KR20180012286A - 호닝 공구를 사용하여 회전 대칭적 비-원통형 보어를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

호닝 공구를 사용하여 회전 대칭적 비-원통형 보어를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 호닝 공구를 사용하여 원통형 보어를 버티드 가공하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 경우 상기 호닝 공구가 호닝 스톤(13)을 포함하고, 이러한 호닝 스톤의 길이는 가공될 보어 길이의 1/2보다 작으며, 이 경우 상기 방법이 하기의 단계들을 포함한다: 상기 호닝 공구의 호닝 스톤(13)을 상기 보어에 적용하는 단계, 최대 스트로크(HMax = OP1 - UP)로 보어의 전체 길이에 걸쳐 상기 보어를 호닝하는 단계, 감소하는 스트로크(H)로 상기 보어를 호닝하는 단계로서, 이때 상기 호닝 공구의 하부 전환점(UP)은 기본적으로 변하지 않고 유지되며, 그리고 상부 반환점(OP)이 미리 주어진 최종값(OP2)에 도달하는 즉시 호닝 공정이 종료되는 단계. 추가 실시예에서는, 상기 보어 내에서 상기 호닝 공구의 위치에 따라, 보어에 대해 호닝 스톤(13)을 가압할 수 있는 이송력(Z)을 제어하여 보어의 버티드 가공이 이루어진다.

Description

호닝 공구를 사용하여 회전 대칭적 비-원통형 보어를 제조하기 위한 방법
본 발명은 호닝 공구(honing tool)를 사용하여 원통형 보어를 버티드(butted) 가공하기 위한 방법 그리고 독립항 제13항에 따라 원통형 보어를 형상(shaping) 가공하기 위한 프로세스 체인(process chain)에 관한 것이다.
자동차 제조업체들은, 왕복 기관(reciprocating engine)이 장착된 차량 플리트(vehicle fleet)의 연료 소비를 지속적으로 감소시켜야 하는 영구적인 과제에 직면해 있다. 왕복 기관의 경우, 피스톤 또는 피스톤 링과 실린더 보어 사이의 마찰이 내부 마찰 손실의 최대 35%까지 차지한다. 이 때문에 실린더 보어의 영역에서의 마찰 감소는 자동차 연료 소비를 감소시키는 상당한 잠재력을 제공한다.
피스톤과 실린더 보어 사이의 마찰을 감소시키는 하나의 방법은, EP 2 170 556 B1호에 상세히 설명되어 있는, 본 발명의 출원인에 의해 고안된 형상 호닝이다. 이 방법에서, 실린더 보어의 조립 및/또는 열팽창 동안 장력에 의해 야기되는 실린더의 기하학적 구조의 편차는, 형상 호닝 시 상보적인 융기부 또는 공동이 형성됨으로써 대등해진다. 이러한 공정은 매우 효과적이며, 다양한 왕복 기관의 제조에 성공적으로 사용된다.
DE 10 2013 204 714 A1호에는 호닝 방법이 공지되어 있는데, 이 호닝 방법에 의해서는 내연 기관의 실린더 보어에 병 모양(bottle shape)의 형상이 제공된다. 이 경우 실린더 보어가 다른 지름을 갖는 2개의 원통형 섹션을 갖는 형상은 병 모양으로 언급된다. 상대적으로 작은 지름을 갖는 섹션은 실린더 헤드 영역에 제공되고, 반면에 상대적으로 큰 지름을 섹션은 크랭크 샤프트 영역에 제공된다. 이들 영역 사이에는 절두 원추형 전환 영역이 형성되는데, 이 전환 영역은 보어 길이의 약 5% 내지 20%를 차지한다.
DE 103 581 50 A1호에는, 실린더 보어 섹션의 축 방향으로 연속하는 2개의 섹션을 상이한 경도로 가공할 수 있는 방법이 공지되어 있다. 이 방법과 관련된 공구는, 실린더 보어가 부분적으로 경화되고, 그 결과로 경화된 섹션과 경화되지 않은 섹션이 서로 다른 방식으로 호닝되어야 하는 경우에 유용하게 이용할 수 있다.
상기 문서에 공지된 바에 따르면, 실린더 보어는 자신의 개방 단부에, 즉 추후 실린더 헤더가 장착되는 위치에, 상기 실린더 보어의 테이퍼(taper)가 생성되도록 형성되어야 한다. 이는 상기 문서의 도 6에 도시되어 있다. 이와 동시에 실린더 보어의 상부 섹션에서 약간 확장된 확장부는 테이퍼로 언급된다. 이 경우 상기 테이퍼는 대략 실린더 보어의 최상부 1/4 영역과만 관련이 있다.
본 발명의 과제는, 비용 효율적이고 재현 가능한 실린더 보어 제조를 가능하게 하는 호닝 방법, 프로세스 체인 그리고 이러한 방법을 수행하기에 적합한 호닝 공구를 제공하는 것으로서, 이 경우에는 피스톤 링들 사이, 특히, 피스톤 스커트(piston skirt)와 실린더 보어 사이 마찰이 최소화되고, 그 결과로 상기와 같은 실린더가 장착된 내연 기관의 연료 소비 및 배출 거동이 최적화된다.
이 경우 "실린더 보어"의 원하는 형상은 절두 원추형이다. 경우에 따라서는 보어가 하나 또는 2개의 추가 원통형 섹션을 포함한다. 본 발명 따른 절두 원추형 (실린더) 보어의 지름은 실린더 보어 길이의 1/2을 초과하는데, 바람직하게는 적어도 실린더 보어 길이의 3/4이 연속적으로 변화한다. 이상적으로 상기 절두 원추형은 실린더 보어 길이의 85% 이상을 차지하며, 다수의 경우 최대 100%까지도 차지한다.
