분도를 도시한 것이며, 여기서 연삭 테이블의 설계는 확대된 형태로 도시되어 있고 또한 C1 축과 그것의 척(17)을 갖는 워크 헤드스톡(3) 및 또한 C2 축과 그것의 연관된 척(18)갖는 풋스톡(4)을 보여주며, 여기서 워크 헤드스톡(3) 및 풋스톡(4)은 그들의 척들(17, 18) 사이에 클램핑되어 있는 크랭크 샤프트(10)를 유지한다. 이 클램핑은 워크 헤드스톡(3)의 중앙 축, 크랭크 샤프트, 그것의 메인 베어링들(10.1)의 중앙 축, 및 풋스톡(4)의 중앙 축이 서로 간에 정확히 정렬되는 방식으로 구현된다. 크랭크 샤프트(10)는 척들(17, 18)의 각각의 클램핑 죠(17.1, 18.1) 및 팁들(26, 27)을 갖는 각각의 단부 영역들 상에 있는 저널(10.3)에서 클램핑된다. 크랭크 샤프트(10)의 대응하는 크랭크 핀 베어링들(10.2)은 각 2개의 메인 베어링들(10.1) 사이에 배치된다. 크랭크 샤프트(10)를 지지하는 스테디 레스트들(11)은 중앙 베어링 포인트들을 구성하는 메인 베어링들(10.1)에 맞춰 정렬되며, 중앙 베어링 포인트들(10.1)에 있는 상기 메인 베어링들과 결합된다. 크랭크 샤프트(10)는 그것의 중앙 단부들에서 고정적으로 클램핑되며, 왼쪽 면 상에서는 C1 축의 구동에 의해 그리고 오른쪽 면 상에서는 C2 구동에 의해 서로 동기적으로 구동된다. 클램핑 죠(17.1, 18.1) 및 센터링 팁들(26, 27)은, 척(17, 18)의 센터링 팁들(26, 27)에 큰 영향을 미치지 않는 클램핑 포인트에서의 동심도 오차(concentricity errors) 또는 치수 부정확을 허용하도록 설계된다. 또한, 센터링 팁들(26, 27)을 갖는 척들(17, 18) 대신에, 중앙 클램핑 척들을 사용할 수도 있다.
도 2는 베어링 포인트들(10.1, 10.2)을 연삭하기 위한 클램핑 상태를 나타낸다. 크랭크 샤프트(10)의 단부 영역들을 연삭하는 동안에, 연삭 장치에 있는 크랭크 샤프트(10)의 클램핑 상태들은 다음의 도면들에 나타낸 바와 같이 변경되어야 하며, 크랭크 샤프트(10)의 중앙 클램핑은 생략되지 않는다. 따라서, 단일 셋업에서, 메인 베어링들(10.1)과 크랭크 핀 베어링들(10.2)과 또한 크랭크 샤프트(10)의 단부 영역들(10.3)도 연삭하는 것이 가능할 수 있다.
도 3은 크랭크 샤프트(10)의 단순화된 도면을 보여주며, 여기에는 표시되어진 연삭 영역들(23, 24, 25), 즉 완전 가공의 의미에서 크랭크 샤프트(10) 상의 가공 대상인 영역들이 나타나 있다. 이 도면은 대응하는 연삭 작업들을 함께 도시하고 있으며, 구체적으로는, 본 케이스에 있어서, 일 엔진의 8-실린더 크랭크 샤프트 또는 V 엔진의 16-실린더 크랭크 샤프트에 대해 도시하고 있다. 크랭크 샤프트(10) 상에 있는, 메인 베어링들(10.1), 크랭크 핀 베어링들(10.2) 및 저널들(10.3)의 형태인 단부 영역들을 가진 샤프트 단부들이 연삭되며, 이것은 크랭크 샤프트(10)가 그들 사이에서 로드/언로드될 필요없이 하나의 셋업에 있는 단일 장치에서 이루어진다. 메인 베어링들(10.1)은 메인 베어링들을 위한 연삭 영역(23)에 의해 나타내져 있고, 크랭크 핀 베어링들(10.2)은 크랭크 핀 베어링들을 위한 연삭 영역(24)에 의해 나타내져 있으며, 또한 저널들(10.3) 형태의 원통형 단부 영역들은 저널들을 위한 연삭 영역(25)에 의해 나타내져 있다. 또한, 크랭크 샤프트는, 그 오른편 상에, 마찬가지로 또한 평탄면 상에서 연삭되어야 하는 플랜지(10.6)를 갖고 있다. 또한, 크랭크 샤프트(10)는 그것의 엔드-측 단부들에, 센터링 보어들(10.4)을 갖고 있으며, 이것은 각각의 척들(17, 18)의 센터링 팁들(26, 27)과 결합하여 센터링 방식(centering manner)으로 크랭크 샤프트(10)를 수용할 목적으로 제공된다.
