工具製造用鋼材を理解する
ある道具がなぜ他の道具より長持ちするのか、不思議に思ったことはないだろうか。その秘密は、工具作りに使われる鋼にある。この記事では、440CやVG10など、さまざまな種類の鋼を取り上げ、その特性にスポットを当てている...
CNC加工の精度に及ぼす温度の微妙かつ強力な影響について、私たちはよく考えるだろうか。この記事では、作業場の温度変化から加工中の内部発熱に至るまで、熱変形が工作機械の精度にどのような影響を与えるかを探ります。読者は、このような熱影響の背後にあるメカニズムを学び、誤差を最小限に抑え、より高い加工精度と効率を確保するための戦略を発見するでしょう。最新のCNC加工において、温度制御が果たす重要な役割を理解しましょう。
熱変形は加工精度を左右する重要な要因であり、精密製造工程に多面的な影響を与えます。作業場の周囲温度の変動、モーターの動作や機械的な動きから発生する熱、切削工程、冷却媒体は、工作機械の様々な部品に不均一な温度上昇を引き起こす可能性があります。これらの熱変動は寸法変化を引き起こし、機械の形状精度と全体的な加工精度の両方に影響を与えます。
標準精度のCNCフライス盤で70mm x 1650mmのネジを製造したケーススタディは、熱影響の重要性を示しています。午前7時半から午前9時に加工されたワークピースと、午後2時から午後3時半に加工されたワークピースとの累積誤差の差は、最大85μmに達する。しかし、温度管理された条件下では、この誤差は40μmまで大幅に減少し、熱管理による精度向上の可能性を示しています。
もう一つの例は、精密研削加工における熱変形の影響を浮き彫りにしている。厚さ0.6mmから3.5mmの薄鋼板加工に使用される高精度両端平面研削盤では、連続運転後に大きな寸法変化が発生する。自動研削を1時間続けると、寸法変化は12μmに増大し、これはクーラント温度が始動時の17℃から45℃に上昇したことと一致する。この温度上昇は、スピンドルジャーナルの熱膨張とスピンドル前端のベアリングクリアランスの拡大を引き起こします。これらの熱影響を緩和するため、機械のクーラントシステムに5.5kWの冷凍ユニットを組み込むことで、寸法安定性を維持する効果が実証されました。
加工精度に対する熱変形の影響は、温度が変動する環境では特に顕著です。工作機械は稼働中、消費エネルギーのかなりの部分を熱に変換し、その結果、様々なコンポーネントに物理的な変化をもたらします。この課題に対処するためには、工作機械の設計者は、発熱メカニズムやシステム内の温度分布パターンを総合的に理解する必要があります。この知識により、加工精度に対する熱変形の影響を最小限に抑えるための、的を絞った戦略を実施することが可能になります。
効果的な熱管理技術には、以下のようなものがある：
これらの高度な熱管理戦略を取り入れることで、メーカーは、特に熱安定性が最も重要な高精度アプリケーションにおいて、加工精度と一貫性を大幅に向上させることができます。
中国は国土が広く、そのほとんどが亜熱帯に位置している。年間を通じて気温の変化が大きく、日中の温度変動も異なる。そのため、作業場のような室内の温度調節に対する人々の介入もさまざまで、工作機械周辺の温度も大きく異なる。
例えば、長江デルタでは、季節の温度差は約45℃、昼夜の温度変化は約5～12℃である。機械加工工場には通常、冬は暖房、夏は冷房がないが、風通しがよければ、工場内の温度勾配はあまり変わらない。
中国東北部では、季節の気温差が60℃に達することもあり、昼夜の温度変化は8～15℃程度である。暖房期間は10月下旬から翌年4月上旬までで、機械加工工場は空気の循環が不十分なまま暖房を供給するように設計されている。作業場内外の温度差は50℃に達することもあり、冬場は複雑な温度勾配が発生する。例えば、午前8時15分から8時35分の間に測定した場合、外気温は1.5℃であり、作業場内の温度変化は約3.5℃である。
このような作業場の周囲温度は、精密工作機械の加工精度に大きな影響を与える。
工作機械の周辺環境とは、工作機械に近接する様々な要因によって形成される熱環境を指す。これらの要因には次のようなものがある：
