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クランクシャフト穴の精密加工ソリューション

クランクシャフトの穴の加工品質は、エンジンの性能に大きな影響を及ぼします。 奇瑞エンジン事業部は、実際の加工条件に応じて、鋳鉄製エンジンシリンダーのクランク軸穴の仕上げ計画を継続的に研究および改善し、顕著な結果を達成しました。 処理の品質と効率が効果的に改善されました。

シリンダーブロックはエンジンの重要な基本部分であり、その主な機能はさまざまなメカニズムとシステムを1つに組み立てることです。 エンジンの最も重要な可動部品であるクランクシャフト、ピストン、コネクティングロッドは、シリンダーと非常に密接な関係にあります。 図1は、クランクリンク機構の概略図です。 現在、一般的なガソリンエンジンの最大速度は6000r / minを超えています。 クランクシャフトは、エンジンブロックのクランクシャフト穴とベアリングブッシュとの間に油膜を形成し、滑り軸受によって高速走行クランクシャフトを支持および潤滑します。 これにより、クランクシャフトの穴を精密に加工するための高いプロセス要件が必要になります。


クランクシャフトコンロッド構造

クランクシャフトの穴の加工品質はエンジンの性能に大きな影響を与えるため、エンジンのクランクシャフトの穴のプロセスの要件は一般に厳しいものです。 直径、位置、真円度、各クランク軸穴の中心の真直度、表面粗さを含む。 これらの要求の厳しいプロセス仕様を満たすために、精密機械加工では通常、精密ボーリング加工またはヒンジ加工が使用されます。

第二に、精密ボーリング加工の分析

クランクシャフトの穴を機械加工するための精密ボーリング法は、ヒンジ法と比較して初期入力コストが比較的低いです。 マシニングセンターまたは特別な機器の他の部品の仕上げと同じプロセスで配置できます。
特別なプロセス要件により、現在使用している優れたソリューションは、次の2つの精密ボーリングツールの組み合わせです。
最初のファインボーリングツールは、1番目と2番目のギアのクランクシャフト穴をガイドします(図2を参照)。
2番目のファインボーリングツールは、1番目と2番目のギアクランクシャフト穴のサポートの下にある残りのクランクシャフト穴によって細かくサポートされます(図3を参照)。
クランクシャフトの穴はギア間の高度の同軸性を維持する必要があるため、仕上げ中に同じ方向に送り込む必要があります。 しかし、このような長いクランクシャフトのボーリング工具が1速クランクシャフトの穴を加工している場合、サポートが不足してジャンプが過剰になる場合があります。 したがって、1つの長いボーリングツールと1つの短いボーリングツールを組み合わせて、クランクシャフトの穴を仕上げます。
 
1個および2個のクランクシャフト穴を加工するためのファインボーリングツール
図2 1個および2個のクランクシャフト穴を加工するためのファインボーリングツール
 
最後のいくつかのクランクシャフトの穴を加工するためのファインボーリングツール
図3 最後のいくつかのクランクシャフトの穴を加工するためのファインボーリングツール

現在、微細なクランク軸穴用の穴あけ工具は、一般に超硬合金またはCBNで作られています。 超硬合金のインサートは安価ですが、機械加工された加工物の表面粗さは良くなく、インサートの耐久性は低くなります。この問題に対応するため、ツールのサプライヤーと協力して、業界で最も一般的なブレードコーティング材料を収集しています。 切削角度の異なる技術を使用して、16個の超硬インサートで切削実験を実施しました。そして、さまざまな適切な処理パラメーターを最適化しようとしました。具体的な粗さの変動を図4に示します。多数の検証を通じて、粗さなどのプロセス要件を満たす超硬合金インサートの最高の実験結果は、一度に80個です。 まだ大量生産の要件を満たすことができません。

 超硬インサートの試験では、必要なブレード粗さの変動を部分的に満たす
図4 超硬インサートの試験では、必要なブレード粗さの変動を部分的に満たす

その後、ファインボーリング工具のブレード材料の別のソリューション、つまり既存の超硬合金ブレード材料をCBNブレード材料に置き換えることを検証しました。工具メーカーに頼って、クランクシャフトの内径の切削確認用に10種類以上のCBNインサートを開発しています。
テスト結果は以下を示します。粗さの制御という点では、CBNインサートは超硬インサートよりも著しく優れており、200個を超える加工寿命を持っています。ただし、同時にいくつかの新しい問題も発生しました。CBNブレードで約150個を加工すると、穴の側面にわずかなバリが現れ、ひどい場合にはフランジング現象が発生します。ここでのバリやフランジ加工は、エンジンの性能に影響を与える品質の危険になり、深刻な場合、ブッシュの傷やクランクシャフトのロックなどの品質事故を引き起こします。クランクシャフトの穴のバリ問題の処理では、クランクシャフトの穴のブラシを増やして、バリの存在をある程度緩和しましたが、依然として大きな品質リスクがあります。 さらに、クランクシャフトの穴のサイズ決定スキームの品質安定性はヒンジと比較して低く、頻繁な工具交換のために品質管理のリスクが大幅に増加します。ファインボーリングツールによって生成されるワークピースの表面粗さの変動は、ツールの耐久性が低下するにつれて急速に減少します。微細なクランク軸穴にCBNインサートを使用して機械加工されたワークピースの表面粗さの比較を図5および6に示します。


