콘텐츠 메뉴
● 소개
● 프로세스 조정
● 실제 생산 사례
● 결론
● 자주 묻는 질문
열 문제는 모든 CNC 작업장에서 경고 없이 나타나는 경우가 많습니다. 부품은 처음 실행 시 허용 오차 범위 내에서 측정된 후 날이 갈수록 사양을 벗어나게 됩니다. 원인은 거의 항상 열입니다. 절삭 공구, 스핀들, 볼 스크류, 심지어 냉각수 시스템까지 열이 발생하여 기계와 가공물 전체로 퍼집니다. 금속은 가열되면 팽창하며, 정밀 작업에서는 몇 도만 있어도 차이가 납니다. 알루미늄은 섭씨 1도 상승할 때마다 미터당 약 23미크론씩 증가합니다. 강철은 1도당 미터당 약 12미크론 정도로 덜 팽창하지만, 긴 부품이나 꼭 맞는 부분에는 여전히 그 효과가 더해집니다.
고속 기계나 경질 합금을 사용하는 작업장에서 문제가 가장 많이 발생합니다. 오하이오에 있는 터빈 블레이드 공장은 4시간 연속 절단 후 루트 직경이 18미크론 증가했기 때문에 인코넬 부품 전체 배치를 폐기한 적이 있습니다. 스핀들이 기둥을 따뜻하게 했고, Z축은 맞춤을 망칠 만큼만 이동했습니다. 4140 강철로 유압 블록을 제조하는 독일의 또 다른 공장에서는 교대 근무가 끝날 때까지 보어 크기가 0.015mm 열리는 것을 발견했습니다. 두 경우 모두 해결 방법은 새로운 기계가 아니라 공정 전반에 걸쳐 온도를 더 효과적으로 제어하는 것이었습니다.
여기서 목표는 간단합니다. 열로 인해 부품 치수가 변경되지 않도록 하는 것입니다. 이는 따뜻함이 어디서 오는지, 어떻게 이동하는지, 중요한 영역에 도달하는 것을 막는 단계를 이해하는 것을 의미합니다. 앞으로의 페이지에서는 주요 열원, 팽창의 물리학, 실제 작업장에서 작동하는 냉각 방법, 문제가 시작되기 전에 예측하는 모델링 도구를 다룹니다. 각 섹션에는 문제를 해결하고 이익을 유지한 실제 생산 현장의 사례가 포함되어 있습니다.
열은 한 번에 여러 곳에서 시스템으로 유입됩니다. 절단 구역은 가장 뜨거운 지점입니다. 공구와 가공물 사이의 마찰로 인해 국부 온도가 강철의 경우 600°C 이상, 티타늄의 경우 900°C 이상으로 올라갈 수 있습니다. 해당 에너지의 대부분은 칩과 함께 남지만, 공구, 홀더 및 스핀들로 전달되는 것은 문제가 되지 않습니다. 7075 알루미늄을 300m/분의 속도로 절단하는 12mm 카바이드 엔드밀은 대략 1.2kW의 열을 발생시킵니다. 그 중 약 40%가 처음 1분 이내에 기계 구조로 유입됩니다.
스핀들은 그 자체로 따뜻함을 더해줍니다. 베어링과 모터 권선은 꾸준한 손실을 발생시킵니다. 12,000rpm으로 작동하는 15kW 스핀들은 가벼운 부하에서도 800W를 열로 방출할 수 있습니다. 볼 스크류와 선형 가이드도 기여합니다. 빠른 횡단 이동은 너트와 레일에 마찰을 발생시켜 무거운 사이클에서 국지적 온도를 5~8°C 상승시킵니다. 냉각수 시스템은 때때로 상황을 악화시킵니다. 초과 절삭유는 절단 영역에서 온기를 흡수하여 이를 기계 베드나 고정 장치로 전달합니다. 20°C에서 시작된 재순환 유체는 한 시간 후에 35°C에 도달하여 냉각 흐름을 가열 담요로 바꿀 수 있습니다.
