Como o nivelamento da superfície de uma placa muda com a temperatura devido à expansão térmica?

Uma placa de aquecimento-recém-fresada, recém-saída da oficina-de retificação de precisão, é medida e verificada como absolutamente plana-a uma temperatura ambiente de 20 graus Celsius. Mas atinge escaldantes 300 graus Celsius durante sua vida útil. A esta temperatura mais elevada, o enorme bloco de metal expandiu-se em todas as direcções e a sua superfície perfeitamente cortada já não tem exactamente a mesma forma. A planicidade de uma placa é um objetivo variável, dependendo da temperatura. Um fabricante de placas mestre sabe disso, e a retificação final a frio geralmente é um corte consciente e pré-compensado, feito para obter o nivelamento perfeito no estado de trabalho a quente.

Este artigo analisa a mudança no nivelamento da placa com a temperatura que ocorre a expansão térmica. Por que o aquecimento uniforme raramente é realizado na prática. O que os engenheiros fazem para corrigir distorções previsíveis.

Física da expansão térmica em uma placa
Como o calor muda de forma
Todos os metais se expandem quando aquecidos. Para uma placa, um bloco retangular espesso de aço, alumínio ou outra liga, a mudança em qualquer dimensão linear é:

ΔL= * L0 * ΔT

onde é o coeficiente de expansão térmica (CTE), L0 é o comprimento inicial e ΔLΔT é o aumento de temperatura. Por exemplo, uma placa de aço de 500 mm (≈12×10−6/ grau ≈12×10−6/ grau) aquecida de 20 graus a 300 graus aumenta em comprimento em cerca de 1,7 mm. A questão principal, entretanto, não é a expansão absoluta, mas sim como a-expansão não uniforme em todo o volume da placa causa desvios do nivelamento.

Aquecimento Uniforme vs. Realidade:
Se uma placa for aquecida de maneira completamente uniforme e tiver uma estrutura interna absolutamente simétrica, ela simplesmente aumentará em todas as direções e permanecerá plana. Mas na verdade o aquecimento nunca é totalmente homogéneo. Os aquecedores elétricos de cartucho geralmente estão localizados mais próximos da face de trabalho (superfície superior) para facilitar a transferência eficiente de calor. As bordas emitem calor para o ar circundante. O meio da placa é termicamente melhor isolado do ambiente de resfriamento do que as bordas. Estas assimetrias produzem expansão diferencial, o que leva a tensões internas e empenamentos.

A placa quente respira. Ele se expande. Sua planicidade é uma dança com o calor. É uma forma dinâmica que varia com cada grau de aumento de temperatura.

Causas típicas de empenamento da placa
Curvatura Bimetálica
A flexão bimetálica é um resultado comum e previsível. Se uma placa for feita de dois metais diferentes unidos (por exemplo, um topo de aço inoxidável e uma base de aço macio), ou se os aquecedores internos estiverem localizados longe de uma face e próximos da outra, então a estrutura se comporta como uma tira bimetálica. A face mais quente se expande mais do que a face mais fria e a placa se curva. Se a face de trabalho estiver mais quente, então a placa fica convexa para cima (o centro é mais alto que as margens). Se a parte traseira estiver mais quente, a placa fica côncava (o centro afunda).

Mesmo uma placa de um único metal pode apresentar flexão bimetálica se um elemento de aquecimento for implantado fora-do centro. O lado da placa mais próximo do aquecedor fica mais quente, expande-se mais e deforma todo o conjunto.

Distorção convexa de resfriamento de borda
Se uma placa grande e espessa for retificada de forma absolutamente plana à temperatura ambiente, muitas vezes ela se tornará um tanto convexa na superfície de trabalho quente quando for aquecida até a temperatura operacional. Isto ocorre porque o centro da placa está mais afastado das bordas de resfriamento do que o perímetro. O calor move-se lateralmente do centro mais quente para as margens mais frias, criando um gradiente de temperatura: o meio permanece mais quente, expande-se mais e, portanto, sobressai acima dos lados mais frios e menos inflados. O resultado é uma forma semelhante a uma cúpula, convexa na face quente e côncava no outro lado.

