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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.4 pp.69-75
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.4.069

Evaluation of the Grinding Performance of an Engine Block Honing Stone through Monitoring of Workload and Heat Generation

Jang-Woo Yun*, Sang-Beom Kim**#
*Powertrain Prototype Development Team, Hyundai Motor Company
**Research Center, Ehwa Diamond Ind. Co., Ltd.
Corresponding Author : sbkim@ehwadia.co.kr Tel: +82-31-370-0570, Fax: +82-31-370-0568
08/03/2019 12/03/2019 16/03/2019

Abstract


Since gasoline engines are based on a combination of a cast iron liner and an aluminum block, which have different thermal properties and stiffnesses, bore shape distortion is likely to occur during honing due to uneven thermal deformation. To solve this problem, many tests and evaluations are needed to support the development of a high-performance honing stone with low heat generation. Moreover, performance evaluation, which depends on inspection and observation after work, often requires much trial and error to optimize tool design, due to challenges in the accurate interpretation of results. This study confirmed that the assessment of grinding capability was clarified by evaluating performance under severe work conditions and by in-situ measurement and recording of current consumption (workload) and heat generation during operation. As a result of using a honing stone with excellent grinding performance in engine block manufacture—in which cylinder bore distortion caused by thermal deformation during manufacture is a problem—a noticeable improvement in the degree of cylindricity was observed.



작업부하 및 발열 모니터링에 의한 엔진블록 호닝스톤 연삭성 평가

윤 장우*, 김 상범**#
*현대자동차 파워트레인시작개발팀
**이화다이아몬드공업(주) 기술연구소

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    가솔린 엔진은 열 특성과 강성이 현저히 다른 주 철 라이너와 알루미늄 블록의 복합체여서, 호닝 가 공 시에 발생하는 열에 의해 실린더 보어의 형상 변형이 발생한다. 실린더 보어의 변형은 피스톤 링 과의 마찰저항을 증대시켜서, 엔진의 내구성을 떨 어뜨리고 오일 소모량 또한 많아지게 된다[1]. 따라 서 발열 감소를 목표로 호닝스톤의 성능 개선이 연 구되어지고 있지만, 그 성능 평가가 작업 후의 검 사 및 관찰에 의존하여 이루어지고 있어서, 이는 종종 정확한 결과 해석을 어렵게 한다. 이러한 결 과 해석의 어려움은 호닝스톤 최적설계 확립에 많 은 시행착오를 불가피하게 만들어서, 시간과 비용 이 많이 소요되는 과정이 된다.

    통상, 공구의 성능 평가 시에 작업 중의 절삭력 을 모니터링하기 위해서는 고가의 공구동력계가 필 요하다[2]. 따라서 고가의 공구동력계를 사용하지 않 고 절삭 또는 연삭 작업 중의 가공부하를 실시간 모니터링하려는 시도가 이어지고 있다[3-6].

    호닝 작업의 경우도 가공 중의 장비 부하와 발열 을 모니터링하여 연삭성 변별력이 향상된 성능평가 프로세스의 개발이 필요하다. 또한 작업부하 측정 장치는 장비를 변경하지 않고 설치가 용이하며, 도 표로 쉽게 모니터링하고 데이터를 기록할 수 있어 야 하고, 제작비용도 저렴해야 한다.

    본 연구에서는, 작업 중의 장비 부하와 발열을 검출하고 분석함으로써 연삭성 변별력을 확보하고, 설치가 용이하고 제작비용이 저렴한 작업부하 측정 장치를 구현하고자 한다.

    이를 위해 가혹 조건에서 두 호닝스톤의 연삭성 을 비교하면서, 작업 중 실린더라이너의 발열과 장 비의 작업부하(소모전류)를 측정하였다. 그리고 이 와 같은 과정을 거쳐 개발된 연삭성이 우수한 호닝 스톤을, 열변형에 의한 호닝 보어 찌그러짐이 문제 가 되는 실린더블록 작업에 투입하여 호닝 보어 형 상을 관찰하였다.

    2. 실험장치 및 실험방법

    2.1 실험장치

    본 실험에 사용한 호닝 머신은 Nagel사, VSM 8-60/80 모델이다. 호닝툴에는 황삭용 호닝스톤과 정삭용 호닝스톤이 각각 6개씩 장착되었고, 황삭과 정삭에 사용된 다이아몬드 입자의 입도는 각각 #270와 #1200이다.

    실험에 사용된 호닝스톤 2종은 각각, 기존에 사 용 중인 I사 제품(호닝스톤 A)과, 신규 E사 제품(호 닝스톤 B)이다. 두 제품 모두 다이아몬드 입자와 금속 결합제로 이루어져있다.