주변 조건도 중요한 역할을 합니다. 에어컨이 없는 건물에서는 아침과 오후 사이에 매장 온도가 6°C씩 변동하는 것이 일반적입니다. 이것만으로도 400mm 강철 고정구가 0.03mm 확장됩니다. 창문이나 근처 오븐을 통해 햇빛이 들어오면 테이블이 몇 마이크론 기울어지는 뜨거운 지점이 생길 수 있습니다. 캘리포니아의 한 항공우주 공급업체는 인클로저의 한쪽 면만 따뜻하게 하는 채광창에 대한 0.012mm Y축 드리프트를 추적했습니다.
팽창은 간단한 규칙을 따릅니다. 길이 변화는 원래 길이 x 열팽창 계수 x 온도 상승과 같습니다. 부품이 크거나 공차가 빡빡할 때까지 숫자는 작게 보입니다. 10°C의 온도를 높이는 500mm 알루미늄 브래킷은 끝에서 끝까지 0.115mm 늘어납니다. 열이 고르지 않으면 부품이 구부러지거나 뒤틀립니다. 평판의 페이스 밀링 가공은 하단보다 상단 표면을 더 빠르게 가열합니다. 상단이 더 확장되어 볼록한 모양이 만들어집니다. 이러한 경우 측정된 평탄도 오류는 일반적으로 0.05mm입니다.
기계 구조도 확장됩니다. 수직 1미터 기둥이 있는 머시닝 센터는 주조물이 10°C 상승할 때마다 Z 방향으로 10~12미크론씩 증가합니다. 여러 축이 서로 다른 속도로 따뜻해지면 효과가 더욱 복잡해집니다. 따뜻한 스핀들 노우즈는 공구 팁을 아래쪽으로 이동시키고 차가운 베드는 그대로 유지되어 절삭 깊이를 변경합니다. 문서화된 한 사례에서는 Haas VF-4가 2시간의 알루미늄 황삭 작업 후에 22미크론의 Z 드리프트를 보여주었습니다. 부품의 윗면은 너무 크게 나왔고 아랫면은 작아졌습니다.
칩 패킹은 또 다른 레이어를 추가합니다. 주머니에 갇힌 두꺼운 칩은 단열재 역할을 하여 새로 절단된 표면에 열을 유지합니다. 17-4 PH 스테인리스로 밀링된 포켓은 공구가 통과한 후 몇 초 동안 180°C를 유지했는데, 이는 바닥 직경이 8미크론 증가하기에 충분했습니다. 공기 분사나 고압 절삭유로 칩을 제거하면 문제가 해결되었습니다.
절삭유 선택이 기초를 설정합니다. 10~15°C의 홍수 시스템은 금속에서 가장 많은 열을 제거합니다. 절삭 영역에 70bar를 전달하는 관통 스핀들 설정은 Okuma 공장에서 테스트 실행 시 316 스테인리스의 온도를 220°C에서 110°C로 절단했습니다. 같은 공장에서는 300개 부품 전체에 걸쳐 보어 공차가 ±0.003mm였습니다. 최소량 윤활(MQL)은 알루미늄과 마그네슘에 더 효과적입니다. 시간당 20ml의 오일 미스트를 제공하는 2개의 노즐은 배터리 트레이의 열 증가를 0.028mm에서 0.009mm로 줄였습니다.
냉각된 냉각수 루프는 기계 자체를 안정적으로 유지합니다. 주조물을 통해 12°C의 물을 순환시키는 베드 냉각기는 Hermle C42에서 8시간에 걸쳐 Z축 드리프트를 3미크론으로 유지했습니다. 비용이 많이 들었지만 매장에서는 검사 실패 없이 소등 교대를 운영했습니다. 단순한 상점은 단열재를 추가합니다. 두산 DNM 5700은 기둥과 테이블 주변의 폼보드를 사용해 주변 영향을 60% 줄였습니다.
공기 냉각이 그 자리를 차지합니다. 스핀들 노즈를 겨냥하여 –20°C 공기를 생성하는 볼텍스 튜브는 티타늄 황삭 중에 베어링 온도를 15°C 떨어뜨렸습니다. 동일한 시스템은 얇은 벽의 항공우주 링에서 0.018mm 반경방향 성장을 방지했습니다.
