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製造業では、精度は王です。長い生産の実行にわたって部品を締めくくると、寸法の小さな変化でさえトラブルを綴ることができます。これらの頭痛の背後にある主要な犯人の1つは熱です。 製粉、回転、粉砕などの機械加工 プロセスは、深刻な熱エネルギーを生成します。これにより、ツール、ワークピース、さらにはマシンが拡張またはワープできます。継続的な生産の数時間または数日にわたって、これらの温度スイングは、あなたの公差と脱線の質を捨てることができます。
機械加工温度を抑えるだけでなく、物事を冷却するだけではありません。それは、実行がどれだけ長くても、すべての部品が仕様内にとどまることを保証することです。この記事では、一貫した信頼できる結果を必要とする製造エンジニア向けに書かれた機械加工で熱を管理する実用的な方法を定めています。なぜ熱が重要なのか、それがどのように生産を台無しにするのか、そしてそれを制御するためにできることを掘り下げます。クーラントシステムからスマートモニタリングのトリックまで、堅実な研究やショップフロアの例に裏付けられた実世界のソリューションを共有します。最後に、あなた自身の操作で温度問題に取り組むための明確なゲーム計画があります。
セマンティックスカラーとGoogle Scholarに関するピアレビューされた研究から洞察を引き出して、物事を接地し続けました。ここでの目標は、アカデミックな綿毛をスキップし、実際に使用できるアイデアに集中することです。 CNCショップを運営している場合でも、航空宇宙用の高精度部品を構築する場合でも、このガイドは、生産を順調に進めるのに役立つように設計されています。
熱は、機械加工の一部と小包です。ツールがワークピースに噛まれると、摩擦と物質の変形が熱エネルギーを蹴ります。これにより、気温が高騰し、ツール、パーツ、さらにはマシン自体を加熱することができます。あなたがそれを管理しない場合、これらのホットスポットは熱膨張を引き起こし、寸法をシフトし、正確に破壊します。
熱の膨張は単純な物理学です。熱により材料が成長し、冷却すると縮小します。鋼部分の場合、10°Cの温度ジャンプは、約12 µm/m°Cの熱膨張係数に基づいて、長さ100 mmの長さ約0.012 mmを伸ばすことができます。許容範囲がかみそりの薄い航空宇宙や医療機器などの業界では、検査に失敗するのに十分です。長期的には、一貫性のない温度がこれらのエラーを積み重ねるため、シフトの開始時にスポットオンになった部品は、最後までに仕様から漂う可能性があります。
熱は寸法を台無しにするだけではありません。また、ツールを噛んで表面の品質を傷つけます。高温は切断端をより速く摩耗させ、ツールをより頻繁に交換し、ダウンタイムを獲得します。また、部品に熱亀裂や応力を残すこともできます。これにより、後で故障を引き起こす可能性があります。ショップの場合、これは、より高いコスト、リードタイムが長く、潜在的な品質の頭痛を意味します。
この例を挙げてください。チタン合金の高速製粉に関する研究では、チェックされていない熱がわずか30分でツールの摩耗が50％増加し、表面の粗さが20％減少することが示されました。ターゲットを絞った冷却アプローチを使用することにより、彼らはツールの寿命を40％伸ばし、表面をよりスムーズに保ちました。別のケースには、自動車部品用のショップの機械加工アルミニウムが含まれていました。適切なクーラントがなければ、熱の膨張により、ボア直径は12時間の走行で0.015 mm変化し、10％のスクラップレートになりました。より良いクーラントセットアップは、そのスクラップを2％未満にカットします。
それで、どのようにして熱があなたの生産を捨てないようにしますか？それぞれが研究と現実世界の使用に支えられているいくつかの実用的な戦略を分解しましょう。これらは、冷却方法から、微調整や監視システムを処理するまでの範囲です。
クーラントは、機械加工ゾーンから熱を引き出すためのあなたの魅力です。彼らは、ツールとワークから熱エネルギーを吸収し、それを運び去ります。しかし、すべてのクーラントシステムが平等に作成されるわけではありません。適切なシステムを選択することは、材料、プロセス、および生産目標に依存します。
