Контроль теплового расширения в металлических деталях для точных летних измерений

Как минимизировать влияние тепла на измерение металлических деталей

На пике лета здесь в Metal Cutting Corporation наши мысли естественным образом обращаются к погоде и способам, которыми тепло может влиять на:

• Материалы, которые выбирают наши клиенты
• Инструменты, используемые для измерения жестких допусков, мелких металлических деталей, которые мы делаем в нашем кондиционированном цехе

Проблема в том, что тепло может заставлять металлы (и другие материалы) расширяться — а в холоде сжиматься — что в свою очередь может влиять на то, входит ли деталь в допуск или выходит из него.

Это особенно верно, когда у вас очень жесткие допуски (такие как ± 0,0001", или ± 0,0025 мм) и тепловое расширение приводит либо к тому, что металлические детали не проходят контроль, либо, более часто, клиент и поставщик приходят к разным измерениям для одной и той же детали.

Именно поэтому производители, дизайнеры и инженеры должны держать в уме тепловое расширение металла от тепла, когда они создают спецификации деталей и решают, насколько точными должны быть размеры детали.

Тепловое расширение в разных металлах

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

Это верно даже для твердого тела, такого как металл. Однако разные металлы реагируют на тепло в разной степени в зависимости от уникального коэффициента теплового расширения каждого.

Так, например, если вы возьмете три проволоки одного диаметра, но сделанные из трех разных металлов — таких как алюминий, сталь и вольфрам — и нагреете их до одной температуры, каждая проволока расширится на разное количество.

Естественно, тепловые характеристики материала, который клиент выбирает для своих металлических компонентов, влияют на потенциал теплового расширения. Так что если у вас деталь с очень жестким допуском, вы, вероятно, хотите выбрать металл, который высокостабилен и не подвержен большому изменению из-за изменений температуры.

Тепло и калибровка измерительных инструментов

Мы часто говорим о важности того, как деталь проверяется и выбирается подходящий и правильно откалиброванный измерительный инструмент для работы.

Но знали ли вы, что температура и другие условия в окружающей среде (такие как влажность и давление) могут влиять на полученные измерения, когда вы проверяете, находятся ли изготовленные детали в пределах спецификаций?

Теоретически изготовленные детали всегда должны измеряться при той же температуре, под которой был откалиброван выбранный измерительный инструмент. Однако реальность такова, что на многих производственных площадках часто нет способа узнать окружающую температуру — не то что контролировать ее и убедиться, что она соответствует среде (или средам), где различные измерительные инструменты были откалиброваны.

Кроме того, высокая относительная влажность — количество влаги в воздухе, выраженное в процентах от насыщения, возможного при данной температуре — в сочетании с колеблющимися температурами часто вызывает конденсацию, которая может влиять на измерительные приборы и более чувствительное метрологическое оборудование. При высоком долгосрочном воздействии влажность может вызывать деформацию и, в конечном счете, коррозию, оба из которых влияют на точность измерения.

Другие факторы в тепловом расширении металлов

Когда деталь измеряется также может влиять на температуру и, следовательно, размеры детали. Например, только что отрезанная деталь может быть горячей или холодной и поэтому иметь слегка другие размеры, чем если бы она измерялась позже в ОТК (QA) или при проверке по прибытии на производственном объекте клиента.

Атмосферное давление также может иметь очень тонкое влияние на измерение деталей, с металлами расширяющимися, когда они под меньшим давлением. Это значит, что если вы режете и проверяете деталь на уровне моря и затем отправляете ее в Денвер, вы можете получить очень слегка другое измерение на большей высоте — конечно, видимое 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, в том смысле, что различия в измерениях более вероятны там, где очень жесткие допуски ассоциированы с более крупными деталями, такой как та, которая в футе или более в длине против той, которая 0,001" (0,0254 мм) в длине.

Это значит, что труднее удерживать жесткий допуск на стержне, который, скажем, 2 фута (60,96 см) в длине, с любой вариацией более очевидной. Также, чем больше диаметр, тем труднее удерживать жесткий допуск.

Еще один фактор: в продукте, состоящем из разных собранных деталей, могут использоваться множественные материалы, и каждый материал имеет свой коэффициент теплового расширения. Эти разные детали — возможно, некоторые сделаны из разных металлов, а некоторые из пластика, стекла или других материалов — будут расширяться на разных скоростях. Следовательно, различные коэффициенты расширения нужно учитывать при решении о допусках по различным деталям.

Как минимизировать расширение металла от тепла

В идеальном мире все детали были бы отрезаны и проверены поставщиком и затем проверены и использованы производителем/клиентом в практически идентичных средах.

В то время как достижение точно идентичной температуры и влажности маловероятно, есть шаги, которые можно предпринять, чтобы минимизировать 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 мелких деталей, которые мы делаем. Наши системы охлаждения и нагрева обеспечивают, что производственные операции происходят при комнатной температуре, в среде, которая в значительной степени последовательна по всему нашему объекту — начиная с того, где мы калибруем наши измерительные инструменты, и простираясь через наши цеха и зоны ОТК.

В результате мы редко видим любую вариацию в наших измерениях из-за колебаний температуры и теплового расширения металлов. Кроме того, потому что мы всегда стремимся достичь номинальных размеров для всех деталей, которые мы производим, мы обычно не видим деталей, варьирующихся в и из допуска.

Однако то же может быть неверно для некоторых наших клиентов и их производственных площадок, где операционные условия могут сильно варьироваться.

Например, некоторые заводы не имеют кондиционирования (или отопления) в своих производственных помещениях, но имеют температурно контролируемую зону контроля, где они проверяют детали на качество. Там непреднамеренным последствием может быть расхождение между деталями, измеренными на относительно более горячем (или холодном) цехе против их измерения в контроле качества.

В общем, эти эффекты малы и иногда маскируются диапазоном допуска. Но они существуют, и поэтому важно учитывать их при производстве и измерении деталей — особенно тех, с допусками, измеряемыми в десятых тысячной дюйма.

Лучшие практики плюс хорошая инженерия

Ясно, что хорошая практика — убедиться, что производство, контроль и зоны контроля качества работают под теми же экологическими условиями, где это возможно.

Важнее, критически важно подумать о том, где конечный продукт будет использоваться и будет ли очень маленькая разница в допуске из-за возможного теплового расширения металлов иметь значение в том, как конечный продукт или компонент выполняет работу. Например:

• Деталь в конечном счете будет использоваться в контролируемой среде, где жесткий допуск может быть удержан?
• ИЛИ продукт будет использоваться в очень горячей среде, указывая на необходимость ослабить допуски, так что функциональность продукта не будет поставлена под угрозу из-за расширения?

Эти и другие соображения жизненно важны для спецификации размеров и допусков, которые произведут готовые детали, которые ваш проект требует.