공구 제작을 위한 철강 재료의 이해
특정 공구가 다른 공구보다 오래가는 이유가 궁금한 적이 있나요? 그 비밀은 공구 제작에 사용되는 강철에 있습니다. 이 기사에서는 440C 및 VG10과 같은 다양한 강철 유형을 살펴보고 그 특성을 강조합니다....
온도가 CNC 가공 정확도에 미치는 미묘하지만 강력한 영향에 대해 얼마나 자주 생각하십니까? 이 문서에서는 작업장 주변 온도 변화부터 작업 중 내부 발열에 이르기까지 열 변형이 공작 기계의 정밀도에 미치는 영향에 대해 살펴봅니다. 독자들은 이러한 열 영향의 메커니즘을 알아보고 오류를 최소화하여 더 높은 가공 정확도와 효율성을 보장하는 전략을 발견하게 될 것입니다. 최신 CNC 가공에서 온도 제어가 수행하는 중요한 역할에 대해 자세히 알아보세요.
열 변형은 정밀 제조 공정에 다방면으로 영향을 미치며 가공 정확도에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 작업장 주변 온도의 변동, 모터 작동 및 기계적 움직임에서 발생하는 열, 절삭 공정 및 냉각 매체는 다양한 공작 기계 구성 요소에서 불균일한 온도 상승을 유발할 수 있습니다. 이러한 열 변화는 치수 변화로 이어져 기계의 형태 정확도와 전반적인 가공 정밀도 모두에 영향을 미칩니다.
표준 정밀 CNC 밀링 머신으로 70mm x 1650mm 나사를 생산한 사례 연구는 열 영향의 중요성을 보여줍니다. 오전 7시 30분부터 9시까지 가공된 공작물과 오후 2시부터 3시 30분까지 가공된 공작물 간의 누적 오차 차이는 최대 85μm에 달할 수 있습니다. 그러나 제어된 온도 조건에서는 이 오차를 40μm로 크게 줄일 수 있어 열 관리를 통해 정확도를 개선할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.
또 다른 예는 열 변형이 정밀 연삭 작업에 미치는 영향을 강조합니다. 두께가 0.6mm에서 3.5mm에 이르는 얇은 강판을 가공하는 데 사용되는 고정밀 양단 표면 연삭기는 연속 작동 후 상당한 치수 변화를 경험합니다. 1시간의 자동 연삭 후 치수 변화는 12μm까지 증가하며, 이는 시작 시 17°C에서 45°C로 냉각수 온도가 상승하는 것과 일치합니다. 이러한 온도 상승은 스핀들 저널의 열 팽창과 스핀들 앞쪽의 베어링 간극 확대를 유발합니다. 이러한 열 영향을 완화하기 위해 기계의 냉각수 시스템에 5.5kW 냉동 장치를 통합하면 치수 안정성을 유지하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다.
열 변형이 가공 정확도에 미치는 영향은 온도가 변동하는 환경에서 특히 두드러집니다. 공작 기계는 작동 중에 소비되는 에너지의 상당 부분을 열로 변환하여 다양한 부품에 물리적 변형을 일으킵니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공작 기계 설계자는 시스템 내 열 발생 메커니즘과 온도 분포 패턴에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다. 이러한 지식은 열 변형이 가공 정확도에 미치는 영향을 최소화하기 위한 목표 전략을 구현할 수 있게 해줍니다.
효과적인 열 관리 기술에는 다음이 포함될 수 있습니다:
이러한 고급 열 관리 전략을 통합함으로써 제조업체는 특히 열 안정성이 가장 중요한 고정밀 애플리케이션에서 가공 정확도와 일관성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
중국은 대부분 아열대 지방에 위치한 큰 나라입니다. 연중 기온이 매우 다양하고 하루 중에도 온도 변동이 심합니다. 따라서 작업장 등 실내 온도를 조절하기 위한 사람들의 개입도 다양하고 공작기계 주변의 온도도 천차만별입니다.
예를 들어 양쯔강 삼각주의 계절별 기온 범위는 약 45°C이고 낮과 밤의 온도 변화는 약 5~12°C입니다. 가공 작업장에는 일반적으로 겨울에는 난방이 없고 여름에는 에어컨이 없지만 통풍이 잘되는 한 작업장의 온도 구배는 크게 변하지 않습니다.
