アリ溝の熱膨張で困っています

質問

アリ溝を利用して、スライドさせる機構があります。
この機構に熱が加わります（３００～４００℃）。
すると、熱膨張のせいかスライドが動かなくなります。
冷えている状態ではスムースです。

?当初、熱膨張のことを考えずに、アリ溝の公差を＋０．０２のガタとしていました。
?熱の影響で動かなくなったので、追加加工して＋０．１にしましたが、それでも動きません。
?これ以上のガタにすればいずれ動くと思いますが、膨張してもガタが大きすぎると、機能上問題となります。
（ただし、冷えている時のガタは問題になりません）
?材質は、凹側がＳ４５Ｃ（熱処理なし）、凸側は鋳鉄です。

アリ溝の機構は変えたくないのですが、熱による影響を受けないようにするには、１）材質を変える、２）熱処理する、３）アリ溝の公差、を変更する必要があるのかなと思いました。
ただ、具体的にどのように変えてよいのか分かりませんでしたので、見識ある皆様のご教授を頂けるとありがたいです。
お手数ですが、ぜひご教授下さい。どうかよろしくお願いします。

追記します。
ただいま、＋０．２?のガタを設けた部品を準備してテストを行ないましたが、同様に動かなくなりました。
アリ溝の寸法は、幅方向３５?、高さ方向１６?、長さ方向１４５?です。
テクノ様の計算式に入力すると、（仮に４００℃として）
３５×４００×１２＾－６＝０．１６８?×２＝０．３３６?
となり、０．２?のガタでもダメということになります。

思い切って０．４?のガタをつけてみようか思案中です。
長さ方向もあるので、反りも疑わしく感じています。

回答No.8

noname#230359

冷却用の穴を加工して、冷却水を入れるか
銅管に冷却水を通して、それを巻き付け冷却するかを
考えた方がようでしょう。

精度を上げる加工は、恒温室で温度を一定にして行ないます。
それに準じて、冷却して当初の温度設定から、温度上昇しないで
使用できる環境作りをすると、問題は解決可能です。

但し、冷却用の穴を加工も、銅管に冷却水も防錆に注意して下さい。

補足

後の先、アフターユー様、アドバイスありがとうございます。
当機構は、糊を溶解させる箇所に使用する為、糊を溶かす温度管理が重要なポイントでして、冷却水を利用した場合の、糊の溶解温度に影響が出るかもしれません。
ただ、冷却水を通すことは可能と思いますので、糊への影響度もきにしつつ検討してみたいと思います。

回答No.7

noname#230359

カミソリ(ギブ)とかが入っていない構造ですか？

片方のスライドの間にカミソリなどを入れて調整できるようにして
温度が上がっている時にちょうど良いクリアランスにすれば如何ですか？

補足

mytec様、アドバイスありがとうございます。
カミソリ（シム？）は入れておりません。シムが入る構造ではありませんが、入れられるようには改造出来ると思います。
検討してみます。

回答No.6

noname#230359

回答(３)ですS45Cの溝を作っている部品Aは温度上昇で膨張し、全体に大きくなります。溝を作っているのは部品Aの内側です。この内側の寸法が大きくなるか小さくなるかですね。
　ところでアリ溝を加工する前の状態を想像してください。これを同じ温度にするとアリ溝になる部分は常温時に比べ大きいですか、小さいですか。
　小さくなると思われているようですが、
アリ溝加工だけをしない（部品A-アリ溝）を考え、それを同じ温度にします。そうしてアリ溝部分を取り出したと考えてください。取り出した「アリ溝」相当の固まりは常温時より膨張してます。そうなると、残ってできたアリ溝は、常温時より大きいですね。
　ジャムのビンのふたが固いときふたを温めるのと同じです。

補足

大地様、とても分かりやすいご説明ありがとうございます。凹側のアリ溝が大きくなることは理解しました。
とすると、凹溝が大きく（縮む）なって凸側が膨張したとすれば、仮に熱膨張率がほとんど変わらなかったとすれば、多少のガタをつければ動きそうな気がします。
ということは、やはり反りが原因と思い始めています。

