مقدمه: راهنمای طراحی جامع برای مجموعههای-با دقت بالا
زمانی که مهندسان طراح شروع به توسعه-تجهیزات نیمه هادی نسل بعدی، ابزارهای اندازه گیری مختصات، یا ماشین های سنگ زنی فوق{1}دقیق CNC می کنند، با انتخاب های مهمی برای انتخاب مواد مواجه می شوند. حلقه ساختاری ماشین باید از بارهای دینامیکی بالا پشتیبانی کند و در عین حال ارجاعات هندسی زیر{3}}میکرون را حفظ کند. این سؤالات متداول فنی به سؤالات فیزیکی اساسی، محاسبات ساختاری و معیارهای مقایسه مواد میپردازد که مهندسان مکانیک باید هنگام طراحی سیستمهای ساختاری فوق-دقیق در نظر بگیرند.
Q1: چرا گرانیت از نظر فیزیکی نسبت به چدن خاکستری برای پایه های مترولوژی ثابت برتری دارد؟
A1: گرانیت سیاه طبیعی سه مزیت فیزیکی اصلی را نسبت به چدن ارائه می دهد: پایداری حرارتی استثنایی، ایمنی در برابر رانش ابعادی در برابر تنش پسماند، و مقاومت کامل در برابر خوردگی و میدان های مغناطیسی.
از دیدگاه حرارتی، ضریب انبساط حرارتی خطی گرانیت UNPARALLELED تقریباً 5.0 تا 6.0 x 10^-6 در هر کلوین است، در حالی که چدن تقریباً 12.0 x 10^-6 در هر کلوین است. این بدان معناست که گرانیت در معرض نوسانات دمایی موضعی کمتر از نیمی از اعوجاج ابعادی آهن را متحمل می شود.
علاوه بر این، چدن مستعد آرامش ساختاری درازمدت میباشد که منجر به تغییر ابعاد تدریجی در طول سالها خدمت میشود. گرانیت سیاه طبیعی که از نظر زمین شناسی بیش از میلیون ها سال تحت فشارهای عظیم پوسته پیر شده است، کاملاً عاری از کشش داخلی است و تضمین می کند که سطوح مرجع دستی-ش برای چندین دهه پایدار می مانند.
سرعت انبساط گرانیت (تقریباً 5.5 x 10^-6 در هر کلوین) کمتر از نصف چدن است (تقریباً 12.0 x 10^-6 در هر کلوین).
Q2: در چه شرایط دینامیکی یک مهندس باید سرامیک سیلیکون کاربید (SiC) را روی گرانیت طبیعی مشخص کند؟
A2: سیلیکون کاربید (SiC) زمانی باید انتخاب شود که دینامیک شتاب بالا، سفتی ساختاری بالا و جرم کم به طور همزمان برای اجزای متحرک مورد نیاز باشد. در حالی که گرانیت یک ماده استثنایی برای پی های عظیم و ثابت است، چگالی جرمی بالای آن (3100 کیلوگرم در متر مکعب) و مدول یانگ نسبتاً کم (تقریباً 60 تا 80 گیگا{6}}پاسکال) آن را برای-سنگ های متحرک با سرعت بالا یا مراحل ترجمه نامناسب می کند.
سرامیک های SiC دارای مدول باورنکردنی یانگ بیش از 380 گیگا{1}}پاسکال همراه با چگالی کم 3.15 گرم بر سانتی متر مکعب هستند. این منجر به سفتی ویژه فوقالعاده تقریباً 120 گیگا{5}}پاسکال بر گرم بر سانتیمتر مکعب میشود که به پرتوهای سازهای متحرک اجازه میدهد تا با سرعتهای بیش از 20 متر بر ثانیه در مربع بدون انحراف ساختاری شتاب بگیرند، زمان نشست را به حداقل میرسانند و به طور قابلتوجهی میزان عبور ویفر نیمهرسانا را افزایش میدهند.
Q3: چگونه ریخته گری مواد معدنی زمان چرخه ماشینکاری CNC را کاهش می دهد در حالی که کیفیت پرداخت سطح را بهبود می بخشد؟
A3: عامل مهم تمایز عملکرد، میرایی ارتعاش است. ریختهگری مواد معدنی دارای یک ماتریس اپوکسی-رزینی است که انرژی ارتعاش مکانیکی را تا 10 برابر سریعتر از چدن خاکستری سنتی جذب میکند.