洪水冷却は昔ながらのアプローチであり、クーラントの安定した流れで切断領域をダウシングします。鋼鉄やアルミニウムの回転など、汎用機械加工にシンプルで効果的です。 Milling AISI 1045鋼に関する研究では、1分あたり10リットルの洪水冷却により、切断ゾーンの温度が30％低下し、寸法誤差が100部以上0.005 mm未満に抑えられていることがわかりました。
しかし、洪水冷却には欠点があります。乱雑で、大量の液体を使用しており、クーラントがカットの奥深くに届かない場合がある高速または精密作業には優れていません。そこで、最小数量潤滑剤（MQL）が入ります。MQLは、1時間あたりのミリリットルを使用して、オイルベースの潤滑剤の細かい霧を吹き付けます。環境にやさしく、チタンやステンレス鋼などの材料に適しています。 Inconel 718の回転におけるMQLの研究では、50サイクルで0.003 mm以内に部品寸法を維持しながら、乾燥機械加工と比較して25％のツール摩耗が減少しました。
極低温冷却は、窒素や二酸化炭素のような超寒い液体を使用して、物事を刻みます。それはより高価ですが、厳しい素材で輝いています。ショップの機械加工チタン航空宇宙部品は、極低温CO2冷却を使用し、ツールの寿命を2倍にし、直径の許容範囲は200部以上の±0.002 mmの安定しています。キャッチ？専門の機器が必要であり、すべてのショップで実用的ではありません。
実世界のヒント：オハイオ州の中規模のショップは、アルミニウムの押出を粉砕するために洪水からMQLに切り替えました。クーラントのコストを60％削減し、クリーンアップ時間を短縮し、24時間の走行で部品の長さを0.01 mm以内に保ちました。
時には、熱を制御する最良の方法は、それをより少なく生成することです。微調整の機械加工パラメーター（速度、飼料速度、カットの深さ）は、生産性の目標を達成しながら、熱エネルギーをダイヤルダウンできます。
切断速度が低いと摩擦が減少するため、熱が少なくなります。 AISI 4140鋼の回転に関する調査では、速度を200 m/minから150 m/minカット温度に20％下げることができ、150部にわたって0.002 mmの寸法シフトしかありませんでした。飼料速度も重要です。より高い飼料は加工時間を短縮し、熱への曝露を減らすことができます。同じ研究では、より低い速度で15％増加すると、温度が安定し、スループットが向上しました。
カットの深さは難しいです。浅い切断では熱が少なくなりますが、時間がかかりますが、より深いカットは物事を高速化しますが、温度を上げます。鋳鉄製のエンジンブロックを機械加工するショップでは、スイートスポットが見つかりました。中程度の速度でカットの深さ1.5 mmの深さは、500部を超える0.004 mm以内のシリンダーボアを保持し、熱と効率のバランスを取ります。
ソフトウェアツールはここで役立ちます。現在、多くのCAMシステムは熱の蓄積をモデル化し、最適なパラメーターを提案しています。ドイツのメーカーは、熱シミュレーションを使用してチタンのフライスパスを最適化し、温度誘発エラーを35％削減し、サイクル時間を15％節約しました。
ツールとワークの材料の選択は、熱管理に大きな違いをもたらす可能性があります。炭化物やセラミックなどの熱伝導率が高いツールは、高速鋼よりも熱をより良く分解します。ティアーンやダイヤモンドのような炭素のようなコーティングも摩擦を減らし、温度を下げます。
Tialnコーティングされたツールで硬化鋼を粉砕した研究では、300部を超える寸法の安定性を備えた、コーティングされていない温度と比較して、温度が15％低下したことが示されました。ワークピースの場合、熱膨張係数（invarや炭素複合材料など）が低い材料が加熱されたときに少ない材料を使用します。航空機用の複合パネルを作るショップは、ダイヤモンドコーティングツールを使用し、低熱の生成と材料特性のおかげで、1000部以上の0.005 mm以内に許容範囲を保持しました。
例：日本の精密店では、ジェットエンジン用のニッケル合金を機械加工するためにセラミックツールを使用しました。彼らは、炭化物ツールと比較して部品の熱膨張が30％少ないため、12時間のランで穴の直径を0.003 mm以内に保ちました。
測定されるものは管理されます。リアルタイムの温度監視により、部品を破壊する前に問題を見つけることができます。赤外線カメラまたは熱電対は、ツールとワークの温度を追跡できます。粉砕AISI 52100鋼の粉砕に関する研究は、赤外線センサーを使用して熱スパイクを検出し、クーラントの流れを調整して表面温度を150°C未満に保ち、平らを200部を超える0.002 mmに保持しました。