回答No.5

noname#230359

Ｓ４５Ｃ、鋳鉄共に熱膨張率は１２×１０＾－６程度なので、熱処理してもその数値に大きくは変化ありません。
アリ溝の構造上、温度が加わると凸側は＋側に、凹側は－側になります。仮に溝の大きさを１００ mmとすれば、４００°上昇すれば　１００×４００×１２＾－６＝０．４８mmずつ変化し、常温の時には０．９６mmのスキマが無いと動きません。
高温でも常温と同じ様に動かすのには、熱膨張率の低い材料で製作するしかありません、当然の事ながら粗挽き時にはひずみ取りの熱処理（焼鈍等）を行いながら加工をします。
熱膨張率の低い材料として各メーカーが出していますが、一つの例として商品名が”ノビナイト鋳鉄（榎本鋳工所）”があります。
熱膨張率が材質　ＣＳ－５（メーカーの呼び名）で５０°の時　４．５×１０＾－６、３００°の時２．６×１０＾－６、４００°の時４．５×１０＾－６（メーカー実測値）とほとんど変わらないものも有ります。
これでスライドを作り、常温で調整してもOKとなります。
詳細についてはメーカーと良く相談してください、お値段は結構高いですがそれなりに効果はあると思います。
この材質で２００°Ｃの部屋で使用するスピンドルを製作したことがあります。

補足

テクノ様、アドバイスありがとうございます。
追記にも書きましたが、現状０．３３６?の膨張があると思われます。
現状の部品を０．４?まで削るか、低膨張率の材料を購入するか、予算等も含めて検討したいと思います。

回答No.4

noname#230359

アリ溝を利用したスライド機構は下記のように販売されています。これが
高温で使用できるかは判りませんが，機構上は問題ないように思います。
回答(2)さんと同様ですが，(12.90－11.55)×10^-6＝1.35×10^-6　at300℃
の熱膨張差が問題になると思います。例えばアリ溝の最大寸法が20mmとして
300℃の温度差で　約８μm　の寸法差が出ます。ここに凹側がＳ４５Ｃ（熱処
理なし）、凸側は鋳鉄であれば溝の隙間が増える方向のように思います。
この場合は温度によってそりやひねりがでて動作を阻害しているのではない
でしょうか。熱処理を行ってひずみ取りをし，精度を出せば機能するように
思います。

参考URL：

http://jp.misumi-ec.com/ec/CategorySearchView/103_23000000_23020000.html

補足

要素奇知様、アドバイスありがとうございます。
ひずみの件、一番の原因のように感じてきました。溝は熱処理していないので、ひずむ可能性があるかもしれません。
熱処理を検討してみます。

回答No.3

noname#230359

回答（1）です。確認です。
　「凹側がＳ４５Ｃ、凸側は鋳鉄」とは溝がS45Cとのことですか？
線膨張率はS45Cが鋳鉄より大きいので高温時はガタになります。

補足

大地様
はい、溝がＳ４５Ｃです。
イメージとして、溝のＳ４５Ｃが膨張して、凸の鋳鉄を挟むようになり、ガタがなくなるように思いますが、解釈が間違っているでしょうか？
すみません、ご教授ください。

回答No.2

noname#230359

熱を加えると膨張することは避けられないことから適正なクリアランスを維持
するためには冷却する・温度を一定に保つことしか私には考えられないですが
ＮＣマシンは何れもそうですが熱による精度影響が多いことは知られています

今回はアリ溝で異材質というのがネックだと思います。つまり同じ材質にして
摺動面に何か工夫を加える。例えばスライドレールなんかを入れるとかかな
何れにせよ線膨張係数差⇒≒（1.0x10^-6/℃）x100mmx？℃＜0.06mm→600℃？
思ったより、最高温度が高いような気がするので私は、冷却を薦めたいと思う

補足

１Ｎの涙様、アドバイスありがとうございます。
?アリ溝を使用している周辺は糊を溶かす箇所でして、冷却した際に糊の粘性に影響がでるかもしれませんので、冷却は厳しいかもしれません。
?機械運転中は加熱、装置調整中は常温です。装置調整中にアリ溝をスライドさせませんので、通常はガタでも構わないです。
機械運転中（加熱中）にスムースに（ガタなく）動かしたいので、その時の部品上の公差を見極めればよいかもしれません。ただし、見極めるのが大変かなと思いました。
?材質を変えたのは、磨耗を考慮してのことでした。頻繁に摺動させないので、同材質でもいけるかもしれません。

回答No.1

noname#230359

全体の構造、大きさが不明で、見当違いのアドバイスになっていたら失礼。

1．アリ溝の変形以外は考えられませんか？
凹側または凸側の、あるいは両方の、反りを含んでの熱による変形は考えられませんか？

2．動かなくなるのは300～400℃になる途中ですか、温度が安定してからですか？

補足

大地様、アドバイスありがとうございます。
?反りがあるかは、確認していませんでした。アリ溝摺動方向の長さは150?ありますので、影響はあるかもしれません。確認してみます。
?動かなくなるのは、正確な温度は不明ですが、２５０℃超えたくらいからです。温度上昇時の摺動も確認してみます。