상기 과제는 청구항 제1항 및 제6항에 따른 원통형 보어 또는 원통형 보어의 부분을 버티드 가공하기 위한 방법에 의해서 해결된다. 청구항 1에 따른 방법에서는 바람직하게 호닝 공구가 사용되며, 이 호닝 공구의 호닝 스톤은 가공될 보어 길이의 1/3보다 작은 길이를 갖는다.
본 발명의 방법은 다음의 단계들을 포함한다;
호닝 공구의 호닝 스톤을 보어에 적용하는 단계,
최대 스트로크 HMax(= OP1 - UP)로 보어의 전체 길이에 걸쳐 보어를 호닝하는 단계. 이 프로세스 단계는 본 발명의 문맥에서 "원통형 호닝"으로 표기된다. 상기 프로세스 단계는 (여전히) 원통형인 보어의 기하학적 구조와 지름을 원하는 값으로 만들기 위해 사용된다.
상기 "원통형 호닝" 프로세스 단계의 대안은 정밀 보링(precision boring)이다. 이 프로세스 단계는 본 발명의 문맥에서 "원통형 정밀 보링"으로 표기된다.
후속해서, 감소하는 스트로크로 보어를 호닝하는 단계로서, 이때 호닝 공구의 하부 전환점(UP)은 기본적으로 변하지 않고 유지된다. 이는 보어의 호닝 공구의 하부 전환점에 놓이는 보어의 부분이 호닝 공구 부분의 상부 전환점에 놓이는 보어의 부분보다 더 자주 호닝 스톤에 의해 가공됨을 의미한다. 이 때문에 하부 전환점(UP)에서는 상부 전환점 영역에서보다 지름 증가 수준이 더 크다. 그 결과 초기 원통형 보어는 하부 전환점 쪽으로 더 넓어진다. 본 발명에 따르면, 상기 감소하는 스트로크로 보어의 호닝은, 상부 전환점(OP)이 미리 주어진 OP2(OP = OP2)에 도달하는 즉시 종료된다. 이러한 방식으로 초기 원통형 보어가 약간 원추형인 보어로 변할 수 있음이 밝혀졌으며, 이때 보어의 원추형 부분의 영역은 보어 길이의 75% 이상에 걸쳐 연장된다. 본 발명에 따른 방법은 매우 간단하고 안정적으로 설계될 수 있고, 동시에 표면 라인이 대체로 절두 원추형에 근접한 보어를 제조하는 것이 가능하다.
또한, 호닝 공구의 이송이 이러한 호닝 공구가 하부 전환점(UP) 부근에 있을 때만 수행되는 경우가 유리하다는 것이 증명되었다. 하부 전환점은 본 발명에 따른 방법을 수행 후 가장 큰 지름을 갖는 보어의 영역이다. 호닝 공구의 이송(infeed)은 예를 들어 이러한 호닝 공구가 미리 주어진 최종값(OP2)과 하부 전환점(UP) 사이에 있을 때만 수행될 수 있다. OP2는 스트로크 경로 내에 있는 지점으로서, 상기 스트로크 경로는 모든 스트로크가 항상 일정하게 줄어드는 상황에서 도달하게 된다. OP2에서 UP까지의 경로 내에서 호닝 도구는 점진적으로(incrementally) 이송된다. 따라서 OP2는 가장 짧은 스트로크의 상부 전환점을 결정하고, 이와 더불어 가공 사이클의 마지막 스트로크도 결정한다. 이러한 거리(OP2-UP)는 모든 스트로크의 공동 이동 경로 간격 중 가장 작은 거리이다. 결과적으로 호닝 스톤은 스트로크 길이와 관계없이 모든 스트로크에서 균등하게 이송된다.
감소하는 스트로크에도 불구하고 절삭 속도가 거의 동일하게 유지되도록 하기 위해서는 스트로크를 감소시킴으로써 호닝 스핀들의 회전 속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 이러한 실시예들은, 전체 호닝 프로세스에 걸친 이송이 호닝 공구의 스트로크와는 무관하고, 이 때문에 제어 기술상 확실하게 제어될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 일정한 절삭 속도로 인해 표면 상태도 호닝된 보어의 전체 길이에 걸쳐 동일하게 유지된다.
이 공정 단계는 본 발명의 문맥에서 "감소하는 스트로크를 갖는 원추형 호닝"으로 언급된다.
또한, 기술한 이송 유형은, 하부 전환점(UP) 영역에서 보어의 "붕괴"가 크게 방지될 수 있기 때문에, 최종 가공된 원추형 보어의 개선된 기하학적 형태로 이어진다. 그 결과 2개의 원통형 섹션과 짧은 절두 원추형 중간 영역이 있는 보어의 "병 모양"이 방지될 수 있다.
보어의 거의 전체 길이에 걸쳐 가공된 보어의 코니시티(conicity)를 달성하기 위해서는, 최대 스트로크 Hmax(= OP1 - UP)가 최소 스트로크 Hmin(= OP2 - UP)의 2배 이상인 경우가 바람직하다. 또한, 최대 스트로크는 최소 스트로크의 3배 또는 4배까지 가능할 수 있다. 이 비율이 클수록 보어의 절두 원추형 부분이 길어진다. 그 결과 절두 원추형 부분이 보어의 전체 길이에 걸쳐 연장 될 수도 있다.
"원추형 호닝" 프로세스 단계의 대안은 "동적 이송으로 정밀 보링"이다. 이 경우 정밀 보링 공구의 절삭 날은 가공될 보어 내에서 자신의 위치에 따라 이송된다. 예를 들어, 보어의 개방 단부에서는 이송이 최소화되고, 정밀 보링 공구가 보어의 반대쪽 단부 방향으로 더 멀리 이동할 수 있다.
