大型ワークの寸法が変化する？

Question

大型ＮＣ立旋盤のオペレーターです。内径がФ2000～3000?のワークが多いのですが、寸法管理に悩まされてます。
材質はSS400、SCS、MASなど、一般的によくある材質です。

環境としては、ミツトヨ特注の2000～3000?の内径マイクロメーター、基準棒、基準棒とマイクロメーターのゼロ点チェックをする器具など、一通り揃っています。

仕上げ前後の寸法の測定時は、
?先ずワークの温度を赤外線温度計で測る。
?基準棒の温度を赤外線温度計で測る。ここで温度差がなければ温度の件は無視。温度差があれば、基準棒の材質とワークの線膨張係数を換算。
?基準棒と内径マイクロメーターのゼロ点誤差を調べ、ゼロ点誤差を換算して測定。
という手順です。

悩んでいるのが朝に内径を測定した時、基準棒が25℃、ワークも25℃。測定した結果、内径がФ2500,00?。

昼にもう一度測ると基準棒が30℃、ワークが29℃、で測定した結果内径の寸法がФ2499,90?。温度差、線膨張係数を考えても辻褄が合いません。

特にマニアックな材質ではありませんし、基準棒とワークの線膨張係数の差は1℃につきせいぜいミクロン単位です。

温度が上がると寸法が大きくなるならわかりますが、なぜ温度が上がると小さく測れてしまうんでしょう？

基準棒とマイクロメーターの誤差は、いつ、何℃の時に調べても誤差がありません。温度が低くなることによりマイクロメーターも縮んでいる。つまりマイクロメーターが縮んだ状態で測ると、その分大きく測れる。ということでしょうか？しかしゼロ点に狂いはなく、基準棒とワークも同じ温度・・・
わけが解らなくなってきました。

Accepted Answer

気になる記述
>?先ずワークの温度を赤外線温度計で測る。

赤外線温度計で光沢金属の温度を正確に測定可能なのは市販されてないと思うのだが？
http://www.hayashidenko.co.jp/about_rtFaq.html
http://www.ureruzo.com/ondo-hInfo.htm
ほとんどのメーカでは光沢金属の測定は保証されてない

光沢金属が測定可能な機種は少ない（常温は範囲外）
https://www.optex.co.jp/meas/products/built/gt_3m/

＞内径がФ2000～3000?
そんな巨大なワークで前周に渡って同じ温度とは思えないのだが？
東面、西面、南面、北面で許容誤差範囲の温度なのでしょうか？
削った直後の熱い状態でなく冷めた状態としても

Answer

温度変化だけによる変位「線膨張係数の差は1℃につきせいぜいミクロン単位」
これから0.1mmも縮まるのは確かに納得出来ない。但し、これは推測だがワーク
を拘束状態で計測しているのではないか(加工後に計測するのでしょう？）

？もしそうなら、温度変化による応力により単に直径を変化させる力だけでは
なくてワーク形状によっては曲げ応力による変位などで想定以上の大きな変位
が生じることもあるのかも知れません。従って拘束を開放した状態での計測で
なければ正確には測れないかも知れない。ワークが複雑な形状ではないか？

構造物でもそうだが、複雑な形状の変位の求解はFEMを用いて計算しなければ
現実に近い変位を導き出すことは人間のオツムだけでは相当厳しいでしょう
特に2次元的な単純なものでない限り3次元的に難しくなる此方の方が設計計算
する実務のほうが多いかもしれない。工作機械のフレームも現実には難しいし

