Kā plātnes virsmas līdzenums mainās līdz ar temperatūru termiskās izplešanās dēļ?

Svaigi -slīpēta karsēšanas plāksne, kas tikko iznākusi no precīzās-slīpēšanas ceha, ir izmērīta un pārbaudīta, ka tā ir absolūti plakana-20 grādu pēc Celsija istabas temperatūrā. Bet tā darbības laikā ir apdeguma 300 grādi pēc Celsija. Pie šīs augstākās temperatūras milzīgais metāla bloks ir izpletis visos virzienos un tā perfekti nogrieztā virsma vairs nav tieši tādā pašā formā. Plāksnes plakanums ir mainīgs objektīvs atkarībā no temperatūras. Galvenais plāksnīšu ražotājs to zina, un pēdējā aukstā slīpēšana parasti ir apzināta, iepriekš-kompensēta griešana, kas tiek veikta, lai karstā darba stāvoklī iegūtu perfektu plakanumu.

Šajā rakstā aplūkotas plāksnes plakanuma izmaiņas, kad notiek temperatūras termiskā izplešanās. Kāpēc praksē reti tiek panākta vienmērīga apkure? Ko inženieri dara, lai labotu paredzamos kropļojumus.

Plātnes termiskās izplešanās fizika
Kā siltums maina formu
Visi metāli karsējot izplešas. Plāksnei, biezam taisnstūra blokam no tērauda, ​​alumīnija vai cita sakausējuma jebkuras lineārās dimensijas izmaiņas ir šādas:

ΔL= * L0 * ΔT

kur ir termiskās izplešanās koeficients (CTE), L0 ir sākotnējais garums un ΔLΔT ir temperatūras pieaugums. Piemēram, 500 mm tērauda plāksne (≈12 × 10–6/grāds ≈12 × 10–6/ grāds), kas uzkarsēta no 20 grādiem līdz 300 grādiem, palielinās par aptuveni 1,7 mm. Tomēr galvenā problēma nav absolūtā izplešanās, bet gan tas, kā ne{13}}vienmērīgā izplešanās visā plāksnes tilpumā izraisa novirzes no līdzenuma.

Vienota apkure salīdzinājumā ar realitāti:
Ja plāksne tiek uzkarsēta pilnīgi vienmērīgi un tai ir absolūti simetriska iekšējā struktūra, tā tikai palielinātos visos virzienos un paliktu plakana. Bet patiesībā apkure nekad nav pilnīgi viendabīga. Elektriskie kārtridžu sildītāji parasti atrodas tuvāk darba virsmai (augšējai virsmai), lai veicinātu efektīvu siltuma pārnesi. Malas izdala siltumu apkārtējā gaisā. Plāksnes vidusdaļa ir termiski labāk izolēta no dzesēšanas vides nekā malas. Šīs asimetrijas rada diferenciālu izplešanos, kas izraisa iekšēju spriedzi un deformāciju.

Karstā plāksne elpo. Tas izplešas. Tās plakanums ir deja ar karstumu. Tā ir dinamiska forma, kas mainās ar katru temperatūras pieauguma pakāpi.

Tipiski plāksnes deformācijas cēloņi
Bimetāla locīšana
Bimetāla locīšana ir izplatīts un paredzams rezultāts. Ja plāksne ir izgatavota no diviem dažādiem metāliem, kas savienoti kopā (piemēram, nerūsējošā tērauda virsma un viegla tērauda pamatne), vai ja iekšējie sildītāji atrodas tālu no vienas virsmas un tuvu otrai, tad konstrukcija darbojas kā bimetāla sloksne. Karstākā seja izplešas vairāk nekā vēsākā seja, un plāksne saritinās. Ja darba virsma ir karstāka, tad plāksne ir izliekta uz augšu (centrs ir augstāks par malām). Ja aizmugure ir karstāka, plāksne kļūst ieliekta (centrā iegrimst).

Pat viena metāla plāksnei var būt bimetāla izliekums, ja sildelements tiek implantēts ārpus-centra. Sildītājam tuvākā plāksnes puse kļūst karstāka, vairāk izplešas un deformē visu bloku.

Malu dzesēšana, izliekta kropļošana
Ja liela, bieza plāksne istabas temperatūrā tiek slīpēta absolūti plakana, tā bieži vien kļūst nedaudz izliekta uz karstās darba virsmas, kad tā tiek uzkarsēta līdz darba temperatūrai. Tas ir tāpēc, ka plāksnes centrs atrodas tālāk no dzesēšanas malām nekā perimetrs. Siltums virzās uz sāniem no karstākā vidus uz vēsākām malām, radot temperatūras gradientu: vidus paliek karstāks, vairāk izplešas un tāpēc turas virs vēsākām, mazāk piepūstām malām. Rezultāts ir kupolveida forma, kas ir izliekta uz karstās virsmas un ieliekta otrā pusē.