"동적 이송으로 정밀 보링" 프로세스 단계는 선행하는 프로세스 단계 "원통형 호닝" 및 "원통형 정밀 보링"을 대체할 수 있다.
원통형 보어의 버티드 가공 지원하거나 완료하기 위해, 보어에 대해 호닝 스톤을 가압할 수 있는 이송력은 보어 내에서 호닝 공구의 위치에 따라 제어될 수 있다. 이 경우, 하부 전환점(UP) 방향으로는 이송력이 증가하고, 상부 전환점 방향으로는 이송력이 감소한다. 이러한 프로세스 단계는 본 발명의 문맥에서 "동적 이송으로 원추형 호닝"으로 표기된다.
도입부에 언급한 과제는 또한, 원추형 보어를 버티드 가공하기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이 경우 호닝, 특히 재료의 경도 및 (예를 들어, 벽두께의 변화로 인해 야기되는) 강도와 관련한 보어의 매개변수는 보어의 전체 길이에 걸쳐 동일하며, 다음 단계들을 포함한다:
호닝 공구의 호닝 스톤을 가공될 보어에 적용하는 단계, 보어의 전체 길이에 걸쳐 그리고 보어에 대한 상기 호닝 스톤의 일정한 압착력으로 상기 보어를 호닝하는 단계("원통형 호닝").
이어서 보어를 호닝하는 단계가 수행되며, 이 경우 상기 보어에 대해 상기 호닝 스톤을 가압할 수 있는 이송력은 상기 보어 내에서 상기 호닝 공구의 위치에 따라 제어된다("동적 이송으로 원추형 호닝"). 이러한 "동적 이송으로 원추형 호닝" 프로세스 단계는 "감소하는 스트로크로 원추형 호닝" 후에만 적용될 수 있을 뿐만 아니라 상기 "감소하는 스트로크로 원추형 호닝" 프로세스 단계를 대체할 수도 있다.
또한, 상기 방법에 의해 초기 원통형 보어의 우수한 버티드 가공이 이루어진다. 보어의 원추형 부분이 길수록 원하는 버티드 가공이 더 쉽고 정확하게 달성될 수 있다. 따라서 이송력은 일반적으로 보어의 거의 전체 길이(예를 들어, 75% 이상)에 걸쳐 변한다.
전환점으로부터 호닝 공구의 거리가 증가할수록 이송력이 증가되는 경우가 바람직한 것으로 입증되었다.
전환점으로부터 호닝 공구의 거리가 증가할수록 이송력이 선형적으로(linear), 누진적으로(progressive) 또는 감쇄적으로(degressive) 증가할 수 있다. 그 결과 원하는 절두 원추형의 보어와의 편차를 초래하는 영향을 보정할 수 있다. 그러나 기하학적으로 이상적인 절두 원추형 모양과의 편차를 의도한 대로 만들 수도 있다. 본 발명의 따른 방법에 의해 제조된 보어가 - 상당히 과도하게 - 트롬펫의 나팔과 같은 모양으로 형성됨으로써, 예를 들면, 하부 전환점의 영역 내에서 보어는 지름이 특히 넓을 수 있다. 또한, 보어의 길이에 걸쳐 국부적으로 변화하는 보어 벽의 강도는 국부적으로 변하는 이송에 의해 보정될 수 있다.
상기 방법에서는, 보어의 버티드 가공을 지원하기 위해 국부적으로 감소하는 스트로크로 호닝이 이루어질 수 있으며, 이 경우 호닝 공구의 하부 전환점(UP)은 실질적으로 변하지 않고 유지된다. 또한, 본 발명에 따른 방법의 변형예에서는, 상부 전환점이 미리 주어진 최종값에 도달하는 즉시 호닝 공정이 종료된다.
가능한 적은 전환점으로 원하는 연삭 공정을 달성하기 위하여, 스트로크를 갖는 호닝 스톤이 보어의 전체 길이를 가공할 정도로 호닝 스핀들의 스트로크가 원추형 호닝 종료 시에 다시 확대되는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이는 표면 기능과 관련해 매우 중요하다.
초기 원통형 보어로부터 대체로 절두 원추형인 보어를 제조하기 위한 본 발명의 방법은 통합 될 수 있고, 이 프로세스 체인 원통형 보어를 형상 가공하기 위한 프로세스 체인에 통합될 수 있으며, 이 경우 상기 프로세스 체인은 보어의 프리 호닝(pre-honing)을 포함한다. 이 경우 제1 호닝 공구 또는 호닝 공구의 제1 호닝 스톤이 사용될 수 있다. 상기와 같은 보어 프리 호닝의 과제는 여전히 원통형인 보어 또는 여전히 원통형으로 유지되는 보어의 섹션의 소정의 지름을 형성하고, 보어의 매우 우수한 기하학적 정확도를 달성하는 것이다.
이어서, 초기 원통형인 보어가 청구항 제1항 내지 제12항에 따른 방법에 의해 부분적으로 버티드 가공된다.
추가 단계에서는 버티드 가공된 보어가 피니시 호닝(finish honing)되는데, 이는 버티드 가공된 보어의 표면 거칠기와 특성이 달성된다는 것을 의미한다. 또한, 상기 피니시 호닝은 상응하게 컷 분할(cut distribution)하여 여러 단계로 수행될 수 있습니다.
옵션으로서 마지막 가공 단계에서는 보어가 평활화(smoothing)된다.
