크랭크샤프트 가공 공정 계획: 원리 및 기준점 선정

크랭크샤프트 공정 계획의 원칙 및 기준점 선정

공정-경로 설계 원칙

1. 먼저 기준점을 설정하십시오: 공정 계획 시, 가능하면 첫 번째 또는 두 번째 공장에서 크랭크축의 정밀 기준면을 가공해야 합니다. 그러면 후속 공정에서 해당 정밀 기준면을 이용하여 공작물의 위치를 결정할 수 있으므로, 다른 표면의 정확도를 확보하기가 더 쉬워집니다.
2. 구멍 가공 전의 기계 표면: 크랭크축 저널이나 플랜지 면에 구멍을 뚫어야 할 경우, 먼저 저널과 플랜지 면을 가공한 다음 해당 표면에 구멍을 뚫어야 합니다. 이렇게 하면 구멍의 정밀도를 확보하기가 더 쉬워집니다.
3. 2차 가공면을 가공하기 전에 기계의 주요 가공면을 먼저 가공하십시오: 공정 계획은 주 저널과 크랭크핀 저널의 중요한 표면에 중점을 두어야 합니다. 이 공정들 사이에 부차적인 표면 가공 공정을 삽입할 수 있습니다.
4. 마무리를 하기 전의 거친 가공 단계로, 황삭과 정삭을 별도로 수행하는 경우: 초가공과 정밀가공을 구분하는 목적은 다음과 같습니다.
   1. 가공 품질 확보: 거친 가공 시, 가공 여유가 크면 높은 절삭력과 절삭 열이 발생합니다. 따라서 공작 시스템은 탄성 변형, 열 변형 및 높은 공작물 잔류 응력을 겪게 됩니다. 거친 가공만으로는 높은 정밀도나 낮은 표면 거칠기를 달성할 수 없습니다. 후속 공정은 부품 품질 요건을 충족하기 위해 절삭 매개변수와 가공 오차를 점진적으로 줄여야 합니다. 내부 잔류 응력이 있는 블랭크의 경우, 황삭 가공으로 인해 해당 응력이 재분배되어 시간이 지남에 따라 변형이 발생할 수 있습니다. 황삭과 정삭을 분리하면 응력 관련 변형이 정삭 가공에 미치는 영향을 피할 수 있으며, 잔여 변형도 이후의 정삭 공정에서 제거할 수 있습니다.
   2. 빈 공간 결함을 조기에 탐지: 거친 가공은 여유를 많이 제거하고 블랭크의 결함을 조기에 발견할 수 있게 해주므로, 적시에 폐기하거나 수리할 수 있어 추가 가공으로 인한 낭비를 방지할 수 있습니다.
   3. 공작 기계를 올바르게 사용하십시오: 거친 가공에는 출력과 강성은 높지만 정밀도는 보통인 공작 기계를 사용할 수 있는 반면, 정밀 가공에는 고정밀 공작 기계를 사용합니다. 이를 통해 각 공작 기계의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 거친 가공과 정밀 가공을 분리하는 방식은 단일 표면 가공 과정뿐만 아니라 부품 전체 가공 과정에도 적용됩니다. 현대 자동차용 블랭크의 주조 및 단조 정밀도가 지속적으로 향상되고 총 재가공 여유가 감소함에 따라, 거친 가공 단계와 정밀 가공 단계 간의 구분은 점차 모호해지고 있습니다.
5. 열처리 공정을 합리적으로 계획하고 표면 경화 공정을 합리적으로 구성한다.
6. 크랭크샤프트는 가느다란 부품이므로 가공 시 변형을 최소화해야 합니다. 크랭크샤프트의 공정 계획은 일반적으로 다음과 같은 원칙을 따릅니다. 즉, 정밀 가공 전에 황삭을 먼저 수행하고, 다른 형상보다 기준면을 먼저 가공하며, 구멍보다 표면을 먼저 가공하고, 2차 표면보다 1차 표면을 먼저 가공하며, 크랭크핀 저널보다 주 저널을 먼저 가공합니다.

공정 계획을 수립할 때는 생산 계획과의 조화, 최상의 경제적 성과, 그리고 생산 계획에 적합한 새로운 공정 및 기술을 적극적으로 도입하는 것 등 추가적인 원칙들을 고려해야 한다.

공정 계획은 주로 품질, 비용, 납기라는 세 가지 기준에 따라 평가됩니다.

전체 프로세스-경로 개발

일체형 크랭크축의 경우, 주요 소재로는 단조강과 구상주철이 사용됩니다. 일반적인 공정 흐름은 다음과 같습니다:

• 단조 강철 크랭크샤프트: 블랭크 가공, 단조, 노멀라이징, 초가공, 표면 담금질 및 템퍼링, 그리고 정밀 가공.
• 구상 주철 크랭크샤프트: 주조, 정상화, 템퍼링, 거친 가공, 표면 담금질 및 템퍼링, 그리고 정밀 가공.

거친 가공 공정 개발

일반적인 크랭크샤프트 황삭 가공 방법으로는 선반 가공, 내부 밀링, 선반-브로칭, 선반-선반-브로칭 등이 있습니다. 현재 이 네 가지 방법이 모두 사용되고 있습니다. 어떤 방법을 선택할지는 제품, 생산량, 택트 타임, 공정 요구 사항 및 투자 비용에 따라 결정됩니다.

