La expansión térmica de los metales y la tristeza del verano

Cómo minimizar los efectos del calor en la medición de piezas metálicas

En pleno verano aquí en Metal Cutting Corporation, nuestros pensamientos naturalmente se vuelven hacia el clima y las formas en que el calor puede afectar:

• Los materiales que eligen nuestros clientes
• Las herramientas utilizadas para medir la tolerancia estrecha, las pequeñas piezas de metal que fabricamos en nuestra fábrica con aire acondicionado

El problema es que el calor puede hacer que los metales (y otros materiales) se expandan y, en frío, se contraigan, lo que a su vez puede afectar si una pieza cumple o no las especificaciones.

Esto es especialmente cierto cuando tiene tolerancias muy ajustadas (como ± 0,0001″ o ± 0,0025 mm) y la expansión térmica da como resultado que las piezas metálicas no pasen la inspección o, más comúnmente, que un cliente y un proveedor obtengan diferentes medidas para la misma pieza. .

Es por eso que los fabricantes, diseñadores e ingenieros deben tener en cuenta la expansión del metal por el calor cuando crean especificaciones de piezas y deciden qué tan precisas deben ser las dimensiones de la pieza.

Expansión térmica en diferentes metales

¿Qué le hace el calor al metal? La expansión (o contracción) de cualquier material se debe a la energía cinética de sus átomos. Cuando se calienta un material, el aumento de energía hace que los átomos y las moléculas se muevan más y ocupen más espacio, es decir, se expandan.

Esto es cierto incluso para un sólido como un metal. Sin embargo, los diferentes metales responden al calor en diferente grado dependiendo del coeficiente de expansión térmica único de cada uno.

Entonces, por ejemplo, si toma tres alambres del mismo diámetro pero hechos de tres metales diferentes, como aluminio, acero y tungsteno, y los calienta a la misma temperatura, cada alambre se expandirá en una cantidad diferente.

Naturalmente, las características térmicas del material que un cliente elige para sus componentes metálicos tiene un efecto sobre el potencial de expansión térmica. Por lo tanto, si tiene una pieza de tolerancia muy estrecha, probablemente desee elegir un metal que sea muy estable y que no esté sujeto a muchas variaciones debido a los cambios de temperatura.

El calor y la calibración de herramientas de medición

A menudo hablamos de la importancia de cómo se inspecciona una pieza y de elegir una herramienta de medición adecuada y correctamente calibrada para el trabajo.

Pero, ¿sabía que la temperatura y otras condiciones ambientales (como la humedad y la presión) pueden tener un impacto en las mediciones resultantes cuando verifica si las piezas fabricadas cumplen con las especificaciones?

En teoría, las piezas fabricadas siempre deben medirse a la misma temperatura a la que se calibró la herramienta de medición elegida. Sin embargo, la realidad es que en muchos talleres, a menudo no hay forma de conocer la temperatura ambiente, y mucho menos controlarla y asegurarse de que coincida con el entorno (o entornos) donde se calibraron varias herramientas de medición.

Además, la humedad relativa alta (la cantidad de humedad en el aire expresada como un porcentaje de la saturación posible a una temperatura determinada) en combinación con temperaturas fluctuantes a menudo provoca condensación que puede afectar a los medidores y equipos de metrología más sensibles. Con una exposición alta y prolongada, la humedad puede causar deformaciones y, eventualmente, corrosión, los cuales tienen un impacto en la precisión de la medición.

Otros factores en la expansión térmica de los metales

Cuando se mide una pieza también puede tener un efecto sobre la temperatura y, por lo tanto, las dimensiones de la pieza. Por ejemplo, una pieza recién cortada puede estar caliente o fría y, por lo tanto, tener una dimensión ligeramente diferente que si se midiera más tarde en Control de calidad (QA) o cuando se inspeccionara al llegar a la ubicación de fabricación de un cliente.

La presión atmosférica también puede tener un impacto muy sutil en la medición de las piezas, ya que los metales se expanden cuando están bajo menos presión. Eso significa que si corta e inspecciona una pieza al nivel del mar y luego la envía a Denver, es posible que obtenga una medición ligeramente diferente a mayor altitud; por supuesto, solo se ve al medir las dimensiones más pequeñas y las tolerancias más estrictas.

