Wärmeausdehnung von Metallen und der Summertime Blues

So minimieren Sie die Auswirkungen von Hitze auf die Messung von Metallteilen

Im Hochsommer hier bei der Metal Cutting Corporation wenden sich unsere Gedanken natürlich dem Wetter und den Auswirkungen von Hitze zu:

• Die Materialien, die unsere Kunden wählen
• Die Werkzeuge, die zum Messen der engen Toleranzen verwendet werden, kleine Metallteile, die wir in unserer klimatisierten Fabrik herstellen

Das Problem ist, dass Hitze dazu führen kann, dass sich Metalle (und andere Materialien) ausdehnen – und sich bei Kälte zusammenziehen – was sich wiederum darauf auswirken kann, ob ein Teil den Spezifikationen entspricht oder nicht.

Dies gilt insbesondere, wenn Sie sehr enge Toleranzen haben (z. B. ± 0,0001″ oder ± 0,0025 mm) und die Wärmeausdehnung dazu führt, dass Metallteile entweder die Inspektion nicht bestehen oder, was häufiger vorkommt, ein Kunde und ein Lieferant unterschiedliche Maße für dasselbe Teil erhalten .

Aus diesem Grund müssen Hersteller, Designer und Ingenieure die Metallausdehnung durch Hitze berücksichtigen, wenn sie Teilespezifikationen erstellen und entscheiden, wie genau die Abmessungen des Teils sein müssen.

Wärmeausdehnung in verschiedenen Metallen

Was macht Hitze mit Metall? Die Ausdehnung (oder Kontraktion) eines Materials beruht auf der kinetischen Energie seiner Atome. Wenn ein Material erhitzt wird, führt die Energieerhöhung dazu, dass sich die Atome und Moleküle mehr bewegen und mehr Platz einnehmen – dh sich ausdehnen.

Dies gilt sogar für einen Festkörper wie ein Metall. Unterschiedliche Metalle reagieren jedoch je nach ihrem einzigartigen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich auf Wärme.

Wenn Sie beispielsweise drei Drähte mit demselben Durchmesser, aber aus drei verschiedenen Metallen – wie Aluminium, Stahl und Wolfram – auf dieselbe Temperatur erhitzen, würde sich jeder Draht um einen anderen Betrag ausdehnen.

Natürlich wirken sich die thermischen Eigenschaften des Materials, das ein Kunde für seine Metallkomponenten auswählt, auf die potenzielle Wärmeausdehnung aus. Wenn Sie also ein Teil mit sehr engen Toleranzen haben, möchten Sie wahrscheinlich ein Metall wählen, das sehr stabil ist und keinen großen Schwankungen aufgrund von Temperaturänderungen unterliegt.

Wärme und die Kalibrierung von Messwerkzeugen

Wir sprechen oft darüber, wie wichtig es ist, wie ein Teil geprüft wird, und ein geeignetes und richtig kalibriertes Messwerkzeug für die Aufgabe auszuwählen.

Aber wussten Sie, dass Temperatur und andere Umgebungsbedingungen (z. B. Feuchtigkeit und Druck) einen Einfluss auf die resultierenden Messungen haben können, wenn Sie prüfen, ob hergestellte Teile innerhalb der Spezifikationen liegen?

Theoretisch sollten gefertigte Teile immer bei der gleichen Temperatur gemessen werden, unter der das gewählte Messwerkzeug kalibriert wurde. Die Realität ist jedoch, dass es in vielen Werkstätten oft keine Möglichkeit gibt, die Umgebungstemperatur zu kennen – geschweige denn, sie zu kontrollieren und sicherzustellen, dass sie mit der Umgebung (oder Umgebungen) übereinstimmt, in der verschiedene Messwerkzeuge kalibriert wurden.

Darüber hinaus verursacht eine hohe relative Luftfeuchtigkeit – die Feuchtigkeitsmenge in der Luft, ausgedrückt als Prozentsatz der bei einer bestimmten Temperatur möglichen Sättigung – in Kombination mit schwankenden Temperaturen häufig Kondensation, die Messgeräte und empfindlichere Messgeräte beeinträchtigen kann. Bei hoher Langzeitbelastung kann Feuchtigkeit zu Verformungen und schließlich zu Korrosion führen, die sich beide auf die Messgenauigkeit auswirken.

Andere Faktoren bei der Wärmeausdehnung von Metallen

Wann Die Messung eines Teils kann sich auch auf die Temperatur und damit auf die Abmessungen des Teils auswirken. Beispielsweise kann ein frisch geschnittenes Teil heiß oder kalt sein und daher etwas andere Abmessungen haben, als wenn es später in der Qualitätssicherung (QA) gemessen oder bei der Ankunft am Produktionsstandort eines Kunden inspiziert würde.

