Jak se mění povrchová rovinnost desky s teplotou v důsledku tepelné roztažnosti?

Čerstvě-vyfrézovaná topná deska, právě z přesné-brusny, je změřena a ověřena jako absolutně plochá-při pokojové teplotě 20 stupňů Celsia. Během své životnosti má ale spalujících 300 stupňů Celsia. Při této vyšší teplotě se obrovský blok kovu roztáhl ve všech směrech a jeho dokonale řezaný povrch již nemá přesně stejný tvar. Plochost desky se mění v závislosti na teplotě. Hlavní výrobce tiskových desek to ví a konečné broušení za studena je obvykle vědomý, předem vykompenzovaný řez, vyrobený tak, aby se dosáhlo dokonalé rovinnosti v horkém pracovním stavu.

Tento článek se zabývá změnou rovinnosti desky s teplotní tepelnou roztažností. Proč se rovnoměrné vytápění v praxi dosahuje jen zřídka. Co dělají inženýři pro nápravu předvídatelného zkreslení.

Fyzika tepelné expanze v desce
Jak teplo mění tvar
Všechny kovy se při zahřívání roztahují. U desky, tlustého obdélníkového bloku z oceli, hliníku nebo jiné slitiny, je změna libovolného lineárního rozměru:

ΔL= * L0 * ΔT

kde je koeficient tepelné roztažnosti (CTE), L0 je počáteční délka a ALΔT je nárůst teploty. Například ocelová deska o tloušťce 500 mm (≈12×10-6/ stupeň ≈12×10-6/ stupeň) zahřátá z 20 stupňů na 300 stupňů zvětší svou délku asi o 1,7 mm. Klíčovým problémem však není absolutní expanze, ale spíše to, jak-nestejnoměrná expanze napříč objemem desky způsobuje odchylky od plochosti.

Jednotné vytápění vs. realita:
Pokud je deska zahřívána zcela rovnoměrně a má absolutně symetrickou vnitřní strukturu, pouze by se zvětšila ve všech směrech a zůstala by plochá. Ve skutečnosti však vytápění není nikdy zcela homogenní. Elektrické kazetové ohřívače jsou obvykle umístěny blíže k pracovní ploše (horní ploše), aby se usnadnil účinný přenos tepla. Okraje předávají teplo do okolního vzduchu. Střed desky je tepelně lépe izolován od chladícího prostředí než okraje. Tyto asymetrie způsobují rozdílnou expanzi, která vede k vnitřnímu napětí a deformaci.

Horká deska dýchá. Roztahuje se. Jeho plochost je tancem s teplem. Jde o dynamický tvar, který se mění s každým stupněm nárůstu teploty.

Typické příčiny pokřivení desky
Bimetalické vyklenutí
Bimetalické ohýbání je běžným a předvídatelným výsledkem. Pokud je deska vyrobena ze dvou různých kovů spojených dohromady (např. vršek z nerezové oceli a základna z měkké oceli), nebo pokud jsou vnitřní ohřívače umístěny daleko od jedné plochy a blízko druhé, pak se konstrukce chová jako bimetalový pás. Teplejší plocha se roztahuje více než chladnější plocha a deska se kroutí. Pokud je pracovní plocha teplejší, pak je deska konvexní směrem nahoru (střed je výše než okraje). Pokud je zadní strana teplejší, deska se stane konkávní (střed se propadne).

Dokonce i deska z jednoho kovu může mít bimetalický ohyb, pokud je topný článek implantován mimo-střed. Strana desky nejblíže ohřívači se zahřívá, více se roztahuje a deformuje celou sestavu.

Konvexní zkreslení při chlazení hran
Je-li velká, tlustá deska broušena absolutně naplocho při pokojové teplotě, často se stane na horké pracovní ploše poněkud konvexní, když se zahřeje na provozní teplotu. Je to proto, že střed desky je dále od chladicích okrajů než obvod. Teplo se pohybuje do stran od teplejšího středu k chladnějším okrajům a vytváří teplotní gradient: střed zůstává teplejší, více se rozpíná, a proto se drží nad chladnějšími, méně nafouknutými stranami. Výsledkem je kupolovitý-tvar, konvexní na horké ploše a konkávní na druhé straně.