(1) ワークショップの微気候： 例えば、昼夜の変化、気候、換気によってゆっくりと変化する作業場内の温度分布などである。
(2) ワークショップの熱源： 太陽光線、暖房機器、高出力照明などである。これらの熱源が工作機械の近くにある場合、工作機械の全体または一部の温度上昇に直接的かつ長期的な影響を与える可能性がある。運転中に隣接する機器から発生する熱も、輻射や気流を介して工作機械の温度上昇に影響を与える可能性があります。
(3) 放熱： 特に精密工作機械の基礎は、地下の暖房用パイプラインの近くに設置すべきではない。パイプラインが破裂して漏れると、それが熱源となり、場所を特定するのが難しくなるが、オープンな作業場は良い「ラジエーター」として機能し、作業場の温度を均一化するのに役立つ。
(4) 恒温： 作業場の温度を一定に保つことは、精密工作機械の精度と加工精度を効果的に維持することができるが、エネルギー消費も大きくなる。
(1) 工作機械の構造熱源
スピンドルモーター、サーボ送りモーター、冷却・潤滑ポンプモーター、電気制御ボックスなど、モーターの加熱はすべて発熱します。このような状態は、モーター自体は許容範囲内ですが、スピンドルやボールネジなどの部品に大きな影響を与えます。これらを隔離する対策が必要です。
電気エネルギーでモーターを動かすと、そのほとんどはスピンドルの回転やテーブルの動きなどの運動機構によって運動エネルギーに変換され、わずかな部分（約20%）はモーターの熱エネルギーに変換される。しかし、かなりの部分が運動中の摩擦熱に変換されることは避けられません。ベアリング、ガイドレール、ボールねじ、ギアボックスなどの部品も発熱する。
(2) 工程中の切断熱
切削加工中、工具や工作物の運動エネルギーの一部は切削加工によって消費される。かなりの部分は、切削の変形エネルギーと切屑と工具の間の摩擦熱に変換され、工具、主軸、被加工物に熱が発生する。さらに、大量の切り屑の熱が工作機械のテーブル固定具やその他の部品に伝わり、工具とワークの相対位置に直接影響する。
(3) 冷却
冷却は工作機械の温度上昇対策であり、モーターや主軸部品、基盤などを冷却する。高級工作機械では、電子制御ボックスの冷却に冷蔵庫を使用することが多い。
工作機械の熱変形の分野では、工作機械の構造は一般にその構造形式、質量分布の観点から言及される、 材料特性および熱源分布に影響を与える。構造形状は、温度分布、熱伝導方向、熱変形方向、工作機械のマッチングなどに影響を与える。
(1) 工作機械の構造形式： 工作機械には、全体的な構造として、垂直型、水平型、ガントリー型、片持ち梁型などがあり、熱応答性や安定性に大きな違いがある。例えば、変速旋盤の主軸台の温度上昇は35℃にも達し、主軸端が持ち上がって熱平衡に達するまで約2時間かかる。一方、スラントベッドタイプの精密旋盤やフライス盤は、機械全体の剛性を高める安定したベースと、主軸を駆動するサーボモーターを備えているため、温度上昇は一般的に15℃以下である。
(2) 熱源分布の影響： 工作機械は通常、主軸モーター、送りモーター、油圧システムなど、電気モーターを熱源と考えます。しかし、ベアリング、スクリューナット、ガイドレール、切り屑などの摩擦による発熱によってエネルギーのかなりの部分が消費されるため、これは不完全な見方である。モーターは一次熱源、ベアリング、ナット、ガイドレール、切粉は二次熱源と考えることができ、熱変形はそれらの複合作用の結果である。
(3) 質量分布の影響： 質量分布が熱変形に及ぼす影響には、(i)熱容量や熱伝達速度、熱平衡に達するまでの時間に影響する質量の大きさや濃度、(ii)熱剛性を向上させ、熱変形を小さくしたり、同じ温度上昇下でも相対的な変形を小さく抑えたりするために様々なリブを追加するなど、レイアウトの質を変えること、(iii)構造体の外側に放熱リブを追加するなど、質の高い配置形態を変えることで工作機械部品の温度上昇を抑えること、の3つの側面がある。
(4) 材料特性の影響： 材料が異なれば、比熱、熱伝導率、線膨張率などの熱性能パラメータも異なる。同じ熱を加えても、温度上昇や変形は異なる。
