CNC マシンの精度に対する温度の影響

工作機械は、作業場の周囲温度の変化、モーターの発熱や機械運動の摩擦熱、切削熱や冷却媒体の影響を受け、工作機械各部の温度上昇が不均一になり、形状精度や加工に変化が生じます。工作機械の精度。

ケース 1: 70mm × 1650mm のネジを通常の精密 CNC フライス盤で加工します。午前 7:30 ～ 9:00 の間に加工されたワークピースと午後 2:00 ～ 3:30 の間に加工されたワークピースと比較すると、累積誤差の変化は最大 85m になる可能性があります。一定の温度条件下では、誤差は 40m まで減少します。

事例2：板厚0.6～3.5mmの薄鋼ワークの両端研削に使用する精密両端面研削盤。受入時は200mm×25mm×1.08mmの鋼製ワークをmm単位の寸法精度で加工でき、曲率は全長5m以内に収まります。しかし、1時間の連続自動研削後、寸法変化範囲は12mに増加し、クーラント温度は起動時の17℃から45℃に上昇しました。研削熱の影響により主軸ジャーナルが伸び、主軸前軸受すきまが増加します。これをもとに工作機械のクーラントタンクに5.5kWの冷凍機を追加したところ、非常に理想的な効果が得られました。

加熱後の工作機械の変形が加工精度に影響を与える重要な原因であることが実際に証明されています。しかし、工作機械は、いつでもどこでも温度が変化する環境にあります。工作機械自体が動作する際には必然的にエネルギーを消費しますが、そのエネルギーのかなりの部分はさまざまな方法で熱に変換され、工作機械のさまざまな部品に物理的変化を引き起こします。この変化は、構造形状の違い、材質の違いなどにより大きく異なります。工作機械の設計者は、熱の発生メカニズムと温度分布の規則を理解し、熱変形による加工精度への影響を最小限に抑えるための対応策を講じる必要があります。

機械の温度上昇と温度分布

(1) 自然気候への影響

我が国の領土は広大で、ほとんどの地域は亜熱帯地域にあります。一年を通して気温の変化が大きく、一日の中でも気温差が変わります。その結果、室内（作業場など）の温度に対する介入の方法や程度は人によって異なり、工作機械の周囲の温度雰囲気も大きく異なります。

たとえば、長江デルタ地域の季節気温範囲は約 45 °C で、昼夜の温度変化は約 5 °C ～ 12 °C です。機械工場には通常、冬には暖房がなく、夏にはエアコンがありません。ただし、作業場が十分に換気されている限り、機械工場内の温度勾配はあまり変わりません。北東部では、季節の気温差が 60°C に達する場合があり、昼夜の変化は約 8 ～ 15°C です。暖房期間は10月下旬から翌年4月上旬までです。機械工場は暖房と不十分な空気循環を備えた設計になっています。工房内と外の温度差は50℃にも達します。そのため、冬の作業場の温度勾配は非常に複雑です。測定時の外気温は1.5℃、時間は午前8時15分から8時35分でした。作業場の温度変化は約3.5℃でした。精密工作機械の加工精度は、工場内の周囲温度に大きく影響されます。

(2) 周囲環境の影響

工作機械の周囲環境とは、工作機械の近距離における様々なレイアウトによって形成される熱環境を指します。それには以下の 3 つの側面が含まれます。

１）作業場微気候：作業場内の温度分布（垂直方向、水平方向）など。昼夜が変わったり、気候や換気が変わると、室温はゆっくりと変化します。

2) ワークショップの熱源: 太陽放射、加熱装置、高出力照明ランプからの放射など。工作機械に近いと、工作機械の全体または一部の温度上昇に長時間直接影響を与える可能性があります。稼働中に隣接する機器から発生する熱は、輻射や空気流の形で工作機械の温度上昇に影響を与えます。

3) 放熱性: 基礎には優れた放熱効果があります。特に精密工作機械の基礎は地中の伝熱管に近づけないでください。一度破損して漏れてしまうと、原因究明が困難な熱源となる場合がありますので、ご注意ください。オープンな作業場は優れた「放熱」装置となり、作業場の温度バランスに有益です。

4) 恒温：精密工作機械の精度や加工精度を維持するために、工場での恒温設備の使用は非常に有効ですが、多くのエネルギーを消費します。

(3) 機械内部の熱に影響を与える要因

1) 工作機械の構造熱源。スピンドル モーター、送りサーボ モーター、冷却および潤滑ポンプ モーター、電気制御ボックスなど、熱を発生するモーターはすべて熱を発生する可能性があります。このような状況はモーター自体には許容されますが、スピンドルやボールねじなどの部品に重大な悪影響を与えるため、これらを隔離するための措置を講じる必要があります。入力された電気エネルギーがモーターを駆動して回転すると、モーターの熱エネルギーに変換されるごく一部（約20％）を除き、そのほとんどは主軸の回転や作業台の移動などのモーション機構によって運動エネルギーに変換されます。 、など。ベアリング、ガイドレール、ボールネジ、トランスミッションボックスなどの機構部では、移動中に摩擦熱に変換される部分がどうしても多くなります。

