Z- 形状のバランス エルボの不規則な偏心構造と、サイズが大きく、精度が高く、クランプできないことによる加工の困難さについて工程分析が行われました。標準化された加工スキームが提案されました。特殊な旋盤治具が設計され、複数のモデルや大量の製品の加工に適しており、Z- 形状のバランス エルボの高い加工難易度、不安定な品質、低い加工効率の問題を解決しました。
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導入
バランス エルボは、装軌式特殊車両のサスペンション システムの中核コンポーネントです。トーション シャフトやショックアブソーバーなどの弾性要素と連動して、車体とロード ホイールを弾性的にサポートします [1]。バランス エルボは、ロード ホイールの上下運動によって生成される大量の衝撃エネルギーをトーション シャフトに伝達し、振動エネルギーを緩衝して吸収し、車体にかかる衝撃力を軽減し、乗員の快適性を向上させ、部品の損傷を軽減し、悪路走行時の車両の安定性と操縦性を確保します[2]。一般的なバランス エルボ アセンブリには、スプライン シャフト、バランス エルボ、ロード ホイール シャフトが含まれます。 Z- 形状のバランス エルボは、3 つのコンポーネントをすべて組み合わせた一体型バランス エルボです。一体型バランスエルボは、高操縦性、高信頼性、軽量という特徴を持ち、現代の特殊車両に広く採用されている[3]. 02
Z- 型バランス エルボの構造と加工の課題の分析
図 1 に示す Z- 形のバランス エルボ構造は、不規則な形状の偏心構造です。サイズが大きく重量が重いため、高い材料除去率、高い寸法および位置精度、多数の工程を伴う長い加工サイクルが必要です。横中ぐり盤、CNC 旋盤、マシニング センター、ブローチ盤、ワイヤー放電加工機など、さまざまな設備や取引が含まれます。以前の生産では、シャフト外円の公差寸法の外れ、スプライン穴と外円の位置ずれ、大軸（スプライン軸）と小軸（ロードホイール軸）の非平行度、標準以下の表面粗さ、加工サイクルタイムのアンバランス、加工効率の低さなど、各工程段階で多数の問題が明らかになり、製品の品質と納期に重大な影響を及ぼしていました。
03
プロセススキーム
Z-形バランスエルボの加工工程：端面・内穴荒ボーリング→大軸荒旋削→小軸荒旋削→端面・内穴仕上げボーリング→大軸旋削仕上げ→小軸旋削仕上げ→外形フライス加工・穴あけ→ブローチ加工（ワイヤー放電加工スプライン）。製品ブランクは型鍛造品です。大小のシャフトを荒加工および仕上げ加工する場合は、カウンターウェイトを備えた特別な旋盤治具が必要です。この治具は、ワークの回転中に発生する遠心力のバランスをとり、振動を低減し、主軸速度を向上させ、製品の加工精度と切削速度を効果的に向上させます。
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機械加工工程
(1)端面・内穴荒ボーリング：CNC横中ぐり盤を使用します。端面、内穴とも片側2mm程度の余裕を持たせてあります。このプロセスの主な機能は、大量の材料を迅速に除去し、大小のシャフトの粗加工外径用のプロセス中心穴を作成することです。{4}} CNC 横中ぐり盤には 360 度回転するワークテーブルがあり、1 回のセットアップで XOY 平面での汎用加工が可能です。 4つの端面と内穴を一度に加工でき、大小シャフト両端の加工中心穴が同軸、大小シャフトの中心線が平行に加工できます。端面と内穴の荒加工を図2に示します。太い実線は加工面を表します。
図2 端面と内穴の荒加工