Anizotropie materiálů a zbytkové napětí
Nerovnoměrné uvolňování zbytkových napětí z počátečního výrobního procesu (odlévání, kování, válcování) po zahřátí může vést k nepředvídatelné deformaci. Také kovy s anizotropní tepelnou roztažností (např. určité kompozity nebo směrově ztuhlé slitiny) se mohou roztahovat rozdílně v různých směrech, což zkresluje předpověď plochosti.

Kvantifikace a predikce tepelného zkreslení
Rovnoměrnost provozní teploty
Jedna důležitá technická poznámka: deska je navržena pro rovinnost při provozní teplotě, nikoli při pokojové teplotě. Deska, která je při 20 stupních zcela plochá, se může nepřijatelně deformovat při 300 stupních, a naopak deska, která se za studena jeví záměrně konkávní nebo konvexní, může být absolutně plochá pouze při specifikované procesní teplotě. Kupující přesných tiskových desek musí mít vždy certifikovanou rovinnost v horkém a stabilním-stavu provozu.

Tepelné mapování s analýzou konečných prvků (FEA)
Analýza konečných prvků (FEA) se používá k navrhování moderních desek k odhadu tepelného zkreslení před řezáním jakéhokoli kovu. Model FEA se skládá z:

Geometrie desky (termočlánek a otvory ohřívače)

Vlastnosti materiálu (CTE, tepelná vodivost, modul pružnosti)

Okrajové okolnosti (příkon tepla z ohřívačů, ztráta vzduchu, konvekce na okrajích)

Požadovaná provozní teplota a tepelný tok

Simulace poskytuje tepelnou mapu a předpokládaný zkreslený tvar. FEA obecně potvrzuje konvexní prohnutí při teplotě pro standardní elektrickou topnou desku s kazetovými ohřívači umístěnými blízko pracovní plochy, se středem stoupajícím o předvídatelnou hodnotu (např. . 0.05 mm na délku 500 mm).

Přesné řešení: Před-kompenzované broušení
Měření zkreslení
Reprezentativní deska se měří (nebo se používá dobře{0}}ověřená předpověď FEA) při cílové provozní teplotě, aby se vzalo v úvahu tepelné prohnutí ve skutečném zkreslení. Toho je dosaženo pomocí kontaktní sondy nebo laserového snímače posunu umístěného na referenčním můstku tepelně odděleném od desky. Měření ukazuje přesnou konvexnost nebo konkávnost při teplotě.

Vytvoření reverzní křivky
Jakmile je porozuměno zkreslení horkého{0}}stavu, je studená deska obroušena s korekční křivkou, právě obrácenou. Pokud je například horká deska konvexní o 0,04 mm ve středu, potom je studená deska vybroušena konkávně přesně o 0,04 mm ve středu. Rozdílná expanze při zahřívání způsobuje zvednutí středu a zploštění dříve konkávního tvaru na bezchybně plochý povrch. Toto je typický přístup vysoce přesného-deskového nástroje.

Omezení úhrady
Před{0}}kompenzované broušení je účinné pro předvídatelné a reprodukovatelné zkreslení. Nekompenzuje zcela:

Přechodné zkreslení během cyklů zahřívání nebo ochlazování (rovinnost je obecně definována pouze v ustáleném stavu)

Uvolněné topné články nebo nedostatečný tepelný kontakt vedoucí k asymetrickému nebo nestabilnímu zkroucení

Deformace způsobené nestejným tepelným zatížením samotného pracovního předmětu

Závěr: Nástroj, který je záměrně nedokonalý
Dokonale plochá topná deska je tepelným kompromisem, nedokonalá při pokojové teplotě, ale uvolňující se do dokonalé rovinnosti pod teplem vlastního provozu. Nejpřesnější nástroje jsou často ty, které jsou záměrně zkonstruovány trochu špatně, takže jsou bezchybné při používání. Výrobci chápou fyziku tepelné roztažnosti, používají FEA k předpovídání zkreslení a používají před-kompenzované broušení, aby desky, které si zachovávají sub-milimetrovou rovinnost při stovkách stupňů Celsia. Jedná se o tichý triumf tepelného inženýrství nad univerzální tendencí kovu pohybovat se teplem.