아래에 도시된 표에서, 본 발명에 따른 가장 중요한 프로세스 체인은 열(column by column)로 편성되었다. 표 1에 나열된 모든 프로세스 체인은 균일한 거칠기 프로파일을 갖는 회전 대칭적, 비-원통형 보어를 형성한다.
프로세스 단계 프로세스 체인
원통형 호닝 X X X X
원추형 정밀 보링 X X
감소하는 스트로크로 원추형 호닝
X
X
X
X
동적 이송으로 원추형 호닝
X
X
X
X
X
X 		X
스프링력으로 평활화(= 스무딩 )
X
X
X
X
X
X 		X X
본 발명의 또 다른 장점들과 바람직한 실시예들은 하기 도면들과 이러한 도면들의 설명 그리고 청구항들로부터 파악할 수 있다. 이 경우 프로세스 체인은 일부만 단계별로 도시되고 설명되어 있다. 프로세스 체인의 개별 프로세스 단계에 대해 언급한 내용은 다른 프로세스 체인과 관련하여서도 적용된다.
도면부에서:
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 방법에 의해 버티드 가공된, 최초 원통형 보어의 개략도를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 프로세스 체인의 제1 단계로서 원통형 프리 호닝을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 호닝 프로세스의 제1 대안예를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 호닝 프로세스의 제2 대안예를 도시하며,
도 5는 제1 실시 형태의 피니시 호닝을 도시하고,
도 6은 제4 프로세스 단계로서, 스프링 하중을 받는 호닝 스톤을 이용한 스무딩 공정을 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 원추형 호닝의 제1 대안예의 도면을 도시하고,
도 8은 본 발명에 따른 원추형 호닝의 제2 대안예의 도면을 도시하며,
도 9는 (제4 프로세스 단계로서) 다양한 스무딩 가능성을 도시하고,
도 10은 동적 이송으로 호닝하는 제3 및 제4 프로세스 단계를 도시한 도면이며,
도 11은 프리 호닝 및 원추형 호닝 프로세스 단계를 위해 이중으로 이송되는 호닝 공구로서 콤비 공구를 도시하고, 그리고
도 12는 피니시 호닝 및 스무딩 호닝을 위해 이중 이송 가능한 호닝 공구의 도면이다.
도 1a에는 단위가 mm인 지름(Do)과 보어 길이(L)를 갖는 실린더 보어가 개략적으로 도시되어 있다.
상기 지름(D0)은, 보어가 여전히 원통형인 경우 프리 호닝 후 보어의 지름을 나타낸다. 즉, 보어는 전체 길이(L)에 걸쳐 지름(D0)을 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 목적은, 특히 원추형인 보어를 제조하는 것이다. 도 1의 도시된 예에서, 보어는 본 발명에 따른 원추형 호닝 공정을 수행한 후 전체 길이(L)에 걸쳐 원추형이다. 예를 들어, 보어의 상부 에지 아래쪽 제1 측정 평면과 보어의 하부 단부 근처에 배치된 제2 측정 평면 내에서 관련 지름(D0)은 도 1에 (+0.010 내지 +0.080mm로) 기재되어 있다. 원추형으로 호닝된 보어의 표면 라인(surface line)은 도 1에서 1로 표시되어 있다. 모든 도면에서 원칙적으로, 동일한 구성 요소 또는 프로세스에 대해서는 동일한 도면 번호가 사용되며, 차이점만 설명된다. 그 밖에 원칙적으로, 다른 예시적인 실시예들과 관련하여 언급된 내용도 동일한 방식으로 적용된다.
도 1b에는 마찬가지로 기능적으로 관련이 있고 바람직한 보어 형상들이 도시되어 있지만, 이들은 적절한 매개변수화 후 제안된 방법에 의해 원추형 보어와 다른 형상으로도 제조될 수 있다.
도 2에는 보어를 본 발명에 따라 원추형으로 호닝하기 위한 준비 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 가공 공정을 재현 가능하고, 신속하며 비용 효율적으로 수행하기 위해서는 가공해야 할 보어가 준비되어야 한다. 실제 프로세스 체인보다 선행하는 가공 단계 3에서는 공작물에 보어가 형성된다. 이는 예를 들면, 정밀 보링, 러프 호닝(rough honing) 또는 프리 호닝을 통해서 이루어질 수 있다. 상기 프로세스 단계는 도 2에서 도면 부호 3으로 표시되어 있다. 소정의 원통형 보어는 블록 3에서 라인 4로 표시되어 있다. 보어가 적용된 블랭크(blank)는 파선 6으로 표시되어 있다.
블록 5에는 본 발명에 따른 프로세스 체인의 제1 공정 단계("원통형 호닝")가 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우에는, 기하학적 구조, 지름 및 표면과 관련하여, 예를 들면 정밀 보링을 통해 제조된 원통형 보어를 더욱 개선하는 종래 방식의 호닝 공정이 이용된다. 프리 호닝은 종래의 호닝 공구를 이용하여 수행할 수 있는데, 예컨대 이러한 프리 호닝의 호닝 스톤에는 연마재로 다이아몬드가 장착되어 있다. "원통형 호닝" 시 스트로크는 일정하다. 이 상황은 호닝 시간(thon) 동안 스트로크 길이(H)를 나타내는 다이어그램에 의해 블록 5의 중간 부분에 있다. 원통형 호닝은, 프로세스 중 측정이 목표값에 도달을 감지하는 즉시 종료된다.
따라서 제1 공정 단계 종료 후, 기하학적 구조가 실린더에 매우 근접한 보어가 생성된다. 또한, 시리즈 생산 시 모든 실린더 보어가 매우 유사한 표면 구조를 갖는다. 두 가지 방식을 함께 이용하면, 또한 후속 프로세스 단계인 "원추형 호닝"을 가변성이 적고 재현 가능한 결과와 함께 효율적이고 안정적으로 수행할 수 있도록 해준다. 이에 대한 대안예는 "원통형 정밀 보링" 프로세스 단계이다.