アダプティブコントロールは、センサーを使用してパラメーターをその場で調整します。適応制御ソフトウェアを備えたCNCミルは、気温が高すぎると切断速度が遅くなる可能性があります。カリフォルニアのショップでは、熱電対データに基づいて自動調整供給速度により、48時間にわたって0.003 mm未満の寸法誤差を維持するために、アルミニウム航空宇宙部品用の5軸ミルの適応制御を使用しました。
現実世界のケース：英国の医療インプラントメーカーは、コバルトクローム合金のターニング中にレーザーベースの熱モニタリングを使用しました。彼らは温度スパイクを早期に捕まえ、MQLの流れを調整して、直径を1000部の0.001 mm以内に保ちました。
温度制御は、すべてのサイズにぴったりの修正ではありません。各戦略にはトレードオフがあります。洪水冷却は安いですが、無駄です。 MQLは環境に優しいですが、深いカットではあまり効果的ではありません。極低温冷却は精度を提供しますが、大きな前払いコストが必要です。パラメーターを最適化すると、熱を節約できますが、生産が遅くなる可能性があります。監視システムは精度を追加しますが、熟練したオペレーターとメンテナンスが必要です。
店も実用的なハードルに直面しています。 MQLまたは極低温の古い機械を改造するのは高価です。適応システムのトレーニングスタッフには時間がかかります。そして、ハイミックスでは、低容量の生産で、さまざまな部品のパラメーターを絶えず微調整することで、効率に食い尽くすことができます。
例：テキサス州の小さな店は、ステンレス鋼の極低温冷却を試みましたが、機器のコストが低容量のランニングの利点を上回っていることがわかりました。彼らはMQLに切り替えましたが、これは安価であり、100部以上の0.005 mm以内に許容範囲を保持していました。
今後、温度制御の機械加工はより賢くなっています。 Industry 4.0技術（IoTセンサーやAIなど）は波を起こしています。スマートマシンは、履歴データを使用して熱の蓄積を予測でき、問題が発生する前にパラメーターを調整します。 AI駆動型ミリングに関する研究では、95％の精度で熱誤差を予測し、500部を超える寸法ドリフトを50％削減しました。
ハイブリッド冷却システムも出現しており、MQLと極低温ジェットを組み合わせて柔軟性を備えています。ドイツのプロトタイプシステムは、気温を40％減らしました チタンの機械加工、300部を超える0.002 mmの許容範囲を保持しています。デジタルツイン - マシンの仮想モデル - 削減する前に、トライアルとエラーの時間を節約する前に、ショップをシミュレートします。
例：スウェーデンの航空宇宙会社は、タービンブレードを粉砕するためにデジタルツインをテストし、0.001 mm以内に熱膨張を予測しました。彼らはデータを使用してMQLフローを微調整し、24時間の実行を超えるスペック内の部品を維持しました。
熱は機械加工の生活の事実ですが、生産を台無しにする必要はありません。スマート冷却システムを使用したり、プロセスパラメーターを調整したり、適切な材料を選択したり、温度を監視したりすることで、長期的にも緊密な許容範囲内に部品を維持できます。各戦略にはその場所があります。一般的な仕事のためのフロークーリング、環境に配慮したショップのMQL、高得着の精度のための極低温、最先端の運用のための適応制御。
重要なのは、ソリューションをニーズに合わせて一致させることです。小さなショップは洪水の冷却と手動の調整に固執するかもしれませんが、大量の航空宇宙工場は極低温とAI駆動型の監視に投資することができます。セットアップが何であれ、ペイオフは明確です。廃棄された部品が少なく、ツール寿命が長く、より幸せな顧客です。
研究はこれをバックアップします。クーラントシステム、パラメーターの最適化、および熱モニタリングに関する研究では、寸法の安定性と効率が一貫した増加を示しています。オハイオから日本までの現実世界の店は、これらの戦略が機能し、コストを削減し、品質を高めることができます。 IoTやデジタル双子のような技術が進化するにつれて、温度制御はより簡単で正確になります。
