KR20180019485A - 피스톤을 기계가공하기 위한 방법 - Google Patents

피스톤을 기계가공하기 위한 방법 Download PDF

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KR20180019485A
KR20180019485A KR1020170101370A KR20170101370A KR20180019485A KR 20180019485 A KR20180019485 A KR 20180019485A KR 1020170101370 A KR1020170101370 A KR 1020170101370A KR 20170101370 A KR20170101370 A KR 20170101370A KR 20180019485 A KR20180019485 A KR 20180019485A
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입되는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 하나 이상의 링 홈(2)은 오직 연마에 의해서 삽입된다. 따라서, 매우 좁은 링 홈(2)을 비용-효율적이면서도 고품질로 제조할 수 있다.

Description

피스톤을 기계가공하기 위한 방법{METHOD FOR MACHINING A PISTON}
본 발명은 청구항 제1항에 따라 하나 이상의 링 홈이 삽입되는 내연기관의 피스톤을 기계가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 기계가공된 피스톤에 관한 것이다.
독일 특허출원 DE 10 2009 027 647 A1호는 하나 이상의 링 홈(ring groove)이 삽입되는(introduced) 내연기관의 피스톤을 기계가공하기 위한 일반적인 방법을 기술하고 있다. 이 경우, 링 홈을 가능한 최대한 내마모성으로 형성할 수 있도록 하기 위하여, 경질-양극산화 층(hard-anodizing layer)이 내부에 제공되며 홈 내에 삽입된 회전식 연마 공구에 의해 상기 경질-양극산화 층이 적어도 부분적으로 매끄럽게 된다(smooth). 따라서, 특히, 매끄러운 홈 표면이 구현될 수 있다. 이 경우, 피스톤 재료에서 실제 홈은, 종래에는, 절삭 방법(cutting method)에 의해 삽입된다.
일반적으로, 용어 "피스톤 링 홈(piston ring groove)"이라고 지칭되는 링 홈은, 최근까지는, 절삭 방법에 의해 기계적으로 형성되어 왔다. 이 경우, 홈은 사전절삭되고(precut) 그 뒤 필요한 허용오차(tolerance)를 충족시킬 수 있도록 하기 위해 홈 벽(groove wall)에서 즉 상측 및 하측 플랭크(flank)에서 터닝가공된다(turned). 매우 좁은 홈 때문에, 상기 목적을 위해 사용되는 절삭 공구(cutting tool)를 누금세공(filigree) 방식으로 형성할 필요성이 점점 더 늘어나지만, 이는 특히 사이클 시간, 공구의 내구성 및 품질 요건에 부정적인 영향을 끼친다.
따라서, 본 발명의 목적은 일반적인 방법에 대한 개선된 실시예 또는 대안의 실시예를 제공하여, 종래 기술에 공지된 단점들을 해결하는 데 있다.
상기 목적은 본 발명의 청구항 제1항의 특징에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들에 기술된다.
