この研究では、新しいエンジンのシリンダーヘッドの加工を例として、ギアの取り付け/位置決め穴とデュアルカムシャフト穴の位置精度要件に関する製造プロセスを調査します。さまざまな制御方法を比較することにより、位置精度制御への新しいアプローチを提案します。 NC マクロ-プログラミングを利用して位置決め穴の加工座標を計算し、ギアの取り付け/位置決め穴と 2 つのカムシャフトの穴の間に必要な中心間距離の精度を効果的に確保します。--
パート 1
導入
この工場は、優れた排出性能と最先端の技術仕様を目指して、「中国 VII」排出基準を対象とした新しいエンジンを開発中です。{0}燃焼室内の吸気と排気の空気の流れを正確に制御するために、エンジンにはデュアル-オーバーヘッド-カムシャフト (DOHC) 構造が採用されています。新製品は、デュアル カムシャフト ドライブ システムと接続するギアに厳しい取り付け要件を課しています。-したがって、シリンダヘッドの試作・加工においては、ギヤ取付穴の位置精度をいかに確保するかが重要な課題となります。
パート 2
部品の加工要件とプロセス分析
2.1 カムシャフト穴とギヤ取付・位置決め穴の共通加工工程
カムシャフトの穴とギアの取り付け / 位置決め穴の位置精度要件を図 1 に示します。デュアル-オーバーヘッド-カムシャフトの穴の位置公差は φ0.2 mm と指定されていますが、ギアの取り付け/位置決め穴とカムシャフトの穴の間の中心間距離の精度要件は ±0.03 mm です。--
図 1: カムシャフト穴およびギア取り付け/位置決め穴の位置精度要件
デュアルカムシャフト穴とギア取り付け/位置決め穴の両方を 1 回のセットアップ (クランプ) で加工することで、相対的な位置精度が効果的に確保されます。一般的に、確立された 2 つの加工ソリューションが使用されます。
1) 特殊なマルチ-スピンドル-ヘッド装置の使用: 1 つのセットアップと専用のボーリング治具 [1] を使用して、ワークピースの同じ側または反対側からカムシャフトの穴とギアの取り付け/位置決め穴を同時に加工します。しかし、この設備には多額の設備投資（1,000万元以上）がかかり、汎用性が低いです。
2) 大型横型マシニング センターの使用: 1 回のセットアップと専用のボーリング治具を使用すると、機械の主軸がライン-ボーリングバー [2] に自動的にかみ合います。カムシャフトの穴は、まずワークピースの片側から加工されます。次に、ワークピースとラインボーリングツールを一緒に 180 度回転させ、ドリルジグを使用してギアの取り付け/位置決め穴を加工します。この加工スキームでは、加工ゾーン内で装置の安全な揺動半径が大きくなければなりません。さらに、デュアルカムシャフトボア間の間隔により、スピンドルボックスの外形寸法に特定の要件が課せられます。スイング半径の増加と特定のスピンドルボックス要件により、機器の調達コストが急激に上昇します。
前述のいずれのスキームも高額の設備投資コストを伴い、特殊な工具や治具の精度を調整する難しさは指数関数的に増加します。現在の装置の能力では、単一のセットアップでデュアル カムシャフトの穴とギアの取り付け/位置決め穴を同時に加工するという要件を満たすことができません。
2.2 穴と穴の間隔の精度制御の解析--
現在の技術力では、単一のセットアップでデュアル カムシャフト ボアとギア取り付け/位置決め穴を同時に加工することはできないため、最初にデュアル カムシャフト ボアを加工し、その後ギア取り付け/位置決め穴を加工するためのプロセス変更を行うプロセス フローを採用する必要があります。プロセス移行中の位置決め誤差やデュアル カムシャフト ボアの実際の位置のずれにより、ギアの取り付け/位置決め穴とデュアル カムシャフト ボア間の間隔が許容限界を超える可能性があります。
ギアの取り付け/位置決め穴とデュアルカムシャフト穴の間の位置関係の要件を満たすために、次の一般的な加工方法の実現可能性が分析されます。
