ความเรียบของพื้นผิวของแท่นวางเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนอย่างไร

แผ่นทำความร้อน-ที่เพิ่งบดใหม่ซึ่งเพิ่งออกมาจากโรงบด-ที่มีความแม่นยำ ได้รับการวัดและยืนยันว่ามีความเรียบสนิท-ที่อุณหภูมิห้อง 20 องศาเซลเซียส แต่อุณหภูมิจะร้อนจัดถึง 300 องศาเซลเซียสตลอดอายุการใช้งาน ที่อุณหภูมิสูงขึ้นเช่นนี้ บล็อกโลหะขนาดใหญ่จะขยายตัวไปทุกทิศทาง และพื้นผิวที่ตัดได้อย่างสมบูรณ์แบบก็ไม่มีรูปร่างเหมือนกันทุกประการอีกต่อไป ความเรียบของแท่นวางเป็นวัตถุประสงค์ในการเลื่อน ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ผู้ผลิตแท่นต้นแบบรู้เรื่องนี้ และการบดเย็นขั้นสุดท้ายมักจะเป็นการตัดแบบชดเชยล่วงหน้า- ซึ่งทำขึ้นเพื่อให้ได้ความเรียบที่สมบูรณ์แบบในสภาวะการทำงานที่ร้อน

บทความนี้จะกล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงของความเรียบของแท่นวางพร้อมกับการขยายตัวทางความร้อนของอุณหภูมิ เหตุใดในทางปฏิบัติการให้ความร้อนสม่ำเสมอจึงทำได้ไม่สำเร็จ สิ่งที่วิศวกรทำเพื่อแก้ไขความบิดเบี้ยวที่คาดเดาได้

ฟิสิกส์ของการขยายตัวทางความร้อนในแท่นวาง
ความร้อนเปลี่ยนรูปร่างอย่างไร
โลหะจะขยายตัวเมื่อถูกความร้อน สำหรับแท่นวาง ซึ่งเป็นบล็อกสี่เหลี่ยมหนาที่ทำจากเหล็ก อลูมิเนียม หรือโลหะผสมอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงในมิติเชิงเส้นใดๆ คือ:

ΔL= * L0 * ΔT

โดยที่สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) คือ L0 คือความยาวเริ่มต้น และ ΔLΔT คืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น แผ่นเหล็กขนาด 500 มม. (µ12×10−6/ องศา µ12×10−6/ องศา ) ที่ได้รับความร้อนจาก 20 องศาเป็น 300 องศา ความยาวจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.7 มม. อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญไม่ใช่การขยายตัวโดยสมบูรณ์ แต่อยู่ที่ว่าการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ-ตามปริมาตรของแท่นวางทำให้เกิดการเบี่ยงเบนจากความเรียบได้อย่างไร

เครื่องทำความร้อนที่สม่ำเสมอกับความเป็นจริง:
หากแท่นวางได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอสม่ำเสมอ และมีโครงสร้างภายในที่สมมาตรอย่างยิ่ง แท่นก็จะขยายขนาดขึ้นทุกทิศทางและคงความเรียบ แต่ในความเป็นจริงแล้ว การให้ความร้อนไม่เคยเป็นเนื้อเดียวกันเลย เครื่องทำความร้อนแบบตลับไฟฟ้ามักจะตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิวการทำงาน (พื้นผิวด้านบน) เพื่อให้ถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขอบจะระบายความร้อนออกสู่อากาศโดยรอบ ตรงกลางของแท่นวางมีฉนวนความร้อนจากสภาพแวดล้อมในการทำความเย็นได้ดีกว่าบริเวณขอบ ความไม่สมดุลเหล่านี้ทำให้เกิดการขยายตัวที่แตกต่างกัน ซึ่งนำไปสู่ความตึงเครียดภายในและการบิดเบี้ยว

แผ่นร้อนหายใจออก มันขยายตัว ความเรียบของมันคือการเริงระบำกับความร้อน เป็นรูปทรงแบบไดนามิกที่แปรผันตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกระดับ

สาเหตุทั่วไปของปัญหาการบิดเบี้ยวของแท่นวาง
การโค้งคำนับแบบ Bimetallic
การดัดด้วยโลหะคู่เป็นผลที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปและสามารถคาดเดาได้ หากแผ่นรองทำจากโลหะที่แตกต่างกันสองชนิดประสานเข้าด้วยกัน (เช่น ด้านบนเป็นสแตนเลสและฐานเหล็กเหนียว) หรือหากเครื่องทำความร้อนภายในอยู่ห่างจากด้านหนึ่งและอยู่ใกล้อีกด้านหนึ่ง โครงสร้างจะทำงานเหมือนแถบโลหะคู่ หน้าร้อนจะขยายมากกว่าหน้าเย็นและลอนผม หากหน้างานร้อนกว่า แท่นวางจะนูนขึ้น (จุดศูนย์กลางจะสูงกว่าระยะขอบ) หากด้านหลังร้อนกว่า แท่นวางจะเว้า (อ่างซิงค์ตรงกลาง)

แม้แต่แผ่นโลหะแผ่นเดียวก็สามารถเกิดการโค้งงอของโลหะคู่ได้หากฝังองค์ประกอบความร้อนออกจากศูนย์กลาง- ด้านข้างของแท่นวางที่อยู่ใกล้เครื่องทำความร้อนจะร้อนขึ้น ขยายตัวมากขึ้น และทำให้ชุดประกอบทั้งหมดบิดเบี้ยว

Edge Cooling ความผิดเพี้ยนของนูน
หากแท่นวางขนาดใหญ่และหนาถูกกราวด์ให้เรียบสนิทที่อุณหภูมิห้อง ก็มักจะนูนออกมาบนผิวหน้างานที่ร้อนเมื่อได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิใช้งาน เนื่องจากศูนย์กลางของแท่นวางอยู่ห่างจากขอบระบายความร้อนมากกว่าเส้นรอบวง ความร้อนเคลื่อนไปด้านข้างจากบริเวณตรงกลางที่ร้อนกว่าไปยังขอบที่เย็นกว่า ทำให้เกิดการไล่ระดับของอุณหภูมิ: ตรงกลางจะร้อนขึ้น ขยายตัวมากขึ้น และเกาะอยู่เหนือบริเวณที่เย็นกว่า และด้านที่พองลมน้อยลง ผลลัพธ์ที่ได้คือรูปร่างคล้ายโดม- นูนออกมาที่หน้าร้อนและเว้าอีกด้านหนึ่ง

แอนไอโซโทรปีของวัสดุและความเครียดตกค้าง
การปล่อยความเค้นตกค้างที่ไม่สม่ำเสมอจากกระบวนการผลิตเริ่มแรก (การหล่อ การตีขึ้นรูป การรีด) หลังจากการทำความร้อนสามารถนำไปสู่การบิดเบี้ยวที่ไม่อาจคาดเดาได้ นอกจากนี้ โลหะที่มีการขยายตัวทางความร้อนแบบแอนไอโซทรอปิก (เช่น คอมโพสิตบางชนิดหรือโลหะผสมที่แข็งตัวในทิศทาง) อาจขยายตัวแตกต่างกันออกไปในทิศทางที่ต่างกัน ซึ่งทำให้การทำนายความเรียบสับสน

การหาปริมาณและการทำนายความบิดเบี้ยวจากความร้อน
ความเรียบของอุณหภูมิในการทำงาน
หมายเหตุทางเทคนิคที่สำคัญประการหนึ่ง: แท่นวางได้รับการออกแบบมาให้มีความเรียบที่อุณหภูมิใช้งาน ไม่ใช่ที่อุณหภูมิห้อง แท่นวางที่เรียบสนิทที่ 20 องศาอาจเสียรูปอย่างไม่อาจยอมรับได้ที่ 300 องศา และในทางกลับกัน แท่นที่ปรากฏโดยมีเจตนาเว้าหรือนูนในขณะที่เย็นอาจจะแบนโดยสิ้นเชิงที่อุณหภูมิกระบวนการที่ระบุเท่านั้น ผู้ซื้อเพลตความแม่นยำจะต้องได้รับการรับรองความเรียบในสภาวะการทำงานที่ร้อนและคงที่-

การทำแผนที่ความร้อนด้วยการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA)
การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA) ใช้เพื่อออกแบบแผ่นเพลทสมัยใหม่เพื่อประมาณค่าความบิดเบี้ยวจากความร้อนก่อนที่จะตัดโลหะใดๆ โมเดล FEA ประกอบด้วย:

รูปทรงของแท่นวาง (เทอร์โมคัปเปิลและรูฮีตเตอร์)

คุณลักษณะของวัสดุ (CTE, การนำความร้อน, โมดูลัสยืดหยุ่น)

สถานการณ์ขอบเขต (ความร้อนที่ป้อนเข้าจากเครื่องทำความร้อน การสูญเสียอากาศ การพาความร้อนที่ขอบ)