Der atmosphärische Druck kann auch einen sehr subtilen Einfluss auf die Teilemessung haben, da sich Metalle ausdehnen, wenn sie unter geringerem Druck stehen. Das heißt, wenn Sie ein Teil auf Meereshöhe schneiden und inspizieren und es dann nach Denver versenden, erhalten Sie in größerer Höhe möglicherweise ein geringfügig anderes Maß – natürlich nur, wenn Sie die kleinsten Abmessungen und engsten Toleranzen messen. P>

Außerdem hängt die Wärmeausdehnung von Metallen von der Größe der Teilegröße ab. Beispielsweise wirkt sich die Toleranz auf den Ausdehnungskoeffizienten aus, da Unterschiede in der Messung wahrscheinlicher sind, wenn sehr enge Toleranzen mit größeren Teilen verbunden sind, z. B. mit einer Länge von einem Fuß oder mehr im Vergleich zu einer mit einer Länge von 0,001 Zoll (0,0254 mm). in der Länge.

Das bedeutet, dass es schwieriger ist, eine enge Toleranz bei einer Rute einzuhalten, die beispielsweise 2 Fuß (60,96 cm) lang ist, wobei jede Abweichung offensichtlicher ist. Außerdem ist es umso schwieriger, eine enge Toleranz einzuhalten, je größer der Durchmesser ist.

Ein weiterer Faktor ist, dass mehrere Materialien in einem Produkt verwendet werden können, das verschiedene zusammengesetzte Teile umfasst, und jedes Material seinen eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Diese verschiedenen Teile – vielleicht einige aus verschiedenen Metallen und einige aus Kunststoff, Glas oder anderen Materialien – dehnen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Daher müssen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bei der Entscheidung über Toleranzen zwischen den verschiedenen Teilen berücksichtigt werden.

So minimieren Sie die Metallausdehnung durch Hitze

In einer perfekten Welt würden alle Teile von einem Lieferanten geschnitten und geprüft und dann vom Hersteller/Kunden in praktisch identischen Umgebungen geprüft und verwendet.

Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass eine exakt identische Temperatur und Luftfeuchtigkeit erreicht wird, gibt es Schritte, die unternommen werden können, um die Auswirkungen der Wärmeausdehnung von Metallen und anderen atmosphärischen Bedingungen zu minimieren oder zu eliminieren.

Zum Beispiel haben wir bei Metal Cutting eine kontrollierte Umgebung sowohl für die Herstellung als auch für das Messen der von uns hergestellten Kleinteile. Unsere Kühl- und Heizsysteme stellen sicher, dass die Fertigungsaktivitäten bei Raumtemperatur in einer Umgebung stattfinden, die in allen unseren Einrichtungen weitgehend einheitlich ist – angefangen bei der Kalibrierung unserer Messwerkzeuge bis hin zu unseren Produktionsflächen und QA-Bereichen.

Infolgedessen sehen wir in unseren Messungen kaum Abweichungen aufgrund von Temperaturschwankungen und der Wärmeausdehnung von Metallen. Da wir außerdem immer bestrebt sind, die Nennmaße für alle von uns hergestellten Teile zu erreichen, sehen wir normalerweise keine Teile, die innerhalb oder außerhalb der Toleranzen variieren.

Dies gilt jedoch möglicherweise nicht für einige unserer Kunden und deren Produktionsstätten, wo die Betriebsbedingungen stark variieren können.

Einige Fabriken haben beispielsweise keine Klimaanlage (oder Heizung) in ihren Produktionsstätten, aber einen temperaturgesteuerten Inspektionsbereich, in dem sie Teile auf Qualität prüfen. Dort kann die unbeabsichtigte Folge eine Diskrepanz zwischen den Teilen sein, die in einer relativ heißeren (oder kälteren) Werkstatt gemessen wurden, und ihrer Messung in der Qualitätskontrolle.

Im Allgemeinen sind diese Effekte gering und werden gelegentlich durch den Toleranzbereich verdeckt. Aber es gibt sie, und deshalb ist es wichtig, sie bei der Herstellung und Messung von Teilen zu berücksichtigen – insbesondere bei solchen mit Toleranzen im Zehntel-Tausendstel-Zoll.

Best Practices plus gute Technik

Es ist eindeutig eine bewährte Praxis sicherzustellen, dass Produktions-, Inspektions- und Qualitätskontrollbereiche wo immer möglich unter den gleichen Umgebungsbedingungen arbeiten.

Noch wichtiger ist es, darüber nachzudenken, wo das Endprodukt verwendet werden soll und ob ein sehr kleiner Toleranzunterschied aufgrund einer möglichen Wärmeausdehnung von Metallen die Leistung des Endprodukts oder der Komponente beeinflussen würde. Zum Beispiel:

• Wird das Teil letztendlich in einer kontrollierten Umgebung verwendet, in der eine enge Toleranz eingehalten werden kann?
• ODER wird das Produkt in einer sehr heißen Umgebung verwendet, was darauf hindeutet, dass die Toleranzen erweitert werden müssen, damit die Funktionalität des Produkts nicht durch Ausdehnung gefährdet wird?

Diese und andere Überlegungen sind von entscheidender Bedeutung, um die Abmessungen und Toleranzen anzugeben, mit denen die fertigen Teile hergestellt werden, die Ihr Projekt erfordert.