در طول فرزکاری یا آسیاب با سرعت بالا، ابزار برش ساختار دستگاه را تحریک میکند. اگر پایه ماشین باشدچدن، این ارتعاشات ادامه می یابد و منجر به صدای ابزار و نقص سطح روی قطعه کار می شود. نسبت میرایی بالای ریخته گری مواد معدنی (تقریباً 0.02) به سرعت این ارتعاشات را سرکوب می کند. این به ماشینهای CNC اجازه میدهد تا با سرعتهای اسپیندل و نرخ تغذیه بهطور قابلتوجهی کار کنند، زمان چرخه را کاهش میدهد در حالی که زبری سطح کمتر از 0.1 میکرومتر را به دست میآورد و عمر ابزار برش را تا 30 درصد افزایش میدهد.
نسبت میرایی ریخته گری معدنی تقریباً 10 برابر بیشتر از چدن خاکستری است.
Q4: چه پروتکل های پایدارسازی محیطی و حرارتی قبل از کالیبراسیون نهایی سیستم مورد نیاز است؟
A4: برای سیستمهای اندازهشناسی زیر-میکرون، محیط کالیبراسیون باید کاملاً روی 20 درجه سانتیگراد، مثبت یا منفی 0.5 درجه، با رطوبت نسبی 40 تا 60 درصد تنظیم شود.
از آنجایی که مواد ساختاری غیرفلزی مانند گرانیت رسانایی حرارتی پایینی دارند (تقریباً 3.0 وات بر متر کلوین)، به آرامی به تغییرات دمای محیط واکنش نشان میدهند. بنابراین، هر جزء که وارد آزمایشگاه اندازهشناسی میشود باید حداقل 48 تا 72 ساعت تحت یک دوره خیساندن حرارتی قرار گیرد تا به تعادل حرارتی کامل و یکنواخت برسد.
اندازهگیریهایی که قبل از تثبیت کامل حرارتی انجام میشوند، توسط گرادیانهای حرارتی داخلی منحرف میشوند که منجر به خمش و خوانشهای کالیبراسیون نادرست میشود.
Q5: آیا می توان رزوه های فلزی و راهنماهای دقیق را به طور قابل اعتمادی در سازه های ریخته گری گرانیت و معدنی لنگر انداخت؟
A5: بله. UNPARALLELED در ادغام سفارشی اجزای فلزی در پایه های ریخته گری گرانیت و معدنی تخصص دارد.
برای پایههای گرانیتی، سوراخهای با دقت بالا-CNC-دریل میشوند و درجهای فولادی ضد زنگ یا رزوهای اینوار با استفاده از فرمولهای اختصاصی اپوکسی با استحکام بالا به طور دائمی متصل میشوند. Invar ترجیح داده می شود زیرا ضریب انبساط حرارتی آن (تقریباً 1.2 x 10^{7}}6 در کلوین) غلظت تنش موضعی را در سطح مشترک سنگ و فلز به حداقل می رساند.
برای ریختهگری مواد معدنی، صفحات نصب فولادی، خطوط خنککننده، و مجراهای الکتریکی را میتوان در طول فرآیند پخت سرد-بهطور مستقیم به ساختار کامپوزیت ریخت. این یک ساختار بسیار یکپارچه و یکپارچه با تنش پسماند صفر ایجاد می کند.
Q6: رسانایی حرارتی ریخته گری معدنی در مقایسه با چدن چگونه است و چرا اهمیت دارد؟
A6: ریخته گری مواد معدنی دارای رسانایی حرارتی بسیار پایین تقریباً 1.5 تا 2.0 وات بر متر کلوین است، در حالی که چدن دارای رسانایی حرارتی بالایی در حدود 50 وات بر متر کلوین است.
در یک کارگاه ماشین آلات با نوسانات دمای محیط، چدن به سرعت گرما را هدایت می کند و باعث می شود که کل قاب دستگاه در پاسخ به منابع گرمای موضعی (مانند موتور دوک یا مخزن خنک کننده) به سرعت تغییر شکل دهد.
ریخته گری مواد معدنی به عنوان یک عایق حرارتی عمل می کند. نسبت به نوسانات دما، منابع گرمای موضعی و پیش نویس ها بسیار کند واکنش نشان می دهد. این میرایی حرارتی عظیم از اعوجاج حرارتی کوتاه مدت جلوگیری میکند و از ثبات هندسی و دقت محورهای ماشینکاری در طول روز کاری اطمینان میدهد.