合成石英鋳物は機械の性能を改善できますか?

テリー・カプアーノ、PE | 2023 年 5 月 12 日

工作機械、測定機、ピックアンドプレース装置の主要な基礎構造には、鋳鉄、鋼溶接物、ステンレス鋼やアルミニウムの鋳物などの伝統的な材料が使用されています。 チップボンダーは安定性が低く、振動伝達特性が高いため、この装置の精度には限界があります。 これらの材料の代替として推奨されるのは、合成石英 (SQ) 複合鋳造です。 あらゆるタイプの機械が再設計され、金属構造を SQ 鋳物に置き換えてコストを削減し、リードタイムを短縮し、機械の性能を向上させ、塗装を省略し、強力な冷却剤に対する耐性を向上させ、構造を製造するためのエネルギー消費を削減しています。 これらの鋳物はステンレス鋼の代わりに食品加工や化学ポンプのベースにも使用されています。

MOHS 硬度 8 の高純度クォーツが生成されるまでには 2,000 万年かかりました。そのクォーツは、一般的な SQ 混合物の 92% になります。 複合材料の残りの部分は通常、エポキシ、ポリウレタン、またはメタクリル酸メチルなどの高強度液体樹脂に、骨材の接着と空気放出のための添加剤を加えたものです。

SQ 鋳物は、鋳鉄に比べて製造に必要な総エネルギーが 85% 少なく、コストも安く、多くの場合、完成公差に合わせて数日で製造できます。 色を付けることができ、優れた耐薬品性を備えています。 SQ 鋳造の優れた振動減衰特性により、機械はより高い精度で高速で動作し、騒音レベルが低減されます。

切削工具/砥石車の寿命が 30% ～ 50% 伸びるという経験的主張が報告されています。 切削工具の寿命が長くなるということは、エンドユーザーにとってダウンタイムが減り、工具コストが削減されることを意味します。 工具の急激な摩耗により、生産中に部品が公差を超えて機械加工される可能性があります。 機械加工部品の表面仕上げ、公差、生産速度、工具寿命は、システム内に伝わる振動の量に直接関係します。

SQ 鋳造品は、多くの場合完成公差に合わせて鋳造したり、その後非常に正確な公差に合わせて複製したりできるため、通常の製造時間は数日で製造コストが低くなります。 色を付けて鋳造できるため、塗装やそれに関連する多くの EPA 塗料規制が不要になります。

SQ 鋳造は 36 インチ x 72 インチ x 6 インチのアルミニウム鋳物を 1/2 のコストで置き換え、平面度 0.001 インチまで鋳造し、リードタイムは 3 か月から 1 週間に短縮されました。

正しく生成された SQ の特徴は次のとおりです。

SQ 鋳造品はメタクリル酸メチル (アクリル) ウレタンまたは樹脂を使用して作成できますが、エポキシが最も一般的に使用される樹脂系です。 エポキシは強度が高く長期安定性に優れ、取り扱いが容易です。 また、ステンレス鋼の代わりに食品と接触する用途にも使用できます。

エポキシは化学量論的配合物であり、硬化剤に対する樹脂の正確な投与量が必要です。 硬化剤の配合が多すぎたり少なすぎたりして不適切な混合を行うと、何年も未硬化の状態になる可能性があります。 正しい粘度、硬化速度、安定性、強度、コストを考慮して正しいエポキシ樹脂システムを選択することも重要です。 配合を変更して非常に迅速な硬化を実現したり、発熱を抑えるために大きな塊を鋳造するときに数時間かかるように硬化を遅くしたりすることができます。

チップボンダーベースは、上部が 0.001 インチの平坦度でキャストされ、片側に対して 0.001 インチ以内で垂直になります。

適切な SQ ミックスを生成するには、システムは以下を考慮する必要があります。

設計者が最初に行う必要があるのは、機械構造の設計に関して知っているすべての経験則を忘れることです。 どの機能がアプリケーションに最適な構造を生み出すかについて自由に考える必要があります。 そして、一貫した壁の厚さに制約される必要はもうありません。 同じ領域で壁の厚さが 1 ～ 12 インチになっても、悪影響はありません。 プラスチック製のチューブや油圧ラインをベースに流し込むことができるため、組み立てラインでベースの外側にラインを設ける必要がなくなります。

