Šildymo plokštė, kuri taip pat veikia kaip vakuuminis griebtuvas, tuo pačiu metu turi traukti plokščią ruošinį žemyn ant paviršiaus ir palaikyti su juo šiluminį kontaktą. Paviršiaus šiurkštumas yra šių dviejų prieštaraujančių poreikių kryžkelėje. Pasirinkus teisingąpaviršiaus šiurkštumas Ra kaitinimo plokštės vakuuminis griebtuvasderinys yra būtinas norint pasiekti patikimą ruošinio laikymą, vienodą šilumos perdavimą ir nuoseklius apdorojimo rezultatus.
Dvigubas kaitinimo plokštės paviršiaus vaidmuo
Vakuuminio griebtuvo šildymo plokštės paviršius atlieka dvi persidengiančias funkcijas:
Sandarinimas nuo vakuumo praradimo– Plokštėje yra apdirbtų griovelių arba kanalų, prijungtų prie vakuuminio šaltinio. Ant viršaus dedamas plokščias ruošinys (pvz., silicio plokštelė, metalo lakštas arba plona polimerinė plėvelė). Sąlytis tarp ruošinio ir plokštės žemės plotų (tvirtas paviršius tarp griovelių) turi sukurti sandariklį, kad oras nepatektų į vakuuminius kanalus.
Šilumos laidumas– Šiluma iš plokštės perduodama ruošiniui per besiliečiančias kietas vietas. Tikrasis kontaktinis plotas priklauso nuo paviršiaus šiurkštumo: liečiasi tik asperity smailės, o slėnius skiria mikroskopiniai oro tarpai, kurie atlieka šilumos izoliatorių.
Todėl paviršiaus šiurkštumas tiesiogiai veikia ir vakuuminį sandarinimą, ir šiluminio kontakto laidumą. Dėl netinkamai nurodyto šiurkštumo dalis gali pakilti, pasislinkti, vietiškai perkaisti arba nepasiekti reikiamos temperatūros.
Kodėl per grubus sukelia problemų
Jei paviršius yra per grubus (pvz., Ra > 1,6 µm, būdingas stambiam šlifavimui arba apdirbamiems paviršiams), atsiranda keletas neigiamų pasekmių:
Vakuuminis nuotėkis– Aukštos asperity smailės neleidžia ruošiniui priglausti prie žemės plotų. Oras teka per mikroskopinius tarpus tarp ruošinio ir plokštės, aplenkdamas vakuuminius griovelius. Vakuuminis siurblys gali traukti nuolat, tačiau laikymo jėga labai sumažėja arba visiškai prarandama.
Sumažintas šiluminis kontaktas– Mechaniškai kontaktuoja tik aukščiausios viršūnės. Tikrasis kontaktinis plotas gali būti mažesnis nei 10 % matomo ploto. Šiluma turi kirsti šiuos izoliuotus kontaktinius taškus, sukuriant didelę šiluminės sąsajos varžą. Ruošinys veikia šaltiau nei nustatyta taškas, todėl nukenčia temperatūros vienodumas visoje dalyje.
Įprastų vakuuminių griebtuvų atveju, kai ruošinio slėgis yra 50–80 kPa (absoliutus vakuumas), didesnis nei 1,0 µm Ra paprastai sukelia nepriimtiną nuotėkį ir prastą šildymo efektyvumą.
Kodėl per lygi (veidrodinė apdaila) taip pat kelia problemų
Poliruotas paviršius (pvz., Ra < 0,1 µm) gali atrodyti idealus sandarinimui, tačiau jis turi savų gedimų:
Išgręžimas ir oro gaudymas– Kai labai lygus, plokščias ruošinys dedamas ant vienodai lygios plokštės, abu paviršiai gali „susisukti“. Tarp paviršių įstringa plonos oro plėvelės, todėl ruošinys gali laikinai įstrigti. Tačiau, esant šoniniam įrankio spaudimui (pvz., iš paėmimo ir pastatymo galvutės arba valytuvo), ruošinys gali staiga paslysti arba pasisukti, sugadindamas išlygiavimą. Įstrigęs oras taip pat apsaugo nuo visiško vakuumo kontakto, nes vakuumas negali traukti dalies žemyn per sandarų oro sluoksnį.
Padidėjusi šiluminė kontaktinė varža– Priešingai, ypač lygūs paviršiai gali padidinti šiluminę varžą. „Susukimo“ efektas sulaiko ploną, sustingusį oro sluoksnį, kuris nėra lengvai išstumiamas. Oras yra prastas šilumos laidininkas (≈0,026 W/m·K). Šiluminio kontakto laidumas iš tikrųjų gali būti mažesnis nei esant smulkiai šlifuotam paviršiui, kuriame nešvarumai prasiskverbia pro oro plėvelę.
