Стальные линейки являются традиционными стандартными измерительными инструментами для калибровки направляющих станков, оптической проверки линейности и калибровки КИМ. Однако после длительного многократного использования корпус линейки постепенно сгибается и перекручивается, а прямолинейность постоянно меняется. Напротив, гранитные линейки эквивалентной точности могут сохранять стабильные линейные эталонные профили даже после многих лет непрерывных измерений. Многие пользователи просто объясняют эту разницу твердостью. Фактически, это является результатом множества факторов, включая остаточное напряжение, термическую реакцию, прогиб от собственного веса и ползучесть материала. Это также ключевое направление исследований UNPARALLELED Group в области эталонных датчиков дальнего действия.
1. Остаточные внутренние напряжения в металле являются основной причиной медленного изгиба стальных линеек.
Значительные остаточные напряжения накапливаются в стальных линейках во время резки листового металла, ковки, сварки, фрезерования и шлифования. Закалка для снятия напряжений перед доставкой может снять лишь частичное напряжение, а не устранить его полностью. Позже, при изменении температуры окружающей среды, многократном обращении и постоянной нагрузке, внутреннее напряжение постепенно спадает и вызывает необратимый пластический изгиб корпуса линейки.
Снятие стресса – длительный процесс, который не происходит быстро. Ухудшение прямолинейности часто проявляется через год и более. Гранитный камень имеет чрезвычайно низкое естественное напряжение после сотен миллионов лет естественного геологического стресса. При обработке гранитных линеек UNPARALLELED добавляет несколько циклов искусственного старения после грубой шлифовки, чтобы еще больше устранить новые напряжения, вызванные резанием. Готовые линейки имеют сбалансированное внутреннее поле напряжений и не будут постоянно деформироваться из-за медленного снятия напряжения, что позволяет практически избежать изгиба, вызванного напряжением.
2. Разница в коэффициенте теплового расширения приводит к различному поведению при изгибе при изменении температуры.
Сталь имеет относительно высокий коэффициент линейного расширения. Разница температур дня и ночи в цехах и локальное повышение температуры из-за отвода тепла от оборудования создают температурные градиенты между верхней и нижней поверхностями или двумя краями стальных линеек. Неравномерная температура приведет к деформации корпуса линейки. При повторяющихся термических циклах металл накапливает крошечную пластическую деформацию, и после нескольких циклов образуется постоянный изгиб.
Гранит имеет сверхнизкий коэффициент теплового расширения, что приводит к меньшим изменениям размеров при колебаниях температуры. Его деформация обратима: геометрия восстанавливается, как только температура нормализуется, без накопления постоянного изгиба. Все длинномерные гранитные линейки, производимые UNPARALLELED, обрабатываются и проверяются в мастерских с постоянной температурой и постоянной влажностью. Моделирование термоциклирования выполняется заранее для проверки характеристик термического изгиба, что подходит для прецизионных измерений в оптических лабораториях и чистых помещениях, чувствительных к незначительным изменениям температуры.
3. Прогиб собственного веса и ползучесть материала: различные механизмы деформации при длительной опорной нагрузке
Любая длинная линейка прогнется под собственным весом, если ее поместить между точками опоры, что является объективным физическим законом. Однако деформационные свойства этих двух материалов сильно различаются. Стальные материалы обладают свойствами ползучести: при длительной постоянной нагрузке металлическая решетка медленно скользит. Прогиб постепенно увеличивается с течением времени, а изгиб постоянно ухудшается.
Как хрупкий кристаллический материал, гранит не имеет эффекта ползучести скольжения решетки, наблюдаемого в металлах. Изгиб под действием собственного веса является чисто упругим. При фиксированных точках опоры величина прогиба остается стабильной и не увеличивается при длительном размещении. При проектировании гранитных линеек большой дальности UNPARALLELED оптимизирует расположение опор посредством конечно-элементного моделирования, заранее рассчитывает прогиб от собственного веса и реализует предварительную компенсацию во время притирки. Это гарантирует, что линейный эталон соответствует требованиям долгосрочных измерений в рамках стандартных схем поддержки. Клиенты информируются об изменении отклонения при изменении положения опоры, чтобы предотвратить ошибочную оценку результатов измерений.