본 발명은, 최초로, 절삭(cutting)이 아니라 오직 연마(grinding)에 의해서, 내연기관의 피스톤 내에 링 홈(ring groove)을 형성하는 개념에 따른다. 이 경우, 연마는 현저하게 좁은 홈 폭(groove width)을 가능하게 해줄 뿐만 아니라 표면 상태에 대해 상당히 증가된 품질을 가능하게 해 준다. 연마는, 표면 품질(surface quality)을 증가시켜 피스톤 링의 기능성(functionality)에 긍정적인 영향을 끼칠 뿐만 아니라 단-파상(short-waviness) 및 장-파상(long-waviness)에 있어서도 품질이 증가된다. 용어 "단-파상" 및 "장-파상"은 미리 정해진 편평도(defined flatness)로부터의 편차(deviation)를 의미하는 것으로 이해하면 된다. 여기서, 단-파상은 회전식 절삭 공구(rotating cutting tool) 또는 워크피스(workpiece)의 진동(quivering) 문제를 야기하는 반면, 장-파상은 회전식 절삭 공구 또는 워크피스가 원형 형태가 일그러진 부분(out-of-round section) 형태로 장착되는 문제를 야기하게 된다. 게다가, 지금까지는 품질에 영향을 끼쳤었지만, 링 홈을 고체 재료(solid material)로 연마하면, 예를 들어, 오일 배출 보어(oil drainage bore)를 삽입함으로써 형성되는 균일하게 절단된 부분(even interrupted section)들은 품질에 더 이상 영향을 미치지 않는다. 이러한 타입의 오일 배출 보어는 그 다음 링 홈의 영역에 배열되어, 절삭에 의해 링 홈이 형성될 때, 파상(waviness)에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 이에 비해, 본 발명에 따라 고체 재료로 하나 이상의 링 홈을 연마하면, 상기 타입의 오일 배출 보어는, 공정에서 어떠한 깔쭉이(burr)도 형성되지 않고도, 간단하게 연마된다. 특히, 깔쭉이 측면에서 볼 때, 본 발명에 따라 링 홈을 연마하면, 구성요소(component)의 청결(cleanliness)에 있어서 상당한 이점을 가지게 된다. 본 발명에 따라 링 홈을 연마하면, 피스톤의 재료가 얼마나 단단한지, 그리고, 특정 조건 하에서, 형성되어야 하는 링 홈 영역에, 예를 들어, 용접 영역에 상이한 경도(hardness)의 미세구조(microstructure)가 존재하는지 여부는 중요하지 않으며, 이 또한, 형성되어야 하는 링 홈의 품질에 있어서도 훌륭한 이점이 된다. 오직 이론적으로는, 그 다음 연마를, 적어도 약간의 사전절삭으로 제공할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에서, 연마 디스크(grinding disc)를 가진 회전식 연마 공구(rotating grinding tool)에 의해 하나 이상의 링 홈이 삽입된다(introduced). 연마 동안, 피스톤은 고정되거나 또는 대안으로 피스톤 축 주위로 회전될 수 있다. 특히, 피스톤을 연마 디스크에 대해 동일한 방향으로(시계방향 또는 반시계방향으로) 동시에 회전시키면, 하나 이상의 링 홈이 신속하게 연마될 수 있다. 또한, 연마 디스크와 피스톤이 클램프 고정되고(fixedly clamped), 맞은편 부분 즉 피스톤 또는 연마 디스크가 회전되는 것도 고려할 수 있다. 이런 방식으로, 특히, 원마도(roundness) 및 편평도(flatness)에 있어서 높은 품질이 가능해진다. 두 구성요소(피스톤과 연마 공구) 둘 모두를 반대 방향으로 회전시키는 것도 고려할 수 있으며 연마 효과(grinding effect)를 얻기 위해 상이한 회전 속도로 회전시키는 것도 고려해 볼 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 추가적인 실시예에서, 상이한 횡단면을 가진 상이한 연마 디스크가 사용되어, 연마되는 링 홈이 상이한 기하학적 형상(geometry)의 홈을 가진다. 본 발명에 따라 오직 연마에 의해서 링 홈을 형성하면, 균일한 매우 좁고 깊은 링 홈을 형성할 수 있게 되며, 연마 디스크의 상응하는 횡단면 형태로 인해, 홈 벽(groove wall)이 서로에 대해 비스듬하게 배열되는 링 홈을 형성할 수도 있다. 기본적으로는, 연마 디스크에 의해 형성되는 홈의 기하학적 형상에는 실질적으로 어떠한 제한도 없다.
2개 이상의 평행한 연마 디스크를 가진 연마 공구가 사용되어, 상기 연마 디스크에 의해 2개 이상의 평행한 링 홈이 동시에 연마되는 것이 바람직하다. 2개 이상, 바람직하게는 3개 또는 4개의 평행한 연마 디스크를 가진 이러한 연마 공구를 사용함으로써, 모든 필요한 링 홈이 동시에 피스톤에 연마되도록 하는 것이 가장 바람직한데, 그 결과, 사이클 시간이 현저하게 줄어들고 제조 비용의 상당한 감소가 가능하다.