저팽창 재료는 위험을 줄입니다. Invar 고정 장치는 도당 미터당 1.2미크론의 모양을 유지하므로 긴 알루미늄 압출에 이상적입니다. Kovar 팔레트는 가공 후 납땜할 때 전자 하우징을 안정적으로 유지합니다. 공작물의 경우 합금을 공정에 맞추십시오. 6061 알루미늄 기계는 빠르지만 공격적인 냉각이 필요합니다. 7075는 더 나은 강도와 약간 더 낮은 팽창을 제공하므로 공차가 0.01mm 미만인 경우 추가 공구 마모가 가치가 있습니다.
도구의 코팅은 열 전달을 차단합니다. TiAlN 층은 900°C를 견디며 홀더로의 전도를 줄입니다. 회주철 소재의 코팅된 인서트 밀링 엔진 블록 세트는 수명이 40% 더 길고 보어 성장을 0.006mm 미만으로 유지했습니다. DLC(다이아몬드 유사 탄소)는 복합재용 초경 드릴에 작용하여 인터페이스 온도를 120°C 낮추고 구멍 확대를 방지합니다.
설비는 부품만큼 중요합니다. 진공 척은 열을 고르게 분산시켜 냉각수가 뒷면까지 도달하도록 합니다. 0.045mm에서 0.007mm로 절단된 400mm 탄소 섬유 패널의 기계식 클램프에서 진공으로 전환됩니다.
워밍업 주기는 가장 저렴한 수정 방법입니다. 첫 번째 부품의 온도가 동일해지기 전에 스핀들을 50% 속도로 15분 동안 작동합니다. Boeing 공급업체는 이를 모든 프로그램에 추가하고 Y축 드리프트를 14미크론에서 2미크론으로 줄였습니다. 적응형 도구 경로도 도움이 됩니다. 모서리나 두꺼운 부분의 이송 속도를 낮추는 소프트웨어는 열을 안정적으로 유지합니다. Mastercam의 동적 밀링은 4140 기어 블랭크의 최고 온도를 18% 감소시켰습니다.
센서 피드백은 루프를 닫습니다. 스핀들과 테이블의 PT100 프로브는 데이터를 제어 장치에 공급합니다. 경사도가 4°C를 초과하면 기계가 일시 중지되거나 오프셋을 조정합니다. 이 시스템을 사용하는 디트로이트 변속기 공장은 12시간 동안 샤프트 직경을 ±0.002mm로 유지했습니다.
일괄 시퀀싱으로 부하가 분산됩니다. 뜨거운 부품에 대한 황삭 작업과 차가운 부품에 대한 정삭 작업을 교대로 수행합니다. 800개의 알루미늄 하우징을 실행하면 인터리빙 작업을 통해 열 오류가 45% 감소합니다.
시애틀의 한 항공우주 매장에서는 5축 Fives 갠트리에서 2m 알루미늄 날개 스파를 가공했습니다. 스핀들 열은 3시간 후에 Z 치수가 0.027mm 증가했습니다. 그들은 ANSYS에서 FEA 모델을 구축하고 기둥 베이스에서 핫스팟을 찾아 냉각 채널을 추가했습니다. 변경 후 정확도는 ±0.004mm 이내로 유지되어 배치당 $48,000를 절약했습니다.
스위스 의료 제조업체는 Mikron HSM 400에서 CoCrMo 힙 스템을 가공했습니다. 작은 도구는 국소적인 핫스팟을 생성하여 볼 직경을 0.011mm 늘렸습니다. 그들은 온도와 CMM 데이터에 대한 신경망을 훈련한 다음 Fanuc 제어를 통해 실시간 오프셋을 적용했습니다. 수율은 88%에서 97%로 증가했습니다.
일리노이주 철강 공장의 한 작업장이 두산 푸마 선반에서 사망했습니다. 아침 부분은 완벽했습니다. 오후 부품은 0.019mm 크기로 특대형입니다. 절연 커버와 20분간의 예열을 통해 오류가 0.003mm로 감소했습니다. 총 비용: 재료비 $1,200.
