Expansão de calor de metais e o blues de verão

Como minimizar os efeitos do calor na medição de peças metálicas

No auge do verão aqui na Metal Cutting Corporation, nossos pensamentos se voltam naturalmente para o clima e as maneiras pelas quais o calor pode afetar:

• Os materiais que nossos clientes escolhem
• As ferramentas usadas para medir a tolerância apertada, pequenas peças de metal que fabricamos em nossa fábrica com ar condicionado

O problema é que o calor pode fazer com que os metais (e outros materiais) se expandam – e no frio, se contraiam – o que, por sua vez, pode afetar se uma peça está dentro ou fora das especificações.

Isso é especialmente verdadeiro quando você tem tolerâncias muito apertadas (como ± 0,0001″ ou ± 0,0025 mm) e a expansão de calor resulta em peças metálicas que falham na inspeção ou, mais comumente, um cliente e fornecedor apresentam medições diferentes para a mesma peça .

É por isso que fabricantes, designers e engenheiros precisam ter em mente a expansão do metal contra o calor quando criam especificações de peças e decidem o quão precisas devem ser as dimensões da peça.

Expansão de calor em diferentes metais

O que o calor faz com o metal? A expansão (ou contração) de qualquer material é devido à energia cinética de seus átomos. Quando um material é aquecido, o aumento de energia faz com que os átomos e as moléculas se movam mais e ocupem mais espaço - isto é, se expandam.

Isso é verdade até mesmo para um sólido como um metal. No entanto, diferentes metais respondem ao calor de forma diferente, dependendo do coeficiente único de expansão térmica de cada um.

Então, por exemplo, se você pegar três fios do mesmo diâmetro, mas feitos de três metais diferentes – como alumínio, aço e tungstênio – e os aquecer à mesma temperatura, cada fio se expandirá em uma quantidade diferente.

Naturalmente, as características térmicas do material que um cliente escolhe para seus componentes metálicos afetam o potencial de expansão térmica. Portanto, se você tem uma peça de tolerância muito apertada, provavelmente deseja escolher um metal altamente estável e não sujeito a muitas variações devido a mudanças de temperatura.

Calor e calibração de ferramentas de medição

Muitas vezes falamos sobre a importância de como uma peça é inspecionada e a escolha de uma ferramenta de medição apropriada e devidamente calibrada para o trabalho.

Mas você sabia que a temperatura e outras condições do ambiente (como umidade e pressão) podem afetar as medições resultantes ao verificar se as peças fabricadas estão dentro das especificações?

Teoricamente, as peças fabricadas devem sempre ser medidas na mesma temperatura sob a qual o instrumento de medição escolhido foi calibrado. No entanto, a realidade é que, em muitos chãos de fábrica, muitas vezes não há como saber a temperatura ambiente – muito menos controlá-la e garantir que ela corresponda ao ambiente (ou ambientes) onde várias ferramentas de medição foram calibradas.

Além disso, a alta umidade relativa – a quantidade de umidade no ar expressa como uma porcentagem da saturação possível em uma determinada temperatura – em combinação com temperaturas flutuantes geralmente causa condensação que pode afetar medidores e equipamentos de metrologia mais sensíveis. Com exposição alta e de longo prazo, a umidade pode causar deformação e, eventualmente, corrosão, ambas com impacto na precisão da medição.

Outros fatores na expansão térmica de metais

Quando uma peça é medida também pode afetar a temperatura e, portanto, as dimensões da peça. Por exemplo, uma peça recém-cortada pode estar quente ou fria e, portanto, ter uma dimensão ligeiramente diferente do que se fosse medida posteriormente na Garantia de Qualidade (QA) ou quando inspecionada na chegada ao local de fabricação de um cliente.

A pressão atmosférica também pode ter um impacto muito sutil na medição das peças, com os metais se expandindo quando estão sob menos pressão. Isso significa que se você cortar e inspecionar uma peça no nível do mar e enviá-la para Denver, poderá obter uma medição ligeiramente diferente na altitude mais alta – é claro, visto apenas ao medir as menores dimensões e as mais rígidas tolerâncias.