Además, la expansión térmica de los metales depende de la magnitud del tamaño de la pieza. Por ejemplo, la tolerancia afecta el coeficiente de expansión, en el sentido de que las diferencias en la medición son más probables cuando las tolerancias muy estrictas están asociadas con piezas más grandes, como una que mide un pie o más de largo versus una que mide 0.001” (0.0254 mm) de longitud.

Eso significa que es más difícil mantener una tolerancia estrecha en una barra que tiene, digamos, 2' (60,96 cm) de largo, siendo más obvia cualquier variación. Además, cuanto mayor sea el diámetro, más difícil será mantener una tolerancia estricta.

Otro factor es que se pueden usar múltiples materiales en un producto que comprende diferentes partes ensambladas, y cada material tiene su propio coeficiente de expansión térmica. Estas diferentes partes, quizás algunas hechas de diferentes metales y otras de plástico, vidrio u otros materiales, se expandirán a diferentes velocidades. Por lo tanto, los diferentes coeficientes de expansión deben tenerse en cuenta al decidir sobre las tolerancias en las distintas piezas.

Cómo minimizar la expansión del metal por el calor

En un mundo perfecto, todas las piezas serían cortadas e inspeccionadas por un proveedor y luego inspeccionadas y utilizadas por el fabricante/cliente en entornos prácticamente idénticos.

Si bien es poco probable lograr una temperatura y humedad exactamente idénticas, se pueden tomar medidas para minimizar o eliminar los efectos de la expansión térmica de los metales y otras condiciones atmosféricas.

Por ejemplo, en Metal Cutting tenemos un ambiente controlado tanto para producir como para medir las piezas pequeñas que fabricamos. Nuestros sistemas de refrigeración y calefacción garantizan que las actividades de fabricación se realicen a temperatura ambiente, en un entorno que es en gran medida uniforme en todas nuestras instalaciones, desde donde calibramos nuestras herramientas de medición hasta nuestros talleres y áreas de control de calidad.

Como resultado, rara vez vemos alguna variación en nuestras mediciones debido a las fluctuaciones de temperatura y la expansión térmica de los metales. Además, debido a que siempre nos esforzamos por lograr las dimensiones nominales para todas las piezas que producimos, normalmente no vemos que las piezas varíen dentro o fuera de la tolerancia.

Sin embargo, lo mismo puede no ser cierto para algunos de nuestros clientes y sus sitios de fabricación, donde las condiciones de operación pueden variar mucho.

Por ejemplo, algunas fábricas no tienen aire acondicionado (o calefacción) en sus instalaciones de producción, pero tienen un área de inspección con temperatura controlada donde verifican la calidad de las piezas. Allí, la consecuencia no deseada puede ser una discrepancia entre las piezas medidas en un taller relativamente más caliente (o más frío) y su medida en el control de calidad.

En general, estos efectos son pequeños y ocasionalmente enmascarados por el rango de tolerancia. Pero existen, y es por eso que es importante tenerlos en cuenta al producir y medir piezas, especialmente aquellas con tolerancias de décimas de milésimas de pulgada.

Mejores prácticas más buena ingeniería

Claramente, es una buena práctica asegurarse de que las áreas de producción, inspección y control de calidad operen bajo las mismas condiciones ambientales siempre que sea posible.

Más importante aún, es crucial pensar dónde se usará el producto final y si una diferencia muy pequeña en la tolerancia debido a la posible expansión térmica de los metales afectaría el rendimiento del producto o componente final. Por ejemplo:

• ¿Se utilizará finalmente la pieza en un entorno controlado, donde se pueda mantener una tolerancia estrecha?
• O ¿se usará el producto en un entorno muy caluroso, lo que indica la necesidad de ampliar las tolerancias para que la funcionalidad del producto no se vea comprometida debido a la expansión?

Estas y otras consideraciones son de vital importancia para especificar las dimensiones y tolerancias que producirán las piezas terminadas que requiere su proyecto.