كيف يتغير تسطيح سطح الصفيحة مع درجة الحرارة بسبب التمدد الحراري؟

تم قياس لوح التسخين-المطحون حديثًا، الخارج للتو من ورشة الطحن الدقيقة-، والتحقق من أنه مسطح تمامًا-عند درجة حرارة الغرفة البالغة 20 درجة مئوية. لكنها تصل إلى درجة حرارة حارقة تبلغ 300 درجة مئوية خلال حياتها العملية. عند درجة الحرارة المرتفعة هذه، تمددت الكتلة المعدنية الضخمة في كل الاتجاهات ولم يعد سطحها المقطوع تمامًا بنفس الشكل. إن تسطيح الصفيحة هو هدف متغير، اعتمادًا على درجة الحرارة. يعرف مصنعو الألواح الرئيسية ذلك، وعادةً ما تكون عملية الطحن الباردة النهائية بمثابة قطع واعي ومُعوض مسبقًا، ويتم تصنيعه للحصول على التسطيح المثالي في حالة العمل الساخنة.

تتناول هذه المقالة التغير في تسطيح الصفيحة مع حدوث التمدد الحراري لدرجة الحرارة. لماذا نادرا ما يتم تحقيق التدفئة الموحدة في الممارسة العملية ما يفعله المهندسون لتصحيح التشوه المتوقع.

فيزياء التمدد الحراري في الصوانى
كيف تغير الحرارة شكلها
جميع المعادن تتمدد عند تسخينها. بالنسبة للوحة، وهي كتلة مستطيلة سميكة من الفولاذ أو الألومنيوم أو أي سبيكة أخرى، فإن التغيير في أي بعد خطي هو:

ΔL= * L0 * ΔT

حيث معامل التمدد الحراري (CTE)، L0 هو الطول الأولي وΔLΔT هي الزيادة في درجة الحرارة. على سبيل المثال، لوح فولاذي بقطر 500 مم (≈12×10−6/ درجة ≈12×10−6/ درجة) يتم تسخينه من 20 درجة إلى 300 درجة يزيد طوله بحوالي 1.7 مم. ومع ذلك، فإن المشكلة الأساسية ليست في التمدد المطلق، بل في كيفية تسبب التمدد غير المنتظم عبر حجم اللوح في الخروج عن التسطيح.

التدفئة الموحدة مقابل الواقع:
إذا تم تسخين الصفيحة بشكل موحد تمامًا، ولها بنية داخلية متماثلة تمامًا، فسوف تتسع في كل الاتجاهات، وتبقى مسطحة. ولكن في الحقيقة فإن التسخين ليس متجانسًا تمامًا أبدًا. عادةً ما توجد سخانات الخرطوشة الكهربائية بالقرب من سطح العمل (السطح العلوي) لتسهيل نقل الحرارة بكفاءة. تطلق الحواف الحرارة إلى الهواء المحيط. يتم عزل منتصف الصفيحة حرارياً عن بيئة التبريد بشكل أفضل من الحواف. وتنتج حالات عدم التماثل هذه توسعًا تفاضليًا، مما يؤدي إلى توترات داخلية وحرب.

يتنفس الصوانى الساخنة. إنه يتوسع. تسطيحها هو رقصة مع الحرارة. وهو شكل ديناميكي يتغير مع كل درجة ارتفاع في درجة الحرارة.

الأسباب النموذجية لصفحة Warpage الصوانى
الانحناء ثنائي المعدن
الانحناء ثنائي المعدن هو نتيجة شائعة ويمكن التنبؤ بها. إذا كانت اللوحة مصنوعة من معدنين مختلفين مرتبطين معًا (على سبيل المثال سطح من الفولاذ المقاوم للصدأ وقاعدة من الفولاذ الطري)، أو إذا كانت السخانات الداخلية موجودة بعيدًا عن أحد الوجهين وبالقرب من الوجه الآخر، فإن الهيكل يتصرف مثل شريط ثنائي المعدن. يتوسع الوجه الأكثر سخونة أكثر من الوجه البارد وتتجعد الصوانى. إذا كان وجه العمل أكثر سخونة، فإن الصفيحة تكون محدبة للأعلى (المركز أعلى من الهوامش). إذا كان الجانب الخلفي أكثر سخونة، يصبح الصفيحة مقعرة (أحواض مركزية).

حتى اللوح المصنوع من معدن واحد يمكن أن يكون له انحناء ثنائي المعدن إذا تم زرع عنصر التسخين بعيدًا عن المركز-. يصبح جانب اللوح الأقرب للسخان أكثر سخونة ويتوسع أكثر ويشوه المجموعة بأكملها.

تشويه محدب لتبريد الحواف
إذا تم طحن لوح كبير وسميك بشكل مسطح تمامًا في درجة حرارة الغرفة، فغالبًا ما يصبح محدبًا إلى حد ما على سطح العمل الساخن عندما يتم تسخينه حتى درجة حرارة التشغيل. وذلك لأن مركز اللوح أبعد عن حواف التبريد من المحيط. تتحرك الحرارة بشكل جانبي من الوسط الأكثر سخونة إلى الهوامش الأكثر برودة، مما يخلق تدرجًا في درجة الحرارة: يظل الوسط أكثر سخونة، ويتوسع أكثر، وبالتالي يلتصق فوق الجوانب الأكثر برودة والأقل تضخمًا. والنتيجة هي شكل يشبه القبة-، محدب على الوجه الساخن ومقعر على الجانب الآخر.

