Запитайте будь-якого метрологічного лаборанта, що руйнує aхороше вимірювання, і температурний дрейф виникає майже відразу - зазвичай перед вібрацією, перед помилкою оператора, іноді навіть перед самим калібруванням приладу. Це не драматично. Ніхто не помічає, щоб кімната нагрілася на 1,5 градуса за півдня. Але при суб{5}}мікронних допусках цей тихий зсув часто є фактичним джерелом «незрозумілої» дисперсії вимірювань, за якою кожен витрачає тиждень на пошуки.
Чому теплове розширення має більше значення, ніж люди очікують
Кожен матеріал розширюється і стискається під впливом температури. Швидкість описується коефіцієнтом теплового розширення (КТР), який зазвичай виражається в частках на мільйон на градус Цельсія (мкм/м· градус). Для більшості машинобудівних металів це число недостатньо мало, щоб ігнорувати його, коли допуски падають нижче кількох мікрон.
Твердість сталі приблизно 11–13 мкм/м· градус. Алюміній має ще більший показник, часто 22–24 мкм/м· градус. Чавун дещо нижчий, як правило, 10–11 мкм/м· градус, але все ще достатньо рухається на проміжку в 1-метр і коливанні 5 градусів, щоб створити десятки мікрон розмірної похибки -, що значно перевищує те, що може витримати ШМ або етап вирівнювання напівпровідників. Граніт, навпаки, зазвичай знаходиться в діапазоні 5–8 мкм/м· градусів залежно від мінерального складу, а його низька теплопровідність означає, що він реагує на зміни температури набагато повільніше. Це поєднання - нижчої швидкості розширення, повільнішого відгуку - насправді вся історія того, чому граніт домінує в точних еталонних структурах.
Проблема стандартної еталонної температури
Більшість стандартів калібрування, включаючи DIN 876 і ASME B89.3.7, визначають 20 градусів як еталонну температуру для вимірювання площинності та прямокутності. У контрольованій метрологічній лабораторії це можливо. На фабричному цеху біля штампувального преса або біля дверей завантажувального доку зазвичай не -, і саме звідси виникає багато суперечок щодо вимірювання між постачальниками та клієнтами. Гранітна поверхня, виміряна під кутом 23 градуси, не показуватиме таке ж значення площинності, як пластина, виміряна під кутом 20 градусів, і відхилення поєднується з розміром пластини.
Це одна з причин, чому ми вважаємо за доцільне інвестувати в середовище зі справді-контрольованою температурою, а не розглядати це як прапорець. Наш цех із постійною-температурою та постійною{3}}вологістю працює на залізобетонній підлозі товщиною понад метр, ізольованій вібраційними траншеями по периметру, з безшумними мостовими кранами, щоб уникнути механічних перешкод під час транспортування. Ніщо з цього не змінює фізику КТР граніту -, але це означає, що вимірювання, зроблені під час виробництва та під час остаточної перевірки, фактично можна порівняти з тим, що клієнт побачить у власній лабораторії, якщо припустити, що їхнє середовище також достатньо контролюється.
Вибір матеріалу все ще має значення
Не весь граніт працює однаково, і це замовчується у багатьох маркетингових матеріалах. КТР і теплова реакція залежать від мінерального складу та щільності - грубо-камінь із меншою-щільністю поводитиметься інакше під термічним навантаженням, ніж дрібно-габро з високою-щільністю. Ми використовуємо чорний граніт із щільністю близько 3100 кг/м³, який має тенденцію до кращої стабільності розмірів порівняно з каменем меншої-щільності, який іноді замінюють менш дбайливі постачальники. Якщо гранітна основа входить у напівпровідниковий інструмент або конструкцію ШМ, призначену для калібрування протягом десяти років, щільність і стабільність джерела не є косметичними деталями -, це фактична інженерна змінна.
Практичні наслідки для покупців
Для команд закупівель і якості, які вибирають гранітні компоненти, кілька звичок мають велике значення:
Попросіть дані CTE, специфічні для партії граніту, а не загальну галузеву цифру.
Перевірте, чи були видані сертифікати площинності за температури 20 градусів або за температури навколишнього середовища - різниця не є тривіальною для деталей із жорстким-допуском.
Якщо обладнання працюватиме на об’єкті без суворого контролю навколишнього середовища, врахуйте період термостабілізації перед критичними вимірюваннями, незалежно від того, який матеріал використано на контрольній поверхні.
Для дуже великих гранітних плит або мостів запитайте, як постачальник керує внутрішніми градієнтами температури під час шліфування - плита, зашліфована нерівномірно по температурному градієнту, може пройти перевірку та все ще дрейфувати після встановлення в іншому середовищі.
Розумне очікування, а не чарівне рішення
Граніт не запобігає тепловому розширенню - нічого не робить. Що він робить, так це зменшує величину та уповільнює швидкість, чого на практиці часто достатньо, щоб підтримувати суб-мікронне обладнання в межах допустимих норм протягом звичайної робочої зміни без екзотичного контролю середовища. Це суттєва технічна перевага, але вона не замінить базової термічної дисципліни в лабораторії: стабільний опалення, вентиляція, вентиляція, вентиляція, мінімізація потрапляння прямих сонячних променів на вимірювальні поверхні та можливість акліматизації вхідних частин перед перевіркою все ще мають значення, гранітна основа чи ні.
Теплова поведінка — це одна з тих характеристик, які легко пропустити в таблиці даних, а на практиці ігнорувати їх дорого. Будь-кому, хто вказує гранітні компоненти для ШМ, напівпровідникового інструменту чи довгострокових еталонних стандартів, варто попросити у постачальників фактичні дані про КТР і щільність, а не приймати «низьке теплове розширення» як даність - відмінності між постачальниками більші, ніж припускає більшість покупців.