Controlando la expansión térmica en piezas metálicas para mediciones precisas en verano

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

En el apogeo del 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 nuestros clientes eligen
• Las herramientas usadas para medir las piezas metálicas pequeñas de tolerancia ajustada que hacemos en nuestra fábrica con aire acondicionado

El problema es que el calor puede causar que los metales (y otros materiales) se expandan —y en el frío, se contraigan— lo que a su vez puede afectar si una pieza está dentro o fuera de especificación.

Esto es especialmente cierto cuando tiene tolerancias muy ajustadas (como ± 0,0001", o ± 0,0025 mm) y la expansión térmica resulta en piezas metálicas fallando la inspección o, más comúnmente, un cliente y un proveedor obteniendo diferentes mediciones para la misma pieza.

Por eso los fabricantes, diseñadores e ingenieros necesitan mantener la expansión del metal por calor en mente cuando crean especificaciones de piezas y deciden qué tan precisas deben ser las dimensiones de la pieza.

Expansión térmica en diferentes metales

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

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

Así, por ejemplo, si tomara tres alambres del mismo diámetro pero hechos de tres metales diferentes —como aluminio, acero y tungsteno— y los calentara a la misma temperatura, cada alambre se expandiría en una cantidad diferente.

Naturalmente, las características térmicas del material que un cliente elige para sus componentes metálicos tiene un efecto en el potencial de expansión por calor. Así que si tiene una pieza de tolerancia muy ajustada, probablemente quiera elegir un metal que sea altamente estable y no sujeto a mucha variación debido a cambios de temperatura.

Calor y calibración de herramientas de medición

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

¿Pero sabía que la temperatura y otras condiciones en el entorno (como humedad y presión) pueden tener un impacto en las mediciones resultantes cuando está verificando si las piezas fabricadas están dentro de especificaciones?

Teóricamente, las piezas fabricadas siempre deberían medirse a la misma temperatura bajo la cual la herramienta de medición elegida fue calibrada. Sin embargo, la realidad es que en muchos talleres, a menudo no hay forma de saber la temperatura ambiente —mucho menos controlarla y asegurar que coincida con el entorno (o entornos) donde varias herramientas de medición fueron calibradas.

Además, la humedad relativa alta —la cantidad de humedad en el aire expresada como porcentaje de la saturación posible a una temperatura dada— en combinación con temperaturas fluctuantes a menudo causa condensación que puede afectar galgas y equipos de metrología más sensibles. Con exposición alta y a largo plazo, la humedad puede causar deformación y, eventualmente, corrosión, ambas con impacto en la precisión de la medición.

Otros factores en la expansión térmica de los metales

Cuándo se mide una pieza también puede tener un efecto en la temperatura y, por tanto, en las dimensiones de la pieza. Por ejemplo, una pieza recién cortada puede estar caliente o fría y por tanto tener una dimensión ligeramente diferente que si se midiera más tarde en Control de Calidad (CC) o cuando se inspeccione a la llegada a la ubicación de fabricación del cliente.

La presión atmosférica también puede tener un impacto muy sutil en la medición de piezas, con los metales expandiéndose cuando están bajo menos presión. Eso significa que si corta e inspecciona una pieza a nivel del mar y luego la envía a Denver, podría obtener una medición muy ligeramente diferente a la mayor altitud —por supuesto, vista solo al medir las dimensiones más pequeñas y tolerancias más ajustadas.

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 que las diferencias en medición son más probables donde tolerancias muy ajustadas están asociadas con piezas más grandes, como una que mide un pie o más de longitud versus una que mide 0,001" (0,0254 mm) de longitud.

Eso significa que es más difícil mantener una tolerancia ajustada en una varilla que mide, digamos, 2' (60,96 cm) de longitud, con cualquier variación siendo más obvia. También, cuanto mayor es el diámetro, más difícil es mantener una tolerancia ajustada.

Otro factor es que múltiples materiales pueden usarse en un producto que comprende diferentes piezas ensambladas, y cada material tiene su propio coeficiente de expansión térmica. Estas diferentes piezas —quizás algunas hechas de diferentes metales y algunas de plástico, vidrio u otros materiales— se expandirán a diferentes tasas. Por tanto, los diferentes coeficientes de expansión necesitan ser considerados al decidir tolerancias a través de las diversas piezas.

Cómo minimizar la expansión del metal por calor

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

Aunque lograr temperatura y humedad exactamente idénticas es improbable, hay pasos que pueden tomarse para minimizar o eliminar los efectos de la expansión térmica de los metales y otras condiciones atmosféricas.

Por ejemplo, en Metal Cutting tenemos un entorno controlado tanto para producir como para medir las piezas pequeñas que hacemos. Nuestros sistemas de refrigeración y calefacción aseguran que las actividades de fabricación ocurran a temperatura ambiente, en un entorno que es en gran medida consistente a través de nuestras instalaciones —empezando por donde calibramos nuestras herramientas de medición y extendiéndose por nuestros talleres y áreas de CC.

Como resultado, rara vez vemos cualquier variación en nuestras mediciones debido a fluctuaciones de temperatura y expansión térmica de los metales. Además, porque siempre nos esforzamos por lograr las dimensiones nominales para todas las piezas que producimos, típicamente no vemos piezas variando dentro y fuera de 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 enormemente.

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

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

Mejores prácticas más buena ingeniería

Claramente, es buena práctica asegurar 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 en dónde se usará el producto final y si una diferencia muy pequeña en tolerancia debido a posible expansión térmica de los metales importaría en cómo el producto final o componente funciona. Por ejemplo:

• ¿La pieza se usará finalmente en un entorno controlado, donde se puede mantener una tolerancia ajustada?
• ¿O el producto se usará en un entorno muy caliente, indicando la necesidad de abrir las tolerancias para que la funcionalidad del producto no se ponga en riesgo debido a la expansión?

Estas y otras consideraciones son vitalmente importantes para especificar las dimensiones y tolerancias que producirán las piezas terminadas que su proyecto requiere.