(2)大軸荒加工：CNC旋盤にて外径片側1.5mmの遊びを持たせて加工します。このプロセスの主な機能は、大量の材料を迅速に除去し、端面と内穴の仕上げボーリングのプロセス基準を作成することです。 Z- 形状のバランス エルボの重心は旋削中に回転中心から移動するため、遠心力のバランスをとり、振動を低減し、主軸速度を高めるために、カウンターウェイトを備えた特別な旋盤治具が必要です。大型シャフトの荒回転を図 3 に示します。
図3. 大軸の荒加工
(3)小軸荒旋削：CNC旋盤にて外径、端面とも片側1.5mmの遊びを持たせて加工します。このプロセスの主な機能は、大量の材料を迅速に除去し、機械加工のストレスを解放することです。小シャフトの荒旋削の様子を図4に示します。荒旋削後、大シャフトと小シャフトの外径は一定になります。 AV-形状のクランプを採用し、仕上げボーリング時の仕上げ加工をより安定させます。
図4 小軸の荒加工
(4) 端面および内穴の仕上げボーリング：CNC 横中ぐり盤を使用し、大軸外径の粗旋削を加工基準およびクランプ基準として使用します。製品の4つの端面と内穴を仕上がりサイズに加工し、寸法精度と面粗さを確保するとともに、大軸、小軸の外径を仕上げ旋削するための面取り加工を主な目的としています。端面と内穴の仕上げボーリングを図5に示します。太実線はこの工程での加工面を示します。
図5 端面と内穴の仕上げボーリング
(5) 大軸仕上げ旋削：CNC旋盤を使用し、寸法精度、幾何精度、面粗度を確保しながら外径を仕上がりサイズに加工します。内穴の仕上げボーリング時にできる面取りをクランプ基準とし、大径シャフトの外径と内穴の同軸度を確保する加工です。大型シャフトの仕上げ旋削加工を図 6 に示します。
図6. 主軸の精密旋削
(6)小軸精密旋削：CNC旋盤を使用し、外径を仕上がりサイズに加工し、寸法精度、幾何精度、面粗さを確保します。内穴精密ボーリング時の面取りをクランプ位置決め基準として小軸と内穴の外径の同軸度、小軸と主軸の中心線の平行度を確保する加工です。小軸の精密回転を図 7 に示します。
図 7. 小シャフトの精密旋削
(7) 外形のフライス加工と穴あけ：立型マシニングセンタを使用して、製品の外形を任意の位置に加工し、ダボ穴をあけます。外形のフライス加工と穴あけ加工を図 8 に示します。太実線はこのプロセスでの加工面を表します。
図 8. 外形のフライス加工と穴あけ
(8) スプラインのブローチ加工 (ワイヤー放電加工スプライン): 製品バッチが大きい場合、このプロセスは通常、生産効率とスプライン穴寸法の一貫性を確保するために、ブローチ工具を備えたブローチ盤を使用して実行されます。ブローチが利用できず、バッチサイズが小さい場合は、ワイヤ放電加工機を使用してこのプロセスを実行できます。主軸外径をクランプ位置決めの基準とし、スプライン穴と主軸外径の同軸度を確保します。ブローチ加工されたスプライン (ワイヤ - EDM スプライン) を図 9 に示します。太い実線は、このプロセスで加工された表面を表します。
図 9: ブローチ スプライン (ワイヤ-EDM スプライン)
この時点で、Z- 形状のバランス エルボ製品はすべての機械加工プロセスを完了しています。その後の工程には探傷、表面処理が含まれます。
05
旋盤専用治具
旋盤専用治具には、フランジ、シャーシ、支持体、センター、カウンタウェイト、締結ボルトなどの部品が含まれています[4、5]。
フランジは旋盤と治具の間の接続コンポーネントとして機能します。一般的には標準フランジが使用されます。一端はテーパー穴を介して CNC 旋盤スピンドルに接続され、もう一端は位置決めボスを介してシャーシに接続され、旋盤治具の回転中心と旋盤スピンドルの位置が確実に一致します。
旋盤治具のベースとなるシャーシには、細長い円形の溝が付いています。支持体と 2 つのカウンターウェイトが取り付けられており、この 3 点の質量分布により、加工中のワークの回転がよりスムーズになり、振動が低減され、製品の外部円筒精度と表面品質が向上します。-
