Expansion thermique des métaux et blues de l'été

Comment minimiser les effets de la chaleur sur la mesure des pièces métalliques

Au plus fort de l'été, chez Metal Cutting Corporation, nos pensées se tournent naturellement vers la météo et les effets de la chaleur sur :

• Les matériaux que nos clients choisissent
• Les outils utilisés pour mesurer la tolérance serrée, les petites pièces métalliques que nous fabriquons dans notre usine climatisée

Le problème est que la chaleur peut provoquer l'expansion des métaux (et d'autres matériaux) et leur contraction par temps froid, ce qui peut avoir un impact sur le fait qu'une pièce soit conforme ou non aux spécifications.

Cela est particulièrement vrai lorsque vous avez des tolérances très serrées (telles que ± 0,0001″ ou ± 0,0025 mm) et que la dilatation thermique entraîne l'échec de l'inspection des pièces métalliques ou, plus communément, un client et un fournisseur proposant des mesures différentes pour la même pièce. .

C'est pourquoi les fabricants, les concepteurs et les ingénieurs doivent garder à l'esprit la dilatation du métal due à la chaleur lorsqu'ils créent des spécifications de pièces et décident de la précision des dimensions de la pièce.

Dilatation thermique dans différents métaux

Qu'est-ce que la chaleur fait au métal? L'expansion (ou la contraction) de tout matériau est due à l'énergie cinétique de ses atomes. Lorsqu'un matériau est chauffé, l'augmentation de l'énergie amène les atomes et les molécules à se déplacer davantage et à occuper plus d'espace, c'est-à-dire à se dilater.

Cela est vrai même pour un solide tel qu'un métal. Cependant, différents métaux réagissent à la chaleur dans une mesure différente en fonction du coefficient de dilatation thermique unique de chacun.

Ainsi, par exemple, si vous preniez trois fils de même diamètre mais constitués de trois métaux différents - tels que l'aluminium, l'acier et le tungstène - et que vous les chauffiez à la même température, chaque fil se dilaterait d'une quantité différente.

Naturellement, les caractéristiques thermiques du matériau qu'un client choisit pour ses composants métalliques ont un effet sur le potentiel de dilatation thermique. Donc, si vous avez une pièce à tolérance très serrée, vous voudrez probablement choisir un métal très stable et peu sujet aux variations dues aux changements de température.

La chaleur et l'étalonnage des outils de mesure

Nous parlons souvent de l'importance de la façon dont une pièce est inspectée et du choix d'un outil de mesure approprié et correctement calibré pour le travail.

Mais saviez-vous que la température et d'autres conditions de l'environnement (telles que l'humidité et la pression) peuvent avoir un impact sur les mesures résultantes lorsque vous vérifiez si les pièces fabriquées sont conformes aux spécifications ?

Théoriquement, les pièces fabriquées doivent toujours être mesurées à la même température sous laquelle l'outil de mesure choisi a été calibré. Cependant, la réalité est que dans de nombreux ateliers, il n'y a souvent aucun moyen de connaître la température ambiante - encore moins de la contrôler et de s'assurer qu'elle correspond à l'environnement (ou aux environnements) où divers outils de mesure ont été calibrés.

De plus, une humidité relative élevée - la quantité d'humidité dans l'air exprimée en pourcentage de la saturation possible à une température donnée - en combinaison avec des températures fluctuantes provoque souvent une condensation qui peut affecter les jauges et les équipements de métrologie plus sensibles. Avec une exposition élevée et à long terme, l'humidité peut provoquer une déformation et, éventuellement, de la corrosion, qui ont toutes deux un impact sur la précision des mesures.

Autres facteurs de dilatation thermique des métaux

Quand une pièce est mesurée peut également avoir un effet sur la température et, par conséquent, sur les dimensions de la pièce. Par exemple, une pièce fraîchement coupée peut être chaude ou froide et avoir donc une dimension légèrement différente de celle si elle avait été mesurée plus tard dans le cadre de l'assurance qualité (QA) ou lors de l'inspection à son arrivée sur le site de fabrication d'un client.

La pression atmosphérique peut également avoir un impact très subtil sur la mesure des pièces, les métaux se dilatant lorsqu'ils sont sous moins de pression. Cela signifie que si vous coupez et inspectez une pièce au niveau de la mer, puis que vous l'expédiez à Denver, vous pourriez obtenir une mesure très légèrement différente à l'altitude la plus élevée - bien sûr, visible uniquement lors de la mesure des dimensions les plus petites et des tolérances les plus strictes.