อุณหภูมิในการทำงานและฟลักซ์ความร้อนที่ต้องการ

การจำลองจะให้แผนที่ความร้อนและรูปร่างที่บิดเบี้ยวตามที่คาดการณ์ไว้ โดยทั่วไป FEA จะยืนยันส่วนโค้งนูนที่อุณหภูมิสำหรับแผ่นทำความร้อนไฟฟ้ามาตรฐานที่มีเครื่องทำความร้อนแบบตลับตั้งอยู่ใกล้กับหน้าการทำงาน โดยที่จุดศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่คาดเดาได้ (เช่น. 0.05 มม. ในช่วงความยาว 500 มม.)

โซลูชันที่แม่นยำ: การเจียรแบบชดเชยล่วงหน้า-
การวัดความบิดเบี้ยว
แท่นวางตัวแทนจะถูกวัด (หรือใช้การคาดการณ์ FEA ที่ได้รับการตรวจสอบอย่างดี-) ที่อุณหภูมิการทำงานเป้าหมาย เพื่อคำนึงถึงการโค้งงอจากความร้อนในการบิดเบือนที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้หัววัดแบบสัมผัสหรือเลเซอร์ดิสเพลสเมนต์เซนเซอร์ที่ตั้งอยู่บนสะพานอ้างอิงที่แยกความร้อนออกจากแท่นวาง การวัดจะแสดงความนูนหรือความเว้าที่แน่นอนที่อุณหภูมิ

การสร้างเส้นโค้งย้อนกลับ
เมื่อเข้าใจถึงการบิดเบือนสถานะร้อนแล้ว แผ่นเย็นจะถูกกราวด์ด้วยเส้นโค้งที่ถูกต้อง และกลับด้านเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากแท่นร้อนนูนออกมา 0.04 มม. ที่ตรงกลาง แท่นเย็นจะมีความเว้าตรงกลาง 0.04 มม. พอดี การขยายตัวที่แตกต่างกันของการทำความร้อนทำให้ศูนย์กลางถูกยกขึ้น และรูปทรงเว้าเดิมถูกทำให้เรียบเป็นพื้นผิวเรียบไร้ที่ติ นี่เป็นวิธีการทั่วไปของเครื่องมือเพลตที่มีความแม่นยำสูง-

ข้อจำกัดในการคืนเงิน
การเจียรแบบชดเชยล่วงหน้า-มีประสิทธิภาพสำหรับการบิดเบือนที่คาดการณ์และทำซ้ำได้ มันไม่ได้ชดเชยทั้งหมดสำหรับ:

การบิดเบือนชั่วคราวในระหว่างรอบความร้อนขึ้นหรือเย็นลง (โดยทั่วไปความเรียบจะถูกกำหนดที่สภาวะคงตัวเท่านั้น)

องค์ประกอบเครื่องทำความร้อนหลวมหรือหน้าสัมผัสความร้อนไม่เพียงพอ ส่งผลให้เกิดการบิดงอที่ไม่สมมาตรหรือไม่เสถียร

การบิดเบือนที่เกิดจากโหลดความร้อนที่ไม่เท่ากันซึ่งใช้กับชิ้นงานเอง

สรุป: เครื่องมือที่จงใจไม่สมบูรณ์
แผ่นทำความร้อนแบบเรียบสมบูรณ์แบบเป็นการประนีประนอมทางความร้อน ซึ่งไม่สมบูรณ์ที่อุณหภูมิห้อง แต่ผ่อนคลายไปสู่ความเรียบที่สมบูรณ์แบบภายใต้ความร้อนจากการทำงานของตัวเอง เครื่องมือที่แม่นยำที่สุดมักเป็นเครื่องมือที่สร้างขึ้นโดยเจตนาผิดพลาดเล็กน้อย เพื่อให้ใช้งานได้อย่างไม่มีที่ติ ผู้ผลิตเข้าใจหลักฟิสิกส์ของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน พวกเขาใช้ FEA เพื่อคาดการณ์การบิดเบือน และใช้การเจียรแบบชดเชยล่วงหน้า-เพื่อให้แผ่นที่คงความเรียบต่ำกว่า-มิลลิเมตรที่หลายร้อยองศาเซลเซียส นี่เป็นชัยชนะเงียบๆ ของวิศวกรรมความร้อนเหนือแนวโน้มสากลที่โลหะจะเคลื่อนที่ด้วยความร้อน