Температурные деформации

При линейном и одинаковом для каждого поперечного сечения распределения температуры вдоль оси плоского диска он деформируется и принимает форму концентрического мениска со стрелкой W прогиба поверхности W = (D ²/8 H)α Δ t и радиусом R = H /(α Δ t), где Δ t – разность температур на верхней и нижней поверхностях диска.

Температурные деформации заготовок при их соединении с приспособлениями связаны с разогревом и последующим охлаждением системы «стекло – клеящее вещество – приспособление». В системе создается неоднородное температурное поле, описываемое дифференциальным уравнением нестационарного теплового потока:

где Δ t — изменение температуры в слое Δ х материала рассматриваемого компонента за время Δ t; a — коэффициент температуропроводности материала данного компонента.

В процессе охлаждения соединенных вместе неоднородных по своим теплофизическим свойствам материалов в заготовке возникает градиент температуры. Градиент, перпендикулярный к плоскости заготовки, создает изгибающие моменты, под действием которых она принимает форму концентрического мениска, обращенного выпуклостью в сторону более высокой температуры. Понижение температуры системы и уменьшение градиента по толщине заготовки приводит к соответствующему изменению ее кривизны, что происходит беспрепятственно за счет пластической деформации слоя клеящего вещества. В некоторый момент времени охлаждения этот слой приобретает упругость, препятствующую изменению формы поверхности заготовки. Поэтому при дальнейшем охлаждении в ней будут возникать напряжения. Значения напряжений и деформаций связаны с градиентом, который был в заготовке к моменту приобретения клеящим слоем упругости, препятствующей свободному изменению ее формы. После освобождения заготовки от закрепления напряжения снимаются, и точно обработанные поверхности оказываются деформированными. Размер градиента, определяющего деформацию, зависит от теплофизических свойств материалов системы, скорости охлаждения, соотношения толщин заготовки и приспособления.

Особенности температурных деформаций, возникающих в процессе шлифования свободным абразивом, определяются малым значением коэффициента полезного действия этого процесса. Подавляющая часть затрачиваемой механической работы переходит в тепло. При шлифовании свободным абразивом q ₁: q ₂ = 1: 15, т. е. примерно 6 % выделившегося тепла распространяется через заготовку, а 94 % аккумулируется инструментом. Режим работы станка, зернистость шлифующего абразива и концентрация суспензии не вызывают заметного изменения температуры в системе «заготовка – инструмент». Максимальное значение температурного градиента вдоль оси плоского диска при шлифовании микропорошками электрокорунда зернистостью от М28 до М10 не превышает 0, 2 °С. Вызываемые им деформации диска оказываются в пределах точности измерения формы тонко шлифованных поверхностей.

Температурные деформации, возникающие при полировании, определяются тем, что роль тепловых явлений в этом процессе весьма значительна. «Источник тепла» (трение, испарение влаги суспензии и др.) находится на границе изоляторов, а его мощность, о которой можно судить по значению коэффициента трения (0, 6 – 0, 7), значительно больше, чем в процессе шлифования, где он составляет 0, 13-0, 17.

В условиях ограниченного расхода суспензии температура в полируемом диске распределена неравномерно как по радиусу, так и по толщине. В радиальном направлении она выше в центральных зонах и ниже – в краевых, где меньше тепловыделение и больше потери тепла за счет испарения влаги суспензии.

По толщине диска более высокую температуру имеет обрабатываемая поверхность. После полирования в течение времени τ = 0, 2 Н / а температура в каждой точке объема диска начинает изменяться по линейному закону и с одинаковой скоростью, т. е. градиент температуры и вызываемая им деформация изделия остаются неизменными. Если поверхность полировальника разделить на отдельные площадки, то ограничивающие их каналы будут выполнять не только функции транспортных артерий, по которым суспензия проникает в центральные зоны, но одновременно будут являться и путями теплообмена этих зон с окружающей средой, позволяя уменьшить температурный градиент в изделии.

Неравномерность изнашивания, вызываемая градиентом температуры на поверхности полировальника, определяется следующим. Известна зависимость интенсивности изнашивания стекла от вязкости смолы. Так как последняя пропорциональна температуре, то аналогичным будет и характер зависимости интенсивности изнашивания от температуры смолы. Температура рабочей поверхности полировальника в радиальном направлении разная. Она выше в центральных зонах, которые контактируют с изделием в течение более длительного времени, чем краевые. Соответственно различны в этих зонах и физико-механические свойства смолы, т. е. соотношение упругих и пластических свойств, определяющих интенсивность изнашивания. Если температура смолы ниже оптимальной (рис. 11.2), то интенсивность изнашивания центральных зон будет выше, чем краевых. Переход за оптимальную температуру приведет, наоборот, к большей интенсивности изнашивания краевых зон, т. е. неодинаковую температуру по поверхности полировальника можно рассматривать как один из источников зональных отклонений формы полируемой поверхности.