일반적인 연삭 작업에서는, 먼저 모든 스테디 레스트 시트들이 크랭크 샤프트의 메인 베어링들(10.1) 상에서 거칠게 연삭되며, 이에 따라 둥글고, 매끈하게 연삭된 스테디 레스트 시트가 연삭되도록 한다. 추가적인 절차를 수행하는 동안, 추가적인 스테디 레스트 시트들이 잇따라 연삭되며, 그렇지 않으면, 메인 베어링들(10.1)에 맞춰 정렬된 스테디 레스트들(11)에 의하여 길이에 걸쳐 안정적인 방식으로 크랭크 샤프트(10)가 지지될 때까지 시병렬적으로 연삭된다. 추가적인 연삭 절차를 수행하는 동안, 크랭크 핀 베어링들(10.2) 및 메인 베어링들(10.1)은 거칠게 연삭되며, 이에 따라 베어링 포인트들 모두가 그들의 직경, 반경 전이부들 및 평탄면들에서 거칠게 연삭되도록 한다. 거친 연삭 이후에는, 크랭크 핀 베어링들, 메인 베어링들 및 샤프트 단부들을 마무리 사이즈로 마무리-연삭하는 것이 행해진다. 바람직하게는, 거친-연삭 및 마무리-연삭이 하나의 동일한 연삭 휠(7, 9)에 의해 행해진다. 크랭크 샤프트(10)의 완전 연삭 동안에, 앞서 설명된 방법들이, 대응하는 크랭크 샤프트들의 연삭에 기술적으로 유리하고 편리한 방식으로 사용되며, 여기서 연삭 순서는 각각의 크랭크 샤프트에 따라 결정되고 완전히 달라질 수도 있다. 일반적으로, 대형 크랭크 축들의 경우에는, 정의된 연삭 순서가 고정적으로 정의될 수 없으며 또한 미리 정해질 수도 없는데, 그 이유는 연삭 동안의 연삭 기술은 크랭크 샤프트의 뒤틀림 가능성과 함께, 해제되는 응력들에 관한 동작 및 처리에 크게 의존하기 때문이다. 크랭크 샤프트를 구성하는 재료는 연삭 순서의 결정에 대한 다른 영향인 것으로 간주되어야 한다. 서로 다른 재료로 구성되거나 상이한 경화 처리를 받은 고르고 동일하게 사전 가공된 크랭크 샤프트들은, 경우에 따라 이들 특성들을 고려하여, 연삭 절차에 있어서 서로 다르게 가공되어야 한다. 이와 관련하여 또 다른 영향을 미치는 변수는, 마찬가지로 정의된 연삭 순서를 야기하거나 요구할 수 있는, 크랭크 샤프트의 자연 주파수(natural frequency)이다.
도 4는 도 2의 확대도이며, 여기서 크랭크 샤프트(10)는 부분적으로만 나타나 있다. 도 2에 대한 보충으로, 그들의 클램핑 죠(17.1)와 센터링 팁(26)을 구비한 워크 헤드스톡(3)의 척들(17), 및 또한 그것의 클램핑 죠(18.1) 및 센터링 팁(27)을 구비한 풋스톡(4)의 척(18)이 확대도로 여기에 도시되어 있다. 이 센터링 팁들(26, 27)은 동시에 구동되는 방식으로 설계되어 있으며, 따라서, 클램핑 죠(17.1)가 퇴피되는 경우에는, 크랭크 샤프트는 계속해서 이 센터링 팁들(26, 27)을 통해서 센터링되는 방식으로 유지 및 클램핑된다. 2개의 스테디 레스트들(11)이 나타나 있다.
도 5는 퇴피되는 개방 클램핑 죠(17.1)를 구비하는, 워크 헤드스톡 측 상의 척(17)을 보여준다. 이 퇴피는 상하 각각의 경우에 나타내는 양방향 화살표로 표시된다. 또한, 척(17)은 클램핑 죠가 퇴피할 경우, 계속해서 그것의 저널들(10.3)에서 크랭크 샤프트(10)를 중앙 지지하거나 클램핑하는 센터링 팁(26)을 갖고 있다. 스테디 레스트(11)는 크랭크 샤프트(10)의 제 1 크랭크 핀 베어링(10.2) 뒤에서, 왼편으로부터 보이는, 제 1 메인 베어링(10.1)을 지지하며, 여기서 스테디 레스트(11)는 연삭 테이블(2)에 고정되어 있는 홀더 상에 배치된다.
도시되어 있는 클램핑 죠(17.1)의 퇴피 위치의 경우에, 크랭크 샤프트(10) 및 가능하게는 존재하는 평탄면들의 단부 영역들의 저널들(10.3)이 연삭될 수 있다. 왼쪽 단부 영역의 연삭 동안에, 크랭크 샤프트(10)는 계속해서 풋스톡(4)(미도시) 상의 척(18)에 클램핑되며, 따라서, C1 축을 구현하는 센터링 팁(26)의 구현과 함께, 풋스톡(4)의 C2 축은 연삭 목적을 위하여 회전 방식으로 크랭크 샤프트(10)를 구동한다. 물론, 저널(10.3)의 연삭 동안에 워크 스핀들을 구동하지 않는 것도 가능하며, 따라서 그 경우에는 고정 팁(stationary tip)이 존재하게 된다. 이것은 연삭 대상인 크랭크 샤프트의 각 연삭 작업 및 각 설계에 의존한다.