4. Трудно избежать вторичного изгиба стальных линеек, вызванного ржавчиной и износом.
Во влажной среде или на рабочих местах, забрызганных смазочно-охлаждающей жидкостью, стальные линейки постепенно ржавеют. Участки ржавчины увеличиваются в объеме и создают неравномерное локальное напряжение на корпусе линейки, вызывая деформации при изгибе. Неравномерный износ рабочих поверхностей с более глубоким истиранием с одной стороны также искажает опорный контур.
Гранит не ржавеет и противостоит слабой кислотной и щелочной коррозии, без местных напряжений, вызванных окислительным расширением. Плотная кристаллическая структура обеспечивает высокую износостойкость. Рабочая поверхность изнашивается с чрезвычайно низкой и равномерной скоростью в течение длительного срока службы, поэтому скручивание линейки не может быть вызвано местной коррозией или неравномерным износом. Это преимущество особенно заметно в механических цехах и влажных метрологических помещениях.
5. Переменная нагрузка от вибрации ускоряет накопление деформации стальных линеек.
В мастерских наблюдается постоянная низкочастотная вибрация, создаваемая двигателями и воздушными компрессорами. При знакопеременной вибрационной нагрузке остаточные напряжения внутри стальных линеек снимаются быстрее, усиливается усталость металлической решетки и изгибные деформации. Стальные линейки имеют тенденцию резонировать под воздействием вибрации, что не только вызывает дрожание показаний, но и ускоряет усталостную деформацию материала.
Гранит обладает отличным гашением вибрации, быстро поглощает и рассеивает энергию вибрации. Переменная нагрузка практически не накапливает усталостные повреждения внутри корпуса линейки. После обработки линеек компания UNPARALLELED проводит многоточечные испытания на возбуждение для проверки равномерного демпфирования по всей площади, снижая риск нестабильности эталона при длительной вибрации и обеспечивая стабильную непрерывную онлайн-калибровку.
6. Неразрушимы: гранитные линейки имеют границы применения
Объективно говоря, гранитные линейки не полностью застрахованы от деформации. Неправильная поддержка, большие перепады температур и сильные удары по-прежнему ухудшают точность. Его основное достоинство заключается в сопротивлении самопроизвольному медленному изгибу; не накапливается необратимая деформация со временем или термическими циклами. UNPARALLELED поставляет инструкции по эксплуатации и хранению вместе с продуктами, такими как фиксированные точки опоры, позволяющие избежать прямого одностороннего теплового излучения и защиту при обращении, чтобы помочь клиентам сохранять первоначальную прямолинейность в течение многих лет. Для сверхдлинных измерений предусмотрены схемы компенсации прогиба, соответствующие опорным конструкциям клиентов на месте.
Заключение
Изгиб стальных линеек во время длительных измерений является результатом комбинированного воздействия снятия остаточных напряжений, накопления пластика в результате термических циклов, ползучести металла и усталости от ржавчины. Обладая стабильной кристаллической структурой, сверхнизким остаточным напряжением, низким тепловым расширением и свойствами материала, не допускающими ползучести, гранитные линейки значительно подавляют необратимый изгиб и сохраняют стабильность линейных эталонов в течение многих лет измерительных работ.
Как производитель сверхточных компонентов, имеющий тройную сертификацию системы ISO, сертификацию CE и множество международных товарных знаков и патентов, UNPARALLELED Group придерживается политики качества: «Точный бизнес не может быть слишком требовательным». Благодаря ступенчатому старению, тонкой притирке при постоянной температуре и процессам компенсации прогиба мы производим гранитные эталонные линейки с большим радиусом действия и поставляем стабильные линейные эталоны для клиентов по всему миру в секторах метрологии, оптики и полупроводникового оборудования.