CNC 加工精度に対する温度の影響

加工精度に影響を与える原因の一つに熱変形があります。工作機械は、作業場の周囲温度の変化、モーターや機械動作の摩擦熱、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、形状精度の変化につながります。そして工作機械の加工精度。たとえば、CNC フライス盤で 70mm×1650mm のネジを通常の精度で加工する場合、午前 7 時 30 分～9 時に加工されたワークピースの累積誤差は、午前 2 時～に加工されたワークピースと比較して 85m に達する可能性があります。午後３時半。一定の温度条件下では、誤差は 40m まで減少します。

例えば、厚さ0.6～3.5mmの薄鋼板ワークの両端研削に使用される精密両頭研削盤は、200mm×25mm×1.08mmの鋼板ワークの受け入れ加工においてミリ単位の寸法精度を実現できます。曲率は全長で5m未満です。しかし、1時間連続自動研削を行うと、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℃に上昇します。研削熱の影響により、主軸ジャーナルが伸び、主軸前方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の冷凍機を追加すると、非常に理想的な効果が得られます。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、工作機械の構成部品に物理的な変化を引き起こします。この変化は構造形状や材質の違い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法則を理解し、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策を講じる必要があります。

1.工作機械は温度上昇、温度分布、自然気候の影響を受ける

室内（作業場など）の温度への介入の仕方や度合いも人によって異なり、工作機械の周囲の温度雰囲気も大きく異なります。冬の気温勾配は非常に複雑です。計測すると外気温は1.5℃、時間帯は朝8時15分～8時35分で、作業場の温度は約3.5℃変化します。精密工作機械の加工精度は、このような作業場における周囲温度に大きく影響されます。

2. 周囲の環境が機械に影響を与える

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。これらには次の 4 つの側面が含まれます。

１）作業場の微気候：作業場の温度分布（垂直方向、水平方向）など。昼夜が変わったり、気候や風通しが変わると、作業場の温度はゆっくりと変化します。

2) 作業場の熱源：太陽光、暖房器具、高出力照明ランプの放射など、これらが工作機械に近い場合、工作機械の全体または一部の温度上昇に直接影響を与える可能性があります。久しぶりの工作機械。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: 基礎には優れた放熱効果があり、特に精密工作機械の基礎は地下の加熱パイプに近づけるべきではありません。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「ラジエーター」となり、作業場の温度バランスを整えます。

4) 恒温：工場内に導入されている恒温設備は、精密工作機械の精度や加工精度を維持するのに非常に有効ですが、エネルギー消費が大きくなります。

3. 機械の内部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、電子制御ボックスなどのモーターからの熱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コンポーネント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動作する際、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ワークテーブル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。しかし必然的に、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 ボックスの加熱など、動作プロセス中にかなりの部分が摩擦熱に変換されます。

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、そのかなりの部分は切削変形エネルギーやチップと工具間の摩擦熱に変換され、工具、主軸、ワークの発熱が生じます。そして、大量の切りくずの熱が工作機械の作業台の治具やその他のコンポーネントに伝導されます。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) 冷却。冷却は、工作機械の温度上昇に対する逆対策であり、モータの冷却、主軸部品の冷却、基礎構造部品の冷却などがあります。ハイエンドの工作機械では、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は、工作機械の構造形状についての議論は通常、構造形状、質量分布、材料特性、熱源分布を指します。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、カンチレバー型があり、熱に対する応答性や安定性が大きく異なります。たとえば、変速旋盤の主軸ボックスの温度上昇は 35°C にもなり、主軸端が浮き上がり、熱バランスをとるのに約 2 時間かかります。安定したベースを備えた傾斜ベッド精密旋削およびフライス加工マシニング センター。マシン全体の剛性が大幅に向上。スピンドル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。工作機械の熱源は通常モーターであると考えられます。スピンドルモーター、送りモーター、油圧システムなど、実際には未完成です。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に流れる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 レールの摩擦仕事によって消費されます。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。コラム移動立形マシニングセンタのY軸送り動作時の温度上昇と変形。 Y軸送り中にワークテーブルは移動しないため、X軸の熱変形への影響は非常に小さくなります。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。 Z 軸が移動するときの機械の状況は、熱変形に対する熱源分布の影響をさらに示しています。 Z 軸送りは X 軸から遠いため、熱変形の影響は小さくなります。コラムのZ軸モーターナットがZ軸に近づくほど、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、質量のサイズと集中を指します。これは通常、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。第二に、さまざまなリブのレイアウトなどの質量のレイアウトを変更することによって、構造の熱剛性が向上し、同じ温度上昇の下で、熱変形の影響が低減されるか、または相対変形が小さく保たれます。 3つ目は、工作機械部品の温度上昇を抑えるために構造の外側に放熱リブを配置するなど、マスのレイアウトを変更することです。