도 4에 비해 확대하여, 도 6은 크랭크 샤프트(10)의 오른쪽 저널(10.3)이 클램프된 상태에서 그것의 구동 C2를 갖는 풋스톡(4)의 구성을 도시하고 있다. 본 예시는, 척(18)이 저널(10.3) 상에서 클램핑 결합하는 풋스톡(4)의 센터링 팁(27) 및 클램핑 죠(18.1)를 가지고 작동된다는 것을 제외하면, 도 5에 따른 워크 헤드스톡(3)에 대한 구성에 기본적으로 대응한다.
도 7에는 저널(10.3)의 형태로 있는 원통형 단부 영역이 연삭 휠(9)로 연삭 영역(25)에 대하여 연삭될 수 있는 방식이 도시되어 있다. 풋스톡(4)의 척(18)은 클램핑 죠(18.1)에 대하여 퇴피되며, 이것은 척(18)의 위 아래로 표시된 양방향 화살표에 의해 식별된다. 앞에서와 같이, 척(18)의 센터링 팁(27)은 크랭크 샤프트(10)의 저널(10.3)의 단부 측에 있는 센터링 보어(10.4)와 결합된다. 클램핑 죠(18.1)가 퇴피되는 경우, 크랭크 샤프트(10)의 저널의 형태인 원통형 단부 영역은 연삭 휠(9)에 의하여 연삭 영역(25)에서 연삭될 수 있으며, 따라서 이러한 크랭크 샤프트의 영역은 직경에 대하여 및 선택적으로는 플랜지(10.6)의 기존 평탄면에 대하여도 연삭될 수 있다. 저널(10.3)의 연삭은 복수의 플런지 연삭에 의해 연삭될 수 있다. 연삭 휠(9)에 의한 두 번째 플런지-커팅(plunge-cutting) 이후에, 연삭 휠(9)은 마무리된 부분 상에서 완전히 원통인 직경이 되도록, 저널의 전체 길이에 걸쳐 "트위스트(twisted)"된다. 워크 헤드스톡(3)이 배치되며, 워크 헤드스톡(3)의 척(17)은, 워크 헤드스톡(3)의 C1 축 구동이 연삭 목적을 위하여 회전 방식으로 크랭크 샤프트(10)를 구동하게 되도록 크랭크 샤프트(10)가 클램핑되는 상태를 계속해서 유지하는, 크랭크 샤프트(10)의 왼쪽 편은 도시되어 있지 않다. 풋스톡(4) 상의 센터링 팁(27)은 이러한 가공 동안에 마찬가지로 편리하게 구동되며, 따라서 동시-회전 팁이 풋스톡 측에 존재한다. 그러나, 이 부분의 연삭 동안에 풋스톡 스핀들이 구동되지 않는 것도 또한 가능하며, 따라서 고정식이거나 단순형 동시-회전 팁이 존재한다.
도 8은 도 7에 대응하지만, 크랭크 샤프트(10)의 단부에는, 원통형 부분이 아니라, 연삭될 부분에 위치되는 단부-측 원추(38)를 갖는 원통형 부분이 존재한다는 차이점이 있다. 연삭 휠(9)이 WK 피봇 축을 통해 여기에 피봇되어 있다(본 경우에 있어서는, WK2 피봇 축(16.2)을 통해). 원추(38)의 연삭 동안에, 연삭 휠(9)은 원추(38)의 측면 라인을 따라 이동되고, 즉 X2 및 Z2 축들이 보간 방식(interpolating manner)으로 작동되며, 따라서 연삭 휠(9)은 X 축 및 Z 축의 움직임 조합에 대응하는 방식으로 이동한다.
