Hitte-uitbreiding van metalen en de zomerblues

Hoe de effecten van warmte op de meting van metalen onderdelen te minimaliseren

Op het hoogtepunt van de zomer hier bij Metal Cutting Corporation, gaan onze gedachten natuurlijk uit naar het weer en de manieren waarop hitte van invloed kan zijn op:

• De materialen die onze klanten kiezen
• De gereedschappen die worden gebruikt om de nauwe tolerantie te meten, kleine metalen onderdelen die we maken in onze airconditioningfabriek

Het probleem is dat hitte ervoor kan zorgen dat metalen (en andere materialen) uitzetten - en in de kou, krimpen - wat op zijn beurt van invloed kan zijn op het feit of een onderdeel binnen of buiten de specificaties valt.

Dit is met name het geval wanneer u zeer krappe toleranties hebt (zoals ± 0,0001″ of ± 0,0025 mm) en warmte-uitzetting ertoe leidt dat metalen onderdelen niet worden gecontroleerd of, vaker, een klant en leverancier komen met verschillende metingen voor hetzelfde onderdeel .

Daarom moeten fabrikanten, ontwerpers en ingenieurs rekening houden met uitzetting van metaal door hitte wanneer ze onderdeelspecificaties maken en beslissen hoe nauwkeurig de afmetingen van het onderdeel moeten zijn.

Warmte-expansie in verschillende metalen

Wat doet warmte met metaal? De uitzetting (of samentrekking) van elk materiaal is te wijten aan de kinetische energie van zijn atomen. Wanneer een materiaal wordt verwarmd, zorgt de toename van energie ervoor dat de atomen en moleculen meer bewegen en meer ruimte innemen, dat wil zeggen, uitzetten.

Dit geldt zelfs voor een vaste stof zoals een metaal. Verschillende metalen reageren echter in verschillende mate op warmte, afhankelijk van ieders unieke thermische uitzettingscoëfficiënt.

Als je bijvoorbeeld drie draden van dezelfde diameter, maar gemaakt van drie verschillende metalen - zoals aluminium, staal en wolfraam - zou nemen en ze tot dezelfde temperatuur zou verhitten, zou elke draad met een andere hoeveelheid uitzetten.

Uiteraard hebben de thermische eigenschappen van het materiaal dat een klant kiest voor hun metalen onderdelen een effect op het potentieel voor warmte-uitzetting. Dus als u een onderdeel met een zeer krappe tolerantie heeft, wilt u waarschijnlijk een metaal kiezen dat zeer stabiel is en niet onderhevig is aan veel variatie door temperatuurschommelingen.

Warmte en de kalibratie van meetinstrumenten

We praten vaak over het belang van hoe een onderdeel wordt geïnspecteerd en het kiezen van een geschikt en goed gekalibreerd meetinstrument voor de klus.

Maar wist u dat temperatuur en andere omstandigheden in de omgeving (zoals vochtigheid en druk) van invloed kunnen zijn op de resulterende metingen wanneer u controleert of gefabriceerde onderdelen binnen de specificaties vallen?

Theoretisch moeten gefabriceerde onderdelen altijd worden gemeten bij dezelfde temperatuur waaronder het gekozen meetinstrument is gekalibreerd. De realiteit is echter dat er op veel winkelvloeren vaak geen manier is om de omgevingstemperatuur te kennen - laat staan ​​deze te controleren en ervoor te zorgen dat deze overeenkomt met de omgeving (of omgevingen) waar verschillende meetinstrumenten zijn gekalibreerd.

Bovendien veroorzaakt een hoge relatieve vochtigheid - de hoeveelheid vocht in de lucht uitgedrukt als een percentage van de mogelijke verzadiging bij een bepaalde temperatuur - in combinatie met fluctuerende temperaturen vaak condensatie die van invloed kan zijn op meters en gevoeligere meetapparatuur. Bij hoge, langdurige blootstelling kan vochtigheid leiden tot kromtrekken en uiteindelijk corrosie, die beide van invloed zijn op de meetnauwkeurigheid.

Andere factoren in de warmte-uitzetting van metalen

Wanneer een onderdeel wordt gemeten kan ook invloed hebben op de temperatuur en daarmee op de afmetingen van het onderdeel. Een vers gesneden onderdeel kan bijvoorbeeld warm of koud zijn en daarom een ​​iets andere afmeting hebben dan wanneer het later werd gemeten in Quality Assurance (QA) of bij inspectie bij aankomst op de productielocatie van een klant.

Atmosferische druk kan ook een zeer subtiele invloed hebben op de meting van onderdelen, waarbij metalen uitzetten wanneer ze onder minder druk staan. Dat betekent dat als u een onderdeel op zeeniveau snijdt en inspecteert en het vervolgens naar Denver verzendt, u op grotere hoogte een heel iets andere meting kunt krijgen - natuurlijk alleen te zien bij het meten van de kleinste afmetingen en de kleinste toleranties.

