Vad är termisk expansion?
Stål växer när det blir varmt. Vid stämplingsarbete orsakar den tillväxten problem.
Jag har byggt dies i 18 år. Butikerna jag har arbetat i har förlorat tusentals dollar på delar som kom ut fel eftersom någon inte tog hänsyn till värme. En progressiv form som körs med 600 slag per minut genererar friktion. Den friktionen höjer temperaturen på stans- och formstålet. Stålet expanderar. De klaringar du markade igår är inte längre de klaringar du har idag.
Siffrorna
Verktygsstål expanderar med ungefär 11 till 12,5 mikrometer per meter för varje grad Celsius av temperaturförändring. Det låter litet. På en 200 mm formsektion lägger en temperaturhöjning på 30 grader till cirka 0,07 mm till dina dimensioner. Du sprängde bara din tolerans på en del som behövde ±0,05 mm.
D2-stål, A2-stål och de flesta luft-härdande verktygsstål ligger i det intervallet 11-12,5. Karbid är lägre, runt 5-6. Basmetallen du stämplar har sin egen koefficient. Aluminium expanderar nästan dubbelt så mycket som stål. Rostfritt sitter någonstans mittemellan.
Där det dyker upp
Wire EDM är det första stället som de flesta matrisbutiker ser termisk expansion orsaka verkliga problem. Den dielektriska vätskan styr temperaturen, men arbetsstycket värms fortfarande upp under skärning. Ett block som mätte 150.000 mm på morgonen kan läsa 150.015 mm på eftermiddagen. Vissa butiker tar inte slutmätningar förrän delen har stått över natten.
Slipning är värre. Hjulet genererar värme vid kontaktpunkten. Utan översvämningskylvätska kan en ytslipmaskin lägga tillräckligt med värme i en forminsats för att kasta bort en borrningsplats med flera tiondelar. Jigslipning använder temperatur-kontrollerade kylvätskesystem av denna anledning. De bättre butikerna håller sin malvätska inom 1 grad.
Under produktionskörningar värms formen upp i ett förutsägbart mönster. De första 50 delarna har ofta andra dimensioner än delarna 500 till 1000. Det vet erfarna pressoperatörer. De kommer att skrota de första skotten eller justera höjden på tryckstängningen efter uppvärmningen.
Monteringsproblem
En formsats byggd vid rumstemperatur beter sig annorlunda vid driftstemperatur. Stanshållaren och formskon expanderar. Styrstiften och bussningarna expanderar. Om materialen inte stämmer överens ändras passformen.
Jag har sett butiker använda brons styrbussningar i stålskor utan att tänka på den termiska obalansen. Brons expanderar mer än stål. Under värme blir bussningen lösare i hålet. Tärningen börjar gå.
Stiftstift uppvisar ett liknande problem. En glidstift-på 20 grader blir en lös plugg vid 40 grader. Vissa butiker använder en tightare interferenspassning för att kompensera. Andra accepterar rörelsen och styr den med hälblock.
Vad som fungerar
Temperaturkontrollerade-butiker hjälper till. Att hålla omgivningen vid 20 grader ±1 grad gör mätningen konsekvent. De flesta verktygsrum jag har arbetat i var inte temperaturkontrollerade. Du lär dig att arbeta runt det.
Att låta delar stabiliseras innan den slutliga bearbetningen är viktigare än de flesta medger. Grova en del, låt den sitta i 24 timmar och avsluta den sedan. Delen lindrar inre stress och når jämvikt med rummet. Dina slutliga dimensioner håller.
Konsekventa startprocedurer på pressen minskar detaljvariation. Kör formen i 15 minuter innan du behåller delar. Stålet når driftstemperatur. Tillstånden ordnar sig.
För stansar som körs med heta-höghastighetsapplikationer eller tunga-gauge-material-kylkanaler som borras genom gjutformssektionerna drar värmen ut. Bilindustrin använder dessa i stor utsträckning för varmpressningsoperationer där ämnet kommer in i 900 grader. Vatten eller olja cirkulerar genom passager som bearbetats in i formytorna.
Ersättning
Vissa formdesigners lägger till kompensation för sina utskrifter. De kapade tråden EDM-profilen 0,01 mm underdimension med vetskap om att delen kommer att växa i drift. Detta tillvägagångssätt kräver produktionsdata. Du måste veta exakt hur varm formen blir och hur mycket tillväxt som orsakar.
På progressiva matriser med flera stationer kan varje station expandera på olika sätt. Formningsstationerna genererar mer värme än blankningsstationer. Remslayouten måste ta hänsyn till kumulativa effekter.
De flesta butiker beräknar inte termisk kompensation. De bygger formen för att skriva ut, kör testdelar, upptäcker och justerar sedan tills delarna kommer ut rätt. Det här fungerar. Det tar längre tid.
Vad som inte fungerar
Att ignorera problemet fungerar inte. Jag har sett formtillverkare tillbringa dagar med att jaga ett dimensionsproblem som visade sig vara termisk drift i sliprummet. AC-enheten cyklade på och av. Rumstemperaturen svängde 5 grader. Varje del kom ut annorlunda.
Att lita på CMM utan att kontrollera rumstemperaturen fungerar inte. Koordinatmätmaskiner kompenserar för sin egen termiska expansion. De kompenserar inte för delen som sitter på graniten.
Att skynda på slutbesiktning fungerar inte. En del färsk från trådmaskinen är inte lika stor som en del som satt på bänken i fyra timmar.
Bottom Line
Termisk expansion är fysik. Varje matristillverkare vet om det. Inte alla stanstillverkare planerar för det. De butiker som kontrollerar sin miljö, stabiliserar sina delar och följer konsekventa rutiner får bättre resultat. De butiker som inte lägger mer tid på att justera dör i pressen.
Siffrorna finns i handböckerna. Koefficienten för ditt stål är en Google-sökning bort. Det svåra är att bygga upp vanor som står för värme i varje operation, varje dag. Efter 18 år måste jag fortfarande påminna mig själv om att låta delar svalna innan jag mäter dem.