Jautrumas įbrėžimams ir užteršimui– Veidrodinė apdaila rodo kiekvieną įbrėžimą, piršto atspaudą ar dalelę. Teršalai tampa matomi ir gali lokaliai pakelti ruošinį, sukurdami vakuuminį nuotėkį.
Taigi, paviršiaus apdaila yra Goldilocks problema vakuuminėms plokštėms: ne per grubus, ne per lygus, bet kaip tik.
Rekomenduojamas šiurkštumo diapazonas: Ra 0,4–0,8 µm
Naudojant kombinuotą vakuuminį griebtuvą ir kaitinimo plokštę, plačiai pripažintas optimalus paviršiaus šiurkštumo diapazonasRa nuo 0,4 iki 0,8 mikrometro(maždaug 16–32 mikrocolių imperijos vienetais). Šis diapazonas paprastai pasiekiamassmulkus šlifavimasarbaplakimassu tinkamu abrazyvu.
Šiame diapazone:
Vakuuminis sandarinimas– Asperiteto smailės yra pakankamai žemos (paprastai 3–5 µm aukštis nuo smailės iki slėnio, kai Ra 0,4), kad plokščias ruošinys šiek tiek deformuotų smailes, sukurdamas beveik ištisinį sandarumą visoje žemės plote. Vakuuminis nuotėkis sumažinamas iki minimumo.
Terminis kontaktas– Kontaktinio ploto pakanka, kad būtų užtikrintas geras šilumos laidumas, paprastai pasiekiamas 50–70 % teorinio maksimalaus kietojo ir kieto kontakto. Mikroslėniai leidžia pašalinti bet kokį įstrigusį orą, todėl ruošinys gali intymiai susisiekti.
Ruošinio rankena– Išlaikyta mikro tekstūra (smulkus šlifavimo raštas) suteikia trinties prieš šoninį judėjimą. Dalis, uždėta ant Ra 0,6 paviršiaus, bus atspari slydimui veikiant vidutinėms įrankio jėgoms, tačiau ją vis tiek galima nuimti be pernelyg didelio sukibimo.
Reikėtų pažymėti, kad idealus Ra šiek tiek priklauso nuo ruošinio medžiagos. Minkštos medžiagos (pvz., varinė folija arba silikoninė guma) lengviau prisitaiko ir gali toleruoti šiek tiek šiurkštesnius paviršius (iki Ra 1.0). Kietoms, trapioms medžiagoms (pvz., silicio plokštelėms ar stiklui) reikia lygesnių paviršių, bet vis tiek didesnis nei Ra 0,2, kad būtų išvengta gręžimo. Nurodytas 0,4–0,8 µm diapazonas tinka dažniausiai naudojamiems deriniams.
Paviršiaus šiurkštumo matavimas ir nustatymas
Ra (aritmetinis vidutinis šiurkštumas) yra dažniausiai naudojamas vakuuminių griebtuvų šildymo plokščių parametras. Paprastai jis matuojamas plunksnos profilometru, kuris kerta liniją per paviršių. Šlifavimo raštas turi būti matuojamas statmenai šlifavimo žymėms, kad būtų užfiksuotas visas šiurkštumo profilis.
Inžineriniame brėžinyje turi būti aiškiai nurodyta paviršiaus apdaila. Žymėjimo pavyzdys:
Ra 0,6 µm (šlifavimas, nenurodant krypties klojimo)
arba
SR 0,4–0,8 µm pagal ISO 4287
Jei plokštė bus padengta (pvz., nikeliu arba PTFE purškimu), galutinis šiurkštumas po padengimo turi atitikti nurodytą diapazoną. Daugelis dangų atkartoja pagrindo šiurkštumą; kiti (pvz., kietas chromas arba beelektrinis nikelis) gali šiek tiek padidinti arba sumažinti Ra priklausomai nuo storio ir proceso. Tokiais atvejais substratas turi būti šlifuotas iki mažesnio nei tikslinio šiurkštumo, o gatavas padengtas produktas turi būti patikrintas išmatuojant.
Griovelio modelio ir gylio vaidmuo
Vien paviršiaus šiurkštumas negarantuoja vakuuminio veikimo. Griovelio raštas (spiralė, koncentriniai apskritimai, radialinis arba kryžminis) ir griovelio gylis yra vienodai svarbūs. Šildymo plokštės grioveliai taip pat turi leisti tolygiai paskirstyti šilumą. Bendros dizaino gairės:
Griovelio gylis– Paprastai 0,2–0,5 mm. Žemės plotas tarp griovelių turi būti bent 2–3 kartus didesnis už griovelio plotį.