유한 요소 모델은 절단이 시작되기 전에 팽창을 예측합니다. 형상, 속도 및 냉각수 흐름을 입력합니다. 소프트웨어는 온도와 변형에 대한 컬러 맵을 출력합니다. 캐나다의 한 금형 제조업체는 이를 사용하여 고정 장치 지지대를 재설계하고 테이블 비틀림을 9미크론에서 4미크론으로 절단했습니다.
머신러닝은 이를 더욱 발전시킵니다. 기계의 10개 지점에서 온도 데이터를 수집하고 이를 CMM 측정과 연결합니다. 간단한 회귀 모델을 훈련하여 오류를 예측한 다음 실시간으로 CNC에 수정 사항을 보냅니다. 한 연구에서는 200사이클을 실행하는 수직 밀에서 94%의 정확도를 달성했습니다.
하이브리드 모델은 물리학과 데이터를 결합합니다. 기준선을 위해 FEA로 시작한 다음 ML이 칩 로드나 주변 스윙과 같은 변수를 조정하도록 하세요. 프랑스 연구 그룹은 이를 프로토타입 셀에 사용하여 알루미늄, 강철 및 티타늄 작업 전반에 걸쳐 0.005mm 미만의 성장을 유지했습니다.
오픈 소스 도구는 장벽을 낮춥니다. scikit-learn이 포함된 Python 스크립트는 이전 Fanuc 컨트롤에 대한 기본적인 보상을 처리합니다. 매장에서는 3개월 간의 데이터 수집 후 열 스크랩이 65% 감소했다고 보고했습니다.
열은 항상 가공의 일부이지만 부품을 망칠 필요는 없습니다. 절삭 영역, 스핀들, 절삭유, 작업장 공기 등의 원인을 식별하고 하나씩 공격하십시오. 예열 주기와 적절한 냉각수 압력으로 시작하십시오. 볼륨이 증가함에 따라 센서와 단순 모델을 추가합니다. 성공한 공장에서는 열 관리를 나중에 고려하지 않고 프로세스 매개변수로 처리합니다.
결과는 숫자로 나타납니다. 불량률이 낮아지고, 검사 시간이 줄어들고, 고객이 부품 반품을 중단합니다. 텍사스의 한 중간 규모 공장은 베드 냉각기와 적응형 경로를 설치한 후 재작업을 72% 줄였습니다. 일본의 또 다른 회사는 MQL과 워밍업 루틴만으로 10,000개 작업에서 서브미크론 공차를 유지했습니다.
이번 주에 작업 하나를 수행하여 스핀들, 테이블 및 부품의 온도를 측정하십시오. CMM의 드리프트에 주목하십시오. 냉각수 흐름, 체류 시간, 고정 재료 등 하나의 변수를 변경하고 다시 측정합니다. 데이터는 다음 단계를 가리킬 것입니다. 계속 반복하면 열 성장이 예전에 겪었던 문제가 됩니다.
Q: 열로 인해 내성 변동이 발생하는지 어떻게 알 수 있나요?
A: 실행 시작과 끝에서 부품 치수를 확인하십시오. 기계 가동 시간에 따라 오류가 커지고 스핀들 또는 베드 온도와 관련이 있는 경우 열이 문제입니다.
Q: 스핀들 냉각기가 모든 것을 고칠 수 있나요?
A: 많은 도움이 되지만 절단 영역이나 작업물을 냉각시키지는 않습니다. 최상의 결과를 얻으려면 공구 관통 절삭유 및 예열 주기와 결합하십시오.
Q: 열 오류를 줄이는 저렴한 방법이 있습니까?
A: 예. 예열 프로그램을 실행하고, 컬럼을 단열하고, 교대조 초기에 대량 절단 일정을 계획하고, 냉각수를 깨끗하고 시원하게 유지합니다.
Q: 건식 가공은 항상 더 많은 성장을 유발합니까?
A: 일반적으로 열을 운반할 유체가 없기 때문입니다. MQL 또는 공기 냉각은 많은 알루미늄 작업의 홍수 결과와 일치할 수 있습니다.
Q: 언제 열 모델링 소프트웨어에 투자해야 합니까?
A: 열 오류로 인한 폐기 비용이 소프트웨어 라이센스보다 높거나 고객이 프로세스 안정성 증명을 요구하는 경우.