    호닝 전후의 실린더보어 내경은 보어게이지 (Mitutoyo, 511-723)로 측정하였다.

    작업 중 툴 회전스핀들의 소모전류(작업부하)는, 자체 제작한 작업부하 측정장치로 모니터링하였다. (Fig. 1 참조) 작업부하 측정장치는, 장비의 인버터 입력선에 클램프하여 순간 변화하는 소모전류를 수 집하는 전류측정기, 전류측정기의 신호를 수집하는 PLC세트, PLC의 신호를 실시간 표시하고 하드디스 크에 저장하는 PC로 구성되어 있다.

    작업 중 발열에 의한 피삭재의 온도 변화는 열화 상 카메라(FLIR, E5)로 측정하였다.

    연삭성 평가에 사용한 피삭재는, 실제 실린더블 록이 아닌, 호닝 장비에 설치한 고정용 지그의 보 어에 정밀하게 외경 가공한 실린더라이너를 장착하 여 작업하였다. (Fig. 2와 Fig. 3 참조) 가공된 라이 너의 규격은 외경 81D-내경 75.55D-높이 120.3 이 다.

    호닝 후의 보어 원통도는 진원도 측정기(Kosaka Laboratory, EC 5100-HS)를 사용하였다.

    2.2 실험방법

    연삭성 평가를 위해, 황삭은 호닝스톤의 확장속 도를 Φ2, 4, 6 ㎛/초로 변화시키면서 각각 40초 동 안 60회 스트로크 작업하였고, 이 사이클을 3회 반 복 시험하였다. 작업 중에는 장비의 회전스핀들 소 모전류, 피삭재의 온도를 측정하였고, 작업 후에는 호닝 보어의 내경을 측정하였다. (Table 1 참조) 정 삭은 호닝스톤의 이송동력을 20, 40, 60%로 변화시 키면서 각각 28초 동안 40회 스트로크 작업하였고, 이 사이클을 2회 반복 시험하였다. 그리고 황삭과 동일한 방법으로 측정을 실시하였다.

    시험한 호닝스톤의 작업면은 SEM으로 다이아몬 드 입자의 돌출상태를 관찰하였다.sd

    호닝스톤 연삭성에 따른 실린더블록의 호닝 보어 형상의 차이는, 호닝 중 열변형에 의한 보어 형상 찌그러짐이 문제가 되는 실린더블록 작업 현장에 투입하여 비교하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 가혹 조건에서의 연삭성 비교

    호닝스톤 각 제품에 대해, 확장속도별로 황삭 호닝 전후의 보어 내경 변화에서 계산한 실제 가 공량을 Fig. 4에 나타내었다. 정상 조건인 확장속 도 φ2 ㎛/초에서도 두 호닝스톤 제품 사이에 가공 량 차이가 관찰되나, 가혹조건인 φ4, 6 ㎛/초에서 는 그 차이가 더 크게 발현됨을 알 수 있다.

    이송동력별로 정삭 호닝에서의 실제 가공량은 Fig. 5에 나타내었다. 정삭의 경우에는, 이송동력 이 커져도 황삭만큼 뚜렷한 가공량 증가가 관찰되 지 않는데, 이는 정삭 호닝스톤의 확장 방식이 유 압식이기 때문이다. 정삭은 가공량이 수 미크론 정도로 작고, 매끄럽게 다듬는 기능이다.

    호닝스톤 B가 호닝스톤 A보다 연삭성이 더 우 수한 것으로 판단되어, 실린더보어와 맞닿아 일한 호닝스톤 작업면을 SEM 관찰하였다. Fig. 6에서 알 수 있는 것처럼, 호닝스톤 A 대비 호닝스톤 B 의 다이아몬드입자 표면 돌출이 더 높아서, 작업 중 다이아몬드 지립의 자생작용이 더 원활한 것으 로 판단되었다.

    3.2 작업 부하 및 발열 모니터링

    Fig. 7 (a)(b)는 각각 확장속도 Φ2 ㎛/초와 Φ6 ㎛/초에서 호닝스톤별로 황삭 작업 시의 소모 전류 프로파일을 나타낸다. 황삭 가공은 원통도를 잡는 1차 가공과 크로스해치를 형성하는 2차 가공 의 2단계로 구성된다. 확장속도가 커짐에 따라 소 모전류가 증가하며, 호닝스톤 A 보다 호닝스톤 B 의 소모전류(작업부하)가 더 작음을 알 수 있다.

