معاملات التمدد الحراري لمواد CNC
معامل التمدد الحراري لـ22 مادة CNC بوحدة µm/m·°C مع نطاق الحرارة الذي يغطيه كل قيمة، وأمثلة محلولة لما تفعله الفروق بالملاءمات والفحص.
معامل التمدد الحراري (CTE) حسب المادة ونطاق الحرارة
| المادة (النوع) | CTE (µm/m·°C) | نطاق الحرارة | الدلالة الهندسية | المصدر |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum 1060 (commercially pure) | 23.6 | 20–100 °C | أعلى CTE بين معادن CNC الشائعة؛ تصميمات قضبان التوصيل والمبددات الحرارية يجب أن تسمح بفجوات تمدد | ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com |
| Aluminum 6061-T6 | 23.6 | 20–100 °C | أكثر سبائك الألمنيوم تشغيلًا؛ CTE مستقل عن حالة المعالجة (O وT4 وT6 وT651 كلها 23.6) | ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J |
| Aluminum 6061-T6 | 24.6 | 20–200 °C | المتوسط عند الحرارة المرتفعة يرتفع ~4%؛ استخدم CTE خاصًا بالنطاق فوق 150 °C | MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2 |
| Aluminum 7075-T6 | 23.6 | 20–100 °C | نوع فضائي؛ CTE نفسه لـ6061 رغم مضاعفة حد الخضوع — يبسّط تصميم تثبيتات السبائك المختلطة | matmake.com; arcuscnc.com |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–100 °C | مادة قضبان التوصيل والموصلات؛ عدم تطابق CTE مع الألمنيوم (23.6) يولّد كلال المفصل في الأطراف ثنائية المعدن | fabdigit.com (C11000-O properties) |
| Copper C11000 (ETP) | 17.0 | 20–300 °C | متوسط CTE على نطاق واسع؛ قيمة ورقة بيانات المصنّع | jtcopper.com C11000 datasheet |
| Brass C36000 (free-cutting) | 20.5 | 20–100 °C (approx.) | أعلى سبائك النحاس قابلية للتشغيل؛ CTE بين النحاس والألمنيوم — ذو صلة بإدخالات النحاس الأصفر في هياكل الألمنيوم | mechcodex.com C36000 thermal table |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 11.6 | 0–100 °C | فولاذ أساسي للأعمدة والتروس؛ CTE نحو نصف الألمنيوم — المفاصل المثبتة ألمنيوم-فولاذ تُطور 0.12 mm فرقًا لكل 100 mm عند ΔT = 100 °C | theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties |
| Carbon steel AISI 1045 (annealed) | 12.3 | 0–200 °C | متوسط عند الحرارة المرتفعة؛ يرتفع مع نطاق الحرارة | theworldmaterial.com AISI 1045 |
| Alloy steel AISI 4140 (normalized) | 12.3 | 20–100 °C | فولاذ عالي القوة للأعمدة والمحاور؛ CTE قريب من 1045 — قابلان للتبادل في حسابات الإجهاد الحراري | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Stainless steel 304/304L | 17.3 | 0–100 °C | الفولاذ الأوستنيتي يتمدد ~44% أكثر من الفولاذ الكربوني؛ حاسم لمفاصل أنابيب المبادلات الحرارية بلوحاتها | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 316/316L | 15.9 | 0–100 °C | CTE أدنى من 304 رغم بنية أوستنيتية مشابهة (إضافة الموليبدينوم)؛ مفضل لتصميم تمدد الأنابيب البحرية | jnalloys.com CTE comparison table |
| Stainless steel 17-4PH (H900) | 10.8 | 0–100 °C | فولاذ PH مارتنسيتي؛ CTE الأقرب للفولاذ الكربوني بين أنواع الفولاذ المقاوم — مثالي لتجهيزات الفضاء الدقيقة التي تتعانق مع هياكل فولاذية | xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C) |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.6 | 20–100 °C | أدنى CTE بين المعادن الإنشائية الشائعة؛ توافق جيد مع CFRP (0–2) في المفاصل الهجينة الفضائية | arcuscnc.com CTE comparison |
| Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) | 8.8 | 20–100 °C (approx.) | قيمة منشورة بديلة؛ الفرق داخل عدم اليقين القياسي المعتاد (±2%) | mechcodex.com Ti-6Al-4V properties |
| Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC) | 11.7 | 20–100 °C | فولاذ قوالب أساس؛ يجب أن يطابق CTE فولاذات الإدخالات لتجنب تشقق الإجهاد الحراري في قوالب الحقن أثناء الدورات الحرارية | ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context) |
| Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC) | 12.0 | 20–200 °C | فولاذ قوالب السباكة بالضغط والطرق؛ يعمل عند سطح 500–650 °C، لذا يهم CTE النطاق المرتفع لملاءمة إدخالات القالب | ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com |