중국 북동부의 계절별 기온 차는 60°C에 달하고 낮과 밤의 일교차는 약 8~15°C입니다. 난방 기간은 10월 말부터 이듬해 4월 초까지이며, 가공 작업장은 공기 순환이 불충분한 상태에서 난방을 제공하도록 설계되어 있습니다. 겨울철에는 작업장 내부와 외부의 온도차가 50°C에 달할 수 있어 온도 구배가 복잡해집니다. 예를 들어 오전 8시 15분에서 8시 35분 사이에 측정했을 때 실외 온도는 1.5°C이고 작업장 내 온도 변화는 약 3.5°C입니다.
이러한 작업장의 주변 온도는 정밀 공작 기계의 가공 정확도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
공작 기계의 주변 환경은 공작 기계와 가까운 곳에서 다양한 요인에 의해 형성되는 열 환경을 의미합니다. 이러한 요인에는 다음이 포함됩니다:
(1) 워크샵 미기후: 낮과 밤, 기후 또는 환기의 변화에 따라 천천히 변화하는 작업장의 온도 분포와 같은 것들입니다.
(2) 워크샵 열원: 태양 복사, 난방 장비 및 고출력 조명과 같은 열원. 이러한 열원은 공작 기계에 가까이 있을 경우 공작 기계 전체 또는 일부의 온도 상승에 직접적이고 오래 지속되는 영향을 미칠 수 있습니다. 작동 중 인접 장비에서 발생하는 열도 복사 또는 공기 흐름을 통해 공작 기계의 온도 상승에 영향을 줄 수 있습니다.
(3) 열 발산: 특히 정밀 공작 기계의 기초는 열을 효과적으로 방출할 수 있어야 하며, 지하 난방 파이프 라인 근처에 위치하지 않아야 합니다. 파이프 라인이 파열되어 누출되면 위치를 찾기 어려운 열원이 될 수 있지만 개방형 작업장은 좋은 "라디에이터" 역할을하여 작업장 온도를 균일화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
(4) 일정한 온도: 작업장의 온도를 일정하게 유지하면 정밀 공작 기계의 정밀도와 가공 정확도를 효과적으로 보존할 수 있지만 에너지 소비가 높아질 수도 있습니다.
(1) 공작 기계의 구조적 열원
스핀들 모터, 서보 이송 모터, 냉각 및 윤활 펌프 모터, 전기 제어 박스 등과 같은 모터의 가열은 모두 열을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 조건은 모터 자체에는 허용되지만 스핀들 및 볼스크류와 같은 구성품에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 이를 격리하기 위한 조치를 취해야 합니다.
전기 에너지로 모터를 구동하면 스핀들 회전과 테이블 운동과 같은 운동 메커니즘에 의해 대부분 운동 에너지로 변환되고, 일부(약 20%)는 모터의 열 에너지로 변환됩니다. 그러나 상당 부분은 이동 중에 필연적으로 마찰열로 변환됩니다. 베어링, 가이드 레일, 볼 나사, 기어박스와 같은 부품도 열을 발생시킵니다.
(2) 프로세스 중 열 차단
절삭 공정 중에 공구 또는 공작물의 운동 에너지 중 일부는 절삭 작업에 의해 소비됩니다. 상당 부분은 절삭의 변형 에너지와 칩과 공구 사이의 마찰 열로 변환되어 공구, 스핀들 및 공작물에서 열을 발생시킵니다. 또한 많은 양의 칩 열이 공작 기계의 테이블 고정 장치 및 기타 구성 요소로 전달되어 공구와 공작물 사이의 상대적 위치에 직접적인 영향을 미칩니다.
(3) 냉각
냉각은 모터, 스핀들 구성품, 인프라 등 공작 기계의 온도 상승에 대한 대응책입니다. 고급 공작 기계는 전자 제어 박스를 냉각하기 위해 냉장고를 사용하는 경우가 많습니다.
공작 기계 열 변형 분야에서 공작 기계의 구조는 일반적으로 구조적 형태, 질량 분포 측면에서 언급됩니다, 재료 속성및 열원 분포. 구조 형태는 온도 분포, 열 전도 방향, 열 변형 방향, 공작 기계의 정합성 등에 영향을 미칩니다.