Answer

外からの光を反射して誤差が生じる
艶消しブラックを吹き付け測る
と、教えられた

上面側面下面を測ってみればいかがか？

自信を持ってこれだよと言うほど
実績は無いがマシになった記憶がある

Answer

ワークが厚肉で、表面は29℃でも、
内部の温度はもっと低く、25℃に近いからとか？

着目したのは、

>昼にもう一度測ると基準棒が30℃、ワークが29℃

ワーク表面のほうが1℃低いところ。
これはワークの内部から冷やされているためで、
ワークの内部はもっと温度が低いのでは？と考えました。

それから、

>基準棒とワークの線膨張係数の差は1℃につきせいぜいミクロン単位です。

φ2,500のワークの場合、線膨張率=10.7*10^-6として、
ワークの温度が1℃低ければ、
2,500*10.7/1000,000*1≒0.027[mm]だけ小さく測れます。
ワークの温度が5℃低ければ、
2,500*10.7/1000,000*5≒0.134[mm]だけ小さく測れます。

>表面だけ温度が上がれば表面だけ温度差により収縮するのか？

そうではなくて、もっと簡単に考えて、
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朝の測定では、
昨昼から朝までの長い時間で気温が30→25℃と下降しているので、
厚肉でないマイクロメータと基準棒はもちろん、
厚肉のワークも、全体が30℃→25℃となっている。
↓
どちらも同じ温度なので正しく測定できる。
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昼の測定では、
朝から昼までの短い時間で気温が25℃→30℃と上昇しているので、
厚肉でないマイクロメータと基準棒は、全体が25℃→30℃となるが、
厚肉のワークは、表面は29℃まで上がっているが内部はまだ低い温度のまま。
↓
膨張した測定器で膨張していないワークを測定するので小さく測れる。
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というお話です。

P.S.
もちろん、一晩おけば温度慣らしとして充分なのかは、
さらに検討･検証しなくてはいけないと思います。

Answer

そこで思考を停止してしまうことが理解できません。

翌日再び25℃になるのを待って測ればどうか、
翌々日はどうか、更に～
別の温度ならどうか、

温度の均一性のための均し時間は充分掛けねばならない。計算式には誤差もある。
精密測定は一定温度で行うが大原則です。殆ど20℃ながら当事者間の合意あれば25℃など。許容差も取決めを要す。

長さ基準とは
　　JIS B 7506ブロックゲージ
　　ブロックゲージの寸法は，標準温度 20℃(ISO 1 参照)，標準気圧 101325 Pa，
　　標準水蒸気圧 1333Pa 及び標準二酸化炭素含有率 0.03％において求める。
　　(標準気圧，標準水蒸気圧及び標準二酸化炭素含有率からの偏差によって生じるブロックゲージ
　　の変形は，通常の大気の状態では無視してもよい)

ここまで一定にして測るものです。

大寸をマイクロメータの2点寸法で信頼性ある測定ができるかも疑問。
ワークの真円度、円筒度も小径のレベルではない。
精度に問題ないわけでないが、恒温室に鎮座する３次元測定機を用いないではその傾向も掴めない。
現場測定はマイクロを使わざるを得なくとも、違いを認識して補正していくのが加工技能です。

http://www.oogataseimitukouzoutai.jp/setsubi/setsubi.html
大型精密部品を機械加工する場合、加工をする前にワークを温度慣らししなければなりません。
温度慣らしは通常２４時間を要し、温度差による金属の収縮の影響をなくすことで、初めて高精度な加工が可能となります。その上で大型のワークを加工するための、、、

指摘が出ている、赤外線温度計の問題、慣らし時間の問題が大きいと思います。

評価の手計算は面倒だし大凡しか出ないが、コンピュータにやらせる方法はあり。
しかし上記のように経験の蓄積によって、このサイズなら温度慣らし何時間必要と決めるが殆ど。工作機械ベースの加工は2～3日寝かせるとか。

にしても建屋全体の恒温室化が無いと1日の変動は避けがたく、加工/測定の精度に限界がある。

その通り。。。理想的な対策は金次第で限界あります。

しかし傾向をつかんで理想に少しでも近づけるは技能者の腕。
その為にはデータ蓄積。過ぎたけど3連休などを活用すれば時間と条件が整いやすい。

大型ワークの寸法管理に悩むオペレーターの質問