Bovendien is de warmte-uitzetting van metalen afhankelijk van de grootte van het onderdeel. De tolerantie beïnvloedt bijvoorbeeld de uitzettingscoëfficiënt, in die zin dat verschillen in meting waarschijnlijker zijn wanneer zeer nauwe toleranties worden geassocieerd met grotere onderdelen, zoals een lengte van een voet of meer versus een die 0,001" (0,0254 mm) is. lang.

Dat betekent dat het moeilijker is om een ​​strakke tolerantie aan te houden op een staaf die bijvoorbeeld 60,96 cm lang is, waarbij elke variatie meer voor de hand ligt. Hoe groter de diameter, hoe moeilijker het is om een ​​nauwe tolerantie aan te houden.

Een andere factor is dat meerdere materialen kunnen worden gebruikt in een product dat bestaat uit verschillende geassembleerde onderdelen, en elk materiaal heeft zijn eigen thermische uitzettingscoëfficiënt. Deze verschillende onderdelen - misschien sommige gemaakt van verschillende metalen en sommige van plastic, glas of andere materialen - zullen met verschillende snelheden uitzetten. Daarom moeten de verschillende uitzettingscoëfficiënten in overweging worden genomen bij het bepalen van toleranties tussen de verschillende onderdelen.

Hoe de uitzetting van metaal door hitte te minimaliseren

In een perfecte wereld zouden alle onderdelen worden gesneden en geïnspecteerd door een leverancier en vervolgens worden geïnspecteerd en gebruikt door de fabrikant/klant in vrijwel identieke omgevingen.

Hoewel het onwaarschijnlijk is dat exact dezelfde temperatuur en vochtigheid worden bereikt, zijn er stappen die kunnen worden genomen om de effecten van warmte-uitzetting van metalen en andere atmosferische omstandigheden te minimaliseren of te elimineren.

Bij Metal Cutting hebben we bijvoorbeeld een gecontroleerde omgeving voor zowel het produceren als het meten van de kleine onderdelen die we maken. Onze koel- en verwarmingssystemen zorgen ervoor dat productieactiviteiten plaatsvinden bij kamertemperatuur, in een omgeving die grotendeels consistent is in al onze faciliteiten - te beginnen met waar we onze meetinstrumenten kalibreren en zich uitstrekken over onze winkelvloeren en QA-gebieden.

Hierdoor zien we zelden variatie in onze metingen door temperatuurschommelingen en de warmte-uitzetting van metalen. Bovendien, omdat we er altijd naar streven om de nominale afmetingen te bereiken voor alle onderdelen die we produceren, zien we meestal geen onderdelen die variëren in en buiten tolerantie.

Hetzelfde geldt misschien niet voor een paar van onze klanten en hun productielocaties, waar de bedrijfsomstandigheden sterk kunnen variëren.

Sommige fabrieken hebben bijvoorbeeld geen airconditioning (of verwarming) in hun productiefaciliteiten, maar hebben wel een temperatuurgecontroleerde inspectieruimte waar ze onderdelen controleren op kwaliteit. Daar kan het onbedoelde gevolg een discrepantie zijn tussen de onderdelen zoals gemeten op een relatief warmere (of koudere) werkvloer versus hun meting in kwaliteitscontrole.

Over het algemeen zijn deze effecten klein en worden ze soms gemaskeerd door tolerantiebereik. Maar ze bestaan ​​wel, en daarom is het belangrijk om er rekening mee te houden bij het produceren en meten van onderdelen, vooral die met toleranties van tienden van een duizendste van een inch.

Beste praktijken plus goede techniek

Het is duidelijk een goede gewoonte om ervoor te zorgen dat productie-, inspectie- en kwaliteitscontrolegebieden waar mogelijk onder dezelfde omgevingsomstandigheden werken.

Wat nog belangrijker is, is dat het cruciaal is om na te denken over waar het eindproduct zal worden gebruikt en of een zeer klein verschil in tolerantie als gevolg van mogelijke warmte-uitzetting van metalen van belang zou zijn voor de prestaties van het eindproduct of onderdeel. Bijvoorbeeld:

• Zal het onderdeel uiteindelijk worden gebruikt in een gecontroleerde omgeving, waar een strakke tolerantie kan worden gehandhaafd?
• OF zal het product worden gebruikt in een zeer hete omgeving, wat aangeeft dat de toleranties moeten worden opengesteld zodat de functionaliteit van het product niet in gevaar komt door uitzetting?

Deze en andere overwegingen zijn van vitaal belang voor het specificeren van de afmetingen en toleranties die de afgewerkte onderdelen zullen produceren die uw project vereist.