    Fig. 8은 40초 황삭 동안의 가공량과 그때의 작 업부하를 도시한 산포도이며, 선형회귀분석 결과 를 함께 표시하였다. 황삭 가공량 증가에 따라 거 의 선형적으로 그 작업부하도 커졌으며, 호닝스톤 A 대비 호닝스톤 B의 작업부하가 전반적으로 작 음을 알 수 있다.

    호닝스톤별로 황삭 작업 중의 발열에 의한 실 린더라이너 온도를 열화상 카메라로 측정하여 Fig. 9에 나타내었다. 작업 중에는 절삭유에 가려 서 측정을 못했고, 작업종료 직후의 측정 결과이 다. 가혹 조건에서는, 호닝스톤 간에 눈에 띄는 피 삭재 온도 차이가 관찰되었다.

    3.3 호닝스톤 연삭성에 따른 실린더블록 보어 형상

    호닝스톤 A로 작업한 실린더블록의 보어 형상을 Fig. 10에 나타내었다. 양 끝단의 보어보다 상대적 으로 중앙부 보어의 형상 찌그러짐이 더 컸다. 이 는 주철 라이너와 알루미늄 블록의 복합체인 실린 더블록의 불균일한 열변형에 기인하는 것으로 알려 져 있다.

    호닝스톤 B로 작업한 결과는 Fig. 11에 나타내었 다. 중앙부 보어의 원통도도 6-8 ㎛ 수준으로, 호닝 스톤 A로 작업 시보다 원통도가 눈에 띄게 개선되 었다. 이는 호닝스톤 A 대비 호닝스톤 B의 작업 중 발열량 감소로 호닝가공 중의 열변형이 억제된 결 과이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 엔진블록 호닝스톤을 가혹조건에 서 시험하고 작업부하와 발열을 측정 및 분석하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 호닝스톤 확장방식이 유압식인 정삭과 달리 기 계식인 황삭에서는, 확장속도가 빨라져서 작업조 건이 가혹해질수록 호닝스톤 간의 가공량 차이 가 훨씬 더 크게 발현되었다. 따라서 호닝스톤 간의 연삭성 차이가 더 뚜렷하게 감지되었다.

    2. 호닝 작업 중의 장비 소모전류(작업부하)와 피삭 재인 실린더라이너의 온도를 실시간 측정하여 분석한 결과, 호닝스톤 간의 연삭성 차이와 그 메커니즘이 좀 더 뚜렷하게 파악되었다.

    3. 호닝작업 중 보어 형상 찌그러짐이 문제가 되는 엔진블록 호닝에 연삭성이 우수한 호닝스톤을 적용한 결과, 호닝 보어의 찌그러짐이 눈에 띄게 개선되었다.

    후 기

    이 논문은 2018년도 현대기아자동차 남양연구소 (개발효율화, 제품경쟁력강화 사업)와 이화다이아몬 드공업(주)의 협력으로 수행된 연구 성과임.

    Figure

    KSMPE-18-4-69_F1.gif
    Current consumption measurement device of spindle motor
    KSMPE-18-4-69_F2.gif
    Workpiece and its fixing jig used for the evaluation of grinding ability of honing stone
    KSMPE-18-4-69_F3.gif
    Grinding ability test of honing stone
    KSMPE-18-4-69_F4.gif
    Bore increments after rough honing by expansion speed
    KSMPE-18-4-69_F5.gif
    Bore increments after fine honing by expansion power
    KSMPE-18-4-69_F6.gif
    SEM photograph showing the work surface of rough stone A and B
    KSMPE-18-4-69_F7.gif
    Current consumption profile during rough honing by honing stone
    KSMPE-18-4-69_F8.gif
    Scatter diagram of the bore increment during 40 seconds of rough honing and the average current consumption of the time
    KSMPE-18-4-69_F9.gif
    Thermal image of the workpiece during rough honing by honing stone
    KSMPE-18-4-69_F10.gif
    Bore shape of 4-cylinder block honed with honing stone A
    KSMPE-18-4-69_F11.gif
    Bore shape of 4-cylinder block honed with honing stone B

    Table

    Grinding ability test conditions of honing stone

    Reference

    1. Chun, S. M., “A Study on Engine Oil Consumption Considering Wear of Piston-Ring and Cylinder Bore,” Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 2, pp. 143-150, 2007.
    2. Song, K. H. and Lee, D. Y., “The State of the Art in Monitoring Technology of Machining Operations,” Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 35, No. 3, pp. 293-304, 2018.
    3. Shin, B. C., Ha, S. J., Heo, Y. M., Yoon, G. S., and Cho, M. W., “The Cutting Process Monitoring of Micro Machine using Multi Sensor,” Trans. Mater. Process., Vol. 18, No. 2, pp. 144-149, 2009.
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