도 9는 대형 크랭크 샤프트의 완전 가공이 단부-측 원통형 저널들(10.3) 상에서 행해질 수 있는 방식에 관한 다른 예시적 실시예를 도시한 것이다. 기본적인 구성은 도 7에 나타낸 것에 대응하며, 여기서는 그것의 척(18)이 클램핑 죠(18.1) 및 센터링 팁(27)을 갖는 풋스톡(4)이 크랭크 샤프트(10)과의 결합에 의해서 전체로서 퇴피되며, 이것은 풋스톡(4) 상의 두꺼운 양방향 화살표에 의해 식별된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 연삭 휠(9)이 저널(10.3)의 단부 측을 연삭할 수 있도록 하기 위해, 풋스톡(4)은, 센터링 보어(10.4)를 가진 크랭크 샤프트(10)의 저널(10.3)의 해당 단부 측과 척(18) 사이에 충분히 큰 거리가 만들어질 수 있을 때까지 퇴피되어야 한다. 상기 단부 측의 연삭을 위해서, 추가적인 스테디 레스트(11)가 맞추어져 있고, 상기 스테디 레스트가 저널(10.3)과 맞추어져 있으므로, 크랭크 샤프트(10) 상의 저널(10.3)은 중심선으로부터 일탈함 없이 연삭될 수 있다. 평면 연삭 시에, 연삭 휠(9)은 저널(10.3)의 바깥 둘레로부터 크랭크 샤프트의 길이방향 축선 중심까지 X2 축을 따라서 이동된다. 연삭 마모의 크기는 Z2 축 상의 연삭 휠(9)의 변위를 통해 구현된다. 따라서, 도 9에 도시된 작동 방식으로, 크랭크 샤프트(10)의 완전 가공이 크랭크 샤프트의 엔드 저널들(10.3)의 단부 측들을 포함하는 것이 또한 가능하다. 워크 헤드스톡(3)에 있는, 척(17)은 좌-측 저널과 클램핑 죠(17.1) 및 센터링 팁(26)으로 결합한 상태를 유지하며, 따라서 워크 헤드스톡(3)의 C1 축 구동은 연삭을 위해 회전 방식으로 크랭크 샤프트(10)를 구동시키게 된다.
도 10은 베어링 포인트에 있어서, 실제의 베어링 포인트로부터의 전이 반경(transition radius)이 보간 움직임(즉, X 및 Z 축 구동)에 의하여 연삭 휠(7, 9)로 연삭하는 동안에 "반복(replicated)"되는 방식을 개략적으로 도시한 것이다. 연삭 대상인 전이 반경을 따르는 연삭 휠(7, 9)의 움직임은 연삭 휠(7, 9) 아래 영역에 있는 2개의 화살표로 나타나 있다. 이 방법은 하나의 동일한 CBN 연삭 휠로 상이한 "코너 반경(corner radii)"을 가진 베어링 포인트들을 연삭할 수 있게 한다.
또한, 실제의 베어링 포인트의 경계인 평탄면(28)이 하나의 동일한 연삭 휠(7, 9)로 연삭될 수도 있다. 또한, 베어링 포인트의(즉, 크랭크 샤프트(10)의) 길이방향 축에 수직으로 배향되어 있는 평탄면(28)을 연삭할 경우에는, 연삭 휠(7, 9)이 WK 피봇 축(16.1 또는 16.2)을 중심으로 약간 피봇됨으로써, 평탄면(28)이 베어링의 길이방향 축에 대한 원하는 각도에서 신뢰성 있게 연삭될 수 있게 하는 것이 필요할 수 있다.
또한, 이 방법 또는 이 방법을 구현하는 연삭 장치는, 크랭크 샤프트의 단부 영역들에 대응하게 형상 직경이 변환되는 경우에 사용될 수 있다.
도 11은 연삭 휠(7, 9)의 WK1 또는 WK2 축을 중심으로 하는 추가 움직임에 의하여, 연삭 휠이 측면 상에서 오목하게 드레싱될 필요없이도, 예를 들어, 볼록한 윤곽(convex contour)이 베어링 포인트에서 만들어질 수 있는 방법을 보여주고 있다. WK1 및 WK2 피봇 축에 대한 추가적 구동의 장점은 특히, "평평한" 측면이라고도 불리는, 연삭 휠의 외부 측면의 원통형 설계로, 예를 들어, 각각의 WK 축을 중심으로 하는 연삭 휠(7, 9)의 주기적 피봇팅에 의하여 볼록한 형상이 만들어질 수 있다는 것에 있다. 이것은 드레싱 가공을 단순화시키며, 또한 이것은 원통형 형상에서 출발하거나 또는 높은 원통도를 갖는 원통형 형상을 달성하기 위한 보정 방식으로, 단부 영역들 상에서 또는 베어링 포인트들에서 임의의 원하는 형상들을 위한, 본 발명에 따른 연삭 장치의 사용 유연성을 증가시킨다. 이러한 타입의 구성에 의하여, 동일한 연삭 휠로 메인 베어링들(10.1)의 또는 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 베어링 포인트들에 있는 상이한 볼록체들을 연삭할 수가 있다.
도 11의 왼쪽 부분에는, 특히 "플런지 연삭(plunge grinding)" 시에, X1 또는 X2 축을 따르는 연삭 휠(7, 9)의 수직한 공급이 나타나 있다. 대형 크랭크 샤프트들의 경우에는, 도 11에서는 중요하지 않게 나타나 있는 바와 같이, 연삭 휠(7, 9)의 폭이 상기 베어링의 경계인 측면의 평평한 표면들 사이의 베어링 길이보다 작다. 빈번하게, 순수 원통형 베어링 표면이 이러한 방식으로 연삭됨으로써, 초기의 거친-연삭 동안에, 서로 인접해 있는 복수의 플런지 연삭 가공으로 거친-연삭 윤곽이 달성된다. 거친-연삭 이후에 남아 있는 마무리-연삭용의 작은 오버사이즈는 베어링의 길이에 걸친, 표면의 평활화를 포함하는, 측면 트위스팅(lateral twisting)에 의해 제거된다.