(1) 固定座標方式 (公差割り当て方式): 固定座標方式では、デュアル カムシャフト穴を加工した後、設計図または工程文書で指定された座標値に基づいてギアの取り付け/位置決め穴を加工します。ギア取り付け/位置決め穴とデュアル カムシャフト ボア間に必要な穴間精度 ±0.03 mm を確保するには、プロセス計画中にギア取り付け/位置決め穴の加工データムをデュアル カムシャフト ボアの加工基準と一致させる必要があり、最終的な間隔許容差は位置寸法チェーン [3] を介して割り当てる必要があります。デュアルカムシャフトボアとギア取り付け/位置決め穴の位置公差の合計は 0.06 mm です。許容誤差の割り当てを図 2 に示します。
図 2: デュアル カムシャフト ボアとギアの取り付け/位置決め穴の位置公差の割り当ての概略図
デュアルカムシャフト穴の位置公差はφ0.03mm、ギヤ取付・位置決め穴の位置公差はφ0.03mmです。チェーンの位置寸法割り当ての結果に基づいて、デュアルカムシャフト穴とギヤ取り付け位置穴は、それぞれの加工作業中に高い位置精度が必要となります。各操作の位置決め誤差を分析すると、データム シフト誤差が主な問題であることがわかります。ワークピースは「1 面、2 ピン」方式を使用して位置決めされます。位置決めピンとワーク上の対応する穴の間の最大クリアランスは φ0.035 mm [4] で、機械加工装置の再現性は φ0.01 mm です。ワークの位置決め誤差と機械の再現性の影響のみを考慮すると、-デュアル カムシャフトの穴とギアの取り付け位置の穴を加工する-という個々の作業の位置精度要件を満たすことができません。その結果、ギア取り付け位置の穴とカムシャフトの穴の間の中心間距離の精度が設計仕様を満たせなくなります。--
(2) データム補正方法: この方法では、カムシャフト穴の実際の中心座標をギア取り付け位置の穴の加工データムとして使用し、加工データムを設計データムと効果的に位置合わせします。-このアプローチは、データムの位置ずれやデータム シフト [5] によって引き起こされるエラーを排除し、シングル オーバーヘッド カムシャフト (SOHC) アプリケーションに効果的であることが証明されています。デュアル オーバーヘッド カムシャフト (DOHC) アプリケーションの場合、両方のカムシャフト ボアの位置補正が必要です。補正方法には、ギア取り付け位置の穴の加工座標系の原点を、2 つのカムシャフト穴 (X1、Y1 および X2、Y2) の X 座標と Y 座標の中点に設定することが含まれます。具体的には、原点座標は X=(X1 + X2) / 2 および Y=(Y1 + Y2) / 2 として定義されます。データム補正方法には品質リスクが伴います。たとえば、カムシャフト ボア 1 とカムシャフト ボア 2 の両方の実際の中心座標が X- 軸に沿って外側に 0.1 mm シフトし、Y- 軸に沿って変化しない場合、中心座標はボア 1 では (X1 − 0.1, Y1)、ボア 2 では (X2 + 0.1, Y2) になります。デュアルカムシャフトボアの位置公差は仕様の範囲内にあります。このシナリオでは、ギア取り付け/位置決め穴の加工座標系の計算された原点-と穴の実際の加工位置-は変更されませんが、デュアル カムシャフト ボアの実際の位置がシフトしているため、ギア取り付け/位置決め穴と 2 つのカムシャフト ボア間の距離が変化します。したがって、デュアル-カムシャフト-ボア構成の場合、データム補正方法を使用してギアの取り付け/位置決め穴とカムシャフト ボア間の位置精度を制御すると、品質リスクが生じます。
パート 3
ギヤ取付・位置決め穴の位置精度管理
3.1 数学的-幾何学モデルの確立
