金属の熱膨張と夏のブルース

金属部品の測定における熱の影響を最小限に抑える方法

ここメタル カッティング コーポレーションでは真夏の真っ盛りに、私たちの考えは自然に天気と熱の影響に向けられます:

• お客様が選ぶ素材
• 厳しい公差を測定するために使用されるツール、エアコン完備の工場で製造される小さな金属部品

問題は、熱によって金属 (およびその他の材料) が膨張し、低温下では収縮する可能性があることです。これは、部品が仕様内か仕様外かに影響を与える可能性があります。

これは特に、公差が非常に厳しく (± 0.0001 インチまたは ± 0.0025 mm など)、熱膨張により金属部品の検査が不合格になるか、より一般的には顧客とサプライヤが同じ部品に対して異なる測定値を提示する場合に当てはまります。 .

そのため、メーカー、設計者、およびエンジニアは、部品の仕様を作成し、部品の寸法をどの程度正確にする必要があるかを決定する際に、熱による金属の膨張を念頭に置く必要があります。

さまざまな金属の熱膨張

熱は金属に何をしますか？あらゆる物質の膨張 (または収縮) は、その原子の運動エネルギーによるものです。材料が加熱されると、エネルギーの増加により、原子と分子がさらに動き、より多くの空間を占めるようになります。つまり、膨張します。

これは、金属などの固体でも同じです。ただし、金属が異なれば、それぞれの固有の熱膨張係数に応じて、熱に対する反応の程度も異なります。

たとえば、同じ直径で 3 種類の金属 (アルミニウム、鋼、タングステンなど) でできている 3 本のワイヤーを同じ温度に加熱すると、各ワイヤーは異なる量だけ膨張します。

当然のことながら、お客様が金属部品に選択する材料の熱特性は、熱膨張の可能性に影響を与えます。したがって、公差が非常に厳しい部品の場合は、安定性が高く、温度変化による変動が少ない金属を選択することをお勧めします。

測定ツールの熱とキャリブレーション

部品を検査する方法と、ジョブに適切で適切に校正された測定ツールを選択することの重要性についてよく話します。

しかし、製造された部品が仕様の範囲内にあるかどうかをチェックする際に、温度やその他の環境条件 (湿度や圧力など) が結果の測定値に影響を与える可能性があることをご存知でしたか?

理論的には、製造された部品は常に、選択した測定ツールが校正されたのと同じ温度で測定する必要があります。しかし、現実には、多くの製造現場では、周囲温度を知る方法がないことがよくあります。ましてや、周囲温度を制御して、さまざまな測定ツールが校正された環境 (または複数の環境) と一致することを確認することはできません。

さらに、高い相対湿度 (特定の温度で可能な飽和のパーセンテージとして表される空気中の水分の量) と変動する温度が組み合わさると、しばしば結露が発生し、ゲージやより敏感な計測機器に影響を与える可能性があります。高湿度に長時間さらされると、湿度によって反りが発生し、最終的には腐食が発生する可能性があり、どちらも測定精度に影響を与えます。

金属の熱膨張におけるその他の要因

いつ 測定される部品は、温度にも影響を与える可能性があり、したがって部品の寸法にも影響を与える可能性があります。たとえば、切断したばかりの部品は高温または低温である可能性があるため、後で品質保証 (QA) で測定した場合や、顧客の製造場所に到着して検査した場合とは寸法がわずかに異なります。

大気圧も部品の測定に非常に微妙な影響を与える可能性があり、圧力が低いと金属が膨張します。つまり、海面で部品を切断して検査し、それをデンバーに出荷した場合、標高が高いと非常にわずかに異なる測定値が得られる可能性があります — もちろん、最小の寸法と最も厳しい公差を測定した場合にのみ見られます.

さらに、金属の熱膨張は部品サイズの大きさに依存します。たとえば、長さが 1 フィート以上の部品と 0.001 インチ (0.0254 mm) の部品など、非常に厳しい公差が大きな部品に関連付けられている場合、測定値の違いが生じる可能性が高くなります。

つまり、たとえば長さが 2 フィート (60.96 cm) のロッドでは、変動がより明白で、厳密な公差を維持することがより困難になります。また、直径が大きくなるほど、厳しい公差を維持することが難しくなります。

別の要因は、さまざまな組み立て部品を含む製品に複数の材料が使用される可能性があり、各材料には独自の熱膨張係数があることです。これらの異なる部品は、おそらく異なる金属で作られたものもあれば、プラスチック、ガラス、またはその他の材料で作られたものもあり、異なる速度で膨張します。したがって、さまざまな部品の公差を決定する際には、さまざまな膨張係数を考慮する必要があります。

熱による金属の膨張を最小限に抑える方法

完璧な世界では、すべての部品がサプライヤーによって切断および検査され、製造業者/顧客によって実質的に同一の環境で検査および使用されます。

まったく同じ温度と湿度を達成することはまずありませんが、金属やその他の大気条件の熱膨張の影響を最小限に抑える、または排除するための手順があります。

たとえば、金属切削では、製造する小さな部品の製造と測定の両方のために制御された環境があります。当社の冷却および加熱システムにより、測定ツールの校正から始まり、製造現場や QA エリアに至るまで、当社の施設全体でほぼ一貫した環境で、製造活動が室温で行われることが保証されます。

その結果、温度変動や金属の熱膨張による測定値の変動はほとんど見られません。さらに、製造するすべての部品の公称寸法を達成するために常に努力しているため、通常、部品が公差内外で変動することはありません。

ただし、一部のお客様とその製造現場では、動作条件が大きく異なる場合があります。

たとえば、一部の工場では、製造施設に空調 (または暖房) がありませんが、温度管理された検査エリアがあり、部品の品質をチェックしています。そこでは、意図しない結果として、比較的高温 (または低温) の製造現場で測定された部品と、品質管理で測定された部品との間に不一致が生じる可能性があります。

一般に、これらの影響は小さく、許容範囲によって隠されることがあります。しかし、それらは存在します。そのため、部品を製造および測定する際には、それらを考慮することが重要です。特に、公差が 1000 分の 1 インチの場合はそうです。

ベスト プラクティスと優れたエンジニアリング

明らかに、製造、検査、および品質管理エリアが可能な限り同じ環境条件下で動作することを確認することをお勧めします。

さらに重要なことは、最終製品がどこで使用されるか、および金属の熱膨張の可能性による公差のわずかな違いが、最終製品またはコンポーネントの性能に影響するかどうかを考えることが重要です。例:

• パーツは最終的に、厳密な公差を維持できる制御された環境で使用されますか?
• または、製品が非常に高温の環境で使用される場合は、膨張によって製品の機能が損なわれないように許容範囲を開く必要がありますか?

これらおよびその他の考慮事項は、プロジェクトに必要な完成部品を製造する寸法と公差を指定する上で非常に重要です。