2) プロセス中の熱をカットします。切削加工では、工具やワークの運動エネルギーの一部が切削加工で消費され、かなりの部分は切削の変形エネルギーやチップと工具の摩擦熱に変換され、工具や主軸の破損を引き起こします。チップとワークが加熱され、多量の切りくず熱が工作機械の作業台治具に伝わります。そして他の部分。これらは、工具とワークピース間の相対位置に直接影響します。

3) クールダウンします。冷却は、工作機械の温度上昇に対する逆対策であり、モータ冷却、主軸部品冷却、基本構造部品冷却などがあります。ハイエンドの工作機械には、電気制御ボックスに強制冷却用の冷凍機が装備されていることがよくあります。

(4) 機械の構造形状が温度上昇に及ぼす影響：

工作機械の熱変形の分野で工作機械の構造形状を議論する場合、通常は構造形状、質量分布、材料特性、熱源分布などの問題を指します。構造形状は工作機械の温度分布、熱伝導方向、熱変形方向、マッチングに影響を与えます。

1) 工作機械の構造形式。工作機械には全体の構造として立型、横型、ガントリー型、カンチレバー型などがあり、熱応答性や安定性は大きく異なります。たとえば、高速旋盤の主軸ボックスの温度上昇は 35°C にもなり、主軸端が持ち上がり、熱平衡にかかる時間は約 2 時間かかります。傾斜ベッド型精密旋削・フライス加工マシニングセンタは工作機械のベースが安定しています。マシン全体の剛性が大幅に向上。主軸はサーボモーターで駆動し、歯車伝動部分は省略されています。温度上昇は通常 15°C 未満です。

２）熱源分布の影響。工作機械の場合、熱源は通常モーターと考えられます。スピンドルモーター、送りモーター、油圧システムなどは実は未完成です。モーターが発生する熱は、負荷がかかったときに電機子インピーダンスの電流によって消費されるエネルギーだけであり、エネルギーのかなりの部分は、ベアリング、ねじナット、ガイドレール、およびベアリングの摩擦仕事によって引き起こされる熱によって消費されます。他のメカニズム。したがって、モーターを一次熱源、ベアリング、ナット、ガイドレール、チップを二次熱源と呼ぶことができます。熱変形は、これらすべての熱源の影響が組み合わさって発生します。

コラム移動式立形マシニングセンタのY方向送り移動時の温度上昇と変形。 Y方向の送り時にワークテーブルが動かないため、X方向の熱変形の影響はほとんどありません。コラムはY軸ガイドネジから離れるほど温度上昇が小さくなります。

機械が Z 軸方向に移動しているときの状況は、熱変形に対する熱源の分布の影響をさらに示しています。 Z軸送りはX方向から離れるため、熱変形の影響が小さくなります。コラムがZ軸モーターナットに近づくほど、温度上昇と変形が大きくなります。

3) 質量分布の影響。工作機械の熱変形に対する質量分布の影響には 3 つの側面があります。まず、これは質量のサイズと濃度を指し、通常は熱容量と熱伝達速度の変化、熱平衡に達するまでの時間の変化を指します。 2つ目は、各種リブの配置など質量の配置を変更することで構造の熱剛性を向上させることです。同じ温度上昇下では、熱変形の影響を軽減するか、相対変形を小さく保ちます。 3つ目は、工作機械部品の温度上昇を低減するために、構造の外側に放熱リブを配置するなど、マスの配置形態を変更することを指します。

4) 材料特性の影響: 材料が異なれば、熱性能パラメータ (比熱、熱伝導率、線膨張係数) も異なります。同じ熱の影響下でも、温度上昇や変形が異なります。

2. 機械の熱変形の制御

以上の分析と考察から、工作機械の温度上昇や熱変形は加工精度に影響を与える様々な要因があることが分かりました。制御措置を講じるときは、主要な矛盾を把握し、半分の労力で2倍の成果を達成するために1つまたは2つの措置を集中的に講じるべきです。設計では、発熱の低減、温度上昇の低減、構造バランス、および合理的な冷却の 4 つの方向から始める必要があります。

(1) 熱を下げる

熱源の管理は基本的な対策です。設計にあたっては、熱源の発熱量を効果的に低減するための措置を講じる必要があります。

1) モータの定格出力を合理的に選択してください。

モーターの出力電力 P は、電圧 V と電流 I の積に等しくなります。通常の状況では、電圧 V は一定です。したがって、負荷が増加すると、モータの出力が増加し、それに対応する電流Iも増加し、電流Iが増加し、電機子インピーダンスで放散される熱が増加します。私たちが設計・選定したモーターが定格出力に近い、または定格出力を大幅に超えて長時間動作すると、モーターの温度上昇が著しく増加します。この目的を達成するために、BK50 CNC 針溝フライス盤のミリングヘッドで比較テストを実施しました (モーター速度: 960r/min、周囲温度: 12°C)。