| Delrin / POM (acetal homopolymer) | 110 | 23–60 °C | نحو 5× الفولاذ؛ ملاءمات الضغط بلاستيك-معدن تُرخى مع ارتفاع الحرارة — صمم مقدار التداخل عند أقصى حرارة تشغيل | firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet |
| Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded) | 80 | 23–60 °C | امتصاص الرطوبة يضيف تمددًا امتصاصيًا فوق الحد الحراري؛ رطوبة 50% ترفع التغير البعدي الفعال ~0.2% | DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21 |
| PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G) | 47 | 23–100 °C | أدنى CTE بين البلاستيكيات الهندسية غير المقواة؛ يقترب من الألمنيوم عند الحرارة المرتفعة — صالح لإحلال المعادن في بيئات الدورات الحرارية | makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55) |
| PEEK (30% glass-filled, GF30) | 27 | 23–100 °C | التقوية بالزجاج تقطع CTE بنحو 43%؛ تُختار حين تكون الثباتية البعدية تحت الدورات الحرارية حاسمة | makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex) |
| ABS (general purpose, unfilled) | 90 | 23–60 °C | CTE العالي يحد من الاستخدام في التجميعات الدقيقة؛ مقبول لعلب المستهلك ذات الخلوص السخي | firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets |
كيفية قراءة هذا الجدول. حيث يختلف مصدران، يُدرج الصفان معًا (يظهر Ti-6Al-4V بقيمتي 8.6 و8.8). نطاقات الحرارة مقتبسة كما نُشرت ولم تُوَحَّد في نطاق واحد — استخدم دائمًا صف CTE الذي يغطي نطاق حرارتك الفعلي.
حتى يصبح الفرق بعدًا
خمس حسابات من الممارسة، كل منها تستخدم ΔL = α × L × ΔT بقيم من الجدول أعلاه. هي السبب الذي يجعل مادتين بـCTE مختلف لا يمكن معاملتهما كبديلين في تجميعة دقيقة.
| الحالة | الحساب | النتيجة | الاستجابة التصميمية |
|---|---|---|---|
| هيكل 6061-T6 (CTE 23.6) مثبت بمسامير على قاعدة فولاذ 1045 (CTE 11.6)، نمط مسامير 200 mm، ΔT = 50 °C | ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50 | 0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential | مع خلوص برغي 0.1 mm فقط تتقفل الوصلة عند ΔT = 50 °C. استخدم ثقوبًا ممدودة، خلوصًا ≥ 0.3 mm أو حلقات مطاوعة؛ وللتثبيتات الدقيقة ابنِ ألمنيوم-ألمنيوم أو فولاذ-فولاذ. |
| هيكل فولاذي (CTE 12.0) مثبت مباشرة على لوح CFRP (CTE ~1.0 في اتجاه الألياف)، مدى 300 mm، ΔT = 80 °C | (12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80 | 0.264 mm relative slip per cycle | إدخال Ti-6Al-4V (CTE 8.6) يخفض عدم التطابق إلى 7.6 µm/m·°C في الجهتين ويقلل الحركة التفاضلية ~30% — سبب هيمنة تجهيزات التيتانيوم على تصميمات المفاصل المركبة الفضائية. |
| بطانية Delrin (CTE 110) مضغوطة في هيكل فولاذي (CTE 11.6): قطر خارجي 25 mm، تداخل 0.05 mm عند 20 °C، تشغيل عند 80 °C | ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60 | 0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance) | تصبح ملاءمة الضغط ملاءمة انزلاقية عند 80 °C. احسب التداخل عند أقصى حرارة تشغيل، أو ثبت POM ميكانيكيًا (حلقات قفل، تخريش)، أو انتقل إلى PEEK (CTE 47) أو PEEK مقوى بالزجاج (CTE 27). |
| قطعة 6061 طولها 500 mm شُغّلت عند حرارة ورشة 30 °C، وفُحصت عند 20 °C (حرارة مرجعية ISO 1) | 23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10 | 0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C | لأعمال ±0.05 mm هذا الخطأ يعادل 2.4× نطاق التفاوت: انقع القطع إلى 20 °C ± 1 °C قبل الفحص النهائي، أو طبق تعويضًا أثناء العملية. |
| قاعدة قالب P20 (CTE 11.7) تحمل إدخالًا مركزيًا H13 (CTE 12.0)، قطر الإدخال 100 mm، ΔT = 60 °C، خلوص مصمم 0.02 mm | 12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60 | 0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm | P20 مع H13 متوافقان حراريًا (عدم تطابق 0.3 µm/m·°C). إدخال نحاس-بريليوم (CTE 16.6) مقابل P20 يفقد 0.029 mm من الخلوص عند نفس ΔT — صمم إدخالات BeCu ببدل نمو. |
كيفية استخدام هذه الأرقام
- CTE هنا بوحدة µm/(m·°C)، أي 10⁻⁶/K أو ppm/°C. اختر الصف الذي يطابق نطاق حرارة التطبيق — السبيكة نفسها تنشر متوسطات مختلفة عبر نطاقات مختلفة (6061: 23.6 على 20–100 °C، و24.6 على 20–200 °C).
