Mọi vật liệu nở ra khi nóng và co lại khi nguội, nhưng mỗi loại một mức khác nhau: nhôm nở gần gấp đôi thép, nhiều loại nhựa còn nở nhiều hơn nhôm. Lắp hai vật liệu khác nhau quá khít, hoặc giữ chặt cả hai đầu một thanh dài, thì khi nhiệt độ thay đổi, chi tiết sẽ kẹt, cong hoặc nứt. Người làm máy phải chừa đường cho vật liệu thở.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Nắng miền Nam buổi trưa làm mái tôn kêu lách tách, cửa sắt kẹt không đóng được, đường ray tàu có khe hở giữa các thanh. Tất cả đều là giãn nở nhiệt. Trong xưởng, nó là nguyên nhân của những lỗi rất khó hiểu. Tập này mình kể nó hoạt động ra sao và cách thiết kế để sống chung với nó.
Vật liệu nở bao nhiêu khi nóng?
Mỗi vật liệu có một hệ số giãn nở: nóng thêm một độ thì dài thêm bao nhiêu phần trên mỗi đơn vị chiều dài. Con số rất nhỏ, nhưng nhân với chiều dài và chênh lệch nhiệt độ thì thành đáng kể.
Thép nở ít, nhôm nở gần gấp đôi thép, đồng thau nằm giữa. Nhiều loại nhựa nở gấp mấy lần nhôm. Kính và gốm nở ít.
Để hình dung: một thanh nhôm dài một mét, nóng thêm vài chục độ từ sáng tới trưa ngoài nắng, dài thêm khoảng nửa milimét tới gần một milimét. Với máy cần chính xác, con số đó rất lớn.
Và không chỉ nhiệt độ môi trường. Động cơ, ổ bi, dao cắt, đèn, tất cả sinh nhiệt ngay trong máy. Một đầu máy có thể nóng hơn đầu kia nhiều.
Hai vật liệu ghép chung: ai nở nhiều hơn thì ai thắng
Một bạc nhựa lắp khít vào trục thép lúc mát. Máy chạy, bạc ấm lên, nhựa nở nhiều hơn thép. Đường kính trong của bạc thật ra lại to ra khi cả vòng nở, nhưng nếu bạc được ép trong một vỏ kim loại, nhựa không nở ra ngoài được và bị ép vào trong, ôm chặt trục. Máy nặng dần rồi kẹt.
Một tấm nhôm bắt chặt bằng nhiều vít lên khung thép dài. Nắng lên, tấm nhôm muốn dài ra nhiều hơn khung, bị vít giữ lại, nó cong vồng hoặc tự xé lỗ vít.
Cách thiết kế: chỉ cố định chặt một điểm, các điểm còn lại dùng lỗ ô van dài theo chiều giãn nở, để tấm trượt được. Tấm ốp mặt dựng, máng xối, tấm pin mặt trời trên khung đều làm vậy.
Với ghép bằng keo, keo phải đủ dẻo để chịu được chênh lệch co giãn, nếu không nó sẽ nứt bong theo chu kỳ nóng lạnh mỗi ngày.
Thanh dài và trục dài: một đầu cố định, một đầu tự do
Một trục vít dài được giữ chặt cả hai đầu bằng ổ chịu lực dọc trục. Khi trục nóng lên do ma sát, nó muốn dài ra mà không được, nên nó cong. Trục cong làm máy rung và kẹt.
Cách đúng là một đầu cố định chịu lực dọc trục, đầu kia dùng ổ tự do cho trục trượt dọc được. Hầu hết các thiết kế máy công cụ đều theo nguyên tắc này.
Đường ống nước nóng, ống khí nóng dài cũng cần khe giãn nở hoặc đoạn uốn cong để hấp thụ thay đổi chiều dài. Ống cố định chặt hai đầu sẽ xé mối nối.