De plus, la dilatation thermique des métaux dépend de l'ampleur de la taille de la pièce. Par exemple, la tolérance affecte le coefficient de dilatation, en ce sens que les différences de mesure sont plus probables lorsque des tolérances très serrées sont associées à des pièces plus grandes, comme celle qui mesure un pied ou plus de longueur par rapport à celle qui mesure 0,001" (0,0254 mm) de longueur.

Cela signifie qu'il est plus difficile de maintenir une tolérance serrée sur une tige qui mesure, disons, 2' (60,96 cm) de longueur, toute variation étant plus évidente. De plus, plus le diamètre est grand, plus il est difficile de garder une tolérance serrée.

Un autre facteur est que plusieurs matériaux peuvent être utilisés dans un produit comprenant différentes pièces assemblées, et chaque matériau a son propre coefficient de dilatation thermique. Ces différentes pièces - peut-être certaines fabriquées à partir de différents métaux et d'autres à partir de plastique, de verre ou d'autres matériaux - se dilateront à des rythmes différents. Par conséquent, les différents coefficients de dilatation doivent être pris en compte lors du choix des tolérances entre les différentes pièces.

Comment minimiser la dilatation du métal due à la chaleur

Dans un monde parfait, toutes les pièces seraient coupées et inspectées par un fournisseur, puis inspectées et utilisées par le fabricant/client dans des environnements pratiquement identiques.

Bien qu'il soit peu probable d'obtenir une température et une humidité exactement identiques, certaines mesures peuvent être prises pour minimiser ou éliminer les effets de la dilatation thermique des métaux et d'autres conditions atmosphériques.

Par exemple, chez Metal Cutting, nous avons un environnement contrôlé pour la production et la mesure des petites pièces que nous fabriquons. Nos systèmes de refroidissement et de chauffage garantissent que les activités de fabrication se déroulent à température ambiante, dans un environnement largement homogène dans l'ensemble de nos installations, en commençant par l'endroit où nous calibrons nos outils de mesure et en passant par nos ateliers et nos zones d'assurance qualité.

En conséquence, nous voyons rarement des variations dans nos mesures en raison des fluctuations de température et de la dilatation thermique des métaux. De plus, comme nous nous efforçons toujours d'atteindre les dimensions nominales pour toutes les pièces que nous produisons, nous ne voyons généralement pas de pièces varier dans et hors tolérance.

Cependant, il se peut qu'il n'en soit pas de même pour quelques-uns de nos clients et leurs sites de fabrication, où les conditions de fonctionnement peuvent varier considérablement.

Par exemple, certaines usines n'ont pas de climatisation (ou de chauffage) dans leurs installations de production, mais disposent d'une zone d'inspection à température contrôlée où elles vérifient la qualité des pièces. Là, la conséquence involontaire peut être un écart entre les pièces mesurées dans un atelier relativement plus chaud (ou plus froid) par rapport à leur mesure lors du contrôle qualité.

En général, ces effets sont faibles et parfois masqués par la plage de tolérance. Mais ils existent, et c'est pourquoi il est important d'en tenir compte lors de la production et de la mesure de pièces, en particulier celles dont les tolérances mesurent le dixième de millième de pouce.

Meilleures pratiques et bonne ingénierie

De toute évidence, il est recommandé de s'assurer que les zones de production, d'inspection et de contrôle qualité fonctionnent dans les mêmes conditions environnementales dans la mesure du possible.

Plus important encore, il est crucial de réfléchir à l'endroit où le produit final sera utilisé et si une très petite différence de tolérance due à une éventuelle dilatation thermique des métaux aurait une incidence sur la performance du produit ou du composant final. Par exemple :

• La pièce sera-t-elle finalement utilisée dans un environnement contrôlé, où une tolérance stricte peut être maintenue ?
• OU le produit sera-t-il utilisé dans un environnement très chaud, indiquant un besoin d'ouvrir les tolérances afin que la fonctionnalité du produit ne soit pas compromise en raison de l'expansion ?

Ces considérations et d'autres sont d'une importance vitale pour spécifier les dimensions et les tolérances qui produiront les pièces finies requises par votre projet.