Materiālu anizotropija un atlikušais spriegums
Nevienmērīga atlikušo spriegumu atbrīvošana no sākotnējā ražošanas procesa (liešana, kalšana, velmēšana) pēc karsēšanas var izraisīt neparedzamu deformāciju. Arī metāli ar anizotropu termisko izplešanos (piemēram, noteikti kompozītmateriāli vai virziena cietināti sakausējumi) var izplesties atšķirīgi dažādos virzienos, apgrūtinot līdzenuma prognozēšanu.

Termisko kropļojumu kvantitatīva noteikšana un prognozēšana
Darba temperatūras vienmērīgums
Viena svarīga tehniska piezīme: plāksne ir paredzēta plakanībai darba temperatūrā, nevis istabas temperatūrā. Plāksne, kas ir pilnīgi plakana 20 grādu leņķī, var būt nepieņemami deformēta pie 300 grādiem, un otrādi plāksne, kas šķiet mērķtiecīgi ieliekta vai izliekta, kamēr auksta, var būt absolūti plakana tikai norādītajā procesa temperatūrā. Precīzu plākšņu pircējiem vienmēr ir jābūt sertificētam līdzenumam karstā, vienmērīgā -stāvokļa darba stāvoklī.

Termiskā kartēšana ar galīgo elementu analīzi (FEA)
Galīgo elementu analīze (FEA) tiek izmantota, lai izstrādātu modernas plāksnes, lai novērtētu termiskos kropļojumus pirms jebkura metāla griešanas. FEA modelis sastāv no:

Plāksnes ģeometrija (termopāra un sildītāja caurumi)

Materiāla raksturlielumi (CTE, siltumvadītspēja, elastības modulis)

Robežapstākļi (siltuma padeve no sildītājiem, zudumi gaisā, konvekcija malās)

Vēlamā darba temperatūra un siltuma plūsma

Simulācija sniedz siltuma karti un paredzamo izkropļotu formu. FEA parasti apstiprina izliektu loku temperatūrā standarta elektriskās sildīšanas plāksnei ar kārtridžu sildītājiem, kas atrodas netālu no darba virsmas, un centrs paceļas par paredzamu daudzumu (piemēram, . 0.05 mm 500 mm garumā).

Precīzs risinājums: iepriekš-kompensēta slīpēšana
Izkropļojumu mērīšana
Mērķa darbības temperatūrā tiek mērīta reprezentatīva plāksne (vai tiek izmantota labi{0}}apstiprināta FEA prognoze), lai faktiskajos kropļojumos ņemtu vērā termisko izliekumu. To panāk, izmantojot kontaktzondi vai lāzera pārvietošanās sensoru, kas uzstādīts uz atskaites tilta, kas termiski atdalīts no plāksnes. Mērījums parāda precīzu izliekumu vai ieliekumu temperatūrā.

Apgrieztās līknes izveidošana
Kad tiek saprasts karstā-stāvokļa izkropļojums, aukstā plāksne tiek noslīpēta ar koriģējošu līkni, tikai apgriezta. Piemēram, ja karstā plāksne centrā ir izliekta par 0,04 mm, tad aukstā plāksne centrā ir noslīpēta ieliekta tieši par 0,04 mm. Diferenciālā izplešanās karsējot liek centram pacelties un agrāk ieliektā forma tiek saplacināta līdz nevainojami līdzenai virsmai. Tā ir tipiska pieeja augstas-precizitātes plākšņu rīkam.

Atlīdzības ierobežojumi
Iepriekš-kompensēta slīpēšana ir efektīva paredzamiem un atkārtojamiem kropļojumiem. Tas pilnībā nekompensē:

Pārejoši kropļojumi uzsildīšanas vai atdzesēšanas ciklos (līdzenumu parasti nosaka tikai līdzsvara stāvoklī)

Vaļīgi sildītāja elementi vai neatbilstošs termiskais kontakts, kas izraisa asimetrisku vai nestabilu deformāciju

Izkropļojumi, ko izraisa nevienlīdzīgas siltuma slodzes, ko pieliek pats darba priekšmets

Secinājums: rīks, kas ir apzināti nepilnīgs
Pilnīgi plakana sildīšanas plāksne ir termisks kompromiss, kas nav ideāls istabas temperatūrā, bet atslābina perfektu līdzenumu savas darbības karstumā. Visprecīzākie rīki bieži ir tie, kas ar nolūku ir izveidoti nedaudz nepareizi, lai tie būtu nevainojami lietojami. Ražotāji izprot termiskās izplešanās fiziku, izmanto FEA, lai prognozētu kropļojumus, un viņi izmanto iepriekš-kompensētu slīpēšanu, lai iegūtu plāksnes, kas saglabā zem-milimetru līdzenumu simtiem Celsija grādu temperatūrā. Šis ir kluss siltumtehnikas triumfs pār universālo metāla tendenci kustēties līdzi karstumam.