クランクシャフトの加工工程計画：基本原則と基準点の選定

クランクシャフトの工程計画の原則と基準点の選定

プロセス・ルートの設計原則

1. まず基準点を設定します： 工程計画においては、可能であれば、第1または第2の工程でクランクシャフトの精密基準面を加工すべきである。そうすることで、その後の工程ではそれらの精密基準面を利用してワークの位置決めを行うことができ、他の面の精度を確保しやすくなる。.
2. 穴あけ前の機械加工面： クランクシャフトのジャーナルやフランジ面に穴を開ける必要がある場合は、まずジャーナルとフランジ面を加工し、その後、それらの面に穴を開けるようにしてください。こうすることで、穴の精度を確保しやすくなります。.
3. 主要な面を、二次的な面よりも先に機械加工する： 加工計画では、主軸受面およびクランクピン軸受面といった重要な面に重点を置くべきである。二次的な面は、これらの加工工程の間に挟み込むことができる。.
4. 仕上げ前の荒加工。荒加工と仕上げ加工を別々に行う場合： 荒加工と仕上げ加工を分ける目的は、以下の通りです。.
   1. 加工品質を確保する： 荒加工では、切削余量が大きいため、高い切削力と切削熱が発生します。そのため、加工システムには弾性変形、熱変形、および高いワークの残留応力が生じます。荒加工では、高精度や低い表面粗さを達成することはできません。その後の工程では、部品の品質要件を満たすために、切削パラメータと加工誤差を徐々に低減させる必要があります。 内部残留応力を持つブランクの場合、荒加工によってその応力が再分布され、時間の経過とともに変形が生じる可能性があります。荒加工と仕上げ加工を分離することで、応力による変形が仕上げ加工に及ぼす影響を回避できます。また、残存する変形も、その後の仕上げ加工工程で除去することが可能です。.
   2. ブランク欠陥を早期に検出する： 荒加工では余肉を大幅に除去できるため、ブランクの欠陥を早期に発見することができ、適時に廃棄や修理を行うことで、加工を継続することによる無駄を防ぐことができます。.
   3. 工作機械を適切に使用してください： 荒加工には、高出力・高剛性だが精度は中程度の工作機械を使用し、仕上げ加工には高精度の工作機械を使用します。これにより、各工作機械の能力を最大限に活用することができます。 荒加工と仕上げ加工の分離は、単一の面に対する加工プロセスにも、部品全体の加工プロセスにも適用されます。現代の自動車用ブランクの鋳造・鍛造精度が向上し続け、総切削余量が減少するにつれて、荒加工と仕上げ加工の段階の区別は次第に曖昧になってきています。.
5. 熱処理工程と表面強化工程を合理的に手配する。.
6. クランクシャフトは細長い部品であるため、加工による変形を最小限に抑える必要があります。クランクシャフトの加工計画は、一般的に以下の原則に従います。すなわち、「仕上げ加工の前に荒加工を行う」、「他の形状よりも基準面を先に加工する」、「穴よりも面を先に加工する」、「主要な面を二次的な面よりも先に加工する」、そして「メインジャーナルをクランクピンジャーナルよりも先に加工する」というものです。.

工程計画を策定する際には、生産計画との整合性、経済的な成果の最大化、そして生産計画に適した新しい工程や技術の積極的な導入といった原則も考慮すべきである。.

工程計画は、主に「品質」「コスト」「納期」という3つの基準に基づいて評価されます。.

プロセス・ルートの全体的な開発

一体型クランクシャフトの場合、主な素材は鍛造鋼と球状黒鉛鋳鉄である。一般的な製造工程は以下の通りである：

• 鍛造鋼製クランクシャフト： ブランク加工、鍛造、焼ならし、荒加工、表面焼入れ・焼戻し、および仕上げ加工。.
• 球状黒鉛鋳鉄製クランクシャフト： 鋳造、焼ならし、焼戻し、荒加工、表面焼入れ・焼戻し、および仕上げ加工。.

荒加工プロセスの開発

クランクシャフトの粗加工には、旋削、内面フライス加工、旋削・ブローチ加工、および旋削・旋削・ブローチ加工などが一般的です。現在、これら4つの方法がすべて採用されています。どの方法を採用するかは、製品、生産量、タクトタイム、工程要件、および投資額によって決まります。.