Griovelio raštas– Šildymui tinkami koncentriniai apskriti grioveliai su radialiniais jungiamaisiais kanalais arba viena ištisinė spiralė, nes leidžia plokštei plėstis ir susitraukti, neiškraipant griovelio geometrijos.
Žemės ploto santykis– Esant tam tikram paviršiaus šiurkštumui, laikymo jėga yra proporcinga visam žemės plotui (kietajam plotui, nepjautam grioveliais). Įprastas 50–70 % plokštės paviršiaus plotas sudaro kompromisą tarp vakuuminio sukibimo ir šildymo vienodumo.
Žemės plotų šiurkštumas turi būti nurodytas Ra. Griovelių dugnai gali būti šiurkštesni (paprastai apdirbti), nes jie nesiliečia su ruošiniu.
Gamybos metodai pasiekti tikslą Ra
Norint pasiekti reikiamą vakuuminio griebtuvo šildymo plokščių paviršiaus šiurkštumą, dažniausiai naudojami šie metodai:
| Metodas | Tipinis Ra diapazonas (µm) | Tinkamumas |
|---|---|---|
| Frezavimas (kaip pjovimas) | 1.6–6.3 | Per grubus; nepriimtina |
| Šlifavimas (stambus ratas) | 0.8–1.6 | Viršutinė dalis, priimtina su minkštais ruošiniais |
| Smulkus šlifavimas (tikslus ratas) | 0.4–0.8 | Idealus diapazonas– rekomenduojama |
| Perdengimas (laisvas abrazyvas) | 0.1–0.4 | Priimtinas tik tuo atveju, jei apatinė riba yra kruopščiai kontroliuojama |
| Poliravimas | <0.1 | Per sklandžiai; sukelia gręžimąsi ir oro įstrigimą |
Pasiekus reikiamą šiurkštumą, plokštę reikia kruopščiai nuvalyti, kad pašalintų abrazyvinių medžiagų likučius, tada išdžiovinti ir laikyti švarioje aplinkoje. Bet koks paviršiaus užteršimas pablogins vakuuminį sandarinimą ir terminį kontaktą.
Praktinis patvirtinimas
Kai šildymo plokštė pagaminta iki nurodyto šiurkštumo, jos veikimą galima patikrinti dviem paprastais bandymais:
Vakuuminio skilimo testas– Ant griebtuvo uždedamas tvirtas, neakytas bandomasis ruošinys (pvz., žinomo lygumo nerūdijančio plieno plokštė). Vakuuminė sistema įjungiama iki tikslinio lygio (pvz., absoliutus 70 kPa). Tada siurblys izoliuojamas ir matuojamas slėgio padidėjimas laikui bėgant. Mažiau nei 5 kPa per minutę padidėjimas paprastai rodo priimtiną sandarumą.
Šiluminio kontakto laidumo bandymas– Bandomasis ruošinys kaitinamas iki pastovios būsenos, kol plokštė laikoma žinomoje temperatūroje. Temperatūros skirtumas tarp sąsajos matuojamas naudojant įmontuotas termoporas. Mažiau nei 5 laipsnių skirtumas esant 100 laipsnių plokštės temperatūrai rodo tinkamą šiluminį kontaktą.
Jei kuris nors bandymas nepavyksta, reikia iš naujo išmatuoti paviršiaus šiurkštumą ir galbūt iš naujo sumalti iki smulkesnės (bet ne per smulkios) apdailos 0,4–0,8 µm langelyje.
Išvada: apskaičiuota šiluminė-mechaninė sąsaja
Vakuuminio kaitinimo plokštės paviršiaus šiurkštumas yra tiksliai suprojektuotas parametras, tiesiogiai lemiantis laikymo saugumą ir šilumos perdavimo efektyvumą. Pasirinkus dešinępaviršiaus šiurkštumas Ra kaitinimo plokštės vakuuminis griebtuvasderinys reiškia, kad vengiama ir pernelyg šiurkščių paviršių (kurie praleidžia vakuumą ir prastai praleidžia šilumą), ir veidrodiškai poliruotų paviršių (kurie sulaiko orą ir leidžia dalims slysti). Optimalus diapazonas-Ra 0,4–0,8 µm, pasiekiamas smulkiai šlifuojant-, užtikrina patikimą vakuuminį sandarinimą, gerą terminio kontakto plotą ir pakankamą mikro tekstūrą, kad ruošinys sugriebtų. Tai, kas atrodo kaip paprasta apdaila, iš tikrųjų yra apskaičiuota šiluminė-mechaninė sąsaja. Nurodant, išmatuojant ir patikrinus šį nelygumą užtikrinama, kad kaitinimo plokštė nuosekliai atliks savo dvigubą funkciją, serija po partijos, be dalių judėjimo ar šiluminio nevienodumo.