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。同じ熱量の影響でも温度上昇や変形が異なります。

5. 機械の熱性能のテスト

(1) 工作機械の熱性能試験の目的 工作機械の熱変形を制御するには、工作機械の周囲温度の変化、工作機械自体の熱源や温度変化、その応答を十分に理解することが鍵となります。熱特性試験により要所の変形変位量を測定。テストデータまたは曲線は工作機械の熱特性を記述するため、熱変形を制御し、工作機械の加工精度と効率を向上させるための対策を講じることができます。

具体的には、次の目標を達成する必要があります。

1) 工作機械の周囲環境のテスト。作業場の温度環境やその空間温度勾配、昼夜交替による温度分布の変化、さらには季節変化が工作機械周囲の温度分布に及ぼす影響を測定します。

2) 工作機械自体の熱特性をテストします。環境干渉を極力排除した条件下で、工作機械を様々な運転状態に置き、工作機械自体の要所の温度変化や変位変化を測定し、十分長期間にわたる温度変化や要点変位を記録します。赤外線サーマルカメラを使用して各時間帯の熱分布を記録します。

3) 工作機械の熱変形が加工プロセスの精度に及ぼす影響を判断するために、加工プロセス中の温度上昇と熱変形をテストします。

4) 上記のテストは大量のデータと曲線を蓄積することができ、工作機械の設計やユーザーが熱変形を制御するための信頼できる基準を提供し、効果的な対策を講じる方向性を示します。

(2) 工作機械の熱変形試験の原理 熱変形試験では、まず以下の点を含む関連するいくつかの点の温度を測定する必要があります。

1) 熱源：各部の送りモーター、主軸モーター、ボールねじ伝動対、ガイドレール、主軸軸受を含みます。 2) 補助装置: 油圧システム、冷凍機、冷却および潤滑変位検出システムを含む。

3) 機械構造: ベッド、ベース、スライド、コラム、フライスヘッドボックス、スピンドルを含む。主軸と回転テーブルの間にインジウム鋼の測定棒を挟み込み、X、Y、Z方向に5個の接触センサーを配置し、さまざまな状態での総合的な変形を計測し、工具とワークの相対変位をシミュレーションします。

(3) 試験データの処理と解析 工作機械の熱変形試験は長時間連続で実施する必要があり、継続的なデータ記録が行われます。解析および処理後、反映された熱変形特性は信頼性が高くなります。複数のテストを通じてエラーが解消された場合、示された規則性は信頼できるものになります。主軸系の熱変形試験では計 5 点の測定点を設定し、そのうち 1 点目と 2 点目は主軸先端の主軸軸受付近、4 点目と 5 点目はミーリング部に設定します。ヘッドハウジングを Z ガイドレールに近づけます。テストは14時間続きました。最初の 10 時間は、主軸速度を 0 ～ 9000r/min の範囲で交互に変化させました。 10時間目からは主軸を9000r/minの高速回転を続けた。次の結論が導き出されます。

1) スピンドルの熱平衡時間は約 1 時間で、平衡後の温度上昇は 1.5℃ 異なります。

2) 温度上昇は主にスピンドルベアリングとスピンドルモーターに起因します。通常の速度範囲内では、ベアリングの熱性能は良好です。

3) X 方向には熱変形の影響はほとんどありません。

4) 主軸の熱伸びと軸受すきまの増加により、Z 方向の膨張変形が約 10m と大きくなります。

5) 9000r/min で連続回転させると温度上昇が急激に上昇し、2.5 時間で約 7℃上昇し、引き続き上昇傾向にあります。 Y方向とZ方向の変形は29mと37mに達しており、主軸が9000r/minの速度で安定して回転することはできませんが、短時間（20分）で回転できることがわかります。

工作機械の熱変形の制御については、上記の解析で説明しています。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要因が数多くあります。抑制策を講じる際には、主要な矛盾を把握し、半分の努力で二倍の成果を達成するために相応の措置を講じるべきである。

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。発熱量の削減と熱源の制御が基本対策となります。設計では、熱源の発熱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。モーター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、負荷の増加はモータの出力の増加、つまりそれに対応する電流Iも増加することを意味し、電流により電機子インピーダンスで消費される熱も増加します。当社が設計・選定したモーターを定格出力に近い、あるいは定格を大きく超える条件で長時間動作させると、モーターの温度上昇が著しく増加します。そこで、CNC針溝フライス盤BK50のミーリングヘッド（モーター回転数：960r/min、周囲温度：12℃）で比較テストを行いました。以上の実験から次のような考え方が得られます。 定格電力を選定する際は、主軸モータでも送りモータでも熱源の性能を考慮し、計算値より25％程度大きいものを選定するのがベストです。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増加しても、エネルギー消費量にはほとんど影響しませんが、モーターの温度上昇を効果的に低減できます。