最初の穴を開けた後のブレードの表面粗さに関するレポート
図5 最初の穴を開けた後のブレードの表面粗さに関するレポート
 
ボーリングマシンによる200個の加工時の表面粗さレポート
図6 ボーリングマシンによる200個の加工時の表面粗さレポート

第二に、ヒンジ加工の分析
私たちは、ボーリング精密加工のためのクランクシャフト穴スキームについて、多くの調査作業を行ってきました。 機械加工の検証用にさまざまな新しいインサートを開発しましたが、まだ望ましい加工結果が得られていないため、クランクシャフトのリーマ方式を再度検討します。
コストの観点から見ると、クランクシャフトの穴のヒンジの1回限りの投資は大きくなります。
ドイツの有名なホーニング盤メーカーからの暫定オファーは400,000ユーロです(価格は構成要件によって異なります)。 ただし、ヒンジの後処理コストはファインボーリングのコストよりもはるかに低く、処理品質は安定しています。
クランク軸穴ヒンジ方式の特定の実施形態が図3に示されている。
 
クランク軸穴ヒンジ方式の実装
図7 クランク軸穴ヒンジ方式の実装

クランクシャフトの穴のヒンジは、水平ホーニング盤を使用して機械加工されます。 水平ホーニング加工機は長い作業ストロークを持つため、クランクシャフトの穴などの深穴ホーニングに適しており、深さは最大3000mmまで可能です。加工中、ホーニングヘッドの砥石は伸縮機構の作用下で半径方向に送られ、ワークピースは徐々に必要なサイズに加工されます。ホーニングヘッドの外周は、穴の長さの約1/3〜3/4の長さの2〜10個のオイルストーンと、ボーリング中の回転運動と往復運動の両方で設定されます。 同時に、ホーニングヘッドのバネまたは油圧制御により均一に上昇するため、穴の表面との接触面積が大きく、加工効率が高くなります。

ホーニングの許容値は、通常0.2mm以下です。 鋳鉄または非鉄金属の加工の場合、ホーニングの周速度は50m / minを超えることがあり、ホーニングの往復速度は15〜20m / minを超えてはなりません。穴の壁のオイルストーンの圧力は一般に0.3〜0.5 MPaで、粗いボーリングは約1 MPaに達し、細かいボーリングは0.1 MPa未満になります。砥石はホーニング中にワークピースと表面接触するため、ワークピースの表面上の各研磨粒子の垂直圧力は、研削時の垂直圧力の1/50〜1/100にすぎません。 さらに、ホーニング速度が遅いため、切削ゾーンの温度を50°C〜150°Cの範囲に維持できます。これは、機械加工表面の残留応力を低減し、表面品質を向上させるのに役立ちます。切りくずを洗浄し、オイルストーンの詰まりを避け、切削ゾーンの温度と表面粗さを減らすために、ホーニングに使用する切削液には一定の作動圧力があり、ろ過する必要があります。 ほとんどの切削液は、灯油または灯油と紡錘油を使用しており、極圧エマルジョンも使用できます。

図8の粗さ測定レポートデータの変動傾向から分析します。 ヒンジの加工安定性は非常に高く、研磨ヘッドの耐久性は一度に10,000個以上処理でき、生産効率が大幅に向上します。CBNブレードの精密加工方法では、200個ごとに1回交換する必要があり、平均的な工具交換と最初の部品検査には42分かかります。ツールを頻繁に交換するのにかかる時間が各ワークピースに変換されると、12.6s /ピースを失います。120枚/個の既存の加工ラインによると、部品の生産は160,000枚/年、年間処理損失は216万sになり、この時間を使用すると年間16,800枚以上処理できます。
 
 ヒンジ生産プログラムの20日間の実施後の製品粗さ測定レポート
図8 ヒンジ生産プログラムの20日間の実施後の製品粗さ測定レポート

この表は、クランクシャフトの穴のさまざまな仕上げ方法によって生じる工具損失のコスト損失を示しており、この表から、単一部品の工具コストの差がより明白であることが分析できます。分析と計算によると、103万個が生産されると、ヒンジ式ソリューションの工具損失はCBN精密ソリューションと比較して約381万元であり、ヒンジ式デバイスの価格とわずかに同じです。 ヒンジ式ソリューションの品質管理は、それほど難しくなく、リスクも少なくなります。
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