シャーシに溶接された支持体には、シャーシの溝と寸法が一致する細長い円形の溝が付いています。この溝には 2 つの目的があります。1 つは旋盤治具の全体重量を軽減すること、もう 1 つは Z- 形のバランス エルボの非加工軸と旋盤治具との間の干渉を防ぐことです。 Z- 形のバランス エルボの非加工軸を固定するために、溝の両端に数組の固定ボルトが配置されています。{4}}細長い円形の溝設計により、この旋盤治具を使用してさまざまなサイズやモデルの Z- 形状のバランス エルボを加工でき、多目的の機能を実現できます。-
センターと支持体の位置決めストッパーは一体化され、支持体に溶接されます。加工中、センターと旋盤心押し台センターはそれぞれ Z- 形状のバランス エルボの加工軸の両端をサポートし、ダブル センター クランプ構成を実現します。-センターの位置決めコーン表面が旋盤スピンドルと同軸であることを確認するには、旋盤治具を溶接した後、センターの位置決めコーン表面を旋盤で精密に加工する必要があります。-カウンタウェイトは複数の扇形のカウンタウェイト プレートで構成されています。{6}カウンタウェイト プレートの数を調整して、Z- 形状のバランス エルボのさまざまなモデルの加工中に発生する遠心力のバランスをとることができます。 2 つのカウンターウェイトはサポートの重心に対して 120 度の角度で均等に配置されているため、製品加工中の動的バランスがより確実に確保されます。
さまざまなサイズの Z{0}} 形バランス エルボの加工に対応するため、支持体の長楕円溝の両側に複数組の締結ボルトが取り付けられています。固定ボルトの締め付け位置を図 10 に示します。固定ボルトの各セットの中心線は、Z- 形状のバランス エルボの非加工軸の外円中心間の距離 H よりも高くなります。このクランプ方法により、Z-形状のバランスエルボの固定ボルトのクランプ力が遠心力と逆になり、ワーク回転時に発生する遠心力を効果的に低減します。小軸加工時のクランプ状態を図11に、大軸加工時のクランプ状態を図12に示します。
図10 締結ボルトの締め付け位置の模式図
図11 小軸加工時のクランプ状態
図12 大軸加工時のクランプ状態
06
加工結果の検証
現在、この Z- 形状のバランス エルボ加工プロセスと専用の旋盤治具が 1 年以上にわたって生産ラインに適用されています。 Z- 形状のバランス エルボ製品の複数のモデルおよび大ロットがこのプロセスを使用して機械加工され、その結果、安定した信頼性の高い製品品質が得られ、加工効率が大幅に向上します。これにより、プロセスと専用旋盤治具の実現可能性と有効性が完全に検証されます。 Z- 形状のバランス エルボのいくつかの加工ステップの写真を図 13 に示します。
a) 端面と内穴の荒ボーリング
b) 主軸の荒回転
c) 端面と内穴の仕上げボーリング
図 13: Z- 形状のバランス エルボの加工プロセスの実際の写真
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結論
本稿で提案する Z- 形バランス エルボの加工プロセスと特殊な旋盤治具は、製品の材質やブランクの種類に関係なく、さまざまなモデルの Z- 形バランス エルボ製品の加工に適用できます。このタイプの製品に完全なプロセスとクランプのアプローチを提供し、Z- 形状のバランス エルボの高い加工難易度、クランプ不能、不安定な製品品質、不規則な偏心構造、大型、重量、高精度の要件に起因する低い加工効率の問題を解決します。現場検証により、この加工プロセスにより、Z- 形状のバランス エルボ製品が設計精度要件を確実に満たし、加工の難易度が軽減され、製品の品質の一貫性と加工効率が向上することがわかりました。