ギア取り付け/位置決め穴の位置は、2 つの円弧の交点として定義されます。1 つはカムシャフト ボア 1 の軸を中心とし、もう 1 つはカムシャフト ボア 2 の軸を中心とし、半径はギア取り付け/位置決め穴とそれぞれのカムシャフト ボアの間の指定された距離に対応します。物理分析により、そのような交差点が 1 つだけ存在することが確認されています。ギアの取り付け/位置決め穴の実際の座標位置は、2 つのカムシャフト穴の中心座標の変化に応じて変化します。これをもとに新たな加工方法を開発した。 -プロセス測定技術、幾何学的原理、および NC プログラミング-を利用し、デュアル カムシャフト ボアの実際の中心座標とギア取り付け/位置決め穴までの必要な距離を組み込むことにより、-システムはギア取り付け/位置決め穴の加工座標を自動的に計算して実行し、それによってデュアル カムシャフト ボアに対する位置精度要件を満たします。
図3は、デュアルカムシャフトボアとギア取り付け/位置決め穴の間の位置関係を示す幾何学的モデルを示しています。ここで、CA、BAはギヤ取付位置決め穴とカムシャフト穴との設計上の距離（単位：mm）（CA｛{2｝｝BA）を表し、カムシャフト穴2の中心を原点とした加工座標系（計算座標系）を設定します。図3：デュアルカムシャフト穴とギア取り付け位置決め穴の位置関係を示す幾何モデル
3.2 数学的計算プロセス
ワークピースの位置を決めて取り付けた後、工程内検査技術を使用して、工作機械座標系内のカムシャフト ボア 1 とカムシャフト ボア 2 の中心の座標をそれぞれ (XB, YB) と (XC, YC) で示します。-、ギア取り付け位置決め穴の中心 (点 A) の座標 (XA, YA) を計算します。-計算プロセスは次のとおりです。 ∠2=∠1; CE=BC/2; ∠3=∠4 − ∠2。これにより、加工座標系の原点に対する点A（歯車取付位置決め穴の中心）の座標が導出されます. 3.3 NCプログラム変換
実際の加工では、数学的な計算処理をNCプログラムに変換する必要があります。例として Siemens CNC システムを使用すると [6]、カムシャフト ボア 1 とカムシャフト ボア 2 の中心の座標 (XB、YB) と (XC、YC) が-工程内検査またはその他の技術的手段によって取得され、-機械変数 R201、R202、R301、R302 に読み込まれます。-必要な中心間距離 BA (ギア取り付け位置決め穴とカムシャフト ボア 1 の間) と CA (ギア取り付け位置決め穴とカムシャフト ボア 2 の間) が変数 R401 と R402 に読み込まれます。ギヤ取付位置決め穴中心の加工座標を算出するプログラムは以下のとおりです。 R201=XB;カムシャフト穴 1 の中心の X- 座標をマシン ユーザー変数 R201 に書き込みます。 R202=YB;カムシャフト穴 1 の中心の Y- 座標をマシン ユーザー変数 R202 に書き込みます。 R301=XC;カムシャフト穴 2 の中心の X- 座標をマシン ユーザー変数 R301 に書き込みます。 R302=YC;カムシャフト穴 2 の中心の Y- 座標をマシン ユーザー変数 R302 に書き込みます。 R401=BA;ギア取り付け位置決め穴とカムシャフト穴 1 の間の中心間距離をマシン ユーザー変数 R401 に書き込みます。- R402=CA;ギア取り付け位置決め穴とカムシャフト穴 2 の間の中心間距離--をマシン ユーザー変数 R402 に書き込みます。 R501=R301-R201;カムシャフト穴 1 とカムシャフト穴 2 の中心間の X- 軸に沿った距離を計算します。 R502=R202-R302;カムシャフト穴 1 とカムシャフト穴 2 の中心間の Y 軸に沿った距離を計算します。 R503=ATAN2(R502, R501); ∠1 の値を計算します (度単位)。 R504=SQRT(R501* R501+ R502* R502);線分BCの長さを計算します(mm) R506=R504/2;線分 CE (mm) の長さを計算します R507=ACOS(R506/R402); ∠4 (度) R508=R507-R503; の値を計算します。 ∠3 (度) R509=SIN(R508)*R402 の値を計算します。線分AFの長さ(mm)を計算 R510=COS(R508)*R402;線分の長さ CF (mm) を計算します R101=R301-R510;カムシャフト穴 2 R102=R302-R509; の中心を基準としたギア取り付け位置決め穴中心の X 軸座標を計算します。カムシャフト穴 2 の中心に対するギヤ取り付け位置決め穴中心の Y 軸座標を計算します。