원칙적으로, 본 발명에 따라 2가지 상이한 방식으로 보어를 버티드 가공하는 것이 가능하다. 도 3에는 블록 7에서 제2 프로세스 단계인 "원추형 호닝"의 제1 대안예가 도시되어 있다. 블록 7의 좌측 부분에는, 점선으로 도시된 원통형 보어(9)에서 소정의 원추형 보어(11)로의 전환이 개략적으로 그리고 크게 과장하여 도시되어 있다. 블록 7의 중간에서, 제2 프로세스 단계인 "원추형 호닝"의 시간적 순서(temporal sequence)가 개략적으로 도시되어 있다. 이와 동시에 시간(t)에 따른 호닝 공구의 스트로크 길이(H)가 표시되어 있다. 이 경우 호닝 공구의 각 스트로크는 2개의 전환점, 즉 하부 전환점(UP)과 상부 전환점(OP)을 갖는다. 제2 프로세스 단계에서 진행되는 최대 스트로크 길이(Hmax)는 블록 7에서 상부 전환점(OP1)과 하부 전환점(UP)에 의해 결정된다. 제2 프로세스 단계는 스트로크 길이가 일정한 하나 또는 몇몇 적은 스트로크를 시작하고, 이 경우 상기 스트로크 길이는 OP1-UP이다. 호닝 스톤이, 시점 t1에도 여전히 원통형인 가공될 보어에 적용되면, 상기 시점(t1)에는 스트로크 길이(H)가 감소될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 특징은, 전환점, 바람직하게는 하부 전환점(UP)이 변하지 않고, 상부 전환점(OP)은 소정의 한계값(OP2)에 도달할 때까지 서서히 감소되는 것이다. 그 후에 프로세스 단계 2가 종료된다.
일정한 하부 전환점(UP) 상태에서 스트로크 길이(K)의 증분 감소에 의한 호닝 공구의 스트로크(H)의 제어는, 보어가 소정의 절두 원추형 측면을 유지하도록 한다. 본 발명에 따른 방법은, 상부 전환점(OP2)과 관련하여 미리 주어진 한계값에 도달할 때 호닝 작업이 종료되기 때문에 매우 정밀한 동시에 매우 적은 시간이 소요된다.
이는 DE 10 2013 204 714 A1호에 공지된 방법의 주요 장점이다. 이 방법에는 여전히, 일정한 스트로크와 감소된 스트로크 길이를 특징으로 하는 종래 방식의 가공 단계가 부가된다. 놀랍게도, 궁극적으로 단 2개의 섹션만을 포함하는 본 발명에 따른 방법에 의해서는 매우 짧은 시간에 매우 우수한 품질로 적합하게 버티드 가공된 또는 원추형인 보어 생산이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
또한, 하부 전환점과 상부 전환점(OP1 및 OP2)의 적절한 위치를 통해서 보어를 단지 국부적으로 확장하고, 이와 동시에 상기 보어를 병 모양으로 제조하는 것도 가능하다.
도 3에 따른 제2 처리 단계는 시간 제어 방식으로 수행되거나 수행된 호닝 공구의 스트로크 횟수에 따라 수행되거나, 또는 스트로크 길이 최종값(OP2)에 도달을 통해 수행된다. 도 4에는 제2 프로세스 단계의 두 번째 대안예로서 "원추형 호닝"이 도시되어 있다.
제2 프로세스 단계의 상기 대안예의 경우, 호닝 스톤(13)의 이송이 가공될 보어 내에서 호닝 공구 위치에 따라 이루어진다. 이것은, 상부 전환점(OP1) 근처 보어의 상부 단부에서, 호닝 스톤이 하부 전환점(UP)보다 덜 멀리 이송되는 것을 의미한다. 이와 관련한 것은, 이송(Z)이 호닝 공구의 위치에 따라 도시되어 있는 다이어그램에서 라인(15) 형태로 도시되어 있다. 물론, 이러한 선형 관계는 단지 예일 뿐이다. 또한, 상부 전환점과 하부 전환점 사이에 있는 호닝 공구의 이송(Z)과 위치의 누진적인(progressive) 또는 체감적인(degressive) 관련성을 규정하고, 이에 상응하게 상기 호닝 공구의 이송을 제어하는 것도 가능하다.
또한, 가공 동안 이송 특성 곡선이 변동되는 것도 가능하다. 그 결과 호닝 스톤(13)의 하중을 균일하게 과도한 응력을 방지할 수 있다.
제2 프로세스 단계는 시간 또는 스트로크에 따라 제어되는 방식으로 실행된다.
또한, 이러한 방법을 사용할 경우 원추형 보어를 형성할 수 있다. 더 정확히 말하자면, 병 모양 보어를 형성할 수 있고, 필요한 경우 보어의 상부 단부에서 그리고/또는 보어의 하부 단부에서 원통형 보어를 사전 확장하는 것도 가능하다.
