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온도변화에 따른 열팽창
1. 열팽창의 개념
거의 모든 물질이 온도의 상승에 따라 팽창을 하게 되어 있는데 이를 열팽창(Thermal Expansion) 이라 칭합니다. 그러나 어떤 재질이냐에 따라 열팽창의 정도가 차이가 있는데, 이에 대한 구분은 열팽창 계수 ( Thermal Expansion Coefficient) 의 크고 작음으로 분류하고 있습니다. 일반적으로 열팽창의 단위는 측정학에서 주로 사용하고 있는 20'C를 기준으로 하여 1'C 증가할 때를 기준으로 Part Per Million (PPM) meter로 정의하는데, 예를 들면 10ppm/'C 의 Steel의 경우는 1'C 증가할 때마다 1미터당 10미크론씩 팽창함을 의미하며, 따라서 만일 22'C로 주변온도가 변하면 1미터의 Steel이 1000.040mm 로 팽창하게 된다는 의미입니다.
시스템을 구성하고 있는 모든 요소들의 열팽창이 동일하고 일정하게 이루어지고, 이 시스템에 의해 작업되는 work piece의 열팽창도 동일하게 이루어진다면 그에 대한 대책은 좀 쉬워지지만, 거의 모든 시스템이 이렇게 구성하기가 어려운게 현실입니다. 따라서 정밀 제어를 위해서는 각 요소들의 열팽창 계수를 정확히 분석하고, 이들 요소들간의 계수차이를 최대한 줄여주는 노력이 첫 번째로 필요하며, 두 번째로는 열팽창이 고르게 일어나도록 시스템을 설계하려는 노력이 필요합니다. 열팽창이 고르게 일어나게 하는 방법에서는 우선 시스템의 Body를 디자인할 때 그 프로파일의 넓이를 고르게 하는 것도 고려 대상이며, 여기에 설치되어 수치를 알려주는 리니어 스케일도 고른 팽창이 되도록 해주는 노력이 필요합니다.
2. 리니어 스케일의 재질별 열팽창계수와 상관관계 ( 20'C에서 1' 상승할 때를 기준)
Steel → 10ppm
Aluminum → 17ppm
Glass → 8ppm
이것은 즉, 1000mm 길이의 시편일 경우 주변온도가 20'C에서 25'C로 변할 경우, 이들 시편의 길이는 Steel → 1000.0525mm Aluminum → 1000.0850mm Glass → 1000.0400mm
등으로 변한다는 의미입니다.
3.현재 당사에서 실제 금형제작에서 변화하고 있는 열팽창 치수는 합금공구강이나 초경재질의 경우 이론적인 수치와 상당한 차이가 발생하나,어째든 상당량의 열팽창이 발생하고 있음을 알아야
정밀금형 제작을 할수 있을 것 입니다.
(1) SKD-11의 경우 100mm 당 1도의 온도편차 발생시 약 0.6μ-0.7μ 정도 열팽창 하는것으로 검사 결과 측정되며,1000mm일 경우 최소 6-7μ의 온도에 따른 열팽창이 발생하므로 가공상 또는 측정상의 온도 편차가 3도만 발생하여도 100mm 당 1.8μ∼2.1μ의 열팽창이 일어난다. 그러므로 DIE PLATE 나 STRIPPER PLATE 경우 400-500mm 가 주종을 이루므로 Jig Grinding 가공시 온도관리에 세심한 주의가 필요합니다.
2.초경의 경우 Steel의 경우보다 열팽창에 다른 변화가 다소 적으나, 열팽창 치수가 발생하고 있으며,현재 통상 100mm당 1도의 편차가 발생시 0.4∼0.5μ정도의 온도변화에 따른 열팽창이 발생하는것으로 알려져 있으므로 가공시점의 온도편차가 발생하지 않는것이 정밀치수 관리의 POINT라 하겠습니다.
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