以上の実験から、次のような考え方が得られます。 主軸モータでも送りモータでも、熱源性能の観点から定格電力を選定する場合は、定格電力より25%程度大きい電力を選定するのがベストです。計算されたパワー。実際の動作では、モーターの出力電力は負荷に一致します。モーターの定格出力を高めても、エネルギー消費量にはほとんど影響しません。ただし、モーターの温度上昇を効果的に低減できます。

2) 二次熱源の発熱量を低減し、温度上昇を抑えるための適切な構造対策を講じてください。

例えば、主軸構造を設計する際には、前後の軸受の同軸度を高め、高精度の軸受を使用する必要があります。可能であれば、滑りガイドレールをリニアローリングガイドレールに変更するか、リニアモーターを使用してください。これらの新技術により、摩擦、発熱、温度上昇を効果的に低減できます。

3) 技術面では高速切断を採用。高速切断のメカニズムを基にしています。

金属切削の線速度が一定範囲よりも高い場合、切削される金属は塑性変形する時間がなくなり、切りくずに変形熱が発生せず、切削エネルギーのほとんどが切りくずの運動エネルギーに変換され、連れ去られる。

(2) 熱変形を低減する構造バランス

工作機械には熱源が常に存在するため、熱変形を低減するには熱伝達の方向と速度をどのようにするかにさらに注意を払う必要があります。または、構造の対称性が良く、熱伝達が対称方向に沿って行われ、温度分布が均一になり、変形が打ち消し合って熱親和性構造を形成します。

1) プレストレスと熱変形。

高速送りシステムでは、予張力応力を形成するためにボールねじの両端が軸方向に固定されることがよくあります。この構造は高速送り時の動的・静的安定性を向上させるだけでなく、熱変形誤差の低減にも大きく貢献します。

全長 600 mm 内で 35 m 事前に伸張された軸方向に固定された構造の温度上昇は、送り速度が異なっても比較的類似しています。両端が固定された事前に伸張された構造の累積誤差は、一端が固定され、もう一方の端が自由に伸長できる構造の累積誤差よりも大幅に小さくなります。両端が軸方向に固定されたプリテンション構造では、主に加熱による温度上昇によりねじ内部の応力状態が引張応力からゼロ応力または圧縮応力に変化します。したがって、変位精度への影響はほとんどありません。

2) 構造を変更し、熱変形の方向を変更します。

異なるボールねじの軸方向固定構造を使用する CNC 針状溝フライス盤の Z 軸スピンドルスライドでは、加工中に 5m のフライス溝深さ誤差が必要です。スクリュー下端のアキシャルフローティング構造により、2時間の加工で溝深さが0～0.045mmまで徐々に深くなります。逆に、ネジの上端が浮いた構造にすれば、確実に溝深さが変化します。

3) 工作機械構造の幾何学的形状の対称性により、熱変形傾向を一貫させ、工具先端点のドリフトを最小限に抑えることができます。

例えば、日本の安田精機株式会社が発売したYMC430マイクロマシニングセンターは、サブミクロンの高速加工工作機械である。工作機械の設計は熱性能を十分に考慮しています。

まず、工作機械の構造は完全対称レイアウトを採用。柱と梁はH型の一体構造で二重柱構造に相当し、対称性が良好です。ほぼ円形のスピンドルスライドも縦横対称です。

3つの移動軸の送り駆動にはすべてリニアモーターを使用しており、構造の対称性を出しやすくなっています。 2 つの回転軸はダイレクト ドライブを使用して、摩擦損失と機械伝達を最小限に抑えます。

3. 合理的な冷却対策

1) 加工時のクーラントは加工精度に直接影響します。

両頭研削盤GRV450Cとの比較テストを実施しました。冷凍機を利用したクーラントの熱交換が加工精度の向上に非常に効果的であることが試験により確認されています。

従来のクーラント供給方法では、30分後にはワークサイズが許容範囲外になってしまいます。冷蔵庫を使用した後、通常の処理は 70 分以上続くことがあります。 80分でワーク寸法が公差外となる主な理由は、砥石のドレッシング（砥石表面の金属片を除去すること）が必要であり、ドレッシング後すぐに元の加工精度に戻るためである。効果は非常に明らかです。同様に、スピンドルの強制冷却からも非常に良い結果が期待できます。

2) 自然冷却面積を増やす。

たとえば、スピンドルボックス構造に自然空冷エリアを追加することにより、空気循環の良好な作業場で良好な放熱効果を実現することもできます。

3) タイムリーな自動切りくず除去。

ワーク、作業台、ツール部品から高温の切りくずをタイムリーまたはリアルタイムで排出することは、主要部品の温度上昇と熱変形を軽減するのに非常に役立ちます。