Além disso, a expansão térmica dos metais depende da magnitude do tamanho da peça. Por exemplo, a tolerância afeta o coeficiente de expansão, em que as diferenças de medição são mais prováveis ​​onde tolerâncias muito apertadas estão associadas a peças maiores, como uma que tem um pé ou mais de comprimento versus uma que tem 0,001” (0,0254 mm) em comprimento.

Isso significa que é mais difícil manter uma tolerância apertada em uma haste que tem, digamos, 2' (60,96 cm) de comprimento, com qualquer variação sendo mais óbvia. Além disso, quanto maior o diâmetro, mais difícil é manter uma tolerância apertada.

Outro fator é que vários materiais podem ser usados ​​em um produto composto por diferentes peças montadas, e cada material possui seu próprio coeficiente de expansão térmica. Essas diferentes partes – talvez algumas feitas de diferentes metais e outras de plástico, vidro ou outros materiais – se expandirão em taxas diferentes. Portanto, os diferentes coeficientes de expansão precisam ser considerados ao decidir sobre as tolerâncias entre as várias peças.

Como minimizar a expansão do metal pelo calor

Em um mundo perfeito, todas as peças seriam cortadas e inspecionadas por um fornecedor e depois inspecionadas e usadas pelo fabricante/cliente em ambientes praticamente idênticos.

Embora seja improvável atingir temperatura e umidade exatamente idênticas, existem medidas que podem ser tomadas para minimizar ou eliminar os efeitos da expansão térmica de metais e outras condições atmosféricas.

Por exemplo, na Metal Cutting temos um ambiente controlado tanto para produzir quanto para medir as pequenas peças que fabricamos. Nossos sistemas de resfriamento e aquecimento garantem que as atividades de fabricação ocorram à temperatura ambiente, em um ambiente amplamente consistente em todas as nossas instalações – começando com onde calibramos nossas ferramentas de medição e estendendo-se por todo o chão de fábrica e áreas de controle de qualidade.

Como resultado, raramente vemos qualquer variação em nossas medições devido às flutuações de temperatura e à expansão térmica dos metais. Além disso, como sempre nos esforçamos para atingir as dimensões nominais para todas as peças que produzimos, normalmente não vemos peças variando dentro e fora da tolerância.

No entanto, o mesmo pode não ser verdade para alguns de nossos clientes e seus locais de fabricação, onde as condições operacionais podem variar muito.

Por exemplo, algumas fábricas não têm ar condicionado (ou aquecimento) em suas instalações de produção, mas têm uma área de inspeção com temperatura controlada onde verificam a qualidade das peças. Lá, a consequência não intencional pode ser uma discrepância entre as peças medidas em um chão de fábrica relativamente mais quente (ou mais frio) versus sua medição no controle de qualidade.

Em geral, esses efeitos são pequenos e ocasionalmente mascarados pela faixa de tolerância. Mas eles existem, e é por isso que é importante considerá-los ao produzir e medir peças – especialmente aquelas com tolerâncias de décimos de milésimos de polegada.

Práticas recomendadas e boa engenharia

Claramente, é uma boa prática garantir que as áreas de produção, inspeção e controle de qualidade operem sob as mesmas condições ambientais sempre que possível.

Mais importante, é crucial pensar sobre onde o produto final será usado e se uma diferença muito pequena na tolerância devido à possível expansão térmica dos metais importaria no desempenho do produto ou componente final. Por exemplo:

• A peça será usada em um ambiente controlado, onde uma tolerância rígida pode ser mantida?
• OU o produto será usado em um ambiente muito quente, indicando a necessidade de abrir as tolerâncias para que a funcionalidade do produto não seja prejudicada devido à expansão?

Essas e outras considerações são de vital importância para especificar as dimensões e tolerâncias que produzirão as peças acabadas que seu projeto exige.