바람직하게는, 2개 이상의 연마 디스크가 동일하거나 또는 상이한 횡단면을 가지며 따라서 동일한 링 홈 또는 상이한 기하학적 형상의 링 홈이 동시에 연마될 수 있다. 연마 공구의 연마 디스크를 상응하게 배열시키고 선택하면, 조건들에 따라, 동일하거나 또는 상이한 기하학적 형상의 홈을 가진 하나의 링 부분(ring part)을, 바람직하게는, 단일의 연마 공정(grinding operation)으로 정확하게 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 추가적으로 바람직한 실시예에서, 2개 이상의 연마 디스크는 동일하거나 또는 상이한 직경을 가지며, 그 결과, 동일한 링 홈 또는 상이한 홈 깊이(groove depth)를 가진 링 홈이 동시에 연마될 수 있다. 개별 연마 디스크를 상응하게 배열하면, 동일하거나 또는 상이한 홈 깊이를 가진 복수의 홈을 동시에 형성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 추가적으로 바람직한 실시예에서, 피스톤 축과 연마 디스크의 회전축은, 하나 이상의 링 홈의 연마 동안에, 서로에 대해 평행하게 배열되거나 또는 비스듬하게 배열된다. 외부 연마 림(grinding rim)에서 개별 연마 디스크의 선택된 횡단면 형태 외에도, 연마 디스크 또는 연마 디스크들의 회전축이 기울어짐으로써, 상응하는 기하학적 형상의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점들은 청구범위, 첨부도면 및 첨부도면을 참조하여 도면에 대한 설명으로부터 자명해질 것이다.
위에서 언급된 특징들 및 추가적인 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 각각의 특징들을 포함하는 조합 뿐만 아니라 그 밖의 조합 또는 개별적으로 사용될 수 있다는 사실은 명백하다.
본 발명의 바람직한 대표 실시예들은 도면에서 예시되며, 하기 발명의 상세한 설명에서 보다 자세하게 설명되는데, 도면에서, 동일한 도면부호는 동일하거나 비슷하거나 또는 기능적으로 똑같은 구성요소를 나타낸다.
도면에서, 개략적으로,
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하여 구현된 본 발명에 따른 피스톤의 측면도로서, 본 발명에 따른 방법에서 연마에 의해 하나 이상의 링 홈이 삽입되며,
도 2는 도 1에 예시된 실시예의 경사도,
도 3은 도 1에 예시된 실시예의 평면도,
도 4는 도 1에 예시된 실시예의 단면도,
도 5는 도 1에 예시된 실시예의 상세도.
도 1 내지 5에 따르면, 본 발명에 따른 내연기관(도시되지 않음)의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법에서는, 오직 연마(grinding)에 의해서 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입된다(introduced). 피스톤(1)의 작동 동안에, 링 홈(2)은 링 홈(2)에 수용되는 피스톤 링(도시되지 않음)을 장착하도록 사용된다. 본 발명에 따라 오직 연마에 의해서 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입되기 때문에, 절삭 방법(cutting method)에서 지금까지 제기되어 온 모든 문제들을 해결할 수 있다. 링 홈(2)을 고체 재료(solid material)의 피스톤(1)에 연마하게 되면, 매우 높은 품질로, 특히, 균일한 작은 홈 폭, 가령, 예를 들어 1.5mm 또는 그보다 작은 영역을 형성하는 것이 가능한데, 이는 기존의 절삭 공구로는 이렇게 작은 수치를 형성하는 것이 불가능했었다. 특히, 최근에는, 링 홈(2)을 1.5mm 또는 그보다 좁게 형성하는 경향으로 인해, 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것이 점점 증가하고 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 예를 들어, 하나 이상의 연마 디스크(4)와 이에 상응하는 연마 림(8)을 가진 회전식 연마 공구(3)에 의해, 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입된다. 여기서, 피스톤(1)은 연마 동안에 고정될 수 있거나, 혹은 피스톤 축(5) 주위로 회전될 수 있다. 또한, 이와 비슷하게, 연마 디스크(4)를 가진 연마 공구(3)가 회전되거나 또는 회전축(6) 주위로 이동하는 동안에 정지상태에 있는(stationary) 것도 고려해 볼 수 있다. 하지만, 하나 이상의 링 홈(2)에서 연마되기 위해, 2개의 연마 구성요소 즉 연마 공구(3) 또는 피스톤(1) 중 하나 이상이 회전되어야 한다. 피스톤(1)이 한 방향으로 회전되고 이와 동시에 연마 공구(2)가 동일한 방향으로 회전되는 것이 바람직한데, 그에 따라 기계가공 시간과 제조 비용이 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 연마 공구(3)와 피스톤(1)이 클램프 고정되고, 맞은편 부분 즉 피스톤(1) 또는 연마 공구(3)이 회전되는 것도 고려할 수 있는데, 그 결과 원마도(roundness) 및 편평도(flatness)에 있어서 높은 품질이 구현된다. 첨부도면들에서, 피스톤(1)과 연마 공구(3)가 양쪽 (회전) 방향으로 이동할 수 있는 것을 볼 수 있다. 위에서 기술된 가능성 외에도, 동일한 회전 방향으로 연마하거나(양쪽 축들이 동일한 방향으로 회전됨) 또는 반대 방향으로 연마하는 것도 가능하다(축들이 상이한 방향으로 회전됨).