연삭 휠(7, 9)의 폭이 베어링 포인트의 길이보다 작은 경우에는, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 연삭 장치에 의하여, WK1 또는 WK2 축을 중심으로 하는 피봇 운동(pivoting movement)을 구현하는 것이 가능하며, 이에 따라, 본 도면의 오른쪽 부분에 나타낸 바와 같이, 복록한 윤곽을 가진 베어링 포인트가 만들어진다. 연삭 휠이 WK1 또는 WK2 축을 중심으로 오른쪽으로 피봇팅되는 경우, 점선으로 도시된 윤곽이, 이전에 연삭된 평탄면들과 만나지 않으면서 연삭 휠(7, 9)이 피봇팅될 수 있는 최대 윤곽이 된다. 볼록한 베어링 포인트들의 형성 시에, WK 축을 중심으로 하는 연삭 휠이 필요로 하는 피봇팅으로 인하여, 실제의 베어링 포인트로부터 평탄면으로의 전이 반경에서는 약간의 뒤틀림이 존재할 수 있을 것으로 예상되지만, 여기서 상기 찌그러짐은 허용 공차 범위 내에 존재하며, 그 이유는 베어링 포인트 윤곽의 볼록도는 어느 경우이든 마이크로 범위 내에서만 형성되기 때문이다.
비-프로파일형(non-profiled) 연삭 휠의 장점은 소위 연삭 휠(7, 9)의 평평한 측면이 베어링 표면의 볼록한 구조 및 크랭크 샤프트의 샤프트 단부들에 있는 원통형 저널들 또는 원통형 베어링 포인트들의 복록한 구조 모두를 생성하는데 용이하게 사용될 수 있다는 점에서 특수하게 이루어져 있다는 것이다.
도 12는 연삭 헤드스톡(5, 8) 상에 피봇팅될 수 있는 방식으로 구성된 측정 장치(30)를 도시한 것이다. 측정 장치(30)는 크랭크 샤프트(10)의 로딩/언로딩을 위하여, 유압 실린더들(32)에 의하여 연삭 장치 밖에서 연삭 휠 외측의 자유 위치로 피봇 곡선(pivoting curve)(33)을 통해 피봇된다. 피봇 곡선(33)은 점선으로 도시되어 있다. 측정 장치(30)는 메인 베어링들(10.1) 및 크랭크 핀 베어링들(10.2) 모두에 대해 사용될 수 있으며, 그것의 전방 단부에는, 베어링 포인트(10.1/10.2)에 피봇팅될 수 있는 측정 프리즘(31)을 구비하고 있다. 측정 장치(30)가 각각의 베어링 포인트(10.1 또는 10.2) 상에 측면으로 피봇팅될 수 있다는 사실 때문에, 베어링 포인트에서의 대응 직경의 측정은, 연삭 휠(7, 9)에 의한 연삭 동안에 수행될 수 있다. 대형 크랭크 샤프트들의 경우, 연삭 휠(7, 9)의 폭은 각 베어링 포인트의 길이보다 작기 때문에, 이 연삭 휠은 또한 연삭을 위하여 Z 방향의 상이한 연삭 위치들로 이동되어야만 한다. 연삭될 베어링 포인트의 높은 정밀도를 달성하기 위해(이것은 원통형 외형이 아닌 윤곽의 측정을 포함하는 것으로 의도됨), 본 발명에 따르면, 측정 장치(30)가 추가의 전용 CNC-제어 축에 의하여 일 방향으로 움직일 수 있으며, 또한 크랭크 샤프트의 길이방향 축에 평행하게 연장되는 베어링 포인트와 복수의 상이한 위치들에서 맞추어질 수 있는 것이 제공된다. 제시된 측정 장치를 이용하면, 후-처리 측정도 또한 베어링 포인트들에서 행해질 수가 있다.
예를 들어 로딩 또는 언로딩과 같이, 연삭 휠(7, 9)을 이용하여 연삭이 행해지지 않는 경우에는, 연삭 휠(7, 9)의 작업 영역 밖으로 측정 장치가 피봇팅된다. 크랭크 샤프트(10)는 측정 동안에 그 장치에 클램핑된 상태를 항시 유지한다.