이 대안예는, 형상 호닝(form honing)에 적합하며 위치에 따른 호닝 스톤 이송을 가능하게 하는 호닝 공구를 전제 조건으로 한다. 이러한 호닝 공구는 예를 들면 본 발명의 출원인의 DE 10 2007 038 123호에 공지되어 있다. 또한, 호닝 공구의 스트로크 위치에 따라 병의 목과 같은 형태의 목표 표면 라인에 일치하는 이송(Z) 등거리 변동 역시 병의 목과 같은 형태의 보어 제조를 가능하게 한다. 그러나 "스트라이크를 갖는 원추형 호닝"과 "동적 이송을 포함하는 원추형 호닝" 프로세스 단계들을 연속해서 수행할 수도 있다. 따라서 변경되는 상부 전환점(OP) 영역에서 감소하는 스트라이크에 의해 형성된 방향 전환 아크들은 동적 이송을 포함하는 후속 호닝에 의해 제거된다. 이러한 경우 호닝 각도와 거칠기와 관련하여 균일한 구조를 갖는 호닝 표면(honed surface)이 생성된다. 이와 같이 지형적으로 균질화되고 형상이 개선된 보어 표면은 후속 프로세스 단계 "스프링력을 갖는 평활"을 용이하게 하고 가속화한다.
따라서 제2 프로세스 단계의 두 변형예가 설명한 순서대로 결합되는 것이 중요하다. 이러한 조합은 서로 다른 가공 스테이션에서 수행될 수 있다. 마찬가지로, 2개의 작업을 하나의 스핀들 상에서 서로 다른 호닝 스톤이 장착된 이중 이송되는 공구로 또는 하나의 호닝 스톤 사양을 갖는 간단히 이송된 공구로 연속해서 수행할 수도 있다.
그러나 어떤 경우에도 먼저 가변 스트로크를 갖는 가공이 보장되고, 그 다음 가변적인 이송으로 가공이 보장되어야 한다. 이른바 비 원통형 회전 대칭 보어의 형상 호닝에는 최대 4가지 단계가 있다:
원통형 보어의 호닝,
가변 스트로크 길이를 갖는 원추형 호닝,
가변 이송을 포함하는 원추형 호닝, 및
스프링 장착 호닝 스톤에 의한 스무딩 호닝.
도 5에는 선택적으로 제4 프로세스 단계인 "스무딩 호닝"과 조합된 제3 프로세스 단계 "피니시 호닝"이 마찬가지로 블록 15에 개략도로 도시되어 있다. 선행 프로세스 단계에서 원추형으로 호닝된 보어는 도면 부호 17로 표시되었다. 제3 프로세스 단계 "피니시 호닝"의 목적은 보어(17)의 원추형 또는 기하학적 구조를 유지하면서 적용 요건에 따라 보어의 표면을 추가로 가공하는 것이다. 이는 도 5에서 볼 수 있듯이 제2 프로세스 단계의 제2 변형예(도 4 참조)과 유사한 동적 이송을 포함하는 호닝에 의해 수행될 수 있습니다. 이 경우, 다른 절삭 재료가 호닝 스톤(19)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 절삭 재료로서 실리콘 카바이드로 변경될 수 있다. 그렇지 않으면, 도 5에 도시된 제1 대안예에 따라 호닝 공구를 사용하여 피니시 호닝이 이루어지는데, 이때 상기 호닝 공구는 보어 내에서 호닝 공구의 위치에 따라 호닝 스톤(19)의 이송을 가능하게 한다. 이러한 제3 프로세스 단계는 시간 제어 방식으로 또는 스트로크 제어 방식으로, 또는 원추형 형상과 표면 평활화의 모든 작업에 사용될 수 있는 공압식 인프로세스 공정에 의해 이루어진다.
또한, 상기 제3 프로세스 단계 직후에 제4 프로세스 단계인 "스무딩 호닝"이 이어질 수도 있다.
이 경우, 피니시 호닝에 사용된 호닝 스톤(19)은 보어로부터 분리되고, 다른 세트의 호닝 스톤(도 5에 도시되지 않음)은 원추형으로 호닝된 보어(17)와 결합되며, 이때 상기 보어는 원추형 보어의 표면을 평활화한다. 이 제4 가공 단계/프로세스 단계는 시간 제어 또는 스트로크 제어 방식으로 수행된다.
도 6은 제4 프로세스 단계 "스무딩 호닝"의 대안적인 실시 형태를 도시한다. 이 경우 호닝 스톤(23)은 가공되고 마무리 호닝된 보어(18)에 대해 탄성적으로 가압된다. 이것은 스트로크(H)에 대한 가압력(F)을 나타내는 다이어그램에 의해 블록(21)의 중간 부분에 도시되어 있다. 스무딩 호닝에 의해 피니시 호닝된 보어 형 보어(18)의 기하학적 구조는 더 이상 변경되지 않는다. 이러한 제4 프로세스 단계도 시간 제어 또는 스트로크 방식으로 수행된다.
도 7에는 도 3과 관련하여 이미 간략하게 언급된 제2 프로세스 단계의 제1 대안예가 다시 명확히 설명된다. 도 7은 초 단위 호닝 또는 호닝 공구의 더블 스트로크(double stroke)의 수가 X축 상에 도시된 다이어그램을 도시한다. 즉, 도 7은 본 발명에 따른 "원추형 호닝" 프로세스 단계의 대안예를 도시하며, 이는 시간 제어 방식뿐만 아니라 스트로크 제어 방식으로도 수행될 수 있다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 호닝 공구는 왕복 운동을 실시하는데, 이 경우 상기 호닝 공구는 하부 전환점(UP)과 상부 전환점(OP) 사이에서 진동한다.
제2 프로세스 단계에서는 맨 먼저, 호닝 스톤 여전히 원통형인 보어에 설치될 때까지 최대 스트로크 길이(OP1-UP)를 갖는 호닝 공구의 일부 스트로크가 수행된다. 이들 스트로크는 도 1에는 도시되지 않았다. 보어는 시점 t = t1에는 여전히 원통형이다.