(1) 공작 기계의 구조적 형태: 전체 구조 측면에서 공작기계는 수직형, 수평형, 갠트리형, 캔틸레버형 등 열 반응과 안정성에 큰 차이가 있는 유형이 있습니다. 예를 들어 기어 변속 선반 주축의 온도 상승은 35°C까지 올라갈 수 있으며 스핀들 끝을 들어 올리면 열 평형에 도달하는 데 약 2시간이 걸립니다. 반면 경사 베드형 정밀 터닝 및 밀링 머시닝 센터는 전체 기계의 강성을 향상시키는 안정적인 베이스와 주축을 구동하는 서보 모터가 있기 때문에 일반적으로 온도 상승이 15°C 미만입니다.
(2) 열원 분포의 영향: 공작기계는 일반적으로 스핀들 모터, 이송 모터, 유압 시스템 등과 같은 전기 모터를 열원으로 간주합니다. 그러나 베어링, 나사 너트, 가이드 레일, 칩의 마찰 작업으로 인한 열로 인해 에너지의 상당 부분이 소비되므로 이는 불완전한 관점입니다. 모터는 1차 열원으로, 베어링, 너트, 가이드 레일, 칩은 2차 열원으로 간주할 수 있으며 열 변형은 이들의 복합적인 영향의 결과입니다.
(3) 대량 배포의 효과: 질량 분포가 열 변형에 미치는 영향은 (i) 열 용량과 열 전달 속도, 열 평형에 도달하는 시간에 영향을 미치는 질량의 크기와 농도, (ii) 열 강성을 개선하거나 열 변형을 줄이거나 동일한 온도 상승에서 상대 변형을 작게 유지하기 위해 다양한 리브를 추가하는 등 레이아웃의 품질 변경, (iii) 구조 외부에 방열 리브 추가 등 품질 배치 형태를 변경하여 공작기계 부품의 온도 상승 감소라는 3가지 측면으로 나뉩니다.
(4) 재료 특성의 영향: 소재마다 비열, 열전도율, 선팽창계수 등 열 성능 파라미터가 다릅니다. 동일한 열에서 온도 상승과 변형이 달라집니다.
공작 기계의 열 변형 제어의 핵심은 주변 온도, 열원 및 공작 기계 내부의 온도 변화와 열 테스트를 통한 주요 지점(변형 변위)의 반응을 철저히 파악하는 것입니다. 공작 기계의 열 특성을 측정하여 열 변형을 제어하고 기계의 정확도와 효율성을 개선하기 위한 대책을 마련할 수 있습니다.
테스트를 통해 다음 목표를 달성해야 합니다:
(1) 머신 환경 테스트: 작업장의 온도, 공간 온도 구배, 낮과 밤의 온도 분포 변화, 계절 변화가 공작 기계 주변의 온도 분포에 미치는 영향을 측정합니다.
(2) 공작 기계의 열 특성 테스트: 환경 간섭을 최대한 제거하고 다양한 작동 상태 동안 공작 기계의 중요 지점의 온도 변화와 변위 변화를 측정합니다. 적외선 열화상 기기를 사용하여 충분한 시간 동안 온도 변화와 주요 지점의 변위를 기록하여 각 시간대의 열 분포를 캡처합니다.
(3) 처리 중 온도 상승 및 열 변형 테스트: 처리 중 온도 상승과 열 변형을 측정하여 열 변형이 처리 정확도에 미치는 영향을 평가합니다.
(4) 데이터 및 커브 누적: 실험을 통해 대량의 데이터와 곡선을 축적하여 공작 기계 설계 및 열 변형 제어를 위한 신뢰할 수 있는 기준을 제공하고 효과적인 조치 방향을 제시할 수 있습니다.
열 변형 테스트는 다음과 같은 여러 관련 지점의 온도를 측정하는 것으로 시작됩니다:
(1) 열원: 각 부품의 피드 모터, 스핀들 모터, 볼 스크류 드라이브 쌍, 가이드 레일 및 스핀들 베어링과 같은 열원.
(2) 보조 장치: 유압 시스템, 냉장고, 냉각 및 윤활 변위 감지 시스템을 포함합니다.
(3) 기계적 구조: 스핀들뿐만 아니라 베드, 베이스, 슬라이드, 컬럼, 밀링 헤드 박스를 포함합니다. 인듐 스틸 프로브는 스핀들과 로터리 테이블 사이에 고정되어 있습니다.