본 발명에 따르면, 오직 연마에 의해서 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입되기 때문에, 피스톤(1)의 재료가 얼마나 단단한지, 그리고, 피스톤(1)에, 예를 들어, 용접 영역에 상이한 경도(hardness)의 미세구조(microstructure)가 존재하는지 여부는 중요하지 않다. 본 발명에 따른 방법에서, 연마는 고체 재료로 구현되며, 이는 즉 형성되어야 하는 링 홈(2)이 사전절삭(precut) 되거나 또는 미리-제조되지 않는다는 것을 의미한다.
도 1 내지 3을 보면, 연마 공구(3)가 3개의 연마 디스크(4)를 가지고 상이한 횡단면 형태를 가지는 것을 볼 수 있는데, 이러한 타입의 연마 공구(3)가 피스톤(1) 내에 삽입되어야 하는 모든 링 홈(2)에 동시에 연마하도록 사용될 수 있어서, 그에 따라 사이클 시간 및 제조 비용이 줄어들 수 있게 된다. 본 발명에 따른 방법의 가장 주된 이점은, 연마 동안에는 어떠한 깔쭉이(burr)도 형성되지 않는 반면, 이에 비해, 절삭 경우에서는, 깔쭉이가 발생하여 구성요소(component)의 청결에 있어서 부정적인 영향을 가진다는 점이다.
또한, 개별 연마 디스크(4)가 연마 공구(3)와 조합되는(combined) 상이한 실시예에서도, 상이한 기하학적 형상의 홈을 가진 링 홈(2)을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 동일한 연마 디스크(4)를 사용함으로써, 동일한 링 홈(2)을 동시에 형성하는 것이 가능하다.
예를 들어, 동일한 또는 상이한 직경을 가진 연마 디스크(4)를 사용하면, 동일한 링 홈(2) 또는 상이한 홈 깊이(t)를 가진 링 홈(2)을 동시에 형성할 수 있다.
예를 들어, 상이한 홈 깊이(t1, t2) 및 상이한 홈 폭(b1, b2, b3)의 링 홈(2)을 가진 피스톤(1)이 도 4의 단면도에 도시되는데, A 부분이 상세하게 예시된다. 상세하게 도시된 A 부분의 최상측 링 홈(2)은 비스듬하게 설정된 연마 디스크(4), 또는 연마 림(8)이 원뿔 형태를 가진 연마 디스크(4)로 연마될 수 있다. 연마 림(8)이 원뿔 형태를 가진 연마 디스크(4)로 연마되는 경우, 상이한 횡단면 형태를 가지기는 하지만, 상이한 홈 폭(b) 및 상이한 홈 깊이(t)의 개별 링 홈(2)은 형태, 폭 및 직경에 있어서 상이한 연마 디스크(4)를 가진 연마 공구(3)로 동시에 연마될 수 있다.
이 경우, 연마 디스크(4)의 회전축(6) 또는 피스톤 축(5)과 연마 공구(3)의 회전축이 서로 평행하게 배열되는 것이 바람직하지만, 예를 들어 도 4에 도시된 것과 같이 서로에 대해 비스듬하게 배열될 수도 있다. 이와 같이, 회전축(6)이 비스듬하게 배열되기 때문에, 하나의 동일한 연마 디스크(4)를 사용하여, 상이한 기하학적 형상의 홈이 피스톤(1)에 삽입될 수 있다.