だから、次回は長いプロダクションランを見つめているときは、熱をあなたの良くさせないでください。適切なツールを選択し、温度に注意し、必要に応じて調整します。あなたの部分、そしてあなたの収益はあなたに感謝します。
Q：小さな店で機械加工温度の制御を開始する最も簡単な方法は何ですか？
A：洪水冷却から始めてください。手頃な価格で、ほとんどの材料で機能します。流量を最適化し（約8〜10リットル/分）、ノズルが切断ゾーンに当たるようにします。アルミニウムまたは鋼を機械加工する場合、これにより最大100部の走行の場合、寸法誤差を0.01 mm未満に保つことができます。
Q：MQLは洪水冷却からの切り替えに値しますか？
A：チタンまたはステンレス鋼を切る店の場合、MQLはクーラントの使用を90％削減し、ツールの摩耗を20〜30％削減できます。高速加工には最適ですが、乾燥した斑点を避けるために適切なセットアップが必要です。寸法の安定性を確認するために、テスト実行で試してみてください。
Q：クーラントシステムがうまく機能しているかどうかはどうすればわかりますか？
A：実行中のツールの摩耗と部品寸法を測定します。摩耗が30分で10％以上増加するか、寸法が0.005 mmを超えてドリフトする場合は、フローまたはスイッチの方法を調整します。赤外線温度計も150°Cを超えるホットゾーンを見つけることができます。
Q：適応制御は古いCNCマシンで機能しますか？
A：はい。ただし、センサーとソフトウェアを備えたレトロフィットキットが必要です。マシンあたり約5,000〜10,000ドルのコストを期待してください。高精度の作業には価値があり、エラーを長期にわたって0.003 mm未満に保ちますが、トレーニングオペレーターが重要です。
Q：極低温冷却システムは中規模のショップで実用的ですか？
A：高価で、セットアップには50,000ドル以上 - チタンなどのタフな素材に最適です。大量の航空宇宙作業を行っている場合、ツールの寿命を2倍にし、許容範囲を0.002 mmに保持できます。一般的な機械加工の場合は、MQLまたは洪水冷却に固執します。
切断温度を予測および制御するための熱モデリング。フェイスミリングプロセスのシミュレーション
Procedia Engineering、2014
このペーパーでは、ミリングの温度を削減するための簡単な方法を紹介し、過渡熱伝達モデルにおける非線形等価抵抗の重要性を強調しています。分析、数値、および実験結果を比較して、その熱モデリングアプローチを検証します。方法には、FEM分析と修正されたしこり容量が含まれます。 Benabid et al。 2014、pp。37–42
https://daneshyari.com/article/preview/858611.pdf
切断力学と構成的関係
材料を使用した力と温度の相関を伴う機械加工温度の予測モデリング、2019
この分析モデルは、機械工とジョンソンクック構成モデルを介して機械加工力と温度を相関させることにより、一次および二次せん断ゾーンの温度を予測します。高い計算効率により、文献に対して検証されたリアルタイムの予測が可能になります。 Ning and Liang 2019、pp。284–298
https://www.mdpi.com/1996-1944/12/2/284
ハードスチール
サーマルサイエンスの回転中の切断温度の監視とニューラルネットワークモデリング、2018年に
は、赤外線サーモビジョンとニューラルネットワークを使用して硬化鋼の回転式の削減温度を調査して、切断パラメーターに基づいて温度を予測します。温度予測では〜95％のANN精度を示し、パラメーター効果を分析します。タリッチ等。 2018、pp。2605–2614
https://thermalscience.vinca.rs/pdfs/papers-2017/tsci170606210t.pdf
AISI 1045 SteelおよびAISI 4340 Steel 機械加工温度の予測における分析モデルの評価、2018年
Journal of Manufacturing and Materials Processingの
、さまざまな条件下での機械加工温度を予測するための物理ベースのモデルを評価し、入力力とチップの厚さに対する感度を分析し、実験データに対する検証を評価します。著者は、入力パラメーターを変化させ、偏差を比較してモデルの堅牢性を評価します。 2018、pp。74–86
https://www.mdpi.com/2504-4494/2/4/74