선회: 가장 뛰어난 다용도성을 제공합니다. 내부 밀링: 크랭크핀 저널과 크랭크웹 측면을 가공하는 데 적합하며, 특히 블랭크의 여유가 큰 경우에 유용합니다. 턴 브로칭: 블랭크에 대한 요구 사항이 까다롭고 제품 변경에 대한 적응력이 떨어지기 때문에, 단일 제품의 대량 생산에 적합합니다. 턴-턴-브로칭: 선반 가공과 선반 브로칭을 결합한 공법으로, 정밀도는 선반 브로칭 수준에 달하며, 효율성은 내부 밀링보다 낮고, 유연성은 선반 브로칭 및 내부 밀링보다 높습니다.

4H 크랭크샤프트는 황삭 가공에 선반 가공과 내부 밀링 가공을 병행하여 사용합니다.

연삭 공정 개발

연삭 순서 및 가공 품질: 메인 저널을 먼저 연마할지, 크랭크핀 저널을 먼저 연마할지에 대해서는 정답이 없습니다.

1. 메인 저널 연삭 후 크랭크핀 저널 연삭: 크랭크핀 연삭으로 인한 응력 해방으로 인해 메인 저널의 편심도가 허용 오차를 초과할 수 있으며, 이를 제어하기 어렵습니다.
2. 크랭크핀 저널 연삭 후 메인 저널 연삭: 기준점을 변환하면 크랭크 반경 오차가 허용 오차를 초과할 수 있으며, 제어하기 어렵고 추가 장비가 필요합니다.

크랭크축 저널의 황삭 가공 및 담금질 기술이 발전함에 따라 연삭 여유가 크게 줄어들었습니다. 연삭 변형과 연삭 응력이 감소했으며, 저널의 정밀 연삭을 한 번의 공정으로 완료할 수 있게 되어 반정밀 연삭 공정을 생략하고 공정을 간소화할 수 있게 되었습니다.

연삭 과정에서 발생하는 균열 및 화상, 특히 넓은 스러스트 면의 균열 및 화상, 메인 저널의 런아웃, 그리고 메인 저널에 대한 크랭크핀 저널의 위치 정확도(방사형 런아웃, 크랭크 반경, 평행도 포함)는 연삭 공정 설계 시 핵심적으로 고려해야 할 사항입니다.

제조 공정 관점에서 볼 때, 크랭크핀 저널 연삭력이 크랭크축 변형에 미치는 영향을 허용 가능한 메인 저널 런아웃 범위 내에서 제어할 수 있다면, 크랭크핀 저널보다 먼저 메인 저널을 연삭하는 것이 공정이 간단하고 투자 비용이 적은 최적의 공정입니다. 공정 위치를 확립하는 데만 사용되는 작업은 부가가치가 없는 활동이므로, 이를 줄이거나 제거해야 한다.

크랭크샤프트 위치 결정 기준면 선정

4H 엔진 크랭크축을 예로 들면, 이 크랭크축에는 4개의 크랭크핀 저널과 5개의 메인 저널이 있습니다. 인라인 엔진 크랭크축의 방사형 기준면 선정 시, 양 끝단의 중심 구멍이나 메인 저널(예: 첫 번째와 다섯 번째 메인 저널의 중심을 잇는 선 또는 두 중심 구멍을 잇는 선)을 방사형 기준면으로 사용할 수 있습니다.

여러 가지 축 방향 기준면이 사용됩니다. 축 방향 이동을 제한하고 축 방향 힘으로 인한 축 방향 편차를 방지하기 위해, 제4 주축 저널의 숄더(또는 스러스트 면)와 플랜지 저널의 단면이 축 방향 기준면으로 사용됩니다.

크랭크샤프트는 복잡한 부품이기 때문에, 제1 메인 저널의 밸런스 웨이트에 있는 각도 가공 보스, 제1 크랭크핀 저널, 플랜지의 가공 구멍 등 여러 개의 각도 위치 기준점이 있습니다.

1. 4H 크랭크축의 거친 기준면 선정: 크랭크샤프트 블랭크는 일반적으로 곡선 형태를 띠고 있습니다. 양 끝단의 중심 구멍이 단면의 기하학적 중심에 정확히 뚫리도록 하기 위해, 반경 방향의 거친 기준면은 양 끝단 근처 저널의 외경에서 선정합니다. 축방향 위치 기준면은 제3 메인 저널 양쪽의 숄더입니다. 제3 메인 저널 양쪽의 크랭크웹은 크랭크축의 중앙에 위치하므로, 이를 대략적인 기준점으로 사용하면 다른 크랭크웹의 위치 오차를 줄일 수 있습니다. 제1 메인 저널의 밸런스 웨이트에 있는 각도 가공 보스는 각도 대략 기준점으로 선정됩니다.
2. 4H 크랭크축 정밀 기준점 선정: 크랭크축 표면은 형상이 복잡하기 때문에 여러 개의 정밀 기준면이 있습니다. 가공 공정 전반에 걸쳐 두 가지가 사용되는데, 가장 중요한 것은 양쪽 끝단의 중심 구멍이며, 다른 하나는 제1 및 제5 주저널입니다. 또한 중심 구멍, 플랜지-저널 단면, 제4 주저널의 숄더(또는 스러스트면) 등을 포함하여 여러 개의 축방향 정밀 기준점이 사용됩니다. 대부분의 각도 정밀 위치 결정은 메인 저널과 크랭크핀 저널을 연삭하는 동안 회전 자유도를 제한하기 위해 플랜지의 공정 구멍을 사용합니다. 첫 번째 크랭크핀 저널도 때때로 각도 위치 결정 기준점으로 사용됩니다.