하나 이상의 링 홈(2)이 연마되기 전에, 오일 배출 보어(7)(도 1)를 삽입하는 것도 가능한데, 오일 배출 보어(7)를 통과하는 그 다음 링 홈(2)의 연마 동안에는 어떠한 깔쭉이도 오일 배출 보어(7) 영역에 형성되지 않으며, 이는 절삭에 의해 링 홈(2)이 형성되는 경우에서는 가능하지 않았었다.
본 발명에 따르면, 오직 연마 공구(3)에 의해서 링 홈(2)이 연마되면, 현저하게 작은 홈 폭(b)을 가진 링 홈(2)을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 그와 동시에 형성되는 링 홈(2)의 품질도 현저하게 증가된다. 한 예로서, 이로 인해 표면 품질(surface quality)이 증가되어, 피스톤 링의 기능성에 있어서 긍정적인 영향을 가질 뿐만 아니라 단-파상(short-waviness) 및 장-파상(long-waviness)에 있어서도 품질이 증가된다. 지금까지는 품질에 영향을 끼쳤었지만, 본 발명에 따른 링 홈(2)의 연마 동안에, 균일한 원형 형태가 일그러진 부분(even out-of-round section), 가령, 예를 들어, 관통 오일 배출 보어(7)도 품질에 더 이상 영향을 미치지 않는다. 게다가, 도 4 및 5의 예에 도시된 것과 같이, 홈의 기하학적 형상이 실질적으로 자유로이 선택할 수 있는 연마 디스크(4)의 공구 디자인으로 인해 심하게 가변적인데도, 비스듬하게 배열된 링 홈(2)(판 홈(plate groove))의 기계가공성(machinability)에 있어서 어떠한 단점도 없다.
본 발명에 따라, 링 홈(2)을 고체 재료의 피스톤(1)에 연마하면, 링 홈(2)을 비용-효율적이면서도 고품질로 신속하게 제조할 수 있으며, 이와 동시에 홈 폭(b)을 현저하게 작게 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입되는(introduced) 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법에 있어서,
    하나 이상의 링 홈(2)은 오직 연마(grinding)에 의해서 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 링 홈(2)은 하나 이상의 연마 디스크(4)를 가진 회전식 연마 공구(3)에 의해 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연마 동안, 피스톤(1)은 고정되거나 또는 피스톤 축(5) 주위로 회전되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 횡단면을 가진 상이한 연마 디스크(4)가 사용되어, 연마되는 링 홈(2)은 상이한 기하학적 형상의 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 평행한 연마 디스크(4)를 가진 연마 공구(3)가 사용되어, 2개 이상의 평행한 링 홈(2)이 동시에 연마되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 동일하거나 또는 상이한 횡단면의 2개 이상의 연마 디스크(4)를 가진 연마 공구(3)가 사용되어, 동일한 링 홈(2) 또는 상이한 기하학적 형상의 링 홈(2)이 동시에 연마되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 동일하거나 또는 상이한 직경의 2개 이상의 연마 디스크(4)를 가진 연마 공구(3)가 사용되어, 동일한 링 홈(2) 또는 상이한 홈 깊이의 링 홈(2)이 동시에 연마되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 축(5)과 연마 디스크(4)의 회전축(6)은, 하나 이상의 링 홈(2)의 연마 동안에, 서로에 대해 평행하게 배열되거나 또는 비스듬하게 배열되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 연마 디스크(4)는 외부 방향으로 테이퍼링되는 에지(outwardly tapering edge)를 가지며, 서로에 대해 비스듬하게 배열된 홈 벽을 가진 링 홈(2)이 연마되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 링 홈(2)이 연마되기 전에, 그 다음 링 홈(2) 영역에 하나 이상의 오일 배출 보어(7)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 그 다음 링 홈(2) 영역에 2개 이상의 오일 배출 보어(7)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 오직 연마에 의해서 1.5mm의 최대 홈 폭(b)을 가진 하나 이상의 링 홈(2)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤(1)을 기계가공하기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 기계가공된 피스톤(1).
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