部品に鋳造された 161 の真空ラインを示す金型。

これまでに鋳造された中で最も困難な部品の 1 つは、深さ 1 mm の真空溝が 11 本ある直径 18 インチ、270 度のドラムです。 (ページ上部の画像を参照してください。) この鋳造品のボアの TIR は 0.001 です。 真空溝は各端の 25 mm 前で終わっているため、工具を部品から引き抜く必要があり、回転して取り出すことはできません。 各真空溝は鋳造品の後部から出てマニホールドにつながっています。 鋳鉄または鋳造アルミニウム部品の製造に数か月かかる部品を 2 日で製造でき、SQ 鋳造のコストは他の方法に比べて数分の一です。

金属片として分離する必要がある部品を 1 つとして鋳造できるようになり、組み立て時間が短縮されるだけでなく、コンポーネントに必要な公差も減少します。

この技術を使用してのみ利用できるもう 1 つの設計機能は、公差内で部品を鋳造できることです。 表面は正確な平面度、穴の直径、位置に合わせて鋳造できます。 金型が検証されると、鋳造寸法は一貫して同じになるため、検査が軽減されます。 ウェイサーフェスは公差内に鋳造したり、正確に複製したりすることもできます。

タップ穴は、所定の位置に鋳造されたねじ付きインサートです。 各ねじ山付きインサートは、部品に鋳造されるボルトを挿入することによって金型に保持されるため、ねじ穴を見逃したり、ねじ山を外したりすることはありません。

SQ のもう 1 つのユニークな特徴は、同じ鋳物で異なる特性を持つ表面を鋳造できることです。 ある研削盤メーカーは、部品の鋳造時にクロススライドに低摩擦ウェイ面を鋳造しています。 この表面は優れた長期摩耗性と非常に低い摩擦を実現します。

0.0001 インチ/フィートまで複製された X 軸と Y 軸のリニア レール表面を備えたグラインダー ベース

排水システムは標準の PVC パイプを使用して鋳造できます。 剛性にほとんど影響を与えずに重量を軽減するためにフォームコアを鋳込むことができます。 SQ は耐薬品性に​​優れているため、タンクをアセンブリの一部として鋳造することができ、SQ は多くの用途でステンレス鋼の代わりに使用できます。

公差内で鋳造できない部品には、鋳造後に複製によって精密な表面が作成される場合があります。 このプロセスでは、精密な面を作成するために使用される精密なマスターが作成されます。 次に、複製材料が塗布され、精密なマスターがあらかじめ設定された距離で鋳造物に対して配置されます。 硬化後 (通常は 24 時間)、マスターは除去され、作成された表面はマスターの正確なコピーになります。 レールを取り付けるための精密な表面や、移動するスライドと直接接触するための低摩擦表面にすることができます。

以下の表は、CASTINITE HS Standard Mix SQ 材料の基本特性を示しています。

SQ 鋳物は室温および常圧で製造されるため、型は木材、グラスファイバー、板金、スチール、またはプラスチックで作ることができます。 木型は最も安価ですが、二次加工を行わないと精密な部品を製造できません。 木型が適切に設計、製造、処理されていれば、多数の鋳物を製造できます。 設計が適切でなかったり、鋳造時に適切に扱われなかったりすると、不良品が発生します。

45,000ポンドLBグラインダーベース(右)用の木型(左)。

精密な鋳物を厳密な公差内で大量に生産するには、鋼生産ツールが必要です。 適切に設計された鋼製金型を使用すると、二次加工を行わずに公差内で部品を鋳造でき、生産時間が短縮され、部品の表面仕上げが大幅に向上します。

SQ 鋳物は、カウンタートップ、墓石、溝の排水管、化学ポンプの基部など、他の多くの用途に使用されています。 NASA はエネルギー貯蔵に使用するためにそれらをテストしています。

コストを削減し、二酸化炭素排出量を削減し、マシンのパフォーマンスを向上させたいと考えている場合、SQ がその答えとなるかもしれません。

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