Тепловое расширение металлов и летний блюз

Как свести к минимуму влияние тепла на измерение металлических деталей

В разгар лета здесь, в Metal Cutting Corporation, наши мысли, естественно, обращаются к погоде и ее воздействию на тепло:

• Материалы, которые выбирают наши клиенты
• Инструменты, используемые для измерения малых металлических деталей с жесткими допусками, которые мы изготавливаем на нашем заводе с кондиционерами.

Проблема в том, что тепло может привести к расширению металлов (и других материалов), а на холоде к сжатию, что, в свою очередь, может повлиять на то, соответствует ли деталь спецификации или нет.

Это особенно верно, когда у вас очень жесткие допуски (например, ± 0,0001 дюйма или ± 0,0025 мм) и тепловое расширение приводит либо к тому, что металлические детали не проходят проверку, либо, что чаще бывает, заказчик и поставщик приходят к разным измерениям для одной и той же детали. .

Вот почему производители, проектировщики и инженеры должны помнить о расширении металла под воздействием тепла, когда создают спецификации деталей и решают, насколько точными должны быть размеры детали.

Тепловое расширение в различных металлах

Что тепло делает с металлом? Расширение (или сжатие) любого материала происходит за счет кинетической энергии его атомов. Когда материал нагревается, увеличение энергии заставляет атомы и молекулы больше двигаться и занимать больше места, то есть расширяться.

Это справедливо даже для такого твердого тела, как металл. Однако разные металлы по-разному реагируют на тепло в зависимости от уникального коэффициента теплового расширения каждого из них.

Так, например, если вы возьмете три проволоки одинакового диаметра, но сделанные из трех разных металлов, таких как алюминий, сталь и вольфрам, и нагреете их до одинаковой температуры, каждая проволока расширится на разную величину.

Естественно, тепловые характеристики материала, который клиент выбирает для своих металлических компонентов, влияют на возможность теплового расширения. Поэтому, если у вас есть деталь с очень жесткими допусками, вы, вероятно, захотите выбрать металл, который очень стабилен и не подвержен большим колебаниям из-за изменений температуры.

Нагрев и калибровка измерительных инструментов

Мы часто говорим о важности того, как проверяется деталь, и о выборе подходящего и правильно откалиброванного измерительного инструмента для работы.

Но знаете ли вы, что температура и другие условия окружающей среды (например, влажность и давление) могут влиять на результаты измерений, когда вы проверяете, соответствуют ли изготовленные детали спецификациям?

Теоретически изготовленные детали всегда должны измеряться при той же температуре, при которой был откалиброван выбранный измерительный инструмент. Однако реальность такова, что во многих цехах часто нет возможности узнать температуру окружающей среды, а тем более контролировать ее и убедиться, что она соответствует среде (или средам), в которых были откалиброваны различные измерительные инструменты.

Кроме того, высокая относительная влажность — количество влаги в воздухе, выраженное в процентах от насыщения, возможного при данной температуре, — в сочетании с колебаниями температуры часто вызывает конденсацию, которая может повлиять на работу приборов и более чувствительного метрологического оборудования. При длительном воздействии высокой влажности может возникнуть деформация и, в конечном счете, коррозия, что влияет на точность измерений.

Другие факторы теплового расширения металлов

Когда измеряемая деталь также может влиять на температуру и, следовательно, на размеры детали. Например, свежевырезанная деталь может быть горячей или холодной и, следовательно, иметь немного другие размеры, чем если бы она была измерена позже в отделе обеспечения качества (QA) или при проверке по прибытии на производственное предприятие клиента.

Атмосферное давление также может иметь очень незначительное влияние на измерение деталей, так как металлы расширяются, когда они находятся под меньшим давлением. Это означает, что если вы вырезаете и проверяете деталь на уровне моря, а затем отправляете ее в Денвер, вы можете получить немного другие измерения на большей высоте — конечно, это видно только при измерении наименьших размеров и самых жестких допусков.

Кроме того, тепловое расширение металлов зависит от величины размера детали. Например, допуск влияет на коэффициент расширения, поскольку различия в измерениях более вероятны, когда очень жесткие допуски связаны с более крупными деталями, такими как детали длиной фут или более по сравнению с деталями длиной 0,001 дюйма (0,0254 мм). в длину.

Это означает, что труднее соблюдать жесткие допуски на удилище, скажем, длиной 2 фута (60,96 см), при этом любые отклонения более очевидны. Кроме того, чем больше диаметр, тем труднее соблюдать жесткие допуски.

Другой фактор заключается в том, что в изделии, состоящем из различных собранных частей, может использоваться несколько материалов, и каждый материал имеет свой собственный коэффициент теплового расширения. Эти разные части — возможно, некоторые из разных металлов, а некоторые из пластика, стекла или других материалов — будут расширяться с разной скоростью. Следовательно, при выборе допусков для различных деталей необходимо учитывать различные коэффициенты расширения.

Как свести к минимуму расширение металла от тепла

В идеальном мире все детали должны быть вырезаны и проверены поставщиком, а затем проверены и использованы производителем/покупателем в практически идентичных условиях.

Хотя достижение абсолютно одинаковых температуры и влажности маловероятно, можно предпринять шаги, чтобы свести к минимуму или устранить эффекты теплового расширения металлов и других атмосферных условий.

Например, в Metal Cutting у нас есть контролируемая среда как для производства, так и для измерения производимых нами мелких деталей. Наши системы охлаждения и обогрева гарантируют, что производственная деятельность осуществляется при комнатной температуре, в среде, которая в значительной степени одинакова на всех наших предприятиях — начиная с места калибровки наших измерительных инструментов и заканчивая цехами и зонами контроля качества.

В результате мы редко видим какие-либо отклонения в наших измерениях из-за колебаний температуры и теплового расширения металлов. Кроме того, поскольку мы всегда стремимся обеспечить номинальные размеры всех производимых нами деталей, мы обычно не видим, чтобы детали отличались друг от друга в пределах и за пределами допуска.

Однако это может быть не так для некоторых наших клиентов и их производственных площадок, где условия работы могут сильно различаться.

Например, на некоторых фабриках нет кондиционера (или отопления) в производственных помещениях, но есть зона контроля с регулируемой температурой, где они проверяют качество деталей. Там непредвиденным последствием может быть расхождение между деталями, измеренными в относительно более жарком (или более холодном) цехе, и их измерениями при контроле качества.

Как правило, эти эффекты невелики и иногда маскируются допустимым диапазоном. Но они существуют, и поэтому важно учитывать их при изготовлении и измерении деталей, особенно с допусками в десятые тысячные доли дюйма.

Передовой опыт и хорошая инженерия

Очевидно, что рекомендуется обеспечивать, чтобы зоны производства, проверки и контроля качества работали в одних и тех же условиях окружающей среды, где это возможно.

Что еще более важно, важно подумать о том, где будет использоваться конечный продукт, и будет ли очень небольшая разница в допусках из-за возможного теплового расширения металлов иметь значение для работы конечного продукта или компонента. Например:

• Будет ли деталь в конечном счете использоваться в контролируемой среде, где можно поддерживать жесткие допуски?
• ИЛИ продукт будет использоваться в очень жаркой среде, что указывает на необходимость расширения допусков, чтобы функциональность продукта не подвергалась опасности из-за расширения?

Эти и другие соображения жизненно важны для определения размеров и допусков, которые позволят получить готовые детали, необходимые для вашего проекта.