マクロ変数 R101 と R102 に格納される値は、ギア取り付け位置決め穴中心点 A の座標を表します。以降の加工プログラムでは、算出された中心座標Ａ（Ｒ１０１、Ｒ１０２）に基づいて加工が行われることになる。ギア取り付け位置決め穴の加工座標は、その穴の特定の加工作業中に基準としてカムシャフト穴 1 とカムシャフト穴 2 の実際の機械座標を使用して計算されます。これにより、データムの位置ずれや位置ずれによって生じる誤差が排除されます。その結果、ギア取り付け位置決め穴とカムシャフト穴 1 および 2 の間の距離の位置公差 0.06 mm はすべて、前の作業からのカムシャフト穴 1 および 2 の位置精度を考慮する必要がなく、この 1 回の作業内で考慮されます。異なるワークを加工する場合、ギヤ取付位置決め穴の実位置座標（R101、R102）は一定ではなく、カム軸穴1、2の実際の中心座標の変化に応じて変化します。実際の機械加工検証により、ギアの取り付け / 位置決め穴とデュアル カムシャフト穴の間の中心間距離の公差が ±0.01 mm 以内に制御でき、設計仕様を完全に満たすことが実証されました。{19}}-
3.4 イノベーション
この加工方法の主な革新は次のとおりです。
1) ギアの取り付け/位置決め穴とデュアル カムシャフト穴の間の位置精度を制御するという課題を解決する新しい加工戦略を提供します。ギヤ取付位置決め穴を加工する場合、カムシャフト穴の実際の位置と、ギヤ取付位置決め穴とカムシャフト穴との必要な位置関係に基づいて加工座標が計算されます。これらの計算された座標を使用して加工が実行されます。ギア取り付け/位置決め穴の実際の加工座標は、カムシャフト穴 1 とカムシャフト穴 2 の実際の位置に応じて動的に調整されるため、ギア取り付け/位置決め穴とカムシャフト穴の間の距離に必要な精度が確保されます。
2) 幾何学的原理と NC マクロ プログラミングを統合し、ギアの取り付け/位置決め穴の加工座標の自動計算を可能にします。ギア取り付け/位置決め穴と2つのカムシャフト穴の間の位置関係を定義する幾何学的モデルを確立し、ギア取り付け/位置決め穴の中心座標の計算プロセスを導き出しました。 NC マクロ プログラミングを利用して、この座標計算を自動化します。
3) 柔軟なプロセス内測定技術を採用し、加工データムを設計データムと位置合わせすることで、位置決め誤差を排除します。-ギアの取り付け/位置決め穴の加工中、プローブは工作機械座標系内のカムシャフト穴 1 とカムシャフト穴 2 の座標を自動的に測定します。これらの測定値は計算プロセスに入力され、ギアの取り付け/位置決め穴の加工座標が決定されます。この統合プロセスにより、加工データと設計データが同時に位置合わせされ、位置決めエラーが効果的に排除されます。
4) 前工程のカム軸穴 1 とカム軸穴 2 の加工難易度が軽減されます。ギヤ取付位置決め穴の加工座標は、カム軸穴 1 とカム軸穴 2 の実際の位置に基づいて計算されます。これにより、前段で加工したカム軸穴の位置精度や一貫性について特別な要求がなくなり、その段階での加工精度の調整や管理の困難さが軽減されます。
パート 4
結論
本稿では、ギヤ取り付け位置決め穴とデュアルカムシャフト穴の位置精度要件に関する製造プロセスを調査します。革新的な加工スキーム、数学的幾何学モデルの確立、および新しい位置精度制御方法の提案により、位置決め穴の加工座標は、位置決め穴と 2 つのカムシャフト穴の位置関係に基づいて、NC マクロ プログラムを使用して計算されます。これにより、保証することが困難な厳密な穴-間隔精度要件-を満たすという課題が効果的に解決され、同様の歯車列穴構成を加工するためのソリューションが提供されます。
