Contrôler la dilatation thermique des pièces métalliques pour des mesures estivales précises

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

Au plus fort de l'été ici chez Metal Cutting Corporation, nos pensées se tournent naturellement vers la météo et les façons dont la chaleur peut affecter :

• Les matériaux que nos clients choisissent
• Les outils utilisés pour mesurer les petites pièces métalliques à tolérances serrées que nous fabriquons dans notre usine climatisée

Le problème est que la chaleur peut causer la dilatation des métaux (et d'autres matériaux) — et dans le froid, la contraction — ce qui à son tour peut impacter si une pièce est dans ou hors spécifications.

C'est particulièrement vrai quand vous avez des tolérances très serrées (comme ± 0,0001", ou ± 0,0025 mm) et que la dilatation thermique résulte soit en pièces métalliques échouant à l'inspection, soit — plus couramment — en un client et un fournisseur arrivant à des mesures différentes pour la même pièce.

C'est pourquoi les fabricants, concepteurs et ingénieurs doivent garder la dilatation des métaux par la chaleur à l'esprit quand ils créent les spécifications des pièces et décident de la précision nécessaire pour les dimensions de la pièce.

Dilatation thermique dans différents métaux

Que fait la chaleur au métal ? La dilatation (ou contraction) de n'importe quel matériau est due à l'énergie cinétique de ses atomes. Quand un matériau est chauffé, l'augmentation d'énergie cause les atomes et molécules à bouger plus et à prendre plus de place — c'est-à-dire, à se dilater.

C'est vrai même pour un solide comme un métal. Cependant, différents métaux réagissent à la chaleur à des degrés différents selon le coefficient de dilatation thermique unique de chacun.

Donc, par exemple, si vous preniez trois fils du même diamètre mais faits de trois métaux différents — comme aluminium, acier et tungstène — et 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 a un effet sur le potentiel de dilatation thermique. Donc si vous avez une pièce à tolérance très serrée, vous voulez probablement choisir un métal hautement stable et pas sujet à beaucoup de variation due aux changements de température.

Chaleur et étalonnage des outils de mesure

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

Mais saviez-vous que la température et d'autres conditions de l'environnement (comme l'humidité et la pression) peuvent avoir un impact sur les mesures résultantes quand vous vérifiez si les pièces fabriquées sont dans les specs ?

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

De plus, l'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 cause souvent de la condensation qui peut affecter les jauges et équipements de métrologie plus sensibles. Avec une exposition élevée à long terme, l'humidité peut causer du gauchissement et, éventuellement, de la corrosion, qui ont tous deux un impact sur la précision de mesure.

Autres facteurs dans la dilatation thermique des métaux

Quand une pièce est mesurée peut aussi avoir un effet sur la température et, donc, les dimensions de la pièce. Par exemple, une pièce fraîchement coupée peut être chaude ou froide et donc avoir une dimension légèrement différente que si elle était mesurée plus tard en Assurance Qualité (AQ) ou quand inspectée à l'arrivée chez le client.

La pression atmosphérique peut aussi avoir un impact très subtil sur la mesure des pièces, les métaux se dilatant quand ils sont sous moins de pression. Cela signifie que si vous coupez et inspectez une pièce au niveau de la mer et l'expédiez à Denver, vous pourriez obtenir une mesure très légèrement différente à l'altitude plus élevée — bien sûr, vu seulement quand on mesure les plus petites dimensions et tolérances les plus serrées.

De plus, la dilatation thermique des métaux dépend de la magnitude de la taille de la pièce. Par exemple, la tolérance affecte le coefficient de dilatation, en ce que les différences de mesure sont plus probables là où des tolérances très serrées sont associées à des pièces plus grandes, comme une pièce d'un pied ou plus de long versus une de 0,001" (0,0254 mm) de long.

Cela signifie qu'il est plus difficile de maintenir une tolérance serrée sur une tige qui fait, disons, 2' (60,96 cm) de long, toute variation étant plus évidente. Aussi, 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 composé de différentes pièces assemblées, et chaque matériau a son propre coefficient de dilatation thermique. Ces différentes pièces — peut-être certaines faites de différents métaux et certaines de plastique, verre ou autres matériaux — se dilateront à des taux différents. Par conséquent, les différents coefficients de dilatation doivent être considérés quand on décide des tolérances à travers les diverses pièces.

Comment minimiser la dilatation des métaux par 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 virtuellement identiques.

Bien qu'atteindre des température et humidité exactement identiques soit improbable, il y a des étapes qu'on peut prendre 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 faisons. Nos systèmes de refroidissement et chauffage assurent que les activités de fabrication se font à température ambiante, dans un environnement largement constant dans nos installations — en commençant par où nous étalonnons nos outils de mesure et s'étendant à travers nos ateliers et zones AQ.

En conséquence, nous voyons rarement une variation dans nos mesures due aux fluctuations de température et à la dilatation thermique des métaux. De plus, parce que nous nous efforçons toujours d'atteindre les dimensions nominales pour toutes les pièces que nous produisons, nous ne voyons généralement pas de pièces variant dans et hors de tolérance.

Cependant, la même chose peut ne pas être vraie pour quelques-uns de nos clients et leurs sites de fabrication, où les conditions d'exploitation peuvent varier grandement.

Par exemple, certaines usines n'ont pas de climatisation (ou chauffage) dans leurs installations de production mais ont une zone d'inspection à température contrôlée où ils vérifient les pièces pour la qualité. Là, la conséquence non intentionnelle peut être une discrépance entre les pièces mesurées sur un atelier relativement plus chaud (ou plus froid) versus leur mesure en contrôle qualité.

En général, ces effets sont petits et occasionnellement masqués par la plage de tolérance. Mais ils existent, et c'est pourquoi il est important de les considérer quand on produit et mesure des pièces — surtout celles avec des tolérances mesurant en dixièmes de millièmes de pouce.

Meilleures pratiques plus bonne ingénierie

Clairement, c'est une bonne pratique de s'assurer que les zones de production, inspection et contrôle qualité opèrent sous les mêmes conditions environnementales où que ce soit possible.

Plus important encore, il est crucial de penser à où le produit final sera utilisé et si une très petite différence de tolérance due à la dilatation thermique possible des métaux importerait dans la performance du produit ou composant final. Par exemple :

• La pièce sera-t-elle finalement utilisée dans un environnement contrôlé, où une tolérance serrée peut être maintenue ?
• OU le produit sera-t-il utilisé dans un environnement très chaud, indiquant un besoin d'ouvrir les tolérances pour que la fonctionnalité du produit ne soit pas compromise par la dilatation ?

Ces considérations et d'autres sont vitalement importantes pour spécifier les dimensions et tolérances qui produiront les pièces finies que votre projet requiert.