도 13에는, 다른 예시적 실시예에 따른, 연삭 휠 결합 포인트로부터 냉각 노즐들의 거리가 거의 동일하게 유지되는 방식으로, 편심 회전하는 크랭크 핀 베어링의 연삭 동안에 냉각 노즐들(35)이 함께 반송되는 방식이 도시되어 있다. 도 13의 A는 연삭 휠(7, 9)이 회전 방향(34)을 따라서 및 크랭크 핀 베어링 저널(10.2)과 결합되는 인피드 방향(infeed direction) X를 따라서 이동하는 방식을 보여주고 있다. 크랭크 샤프트(10)의 회전은 부품도 A의 오른쪽 부분에 표시된 점선 화살표로 나타나 있다. 실선의 굽어진 양방향 화살표(36)는 전용 CNC 이동 축에 의한 냉각 노즐(35)의 움직임을 보여준다. 여기서는 메인 베어링들(10.1)이 연삭되지 않는다. 도 13의 B는 도 13의 A에 대하여 90°회전되는 방식을 보여주며, 여기서는 X 축을 따르는 움직임에 의하여, 연삭 휠(7, 9)이 크랭크 핀 저널(10.2)을 뒤따르고 있다. 냉각 노즐들(35)은 CNC 냉각 노즐 축을 따르는 움직임에 의하여 똑같이 따라 반송된다. 도 13의 C는 도 13의 A에 대하여 180°만큼 회전되는 방식의 크랭크 핀 저널(10.2)의 움직임을 보여주며, 여기서 냉각 노즐들(35)이 크랭크 핀 저널(10.2) 상의 연삭 휠(7, 9)의 직접 연삭 결합 포인트와 거의 동일한 거리라는 것은 또한 명백하다. 마지막으로, 도 13의 D는 도 13의 A에 따른 시작 지점에 대하여 크랭크 샤프트가 270°회전된 경우를 보여주며, 여기서 냉각 노즐들(35)은 마찬가지로 연삭 결합 포인트와 동일한 크기의 거리이며 함께 반송되고 있다. 연삭 휠(7, 9)은 소위 핀 체이싱 연삭(pin chasing grinding)의 연삭 움직임을 실행하며, 여기서 CNC 냉각 노즐 축을 통하여 함께 반송되는 냉각 노즐들(35)은 연삭 대상인 크랭크 핀 저널(10.2) 상에 있는 연삭 휠(7, 9)의 연삭 결합 포인트의 신뢰성 있는 최적의 냉각을 보장하게 된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트(10)의 메인 베어링(10.1)이 연삭될 경우, CNC 냉각 노즐 축을 활성화시킬 필요가 없음은 물론이다. 반대로, 냉각 노즐들(35)은 고정 방식으로 배치될 수도 있으며, 따라서, 크랭크 샤프트(10)가 회전될 경우라도, 냉각 노즐들(35)은 메인 베어링 저널(10.1) 상에 있는 연삭 휠(7, 9)의 연삭 결합 포인트로부터 일정한 거리로 존재하게 된다. 연삭 휠의 회전 방향(34) 및 X 축을 따르는 연삭 휠의 인피드가 마찬가지로 도시되어 있다.
본 발명에 따른 연삭 장치에 의할 경우, 매우 상이한 설계, 매우 상이한 재료 및 매우 상이한 요구사항을 가진 대형 크랭크 샤프트들의 연삭 가공에 있어서, 특히 높은 가공 품질을 유지하면서, 높은 수준의 유연성을 제공할 수 있다.
1: 장치 베드 2: 연삭 테이블
3: C1 축을 가진 제 1 워크 헤드스톡 4: C2 축을 가진 풋스톡/제 2 워크 헤드스톡
5: 제 1 연삭 헤드스톡 6: 연삭 스핀들
7: 제 1 연삭 휠 8: 제 2 연삭 헤드스톡
8.1: 연삭 스핀들 9: 제 2 연삭 휠
10: 크랭크 샤프트 10.1: 메인 베어링
10.2: 크랭크 핀 베어링 10.3: 엔드 저널
10.4: 센터링 보어 10.5: 치크(Cheek)
10.6: 플랜지 11: 스테디 레스트
12: C1 축 구동 13: C2 축 구동
14: Z1 축 구동 15: Z2 축 구동
16.1: WK1 피봇 축 16.2: WK2 피봇 축
17: 워크 헤드스톡의 척 17.1: 클램핑 죠
18: 풋스톡의 척 18.1: 클램핑 죠
19: 길이 측정 장치 20: 드레싱 장치
21: Z 축의 안내 22: X 축의 안내
23: 메인 베어링 연삭 영역 24: 크랭크 핀 베어링 연삭 영역
25: 엔드 저널 연삭 영역 26: 워크 헤드스톡의 센터링 팁
27: 풋스톡의 센터링 팁 28: 메인/크랭크 핀 베어링의 평탄면
29: 베어링 포인트의 볼록 윤곽 30: 측정 장치
31: 측정 프리즘 32: 유압 실린더
33: 피봇 곡선 34: 연삭 휠의 회전 방향
35: 냉각 노즐 36: 냉각 노즐의 이동
37: 크랭크 샤프트의 회전 방향 38: 원추

Claims (23)

  1. 트럭 엔진, 선박 엔진 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트들을 완전 연삭하는 방법으로서,
    a) 적어도 크랭크 샤프트(10)의 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들(10.1, 10.2)이 적어도 하나의 제 1 CBN 연삭 휠(7)로 거친-연삭(rough-ground) 및 마무리-연삭(finish-ground)되는 단계;
    b) 적어도 상기 크랭크 샤프트(10)의 2개의 단부 영역이 거친-연삭 및 마무리-연삭되는 단계;