- المعالجة الحرارية لا تغيّر CTE للألمنيوم: 6061 يقرأ 23.6 µm/m·°C في كل حالة معالجة (O، T4، T6، T651). فقط نطاق الحرارة يحرك القيمة الفعالة.
- حيث يختلف المصدران، تُترك القيمتان: يظهر Ti-6Al-4V بـ8.6 و8.8 µm/m·°C، وهو فرق داخل عدم اليقين القياسي المعتاد (±2%). للفولاذ المقاوم 304 نستخدم 17.3 — جدول حاسبة يظهر 10.8، وهي قيمة 17-4PH وخطأ إدخال بيانات.
- CTE للبلاستيك يعتمد بقوة على الحشو والبلورية والرطوبة. صف النايلون 6/6 جاف كما قُوالب (80)؛ عند توازن رطوبة 50% يرتفع التغير البعدي الفعال ~0.2% فوق الحد الحراري.
- مصيدة الفحص: القطع تكبر بحرارة القطف وتنكمش على آلة القياس ثلاثية الإحداثيات. قطعة 6061 طولها 300 mm قطعت عند 40 °C تنكمش 0.14 mm بحلول وصولها إلى 20 °C — قس بعد نقع حراري، أو ضع الانزياح ضمن التفاوت.
الأسئلة الشائعة
كم يطول قضيب ألمنيوم 6061 طوله 200 mm من 20 °C إلى 60 °C؟
نحو 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
نحو 0.19 mm. ΔL = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 40 = 0.189 mm.
لماذا تُقاس قطع الألمنيوم أصغر بعد تشغيل CNC؟
انكماش حراري من حرارة القطع. قطعة 6061 طولها 300 mm قطعت عند 40 °C تنكمش 0.14 mm عند 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). انع القطعة إلى 20 °C قبل القياس النهائي.
انكماش حراري من حرارة القطع. قطعة 6061 طولها 300 mm قطعت عند 40 °C تنكمش 0.14 mm عند 20 °C (23.6 × 10⁻⁶ × 300 × 20). انع القطعة إلى 20 °C قبل القياس النهائي.
ما فرق CTE بين الألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ 304؟
6.3 µm/m·°C (23.6 مقابل 17.3). على 100 mm عند ΔT = 50 °C هذا 0.032 mm من الحركة التفاضلية.
6.3 µm/m·°C (23.6 مقابل 17.3). على 100 mm عند ΔT = 50 °C هذا 0.032 mm من الحركة التفاضلية.
هل أضغط بطانية Delrin في هيكل فولاذي لتطبيق عند 80 °C؟
ليس بالتداخل وحده. CTE لـPOM (110) هو 9.5× الفولاذ (11.6): تداخل 0.05 mm عند 20 °C على قطر 25 mm يصبح خلوصًا نحو 50 °C. استخدم تثبيتًا ميكانيكيًا، أو انتقل إلى PEEK مقوى بالزجاج (CTE 27).
ليس بالتداخل وحده. CTE لـPOM (110) هو 9.5× الفولاذ (11.6): تداخل 0.05 mm عند 20 °C على قطر 25 mm يصبح خلوصًا نحو 50 °C. استخدم تثبيتًا ميكانيكيًا، أو انتقل إلى PEEK مقوى بالزجاج (CTE 27).
أي معدن أدنى تمددًا حراريًا للتثبيتات الدقيقة؟
تيتانيوم Ti-6Al-4V عند 8.6 µm/m·°C — أدنى من أي فولاذ شائع (11.6–12.3) وأقل من نصف الألمنيوم (23.6). للهياكل فائقة انخفاض التمدد، الإنفار (FeNi36) عند 1.2 µm/m·°C هو الخيار الأقصى لكنه يكلف 10–20× أكثر.