5개의 접촉 센서가 X, Y, Z 방향으로 배열되어 다양한 상태의 종합적인 변형을 측정하여 공구와 공작물 사이의 상대 변위를 시뮬레이션합니다.
공작 기계의 열 변형 테스트는 장기간에 걸쳐 연속적으로 수행되어야 하며 지속적인 데이터 기록이 이루어져야 합니다. 분석 및 처리 후 반영된 열 변형 특성의 신뢰성은 매우 높을 수 있으며, 여러 실험을 통해 오류 제거를 수행하면 표시된 규칙성을 신뢰할 수 있습니다.
스핀들 시스템의 열 변형 테스트에서는 스핀들 끝에 포인트 1, 스핀들 베어링 근처에 포인트 2, 밀링 헤드 하우징의 Z 방향 가이드 레일 근처에 포인트 4와 5 등 총 5개의 측정 지점을 설정했습니다. 테스트는 14시간 동안 진행되었으며, 처음 10시간 동안 스핀들 속도를 0~9000r/min 범위에서 번갈아 가며 변경한 후 나머지 시간 동안 9000r/min의 고속으로 계속 회전했습니다.
이 테스트를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다:
분석과 토론을 통해 공작 기계의 온도 상승과 열 변형이 가공 정확도에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것이 분명해졌습니다. 제어 조치를 취할 때는 주요 기여 요인을 파악하고 최적의 결과를 얻기 위한 몇 가지 효과적인 조치에 집중하는 것이 중요합니다.
설계 과정에서 열 발생과 온도 상승을 줄이고, 균형 잡힌 구조를 만들고, 효율적인 냉각을 제공하는 데 주의를 기울여야 합니다.
열원 제어는 공작 기계의 온도 상승과 열 변형을 줄이기 위한 근본적인 조치입니다. 이를 위해서는 설계 프로세스에서 다음 단계를 수행해야 합니다:
(1) 모터의 정격 출력을 합리적으로 선택합니다: 모터의 출력 전력은 전압과 전류에 비례합니다. 일반적으로 전압은 일정하며 부하가 증가하면 출력 전력과 전류가 증가하여 전기자 임피던스에 의해 소비되는 열이 증가합니다. 모터의 온도 상승을 최소화하려면 계산된 전력보다 약 25% 큰 정격 전력을 선택하는 것이 좋습니다.
(2) 2차 열원으로 인한 열 발생을 줄입니다: 2차 열원으로 인한 온도 상승을 최소화하려면 설계 시 기계 구조. 예를 들어, 전면 및 후면 베어링의 동축성을 개선하고 고정밀 베어링을 사용하면 마찰과 열 발생을 줄일 수 있습니다. 슬라이딩 가이드를 선형 롤링 가이드로 교체하거나 선형 모터를 사용하는 것도 열 발생을 줄일 수 있습니다.
(3) 가공 공정에서 고속 절단을 사용합니다: 고속 커팅은 커팅 과정에서 열 발생을 줄여줍니다. 선형 속도가 금속 절단 가 일정 범위 이상이면 금속이 소성 변형을 겪을 시간이 없으며 칩에 변형 열이 발생하지 않습니다. 절삭 에너지의 대부분은 칩 운동 에너지로 변환되어 제거됩니다.
공작 기계의 열 변형을 제어하려면 열 전달 방향과 속도에 주의를 기울여 그 영향을 줄여야 합니다. 대칭 구조는 열을 고르게 분산시켜 드리프트와 변형을 줄이는 데 도움이 됩니다.
(1) 프리스트레싱 및 열 변형
고속 이송 시스템에서 볼 스크류는 열 변형 오차를 줄이기 위해 양쪽 끝에서 사전 장력을 가하는 경우가 많습니다. 축방향 프리텐션 구조는 한쪽 끝이 고정되고 다른 쪽 끝이 자유로운 구조에 비해 누적 오차를 줄여줍니다. 이 구조에서 온도 상승의 주요 영향은 응력을 인장 응력에서 0 또는 압축 응력으로 변경하는 것으로 변위 정확도에 거의 영향을 미치지 않습니다.