    c) 상기 거친-연삭 및 상기 마무리-연삭은 상기 크랭크 샤프트(10)의 단일 셋업에서 이루어지는 단계;
    d) 스테디 레스트 시트(steady rest seat)들을 포함하는 상기 크랭크 샤프트(10)의 메인 베어링들(10.1)이 거친-연삭되는 단계;
    e) 하나의 스테디 레스트(11)가 연삭 스테디 레스트 시트들 각각에 맞춰 정렬되는 단계;
    f) 상기 크랭크 샤프트(10)가 서로 동기적으로 작동하는 전기적 구동부들 C1(12) 및 C2(13)에 의하여 양쪽 클램핑 단부들에서 구동되는 단계;
    g) 상기 크랭크 핀 베어링(10.2) 및/또는 상기 메인 베어링(10.1)의 측면(lateral surface)에 대한 원하는 형상이, 그 각각이 CNC 제어되는 X1 축, Z1 축, WK1 축(16.1)을 갖는 제 1 연삭 휠(7)의 보간 이동(interpolating movement)에 의하여 만들어지는 단계로서, 상기 제 1 연삭 휠(7)은 상기 크랭크 샤프트(10)의 상기 메인 베어링(10.1) 및 상기 크랭크 핀 베어링(10.2)의 축방향 길이보다 작은 폭을 갖는, 상기 만들어지는 단계;
    h) 상기 메인 베어링(10.1) 및/또는 상기 크랭크 핀 베어링(10.2)의 축방향 길이를 따라 서로 이격된 적어도 2개의 현재의 측정 위치들의 직경이 측정 작업에서 측정되며, 상기 제 1 연삭 휠(7)의 상기 X1, Z1 및 WK1 축들(16.1)이 그 측정 결과에 기초하여 제어됨으로써, 상기 크랭크 샤프트(10)의 상기 메인 베어링들 및/또는 상기 크랭크 핀 베어링들의 측면에 대한 원하는 윤곽을 얻는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 연삭 휠(7)의 상기 X1, Z1 및 WK1 축들(16.1)은, 상기 메인 베어링들(10.1) 및/또는 상기 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 원통형 형상이 만들어지는 방식으로 제어되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 연삭 휠(7)의 상기 X1, Z1 및 WK1 축들(16.1)은, 상기 메인 베어링들(10.1) 및/또는 상기 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 원통형 형상이 아닌 다른 원하는 형상이 만들어지는 방식으로 제어되는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 길이 치수가 측정되며, 이 길이 치수는 적어도 상기 제 1 연삭 휠(7)의 연삭 위치들을 제어하기 위해, 상기 X1 및 Z1 축에 대한 CNC 컨트롤러로 송신되는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 단부 영역의 연삭을 위하여, 상기 단부 영역의 워크 헤드스톡(3) 및 풋스톡(4) 상의 또는 제 2 워크 헤드스톡(4) 상의 척(17)이 해제되며, 상기 크랭크 샤프트(10)는 상기 척(18)의 팁(27)에 의하여 중심적으로 유지되는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 단부 영역의 연삭을 위하여, 상기 단부 영역의 워크 헤드스톡(3) 및 풋스톡 상의 또는 제 2 워크 헤드스톡(4) 상의 척(17)이 해제되며, 상기 크랭크 샤프트(10)는 추가의 스테디 레스트(11)에 의하여 유지되는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 CBN 연삭 휠(9)은 CNC-제어되는 X2 및 Z2 축 구동부들(15) 및 추가의 CNC-제어되는 WK2 피봇 축 구동부(16.2)에 의하여 상기 크랭크 샤프트의 거친-연삭 및 마무리-연삭을 실행하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 4개의 스테디 레스트 시트들(11)이 연삭되는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 적어도 하나의 단부 영역은 상기 제 1 연삭 휠(7)로 연삭되는, 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 적어도 하나의 단부 영역은 상기 제 2 연삭 휠(9)로 연삭되는, 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(10)의 측면 윤곽의 반경은 상기 CBN 연삭 휠(7, 9)에 의한 카핑(copying)에 의하여 연삭되는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 연삭 휠(7)은 상기 크랭크 샤프트(10)의 연삭 가공 사이에 규정된 인터벌들에서 드레싱(dressing)되는, 방법.