تيتانيوم Ti-6Al-4V عند 8.6 µm/m·°C — أدنى من أي فولاذ شائع (11.6–12.3) وأقل من نصف الألمنيوم (23.6). للهياكل فائقة انخفاض التمدد، الإنفار (FeNi36) عند 1.2 µm/m·°C هو الخيار الأقصى لكنه يكلف 10–20× أكثر.
كم يتمدد جائز فولاذي طوله 1 متر مع ارتفاع 40 °C؟
نحو 0.46 mm للفولاذ الكربوني 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). وللفولاذ المقاوم 304، 0.69 mm — سبب حاجة الهياكل الطويلة إلى مفاصل تمدد.
نحو 0.46 mm للفولاذ الكربوني 1045 (11.6 × 10⁻⁶ × 1000 × 40 = 0.464 mm). وللفولاذ المقاوم 304، 0.69 mm — سبب حاجة الهياكل الطويلة إلى مفاصل تمدد.
هل تغير المعالجة الحرارية (T6 مقابل T4) معامل CTE للألمنيوم 6061؟
لا. CTE هو 23.6 µm/m·°C في كل حالة معالجة (O، T4، T6، T651). حدّه شبكة الألمنيوم البلورية لا تعدد الترسبات؛ فقط نطاق الحرارة يغير القيمة الفعالة.
لا. CTE هو 23.6 µm/m·°C في كل حالة معالجة (O، T4، T6، T651). حدّه شبكة الألمنيوم البلورية لا تعدد الترسبات؛ فقط نطاق الحرارة يغير القيمة الفعالة.
أي CTE أستخدم لـPEEK في جهاز طبي عند حرارة الجسم؟
استخدم 47 µm/m·°C (غير مقوى، نطاق 23–100 °C). عند ΔT = 17 °C (من 20 إلى 37 °C) يكبر عنصر بطول 50 mm بمقدار 0.040 mm فقط — داخل تفاوت تشغيل معتاد ±0.025 mm إذا قيس عند 20 °C.
استخدم 47 µm/m·°C (غير مقوى، نطاق 23–100 °C). عند ΔT = 17 °C (من 20 إلى 37 °C) يكبر عنصر بطول 50 mm بمقدار 0.040 mm فقط — داخل تفاوت تشغيل معتاد ±0.025 mm إذا قيس عند 20 °C.
المعايير والمصادر
- ASM Handbook المجلد 2، الطبعة 10 (1990) — قيم CTE لسبائك الألمنيوم واستقلالها عن حالة المعالجة
- MIL-HDBK-5J (وزارة الدفاع الأمريكية، 2003) — CTE حسب الحرارة لـ6061 (20–100/200/300/400 °C)
- ASM Handbook المجلد 1 — AISI 4140 = 12.3؛ P20 = 11.7؛ H13 = 12.0 µm/m·°C
- أوراق بيانات DuPont Delrin 500P وZytel 101L — POM بقيمة 110 µm/m·°C (23–60 °C)، نايلون 6/6 بقيمة 80 µm/m·°C (جاف كما قُوالب)
- بيانات Victrex PEEK عبر makerstage.com — غير مقوى 47، GF30 بقيمة 27 µm/m·°C؛ criterionprecision.com يعطي 45–55
- مقارنة CTE من jnalloys.com — 304/304L = 17.3، 316/316L = 15.9 µm/m·K (0–100 °C)
- xometry.com وalloy-materials.com — 17-4PH = 10.8 µm/m·°C (20–100 °C)
- arcuscnc.com — Ti-6Al-4V = 8.6؛ matmake.com (بيانات ASM) — جدول سبائك الألمنيوم؛ mechcodex.com — C36000 = 20.5، Ti-6Al-4V = 8.8
- theworldmaterial.com — AISI 1045 = 11.6 (0–100 °C) و12.3 (0–200 °C)؛ fabdigit.com — C11000 = 17 (20–100 °C)؛ jtcopper.com — C11000 = 17.0 (20–300 °C)
- حيث تتعارض المصادر يُدرج الصفان ويوثق الاختلاف في ملاحظات الاستخدام
الصفحات ذات الصلة
- /ar/wiki/reference/material-density/ — Sibling quick table: density of the same materials for weight and cost
- /ar/wiki/reference/standard-tolerances/ — General tolerances and IT grades — the band your CTE shift is compared against
- /ar/wiki/materials/aluminum/ — Aluminum alloys for CNC machining in detail
- /ar/wiki/tooling/titanium-machining-guide/ — Titanium machining: why its low CTE and low conductivity both shape the process