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鋼製スプールの収縮変形の原因と防止
2025-08-22 11:30鋼製スプールの収縮変形の原因と防止
内径を変えずに、炉内取り外し可能内部支持+端部断熱・均熱温度制御+表面粗さゾーニング(中間部薄h-BN溶射コーティング)の組み合わせにより、中間部の永久収縮を安定的に約50~70%低減し、真円度保持率を大幅に向上させます。
1.背景と課題
典型的な事例:長さ2350mmの鋼製スプールに、同心円状に巻かれたアルミニウムコイル(幅1600mm、巻重約15t)が巻かれています。加熱・焼鈍サイクルを経ると、中央部の外径が端部よりも小さくなり、真円度が劣化することがよくあります。これにより、耐用年数が短縮され、品質に影響を及ぼします。
2.なぜ中間層の縮小が進むのか?(主なメカニズム)
· 中央部分がより高温で長い: 端部は急速に熱を放散しますが、中央部分はより長い時間高温のままとなり、材料が軟化して圧縮による崩壊が起こりやすくなります。
·熱膨張の不一致 + 摩擦 → ラジアル圧力: アルミニウムは鋼鉄よりも膨張し、限られた滑りによってスプールが内側に押し付けられ、スパンの中間付近でピークに達します。
· 構造的に柔らかい: 自由中間スパン部分は最も低い剛性を示し、早期に楕円化して弾性変形から不可逆収縮に移行します。
3. クイックセルフチェック
・中央部の硬度が端部より低い。
·無負荷加熱条件(コイルなし)では、収縮は無視できるか、大幅に軽減されます。
·N₂雰囲気下ではさらに過酷(薄い酸化膜、高摩擦、滑り制限)。
·中間部の 外径 はサイクルごとに減少しますが、端部はほとんど変化しません。
4. 全体的な戦略(内径を変えない)
剛性を高める | 温度差を制御する | 押し出し圧力を下げる |
炉内に設置された取り外し可能な内部サポートにより、中央部の楕円化に対する耐性が向上します。 | 端部断熱バッフル+均一な加熱/冷却セクション、中間部の長時間の孤立加熱を防止 | 中間部分の摩擦を低くし、両端部分の摩擦を高くし、マイクロスリップを使用して熱膨張差を吸収します。 |
5. 実用的なオプションとパラメータ
5.1 取り外し可能な炉内内部支持(炉内でのみ使用し、炉から取り出す際には取り外してください。)
・被覆長さ:被覆長さ≥1600mm+片側50~100mm(合計1700~1800mm)。
· 張力と接触圧力:半径方向の膨張0.2~0.5mm、目標接触圧力5~10MPa、ランアウト≤0.05mm。
· 材質/表面:合金鋼ボディ:耐摩耗性表面+高温固体潤滑剤(h-BN/MoS₂)。コイルなし。
·使用プロセス:加熱前に挿入/拡張→加熱/浸漬/冷却を維持→<150 °Cで減圧して取り外します。
· 予想される削減率: 約 40~70% (温度/ゾーン制御オーバーレイによる安定性の向上)。
5.2 端部断熱+均一温度制御(必須)。
·目標:軸方向ΔT(コイル部-端部)≤30~40℃、厚さ方向ΔT≤40~60℃。
·試験方法:手順:端末部に金属反射層を設けた厚さ25~50mmのセラミックファイバーボードを使用し、2~4℃/分の速度で加熱・冷却を行い、目標温度に達する前に10~20分の加熱時間を設けます。
·監視: 端部/中間部/端部熱電対。ΔT が制限を超えた場合は修正します。
・削減期待範囲:約15~30%
5.3 表面ゾーニング + 中間スパンの薄いh-BN(中間部押し出し圧力のピーク値を下げる)
・中間部(幅1200~1600mm):ラ12~15μm、ルペック≒2μm;5~15μmのh-BN(高純度、耐熱温度900℃)を薄くコーティング。
·両端(各200~300 んん):ラ 20~25 μm、ルペック 3~4 μmで、全体的な滑りを防止するグリップを提供します。
·スリップハンドリング:高Rpkバンドの拡大を優先するか、端部のRaをわずかに増加させ、中間部では低摩擦を維持
·予想される削減率: 約15~25% (N₂雰囲気下ではより顕著になります)。
5.4 オプションの拡張機能:内部/外部炉アイドラー/サドル
·コイル端の外側の非コイル領域に耐熱アイドラー/サドルを2つ配置して荷重を分散し、中間スパンの曲げモーメントと楕円化を軽減します。
·約10~20%の削減が見込まれます。
5.5 長期アップグレード:(内径は変更なし)
·壁厚を30mmから35mmに増やすと安定性が向上し、高温クリープ速度が低下します。5.1~5.3と組み合わせます。
・重量の増加と加熱時間の増加がサイクルタイムとエネルギー消費に与える影響を評価する必要があります。
5.6 オンマシンフェーズ:伸縮リールの張力圧力の最適化
· 十分なトルク伝達能力を確保するという前提で、内径応力を低減するために、必要最小限の圧力(安全係数1.3~1.5)を使用してください。
·現場でのパフォーマンス曲線を生成するために、トルク-圧力-スリップのキャリブレーションを提案します。
6.迅速な実装ロードマップ
段階 | 2週間以内 | 1~2ヶ月 | 長期的 |
アクション | 端部断熱 + 浸漬; 表面ゾーニング + h-BN; ベースラインΔT/外径 | 取り外し可能な炉内サポートを開発・調整し、必要に応じて外側のローラーを追加します。 | ODが35~40 mmまで増加したことを評価し、SOPと承認を正式に決定する |
ターゲット | 中間部の収縮が 50% 以上減少します。 | 研削・交換サイクルが1.5~2.5倍に延長されます。 |
7.SOPのハイライト
7.1 取り外し可能な炉内内部支持
·検査 → 挿入して位置合わせ → 設定位置まで拡張 (≈6~8 MPa) → 加熱/保持/冷却中に保持 → 冷却後に 150 °C 未満まで減圧 → 取り出して検査。
·100~200時間ごとに点検してください。振れは0.05mm以下です。
7.2 端部断熱と浸漬
バッフル(25~50 mmのセラミックファイバーボード+金属反射面)をしっかりと固定、2~4 °C/分の加熱/冷却、10~20分のソーク、補正用のΔTアラーム。
7.3 表面ゾーニング&h-BN
中間層: ラ 12~15 μm、ルペック≈2 μm + 薄いh-BNスプレー、低温硬化; 端部: ラ 20~25 μm、ルペック 3~4 μm
8.受入れと監視
軸方向 ΔT | ≤30~40℃ | エンド/ミッド/エンド熱電対、フルプロセス記録 |
厚さ方向 ΔT | ≤40~60℃ | デュアルサーフェスまたは同等のプローブ |
中間スパン外径収縮率 | ≤0.05 んん/100時間または100サイクルあたり | 3点OD測定を繰り返す |
丸み(室温) | ≤0.2 んん | 真円度試験機 / CMM / ゲージ |
滑りと表面 | スリップマークなし、中央部のh-BNコーティングは無傷 | 目視+表面粗さスポット検査(ルペック) |
サポート
メールアドレス: 広尾@グスプール.com
会社名:GWプレシジョンテクノロジー株式会社
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