Anisotropia de Materiais e Tensão Residual
A liberação desigual de tensões residuais do processo de fabricação inicial (fundição, forjamento, laminação) após o aquecimento pode levar a empenamentos imprevisíveis. Além disso, metais com expansão térmica anisotrópica (por exemplo, certos compósitos ou ligas solidificadas direcionalmente) podem expandir-se diferencialmente em diferentes direções, confundindo a previsão de planicidade.

Quantificação e previsão de distorção térmica
Planicidade da temperatura operacional
Uma observação técnica importante: uma placa é projetada para ser plana em temperatura operacional e não em temperatura ambiente. Uma placa que é completamente plana a 20 graus pode ser inaceitavelmente deformada a 300 graus e, inversamente, uma placa que parece propositalmente côncava ou convexa enquanto está fria pode ser absolutamente plana apenas na temperatura de processo especificada. Os compradores de placas de precisão devem sempre ter o nivelamento certificado na condição de trabalho-quente e estável.

Mapeamento térmico com análise de elementos finitos (FEA)
A Análise de Elementos Finitos (FEA) é usada para projetar placas modernas para estimar a distorção térmica antes de qualquer metal ser cortado. O modelo FEA consiste em:

Geometria da placa (orifícios do termopar e do aquecedor)

Características do material (CTE, condutividade térmica, módulo de elasticidade)

Circunstâncias limite (entrada de calor dos aquecedores, perda para o ar, convecção nas bordas)

Temperatura operacional desejada e fluxo de calor

A simulação fornece um mapa de calor e uma forma distorcida prevista. A FEA geralmente confirma um arco convexo na temperatura para uma placa de aquecimento elétrica padrão com aquecedores de cartucho localizados próximos à face de trabalho, com o centro aumentando em uma quantidade previsível (por exemplo, . 0.05 mm em um comprimento de 500 mm).

A solução de precisão: retificação pré-compensada
Medindo distorção
Uma placa representativa é medida (ou uma previsão FEA bem{0}}validada é usada) na temperatura operacional alvo para levar em conta o arqueamento térmico na distorção real. Isto é conseguido por meio de uma sonda de contato ou um sensor de deslocamento a laser colocado em uma ponte de referência termicamente separada da placa. A medição mostra a convexidade ou concavidade exata à temperatura.

Criando uma curva reversa
Uma vez compreendida a distorção do estado-quente, a placa fria é retificada com uma curva de correção, apenas invertida. Por exemplo, se a placa quente for convexa em 0,04 mm no centro, então a placa fria será côncava em exatamente 0,04 mm no centro. A expansão diferencial no aquecimento faz com que o centro seja levantado e a forma anteriormente côncava seja achatada em uma superfície perfeitamente plana. Esta é uma abordagem típica de uma ferramenta de prensa de alta-precisão.

Limitações de reembolso
A retificação pré-compensada é eficaz para distorções previsíveis e reproduzíveis. Não compensa totalmente:

Distorções transitórias durante os ciclos de aquecimento ou resfriamento (a planicidade geralmente só é definida em estado estacionário)

Elementos de aquecimento soltos ou contato térmico inadequado resultando em empenamento assimétrico ou instável

Distorções causadas por cargas térmicas desiguais aplicadas pelo próprio item de trabalho

Conclusão: A ferramenta que é deliberadamente imperfeita
Uma placa de aquecimento perfeitamente plana é um compromisso térmico, imperfeito à temperatura ambiente, mas relaxando até ficar perfeitamente plano sob o calor de sua própria operação. As ferramentas mais precisas são frequentemente aquelas que são propositalmente construídas um pouco erradas, de modo que seu uso é perfeito. Os fabricantes entendem a física da expansão térmica, usam FEA para prever distorções e usam retificação pré-compensada para fornecer placas que retêm planicidade abaixo de{3}}milimétricas a centenas de graus Celsius. Este é um triunfo silencioso da engenharia térmica sobre a tendência universal do metal de se mover com o calor.