工作機械の熱変形を制御するためには、周囲温度の変化、熱源、工作機械内の温度変化、熱試験による要所の応答（変形変位）を十分に把握することが重要です。工作機械の熱特性を測定することで、熱変位を抑制し、機械の精度や効率を向上させる対策が可能となる。
以下の目的は、テストを通じて達成されるべきである：
(1) 機械環境のテスト： 作業場の温度、空間的な温度勾配、昼夜を通した温度分布の変化、季節変化が工作機械周辺の温度分布に与える影響を測定する。
(2) 工作機械の熱特性試験： 環境干渉をできるだけ排除し、さまざまな動作状態における工作機械の重要ポイントの温度変化と変位変化を測定する。赤外線サーモグラフィを使い、各時間帯の熱分布をとらえ、温度変化と重要ポイントの変位を十分な時間記録する。
(3) 加工中の温度上昇と熱変形の試験： 加工中の温度上昇と熱変形を測定し、熱変形が加工精度に与える影響を評価する。
(4) データとカーブの蓄積： 実験によって大量のデータと曲線が蓄積され、工作機械の設計や熱変形の制御に信頼性の高い基準が提供され、効果的な対策の方向性が示される。
熱変形試験は、以下のようないくつかの関連箇所の温度を測定することから始まる：
(1) 熱源：各部の送りモータ、主軸モータ、ボールねじ駆動対、ガイドレール、主軸軸受など。
(2) 補助装置： 油圧システム、冷凍機、冷却装置、潤滑装置の変位検出システムを含む。
(3) 機械的構造： ベッド、ベース、スライド、コラム、ミーリングヘッドボックス、スピンドルを含む。インジウム鋼プローブがスピンドルとロータリーテーブルの間にクランプされている。
X、Y、Z方向に5つの接触センサーを配置し、工具とワークの相対変位をシミュレートしながら、さまざまな状態での総合的な変形を測定する。
工作機械の熱変形試験は、長期間連続して行い、連続的にデータを記録する必要がある。解析・処理後、反映された熱変形特性の信頼性は非常に高く、複数回の実験を通じて誤差除去を行えば、示された規則性は信用できる。
主軸系の熱変形試験では、主軸端に測定点1、主軸軸受近傍に測定点2、ミリングヘッドハウジングのZ方向ガイドレール近傍に測定点4、5の計5点を設定した。試験時間は14時間で、最初の10時間は主軸回転数を0～9000r/minの範囲で交互に変化させ、残りの時間は9000r/minの高速回転を続けた。
このテストから次のような結論が導き出される：
分析と考察から、工作機械の温度上昇と熱変形が加工精度に大きな影響を与えることが明らかになった。管理策を講じる際には、主な要因を特定し、最適な結果を得るためにいくつかの効果的な対策に焦点を絞ることが極めて重要である。
設計プロセスでは、発熱と温度上昇を抑え、バランスの取れた構造を作り、効率的な冷却を行うことに注意を払う必要がある。
熱源の制御は、工作機械の温度上昇と熱変形を抑えるための基本的な対策である。そのためには、設計プロセスにおいて以下のステップを踏む必要がある：
(1) モータの定格出力を合理的に選択する： モータの出力電力は電圧と電流に比例する。一般に電圧は一定で、負荷が増加すると出力電力と電流が増加し、電機子インピーダンスによる消費熱が増加します。モータの温度上昇を最小にするためには、計算電力より25%程度大きい定格電力を選択するのがよい。
(2) 二次熱源からの熱発生の削減： 二次的な熱源からの温度上昇を最小限に抑えるため、設計の段階で対策を講じる必要がある。 機械構造.例えば、前後のベアリングの同軸度を向上させたり、高精度ベアリングを使用することで、摩擦や発熱を抑えることができる。スライディングガイドをリニアローリングガイドに置き換えたり、リニアモーターを使用することでも発熱を抑えることができます。
(3)加工工程で高速切削を使用する： 高速切断は、切断プロセス中の発熱を低減します。直線速度が 金属切断 が一定範囲を超えると、金属が塑性変形する時間がなくなり、チップに変形熱が発生しなくなる。切削エネルギーのほとんどは、チップの運動エネルギーに変換されて持ち去られる。
工作機械における熱変形の制御には、その影響を軽減するために熱伝導の方向と速度に注意を払う必要があります。左右対称の構造は、熱を均等に分散させ、ドリフトや変形を抑えるのに役立ちます。