تباين المواد والإجهاد المتبقي
يمكن أن يؤدي الإطلاق غير المتساوي للضغوط المتبقية من عملية التصنيع الأولية (الصب، والتزوير، والدرفلة) بعد التسخين إلى حدوث انحراف غير متوقع. كما أن المعادن ذات التمدد الحراري متباين الخواص (على سبيل المثال، بعض المركبات أو السبائك المتصلبة اتجاهيًا) قد تتوسع بشكل تفاضلي في اتجاهات مختلفة، مما يربك التنبؤ بالتسطيح.

القياس الكمي والتنبؤ بالتشويه الحراري
تسطيح درجة حرارة التشغيل
ملاحظة فنية مهمة: تم تصميم اللوح ليتمكن من التسطيح عند درجة حرارة التشغيل، وليس عند درجة حرارة الغرفة. قد تتشوه اللوحة المسطحة تمامًا عند 20 درجة بشكل غير مقبول عند 300 درجة، وعلى العكس من ذلك، فإن اللوحة التي تظهر مقعرة أو محدبة عن قصد أثناء البرودة قد تكون مسطحة تمامًا فقط عند درجة حرارة العملية المحددة. يجب أن يتمتع مشتري الألواح الدقيقة دائمًا بالتسوية المعتمدة في حالة العمل الساخنة والثابتة-.

رسم الخرائط الحرارية مع تحليل العناصر المحدودة (FEA)
يُستخدم تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتصميم ألواح حديثة لتقدير التشوه الحراري قبل قطع أي معدن. يتكون نموذج FEA من:

هندسة الصوانى (فتحات الحرارية والسخان)

خصائص المواد (CTE، التوصيل الحراري، معامل المرونة)

الظروف الحدودية (إدخال الحرارة من السخانات، وفقدان الهواء، والحمل الحراري عند الحواف)

درجة حرارة التشغيل المطلوبة وتدفق الحرارة

تعطي المحاكاة خريطة حرارية وشكلًا مشوهًا متوقعًا. تؤكد FEA بشكل عام وجود قوس محدب عند درجة الحرارة للوحة التسخين الكهربائية القياسية مع سخانات خرطوشة موجودة بالقرب من سطح العمل، مع ارتفاع المركز بمقدار يمكن التنبؤ به (على سبيل المثال . 0.05 مم على طول 500 مم).

الحل الدقيق:-الطحن المعوض مسبقًا
قياس التشويه
يتم قياس اللوح التمثيلي (أو يتم استخدام -توقعات FEA ​​التي تم التحقق منها جيدًا) عند درجة حرارة التشغيل المستهدفة لمراعاة الانحناء الحراري في التشوه الفعلي. يتم تحقيق ذلك عن طريق مسبار اتصال أو مستشعر إزاحة ليزر مثبت على جسر مرجعي مفصول حرارياً عن اللوحة. يُظهر القياس التحدب أو التقعر الدقيق عند درجة الحرارة.

إنشاء منحنى عكسي
بمجرد فهم -تشوه الحالة الساخنة، يتم طحن اللوح البارد بمنحنى تصحيحي، معكوسًا فقط. على سبيل المثال، إذا كانت اللوحة الساخنة محدبة بمقدار 0.04 مم في المركز، فإن اللوحة الباردة تكون مقعرة تمامًا بمقدار 0.04 مم في المركز. يؤدي التمدد التفاضلي عند التسخين إلى رفع المركز وتسطيح الشكل المقعر سابقًا إلى سطح مستوٍ لا تشوبه شائبة. يعد هذا أسلوبًا نموذجيًا لأداة الصقل-عالية الدقة.

قيود السداد
يعد الطحن المعوض-مسبقًا فعالاً في التشوهات التي يمكن التنبؤ بها والقابلة للتكرار. لا يعوض تمامًا:

التشوهات العابرة أثناء دورات التسخين أو التبريد (يتم تعريف التسطيح بشكل عام فقط في الحالة المستقرة)

عناصر سخان فضفاضة أو اتصال حراري غير كاف مما يؤدي إلى تزييف غير متماثل أو غير مستقر

التشوهات الناجمة عن الأحمال الحرارية غير المتساوية التي تطبقها قطعة العمل نفسها

الخلاصة: الأداة التي تعمدت النقص
تعتبر لوحة التسخين المسطحة تمامًا بمثابة حل وسط حراري، وهي غير مثالية في درجة حرارة الغرفة ولكنها تسترخي في شكل مسطح تمامًا تحت حرارة تشغيلها. الأدوات الأكثر دقة هي في كثير من الأحيان تلك التي تم إنشاؤها بشكل خاطئ قليلاً، بحيث لا تشوبها شائبة في الاستخدام. يفهم المصنعون فيزياء التمدد الحراري، ويستخدمون FEA للتنبؤ بالتشوه ويستخدمون الطحن المعوض مسبقًا- لإعطاء الألواح التي تحتفظ بمسطح أقل من- ملليمتر عند مئات الدرجات المئوية. يعد هذا انتصارًا صامتًا للهندسة الحرارية على الميل العالمي للمعادن للتحرك بالحرارة.