Khung máy lớn hàn liền đặt ngoài trời cũng giãn nở theo ngày đêm. Với kết cấu thông thường không đáng lo, nhưng với máy cần căn chỉnh chính xác, hãy đặt trong nhà, nơi nhiệt độ ổn định.
Dùng giãn nở nhiệt có chủ đích: lắp ép nóng
Người ta biến giãn nở nhiệt thành công cụ. Muốn lắp một vòng bi hay một bánh răng chặt lên trục, hơ nóng vòng bi cho lỗ nở ra, lắp vào trục nhẹ nhàng, nguội lại là ôm chặt. Không cần búa, không làm hỏng ổ.
Ngược lại, làm lạnh trục cho co lại rồi lắp vào lỗ. Kết hợp cả hai thì khe hở càng lớn lúc lắp.
Nhiệt độ hơ phải có kiểm soát. Ổ bi quá nóng làm hỏng mỡ và nắp cao su, có thể làm thay đổi độ cứng của thép. Dùng máy gia nhiệt cảm ứng, bể dầu có nhiệt kế, hoặc lò có điều khiển nhiệt, không dùng đèn khò trực tiếp lên ổ bi.
Khi hơ, đeo găng chịu nhiệt, chuẩn bị sẵn chỗ lắp, và làm nhanh. Chi tiết nguội đi và kẹt giữa chừng là tình huống khó chịu nhất.
Đo và gia công khi nhiệt độ thay đổi
Chi tiết vừa gia công xong còn ấm, đo ngay sẽ to hơn khi nguội. Với kích thước sít, chờ chi tiết về nhiệt độ phòng rồi đo lần cuối.
Dụng cụ đo cũng giãn nở. Để thước và chi tiết cùng ở một chỗ một lúc cho cùng nhiệt độ trước khi đo chính xác.
Xưởng nhỏ ở Việt Nam thường không có điều hoà nhiệt độ. Sáng và trưa chênh nhau đáng kể. Với việc cần chính xác, gia công và đo vào cùng khoảng thời gian trong ngày.
Giãn nở nhiệt không phải là lỗi của vật liệu, mà là tính chất của nó. Thiết kế tốt không chống lại nó, mà chừa chỗ cho nó.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cửa sắt bị kẹt vào buổi trưa nắng?
Cánh cửa và khung nóng lên, nở ra, khe hở giữa chúng thu hẹp lại. Nếu khe hở ban đầu quá nhỏ, cửa kẹt. Khi làm cửa ngoài trời, chừa khe hở đủ rộng cho mùa nắng.
Tháo một ổ bi bị kẹt chặt trên trục có dùng nhiệt được không?
Hơ nóng vòng ổ bi hoặc vỏ để nó nở ra có thể giúp tháo dễ hơn, trong khi giữ trục mát. Nhưng nhiệt sẽ làm hỏng ổ, nên chỉ làm khi ổ sẽ bỏ đi. Cẩn thận với dầu mỡ bắt lửa và các chi tiết nhựa xung quanh.
Nhựa in 3D có giãn nở nhiều không?
Nhiều loại nhựa in giãn nở khá hơn kim loại, và còn co ngót khi nguội sau khi in. Chi tiết in lắp với kim loại cần chừa khe hở. Chi tiết in dùng gần nguồn nhiệt có thể biến dạng.
Tấm lợp tôn kêu lách tách khi nắng lên là sao?
Tấm tôn nở ra và trượt trên xà gồ hoặc vít, tạo tiếng. Đó là giãn nở nhiệt bình thường. Vít bắt quá chặt, lỗ quá khít có thể làm tôn cong vênh hoặc xé lỗ vít theo thời gian.
Có cần tính giãn nở nhiệt cho đồ tự làm trong nhà không?
Với phần lớn đồ dùng trong nhà, không cần tính kỹ. Cần để ý khi ghép vật liệu khác nhau quá khít, khi chi tiết dài, hoặc khi thiết bị tự sinh nhiệt nhiều.