본 발명에 따르면, 보어의 소정의 원추형 형상은, 스트로크에 따른 스트로크 길이(H)가 감소됨으로써, 즉 최대 스트로크 Hmax = OP1 - UP에서 시작하여 최소 스트로크 Hmin OP2 - UP까지 감소됨으로써 달성된다. 이 경우 하부 전환점(UP)의 위치는 변하지 않는다. 바꿔 말하면, 보어의 하부는 보어의 상부보다 호닝 공구(도시되지 않음)의 호닝 스톤에 의해 처리되는 경우가 더 많다. 그 결과 보어의 소정의 원추형 형상이 얻어진다.
스트로크 길이가 한계값(OP2)에 도달하거나 또는 한계값(OP2)에 미달하는 즉시 본 발명에 따른 제2 프로세스 단계가 종료되고 원추형 보어가 생성된다.
원추형 보어 대신 소위 병 형상을 호닝해야 할 경우, 즉 보어가 상부가 원통형이면서 좁은 섹션을 갖고, 이어서 원추형 부분을 가지며, 그리고 계속해서 추가 원통형 섹션을 가질 경우, 이는 본 발명에 따른 방법으로 하부 전환점(UP)을 적절히 선택함으로써 마찬가지로 매우 비용 효율적이고 안정적으로 달성될 수 있다. 이 경우 하부 전환점(UP)은 상부 전환점(OP) 방향으로 약간 더 이동될 것이다.
본 발명에 따른 제2 프로세스 단계의 특히 바람직한 실시예에서, 호닝 스톤의 이송은 항상 그리고 호닝 공구가 한계값(OP2)과 하부 전환점(UP 또는 UP2) 사이에 있는 시간 동안에만 이루어진다. 이는 도 7에 추가 다이어그램으로 도시되어 있다. 이는, 호닝 공구가 OP1과 OP2 사이에 있을 때만 이송이 이루어지지 않는다는 것을 의미한다. 공구가 OP2와 UP 사이의 영역에 있는 경우에만 이송이 이루어진다.
이것은 여러 가지 긍정적인 효과를 갖는다: 첫째, 확장되는 보어의 하부 단부에서 항상 단시간 내에 압착력이 증가되고, 그 결과로서 상기 보어의 하부 단부 위치에서 증가된 재료 제거가, 보어의 소정의 원추형 형상이 매우 근접하게 달성되도록 수행된다. 또한, 이러한 절차는, 호닝 공구가 하부 전환점으로 가는 중에 한계값(OP2)에 도달하자마자 이송을 시작할 수 있는 일정한 스트로크 속도를 전제로 하기 때문에 제어와 관련하여 이루어지는 제어 공정이 특히 용이하다. 상부 전환점 방향으로 하부 전환점으로부터 복귀하는 중에, 동일한 지점에서 이송이 중단된다.
도 8에는 제2 프로세스 단계의 제2 실시 형태가 다시 상세하게 설명된다. 여기서는, 이송 로드(29)와 이송 원뿔(31)을 통한 전기 기계식 이송(27)에 의해 도 4에 도시된 호닝 스톤(13)을 지지하는 지지 스트립(33)이 스트로크에 따라 어떻게 이송되는지 볼 수 있다. 이 경우, 다이어그램에서 한편으로는 블록 34의 형태로 호닝 스톤의 가압이 도시되어 있다. 이 다이어그램에서 이송은 직선(35)으로 도시되어 있다.
호닝 스톤(13)의 이송 운동에서의 전기 기계식 이송(27) 및 그 구현은 DE 103 58 150 A1호에 예시적으로 설명되어 있다.
도 9에는 제3 및 제4 프로세스 단계(피니시 호닝 및 스무딩 호닝) 또는 이들의 실현이 도시되어 있다.
도 9의 왼쪽 부분에서는, 구체적으로 호닝 스톤(19 또는 23)이 피니시 호닝 또는 스무딩 호닝을 위해 원추형 보어(11)에 설치되는 것이 목적으로 도시되어 있다. 이것은 스프링(나선형 스프링, 판 스프링 등)으로 형성될 수 있는 탄성 요소에 의해 수행된다. 호닝 공구는 도 9의 좌측 부분에서 2개의 상이한 위치에 도시되어 있는데, 즉 한 번은 하부 전환점(UP) 부근에, 그리고 한번은 상부 전환점(OP) 부근에 도시되어 있다.
도 9의 중간에는 피니시 호닝 및/또는 스무딩 호닝을 위한 공구의 제1 실현 가능성이 도시되어있다. 이 경우 이송 동작의 실행은 도 8과 동일하다. 유일한 차이점은, 지지 스트립(33)이 진자를 지지하고 스프링(25)에 의해 보어(11)의 벽에 가압되는 호닝 스톤(23)을 지지한다는 것이다. 이 호닝 스톤(23)의 피벗점은 도 9에서 35로 표시되어 있다. 이 경우 유의해야 할 점은, 호닝 스톤(23)이 보어의 벽(11)의 윤곽에 최적으로 적용될 수 있도록 상기 피벗점을 형성하는 핀이 슬롯(37) 내에서 안내된다는 것이다.
도 9의 우측 부분에는 피니시 호닝과 스무딩에 적합한 공구의 또 다른 실시 예가 도시되어 있다. 이는 DE 10 2014 000 476 A1호에 공지되어 있으며, 본 출원서에는 인용의 방식으로 기재되어 있다.
도 10에는 다시 한 번 도 2에 따른 동적 이송(제2 프로세스 단계의 제2 대안예)의 구현 및 호닝 공구에서 동적 이송의 구현이 도시되어 있다. 블록 39로 도시된 파선은 호닝 공구(41)의 스트로크 위치에 따라 상이한 위치에 있는 호닝 스톤(13)을 나타낸다. 호닝 공구의 스트로크는 10에서 양방향 화살표로 표시되어 있다.
