Per què és important l'estabilitat tèrmica
Instruments de mesura de precisióno operen en un entorn dimensionalment neutre. Cada base de màquina, guia guia, accessori, escala i peça de treball canvien de mida quan canvia la seva temperatura. L'efecte pot ser petit, però en una estructura de màquina llarga o en una mesura de-tolerància estreta, uns quants micròmetres poden influir en el resultat.
Per a la metrologia dimensional, les mesures es refereixen normalment a 20 graus. La guia del NIST assenyala que les mesures realitzades a altres temperatures requereixen correccions d'expansió-tèrmica, mentre que el sistema de mesura i la peça de treball haurien d'arribar a l'equilibri tèrmic abans de inspection.nist+1
Això fa que l'elecció entre una base de màquina de granit i una estructura d'acer sigui més que una qüestió de resistència o cost. El coeficient d'expansió tèrmica, el comportament de transferència de calor-, la geometria estructural, les condicions de suport i el control de la temperatura influeixen en el rendiment final.
Granit i acer: una comparació pràctica
El coeficient lineal d'expansió tèrmica, o CTE, descriu quant canvia de longitud un material a mesura que canvia la seva temperatura. Els valors típics d'acer són al voltant d'11–13 × 10⁻⁶/grau, encara que el valor exacte depèn de l'aliatge, el tractament tèrmic, la composició i el rang de temperatura. El granit de precisió sovint és d'uns 4,5–8 × 10⁻⁶/grau, depenent de la pedra específica i de l'orientació. Una comparació especialitzada dóna valors representatius d'aproximadament 6 × 10⁻⁶/grau per al granit i 12 × 10⁻⁶/grau per a steel.pmc.ncbi.nlm.nih+1
Considereu un component de 1.000 mm exposat a un augment uniforme de temperatura d'1 grau:
Un component de granit amb un CTE de 6 × 10⁻⁶/grau pot canviar aproximadament 6 µm.
Un component d'acer amb un CTE de 12 × 10⁻⁶/grau pot canviar aproximadament 12 µm.
La diferència es fa més significativa a mesura que augmenta l'embolcall de la màquina. Una estructura de 3 m pot experimentar diverses desenes de micròmetres de canvi dimensional a partir d'un canvi de temperatura relativament petit. L'error real depèn de la distribució de la temperatura, però l'exemple mostra per què és important la selecció de material en CMM, sistemes d'inspecció òptica, etapes de precisió i equips de calibratge.
El granit també transfereix la calor més lentament que l'acer. Això pot reduir la velocitat de resposta dimensional als canvis tèrmics-a curt termini, cosa que és útil quan la màquina està exposada a fonts de calor intermitents. La mateixa característica requereix un disseny acurat: si una zona d'una gran estructura de granit s'escalfa localment, els gradients tèrmics poden persistir durant més temps. Un control ambiental uniforme continua sent essencial.
L'acer té els seus propis avantatges. Ofereix una alta resistència a la tracció, mètodes de fabricació familiars, una modificació més fàcil i una àmplia gamma d'opcions d'aliatge. Les estructures d'acer es poden dissenyar amb aliatges de baix-CTE, compensació tèrmica, refrigeració per aigua o correcció de programari. En moltes màquines, aquestes solucions són totalment adequades. La qüestió és si el sistema tèrmic complet es pot controlar dins de la incertesa de mesura requerida.
On el granit ofereix un avantatge clar
El granit de precisió s'utilitza àmpliament per a plaques de superfície, estructures CMM, bases de màquines de granit, plataformes òptiques, regles de granit i components de metrologia personalitzats. El seu CTE típic més baix pot reduir la quantitat de correcció necessària per als canvis dimensionals-de temperatura. També ofereix resistència a la corrosió i un comportament útil d'amortització de vibracions-.
El material és especialment adequat per a estructures que han de mantenir una relació geomètrica estable entre diversos components. Aquests poden incloure:
Guies CMM i suports de pont.
Plaques de superfície de granit utilitzades com a referències d'inspecció.
Plataformes de mesura òptica i làser.
Bases d'equips d'inspecció de semiconductors.
Taules XY de precisió i -estructures de suport d'aire.
Elements de muntatge per a equips d'alta{0}}precisió.
Components de calibratge i referència de laboratori.
El granit no és automàticament el millor material per a cada aplicació. És fràgil, pesat i menys convenient de modificar després del mecanitzat. Les insercions roscades, les interfícies metàl·liques unides, els forats perforats, els punts d'elevació i les ubicacions de suport s'han de dissenyar abans de la producció. Una mala disposició de suport pot distorsionar una base de granit de la mateixa manera que un marc inadequat pot distorsionar una d'acer.
La importància del sistema tèrmic complet
Un material tèrmicament estable no pot compensar una habitació mal controlada. El flux d'aire, la llum solar, els motors propers, el refrigerant, el contacte amb l'operador, l'electrònica i els accionaments de la màquina poden produir gradients de temperatura.
Les recomanacions del NIST posen l'accent en el control de la temperatura, la correcció tèrmica, la variació controlada i el temps de remull suficient abans de la calibració. Aquests requisits s'apliquen tant al granit com a l'acer. La diferència és que una estructura d'acer pot respondre més ràpidament a la calor local, mentre que una estructura de granit pot respondre més lentament però conservar els gradients durant un període més llarg.
Per aquest motiu, els equips d'enginyeria haurien d'avaluar:
El CTE de cada material estructural i de referència.
La longitud i la secció-transversal del component.
Fonts de calor i gradients de temperatura esperats.
El suport i la disposició de muntatge.
Requisits de compensació tèrmica.
Temps permès per a l'equilibri tèrmic.
Incertesa de mesura en les condicions reals de funcionament.
Els conjunts de-materials mixts requereixen una atenció especial. Una guia d'acer, una referència de ceràmica, un accessori d'alumini i una base de granit s'expandiran a diferents ritmes. Les interfícies cargolades o unides poden introduir tensió, desalineació o deformació local si el disseny no s'adapta a aquestes diferències.
Experiència de fabricació i elecció de material
A UNPARALLELED®, el nostre treball amb components de granit de precisió ha demostrat que el rendiment tèrmic comença amb la selecció del material i continua mitjançant la mòlta, la instal·lació d'inserts, el muntatge i la inspecció. Utilitzem entorns de temperatura i humitat controlades per al processament i mesurament de precisió, recolzats per equips de metrologia calibrats.
Per a un client que tria entre granit i acer, la decisió correcta ha de seguir l'objectiu de precisió de la màquina, l'entorn tèrmic, el cas de càrrega, el mètode de producció i els requisits del cicle de vida. El granit sovint proporciona una base de referència estable amb una expansió tèrmica menor que l'acer convencional. L'acer pot seguir sent l'opció més pràctica on el pes, l'ajustabilitat, la soldadura o el control tèrmic integrat tenen prioritat.
El millor resultat prové de tractar l'estabilitat tèrmica com un paràmetre de disseny-a nivell del sistema. L'elecció del material, el control ambiental, la geometria estructural, la compensació i el procediment de mesura han de treballar conjuntament. Així és com un instrument de mesura de precisió manté una precisió fiable-no a través d'una sol·licitud de material, sinó mitjançant una enginyeria disciplinada des del disseny fins al calibratge final.