回っている： 最も幅広い汎用性を備えています。. 内面フライス加工： クランクピンのジャーナルやクランクウェブの側面の加工に適しており、特にブランクに十分な切削余地がある場合に有効です。. ターンブローチ加工： ブランクへの要求が厳しく、製品の変更への対応が難しいため、単一製品の大量生産に適している。. ターン・ターン・ブローチ加工： 旋削とターンブローチ加工を組み合わせたもので、その精度はターンブローチ加工と同等であり、生産性は内面フライス加工よりも低いものの、柔軟性はターンブローチ加工や内面フライス加工よりも高い。.

4Hクランクシャフトの荒加工には、旋削と内面フライス加工を組み合わせて行います。.

研削プロセスの開発

研削順序と加工品質： メインジャーナルとクランクピンジャーナルのどちらを先に研削すべきかについては、絶対的な答えはありません。.

1. メインジャーナルの研削、続いてクランクピンのジャーナルの研削： クランクピンの研削による応力解放により、メインジャーナルの振れが許容範囲を超過する可能性があり、これを制御するのは困難である。.
2. クランクピン軸受面の研削、続いてメイン軸受面の研削： 基準点の変換を行うと、クランク半径の誤差が許容範囲を超過する恐れがあり、制御が困難で、追加の設備が必要となります。.

クランクシャフトのジャーナルの荒加工および焼入れ技術の発展に伴い、研削余量は大幅に削減されました。研削変形や研削応力が低減され、ジャーナルの精密研削を1回のパスで完了できるようになったため、セミ仕上げ研削が不要となり、工程が簡素化されました。.

研削による亀裂や焼け跡、特に幅の広いスラスト面におけるもの、メインジャーナルの振れ、およびメインジャーナルに対するクランクピンジャーナルの位置精度（ラジアル振れ、クランク半径、平行度を含む）は、研削工程の設計において重要な考慮事項である。.

製造プロセスの観点から言えば、クランクピン・ジャーナルの研削力がクランクシャフトの変形に及ぼす影響を、許容範囲内のメインジャーナルの振れ量内に抑えることができるのであれば、クランクピン・ジャーナルよりも先にメインジャーナルを研削することは、工程が簡素で投資も少ない、最適化されたプロセスである。 工程位置を決定するためだけに実施される作業は、付加価値のない活動であるため、削減または排除すべきである。.

クランクシャフトの位置決め基準面の選定

4Hエンジンのクランクシャフトを例にとると、このクランクシャフトには4つのクランクピンジャーナルと5つのメインジャーナルがあります。 直列エンジンのクランクシャフトにおいて、半径方向の基準点を選択する際には、両端の中心穴、あるいはメインジャーナル（例えば、第1および第5メインジャーナルの中心を結ぶ線、あるいは2つの中心穴を結ぶ線など）を半径方向の基準点として使用することができます。.

いくつかの軸方向基準面が用意されています。軸方向の動きを制限し、軸方向の力による軸方向のずれを防ぐため、第4主軸受の肩部（スラスト面）およびフランジ軸受の端面が軸方向基準面として用いられます。.

クランクシャフトは複雑な部品であるため、第1メインジャーナルのバランスウェイトにある角度付き突起、第1クランクピンジャーナル、およびフランジにある加工穴など、いくつかの角度位置決め基準も備えています。.

1. 4Hクランクシャフトの粗加工基準面の選定： クランクシャフトのブランクは、一般的に湾曲しています。両端の中心穴が端面の幾何学的中心に確実に開けられるようにするため、半径方向の粗基準点は、両端付近のジャーナルの外径から選定されます。軸方向の位置決め基準点は、第3メインジャーナルの両側にある肩部です。 第3メインジャーナルの両側にあるクランクウェブはクランクシャフトの中央に位置するため、これらを粗基準として使用することで、他のクランクウェブの位置誤差を低減できる。角度方向の粗基準としては、第1メインジャーナルのバランスウェイトにある角度加工ボスを選定する。.
2. 4Hクランクシャフトの精密基準点の選定： クランクシャフトの表面形状は複雑であるため、複数の精密基準面があります。加工工程全体を通じて使用されるのは2つで、最も重要なのは両端の中心穴であり、もう1つは第1および第5メインジャーナルです。 また、中心穴、フランジ・ジャーナルの端面、第4メインジャーナルの肩部（スラスト面）など、いくつかの軸方向の精密基準点も利用可能です。 角度方向の精密位置決めには、主にメインジャーナルおよびクランクピンジャーナルの研削中に回転の自由度を制限するために、フランジにある加工用穴が使用されます。また、第1クランクピンジャーナルが角度方向の位置決め基準として使用されることもあります。.