(2) 구조 및 변형 방향 변경하기
Z축 스핀들 슬라이드의 CNC 볼스크류 축 고정 구조가 다른 니들 슬롯 밀링 머신은 0.05mm의 밀링 슬롯 오차가 필요합니다. 플로팅 엔드 구조는 가공 중 홈 깊이의 변화를 보장하는 반면, 축 방향 플로팅 구조는 홈이 점진적으로 깊어집니다.
(3) 대칭 지오메트리
대칭형 공작 기계 구조는 공구 포인트의 열 변형과 드리프트를 최소화합니다. YMC430 마이크로 머시닝 센터는 설계 시 열 성능을 고려한 기계의 한 예입니다. 이 기계는 H형 기둥과 빔, 원형 스핀들 슬라이드, 3개의 이동축을 위한 리니어 모터가 통합된 완전히 대칭적인 레이아웃을 갖추고 있습니다. 두 개의 회전축은 직접 구동 방식을 사용하여 마찰과 기계적 전달을 최소화합니다.
(1) 처리 중 냉각수는 처리의 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다.
GRV450C 양면 그라인더에서 비교 테스트를 수행한 결과, 냉장고를 통한 냉각 액체의 열교환 처리가 가공 정확도를 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.
기존의 절삭유 공급 방식은 30분이 지나면 공작물 크기가 허용 오차를 벗어나는 반면, 냉장고를 사용하면 70분 이상 정상적으로 가공할 수 있었습니다. 80분 후 공작물의 크기가 과도하게 커진 것은 연삭 휠을 다듬어 휠 표면에서 금속 부스러기를 제거해야 했기 때문입니다. 트리밍 후 원래의 가공 정확도가 즉시 회복되었고 그 효과는 매우 눈에 띄었습니다.
마찬가지로 스핀들을 강제 냉각하는 것도 매우 좋은 결과를 가져올 수 있습니다.
(2) 자연 냉각 면적 늘리기.
예를 들어, 메인 샤프트 박스 구조에 자연 공기 냉각 영역을 추가하면 공기 순환이 잘되는 작업장에서 열을 방출하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
(3) 칩을 적시에 제거합니다.
공작물, 테이블 및 공구에서 고온 칩을 적시에 또는 실시간으로 제거하면 중요 부품의 온도 상승과 열 변형을 크게 줄일 수 있습니다.
공작 기계의 열 변형을 제어하는 것은 다각적인 영향 요인이 있는 현대 정밀 가공에서 매우 중요한 과제입니다. 고속, 고효율, 고정밀 절삭 공정의 융합으로 인해 이 문제는 더욱 악화되어 공작 기계 제조 부문에서 큰 관심을 받고 있습니다.
공작 기계 산업의 국내외 전문가들의 광범위한 연구를 통해 열 변형에 대한 이해가 크게 발전하여 이 분야의 기본 이론으로 자리 잡았습니다.
이 기사에서는 설계, 적용, 측정 및 분석 방법론이 공작 기계의 열 성능에 미치는 영향을 살펴보고 설계 개선을 위한 전략을 제안합니다.
공작 기계의 열 성능을 최적화하려면 다음과 같은 포괄적인 접근 방식을 구현해야 합니다:
1. 환경 고려: 고급 공작 기계의 설계 단계에서는 의도한 작업 환경의 특정 환경 조건을 철저히 평가하고 고려해야 합니다. 여기에는 주변 온도 변동, 습도 수준, 작업 공간 내의 잠재적인 열 구배 등이 포함됩니다.
2. 열원 관리: 열원에 대한 엄격한 제어와 전략적 구성을 구현합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:
3. 냉각 시스템 우선순위 지정: 냉각, 방열, 윤활, 칩 제거 시스템을 보조 부품에서 핵심 부품으로 격상하여 기존 설계 계층 구조를 재평가합니다. 표적 액체 냉각, 열전 냉각 또는 상변화 물질과 같은 고급 냉각 기술을 통합하여 열 안정성을 유지합니다.
4. 구조적 대칭성 및 열 변형 완화: 대칭 설계 원칙을 통합하고 열 변형의 방향적 측면을 고려합니다. 이 접근 방식은 열 효과로 인한 정확도 편차를 최소화하는 것을 목표로 합니다. 주요 전략은 다음과 같습니다:
제조업체는 이러한 측면을 꼼꼼하게 해결함으로써 최신 공작 기계의 열 안정성과 정밀도를 크게 향상시켜 전반적인 가공 정확도와 효율성을 개선할 수 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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