熱変形量の計算(温度変化による伸縮量の計算)

 

 

 

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材料は温度が変わると伸縮します。伸縮することにより必要な寸法を満足できなかったり、熱応力が発生したりしますので、熱変形を考慮しておくことが重要です。

 

プラスチックなどの線膨張係数が大きい部品では、寸法検査時の雰囲気温度の違いにも大きな影響を受けます。線膨張係数が110(10-6/℃)、長さが200mmのプラスチック部品の場合、雰囲気温度による寸法差は以下のようになります。

 

雰囲気温度 寸法
5℃ 199.67mm
10℃ 199.78mm
20℃ 200.00mm
30℃ 200.22mm
35℃ 200.33mm

 

5℃(真冬)と35℃(真夏)では熱変形だけで0.66mmの違いが出るということです。図面や仕様書には寸法許容差だけではなく、寸法検査時の雰囲気温度も明示しておくことが重要です。

 

 

伸縮の大きさは材料によって異なり、その大きさを示すのが線膨張係数です。以下に主な材料の線膨張係数を示します。

 

 

表.主な材料の線膨張係数

材料 線膨張係数
(×10-6/℃)
プラスチック
 ポリエチレン(PE) 高密度: 110
低密度:150
 ポリプロピレン(PP) 110
 ポリ塩化ビニル(PVC) 硬質:70
軟質:150
 ポリスチレン(PS) 70
 ポリメタクリル酸メチル(PMMA) 80 
 アクリロニトリル・ブタジエン・
 スチレン(ABS)
70
 ポリアミド(PA) 80
 ポリアセタール(POM) 110 
 ポリエチレンテレフタレート(PET) 60
 ポリブチレンテレフタレート(PBT) 110
 ポリカーボネート(PC) 70
金属他
 亜鉛 30.2
 アルミニウム 23.1
 金 14.2
 ダイヤモンド 1
 鉄 11.8
 銅 16.5
 ステンレス鋼 14.7
 炭素鋼 10.7 
 真ちゅう(黄銅) 17.5

 

 

プラスチックの線膨張係数

プラスチックは同じ材料でもグレードにより値に大きな幅があります。また、ガラス繊維の配合や樹脂の流れ方向の違いなどにより、値が顕著に変化します。実際の設計で計算する際は、使用するグレードの物性表で確認してください。

 

プラスチックの線膨張係数の単位は、10-5/℃で記載されることが多いですが、本稿では金属材料などで一般的な10-6/℃に合わせています。

 

<関連記事>
熱応力の計算

 

【参考文献】
理科年表(2017)
プラスチック材料メーカー各社の物性表

 

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