(1) プレストレスと熱変形
高速送りシステムでは、熱変形誤差を低減するためにボールねじの両端にプリテンションをかけることが多い。軸方向のプリテンション構造は、一端が固定され他端が自由な構造に比べ、累積誤差を減少させます。この構造における温度上昇の主な影響は、応力を引張からゼロまたは圧縮に変化させることであり、変位精度にはほとんど影響しない。
(2) 構造と変形方向の変更
のZ軸スピンドルスライド a CNC ボールねじの軸固定構造が異なるニードル溝フライス盤では、フライス溝の誤差は0.05mmです。フローティングエンド構造は、加工中の溝深さの変化を保証しますが、軸方向フローティング構造は、溝が徐々に深くなります。
(3) 対称幾何学
左右対称の工作機械構造は、熱変形とツールポイントのドリフトを最小限に抑える。マイクロマシニングセンタYMC430は、熱性能を考慮して設計された機械の一例である。完全に対称的なレイアウトで、H型のコラムとビーム、円形の主軸スライド、3つの可動軸用のリニアモーターが一体化されている。2本の回転軸はダイレクトドライブを採用し、摩擦と機械的伝達を最小限に抑えている。
(1)加工中のクーラントは加工精度に直接影響する。
GRV450C型ダブルフェイスグラインダーで比較テストを行ったところ、冷凍機による冷却液の熱交換処理が加工精度を大幅に向上させることがわかった。
従来のクーラント供給方法では、30分後にワークサイズが許容範囲外になったが、冷凍機を使用することで70分以上正常な加工が可能だった。80分後にワークのサイズが過大になったのは、砥石をトリミングする必要があったためで、これにより砥石表面の金属カスが除去された。トリミング後、元の加工精度はすぐに回復し、その効果は非常に顕著であった。
同様に、スピンドルの強制冷却も非常に良い結果をもたらす。
(2) 自然冷却エリアを増やす。
例えば、主軸ボックスの構造に自然空冷エリアを追加することも、空気循環の良い作業場では放熱に重要な役割を果たす。
(3)適時の切り屑の除去。
ワーク、テーブル、工具から高温の切り屑を適時またはリアルタイムに除去することで、重要部品の温度上昇と熱変形を大幅に低減します。
工作機械における熱変形の制御は、多面的な影響因子を持つ現代の精密加工における重要な課題である。高速、高能率、高精度の切削加工プロセスの融合は、この問題をさらに悪化させ、工作機械製造セクターから大きな注目を集めています。
工作機械業界における国内外の専門家による広範な研究により、熱変形の理解は大きく前進し、この分野の基礎理論として確立された。
この記事では、設計、アプリケーション、測定、解析の方法論が工作機械の熱性能に与える影響を探り、設計強化のための戦略を提案します。
工作機械の熱性能を最適化するには、次のような包括的なアプローチを実施する必要がある：
1.環境への配慮：先進的な工作機械の設計段階では、想定される作業環境の特定の環境条件を徹底的に評価し、考慮すること。これには、周囲温度の変動、湿度レベル、作業スペース内の潜在的な温度勾配などが含まれる。
2.熱源管理：熱源の厳密な管理と戦略的構成を実施する。これには以下が含まれる：
3.冷却システムの優先順位付け：冷却、放熱、潤滑、切粉除去システムを補助部品から重要部品に格上げすることで、従来の設計階層を再評価する。ターゲット液冷、熱電冷却、相変化材料などの高度な冷却技術を統合し、熱安定性を維持する。
4.構造の対称性と熱変形の緩和：対称設計の原則を取り入れ、熱変形の方向性を考慮する。このアプローチは、熱影響による精度偏差を最小限に抑えることを目的としている。主な戦略は以下の通り：
こうした点に細心の注意を払うことで、メーカーは最新の工作機械の熱安定性と精度を大幅に向上させることができ、その結果、全体的な加工精度と効率を向上させることができる。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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