도 11에는 2개의 호닝 스톤 그룹을 갖는 호닝 공구가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 호닝 공구를 사용하여 제1 프로세스 단계(원통형 프리 호닝)와 제2 프로세스 단계(원추형 호닝)이 수행될 수 있다. 제1 프로세스 단계를 수행하기 위해, 긴 호닝 스톤(43)은 가공될 보어(도시되지 않음)와 맞물리게 된다. 이송은, 통상적인 방식으로 지지 스트립(45)의 대응하는 경사진 표면과 상호 작용하는 2개의 이송 원뿔(도시되지 않음)을 통해 이루어진다.
호닝 스톤(13)은 프리 호닝된 보어를 원추형으로 호닝하는 데 사용된다. 이러한 호닝 스톤(13)은 프리 호닝용 호닝 스톤(43)에 비해 상대적으로 짧다. 이러한 호닝 스톤(13)은 또한 지지 스트립(47) 및 호닝 공구의 제2 이송 장치(도시되지 않음)를 통해 이송된다.
도 12에는 이중 이송 가능한 호닝 공구의 실시예가 도시되어 있다. 이 공구를 사용하면 프로세스 단계 3(피니시 호닝) 및 4(스무딩 호닝)를 수행할 수 있다. 호닝 공구 자체는 선행 기술에 공지되어 있다.
상기 공구는 다양한 호닝 스톤을 갖는다. 상대적으로 짧은 호닝 스톤(45)은 피니시 호닝에 사용된다. 상대적으로 긴 호닝 스톤(47)은 스무딩 호닝을 위해 사용된다.

Claims (14)

  1. 호닝 공구(honing tool)가 호닝 스톤(honing stone)(13)을 포함하고, 이러한 호닝 스톤의 길이(LH1)는 가공될 보어 길이(LB)의 1/2보다 작은, 호닝 공구를 사용하여 원통형 보어를 버티드(butted) 가공하기 위한 방법으로서, 이 경우 상기 방법이
    상기 호닝 공구의 호닝 스톤(13)을 상기 보어에 적용하는 단계,
    최대 스트로크(HMax = OP1 - UP)로 보어의 전체 길이(LB)에 걸쳐 상기 보어를 호닝하는 단계,
    감소하는 스트로크(H)로 상기 보어를 호닝하는 단계로서, 이때 상기 호닝 공구의 하부 전환점(UP)은 기본적으로 변하지 않고 유지되며, 그리고
    상부 전환점(OP)이 미리 주어진 최종값(OP2)에 도달하는 즉시 호닝 공정이 종료되는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 호닝 공구가 상기 하부 전환점(UP) 부근에 있을 때만 상기 호닝 공구의 이송(infeed)이 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 호닝 공구가 상기 미리 주어진 최종값(OP2)과 하부 전환점(UP) 사이에 있을 때만 상기 호닝 공구의 이송이 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스트로크가 감소함에 따라 호닝 스핀들(honing spindle)의 회전 속도가 증가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최대 스트로크(HMax = OP1 - UP)가 상기 최소 스트로크(HMin = OP2 - UP)의 두 배보다 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 정밀 보링 공구(precision boring tool)를 사용하여 보어를 버티드 가공하기 위한 방법으로서, 상기 정밀 보링 공구의 하나 이상의 절삭 날(cutting edge)이 가공될 보어 내에서 상기 정밀 보링 공구 위치에 따라 이송되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보어에 대해 상기 호닝 스톤(13)을 가압할 수 있는 이송력이 상기 보어 내에서 상기 호닝 공구의 위치에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 보어의 호닝, 특히 경도와 관련된 매개변수가 동일한, 원통형 보어를 버티드 가공하기 위한 방법으로서, 이 경우 상기 방법이
    상기 호닝 공구의 호닝 스톤(13)을 상기 보어에 적용하는 단계,
    보어의 전체 길이(LB)에 걸쳐 그리고 보어에 대한 상기 호닝 스톤(13)의 일정한 압착력으로 상기 보어를 호닝하는 단계, 그리고
    보어를 호닝하는 단계로서, 상기 보어에 대해 상기 호닝 스톤(13)을 가압할 수 있는 이송력(Z)이 상기 보어 내에서 상기 호닝 공구의 위치에 따라 제어되는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 전환점(OP)으로부터 상기 호닝 공구의 거리가 증가함에 따라, 상기 이송력(Z)이 증가하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 전환점(OP)으로부터 상기 호닝 공구의 거리가 증가함에 따라, 상기 이송력(Z)이 선형적으로(linear), 누진적으로(progressive) 또는 감쇄적으로(degressive) 증가하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 감소하는 스트로크(H)로 보어를 호닝하고, 이때 상기 호닝 도구의 하부 전환점(UP)이 기본적으로 변하지 않고 유지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 상부 전환점(OP)이 미리 주어진 최종값(OP1)에 도달하는 즉시 호닝 공정이 종료되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 보어를 형상(shaping) 가공하기 위한 프로세스 체인(process chain)으로서,
    Figure pct00001

    위 표의 열에 표시된 프로세스 단계를 함께 포함하는, 프로세스 체인.
  14. 2개 이상의 호닝 공구를 사용하여 원통형 보어를 형상 가공하기 위한 프로세스 체인으로서, 이 경우 상기 프로세스 체인이
    보어를 프리 호닝(pre-honing)하는 단계,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 보어를 버티드 가공하는 단계,
    보어를 피니시 호닝(finish honing)하는 단계, 및
    보어를 평활화(smoothing)하는 단계를 포함하는, 프로세스 체인.
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