  13. 트럭 엔진, 선박 엔진 또는 고정형 엔진의 대형 크랭크 샤프트들을 완전 연삭하는 장치로서, 상기 장치의 장치 베드(1) 상에는,
    a) 그 각각이 연삭 테이블(2) 상에 배치되며 또한 각각의 CNC-제어되는 회전 구동부 C1(12) 및 C2(13)를 갖는, 제 1 워크 헤드스톡(3) 및 제 2 워크 헤드스톡(4)으로서, 연삭 대상인 크랭크 샤프트(10)가 상기 워크 헤드스톡들(3, 4) 사이에 클램핑되며 상기 회전 구동부들 C1(12) 및 C2(13)이 서로 동기적으로 양쪽 단부들에서 회전 방식으로 상기 크랭크 샤프트(10)를 구동하는, 상기 제 1 워크 헤드스톡(3) 및 제 2 워크 헤드스톡(4);
    b) 상기 크랭크 샤프트(10)의 적어도 메인 베어링들(10.1) 및 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 거친-연삭 및 마무리-연삭을 위하여, X1 축 및 Z1 축을 가진 CNC-제어되는 구동부들(14)을 가진 적어도 하나의 제 1 CBN 연삭 휠(7)을 갖는 제 1 연삭 헤드스톡(5)으로서, 상기 제 1 CBN 연삭 휠(7)은 WK1 피봇 축을 위한 CNC-제어되는 구동부(16.1)를 더 갖고, 상기 X1, Z1 및 WK1 축들은 서로에 대해 보간될 수 있으며 또한 적어도 상기 메인 베어링들 및 크랭크 핀 베어링들의 원하는 측면 윤곽이 달성될 수 있는 방식으로 서로 독립적으로 제어될 수 있는, 상기 제 1 연삭 헤드스톡(5);
    c) 각각의 베어링들 상에 배치되며 크랭크 샤프트 메인 베어링(10.1)과 접촉하는 방식으로 각각의 상기 크랭크 샤프트 메인 베어링(10.1)까지 이동할 수 있는 스테디 레스트들(11)로서, 상기 제 1 연삭 휠(7)로 스테디 레스트 시트가 연삭되어 있는, 상기 스테디 레스트들(11); 및
    d) 적어도 상기 연삭 헤드스톡들(5, 8) 상에 배치되는 측정 장치(30)로서, 측정 장치(30)는, 상기 메인 베어링들(10.1) 또는 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 길이방향 축에 평행하게 연장되며 또한 상기 측정 장치(30)가 현재의 직경들이 상기 측정 장치(30)에 의해 기록될 수 있는 측정 위치들로 그에 따라 이동할 수 있는 변위 축을 가지며, 그것에 기초하여 상기 제 1 연삭 휠(7)의 상기 X1, Z1 및 WK1 축들(16.1)이 제어됨으로써 원하는 윤곽을 달성할 수 있도록 하는, 상기 측정 장치(30)가 배치되는, 연삭 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전 구동부들 C1(12) 및 C2(13)은 상기 구동부들을 연결하는 전기 샤프트(electric shaft)로서 설계되는, 연삭 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 워크 헤드스톡들(3, 4)은 특히 유압식으로 이동될 수 있는, 연삭 장치.
  16. 제 13 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 연삭 헤드스톡(8)에는 상기 거친-연삭 및 마무리-연삭을 위한 CNC-제어되는 X2 및 Z2 축들(15) 및 제 2 CBN 연삭 휠(9)이 제공되는, 연삭 장치.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다이아몬드 드레싱 휠(diamond dressing wheel)을 가진 드레싱 장치(20)가 상기 연삭 테이블(2) 상에 배치되며, 상기 드레싱 장치에 의해서 상기 제 1 연삭 휠(7) 및 상기 제 2 연삭 휠(9)이 각각의 원하는 윤곽으로 드레싱될 수 있는, 연삭 장치.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    길이 측정 장치가 상기 제 1 연삭 헤드스톡(5) 및/또는 상기 제 2 연삭 헤드스톡(8) 상에 배치되며, 상기 길이 측정 장치는 상기 Z1 또는 Z2 축을 따라서 상이한 측정 위치들로 이동될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 연삭 휠(7) 또는 상기 제 2 연삭 휠(9)이 상기 크랭크 샤프트(10) 상의 연삭 위치에서 제어될 수 있는, 연삭 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 길이 측정 장치는 스위칭 측정 헤드를 갖는, 연삭 장치.
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 연삭 휠(9)은 WK2 피봇 축을 위한 추가의 CNC-제어되는 구동부(16.2)를 갖는, 연삭 장치.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 4개의 스테디 레스트들(11)이 제공되는, 연삭 장치.
  22. 제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 구동부들 C1(12) 및 C2(13)는 상기 크랭크 샤프트(10)의 상기 메인 베어링 및 크랭크 핀 베어링 가공 동안에 상기 크랭크 샤프트를 클램핑하는 위치에서 유지되는, 연삭 장치.
  23. 제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 노즐들(35)에는, 편심 이동하는 연삭 위치에 관하여 상기 냉각 노즐들(35)을 안내하는 추가의 CNC 구동부가 구비되어 있으며,
    상기 냉각 노즐들은, 상기 크랭크 핀 베어링들(10.2)의 연삭 동안에, 상기 연삭 위치에 대하여 실질적으로 등거리인 배치로 냉각 윤활제(cooling lubricant)를 공급하며, 상기 연삭 위치는 상기 크랭크 샤프트(10)의 회전 동안에 편심 이동하는, 연삭 장치.
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