Каковы общие методы проектирования при изготовлении точных керамических конструкционных деталей по индивидуальному заказу для предотвращения растрескивания и деформации?

В передовом производстве и промышленном применении прецизионная керамика (например, оксид алюминия, цирконий, нитрид кремния, карбид кремния) стала незаменимым основным материалом благодаря своей высокой твердости, износостойкости, устойчивости к высоким температурам и коррозии. Однако из-за присущей керамическим материалам высокой хрупкости и сильной объемной усадки, возникающей при высокотемпературном спекании (степень усадки обычно находится в пределах 15% чтобы 25% ), проектирование и изготовление его конструктивных частей представляют собой чрезвычайно сложную задачу. Нерациональное конструктивное проектирование часто приводит к растрескиванию, короблению и деформации изделий во время спекания, механической обработки или фактической эксплуатации.

В этом руководстве систематически обобщаются основные методы проектирования, предотвращающие растрескивание, стратегии борьбы с деформацией и спецификации соответствия процессам в процессе настройки прецизионных керамических конструкционных деталей, чтобы помочь инженерам-конструкторам оптимизировать структуру продукта, повысить выход продукции и снизить производственные затраты.

1. Три ключевых момента свойств и настройки керамического материала

Прежде чем приступить к любому проекту по индивидуальной настройке керамики, необходимо изучить следующие три взаимоограничивающих основных элемента с глобальной точки зрения.

1. Выбор материала

Физические и химические свойства материалов определяют верхний предел работоспособности деталей конструкции. В следующей таблице перечислены основные характеристики и типичные сценарии применения четырех основных прецизионных керамических материалов.

2. Точность размеров и припуски на обработку

• Допуск на спекание: Прямое спекание " зеленое тело " становление " Спелая заготовка " Наконец, из-за неравномерной усадки допуск обычно можно контролировать только в пределах ±1% или ±0,1 мм Вокруг.
• Припуск на отделку: Для чрезвычайно высоких требований к точности согласования (например, микронный уровень мкм ) интерфейс должен быть оставлен во время проектирования 15 мм-0,3 мм припуск на шлифовку алмазного шлифовального круга.

3. Согласование процесса формования

Выбирайте процесс в зависимости от партии продукции и сложности конструкции: сухое прессование подходит для большого количества простых плоских деталей; холодное изостатическое прессование (СИП) Подходит для заготовок из прутков или труб большого размера; литье керамики под давлением (ЦИМ) Он подходит для трехмерных мелких деталей чрезвычайно сложной структуры, но стоимость открытия формы высока.

2. Основные навыки проектирования для защиты от растрескивания и деформации.

1. Расчет толщины стенки: преследование " абсолютно однородный "

Неравномерная толщина стенок является основной причиной растрескивания керамических деталей во время спекания и охлаждения. Скорость теплового расширения и сжатия толстых и тонких деталей различна, что создает огромное внутреннее напряжение.

• Избегайте различий в толщине: Старайтесь поддерживать постоянную общую толщину стенок. Если в конструкции должны быть изменения толщины, следует использовать пологие переходы уклонов и их категорически избегать. 90° внезапных перемен.
• Обработка отверстий для уменьшения веса: Для тяжелых цельных деталей следует проектировать глухие, сквозные отверстия или задние выемки (канавки) так, чтобы уменьшить местную толщину и одновременно обеспечить механическую прочность.

2. Угловая конструкция: полный остроугольный круг ( Р спецификация угла)

Керамика, изготовленная с острыми углами " концентрация стресса " Чрезвычайно чувствителен. Острые внутренние или внешние углы могут легко стать источником трещин при термическом или механическом воздействии.

• внутри / Внешний угловой радиус: Все углы и переходы ступеней должны быть закруглены. Рекомендовать внутренний Р угол как минимум больше 5 мм (рекомендуется Р ≥ 1.0mm ). Если позволяет пространство, Р Чем больше угол, тем жестче конструкция.
• Сборка угловой прорези: Если его необходимо сохранить из-за необходимости сопоставления металлических частей 90° Для внешних прямых углов следует запроектировать их внутрь у внутреннего угла. " Подрез " или " глухая дыра " , переместите область снятия напряжения от вершины прямого угла.

3. Конструкция отверстий и кромок: предотвращает растрескивание при спекании и сколы кромок.

При открытии отверстий (например, отверстий для винтов и отверстий для снижения веса) в керамических деталях положение и форма отверстий оказывают большое влияние на качество формования.

• Критическое краевое расстояние: Расстояние от стенки отверстия до внешнего края керамической детали, а также чистое расстояние между двумя отверстиями должно быть больше диаметра отверстия. 5 раз. Слишком близкое расстояние приведет к разрыву слабого участка с обоих концов во время усадки при спекании.
• Фаска отверстия: Края всех сквозных и глухих отверстий должны быть спроектированы таким образом, чтобы 45°×0,3-0,5 мм Фаска для предотвращения сколов кромок во время последующей шлифовки или сборки.
• Избегайте фигурных отверстий: Попробуйте использовать стандартные круглые отверстия. Старайтесь избегать создания длинных, квадратных или специальных отверстий с острыми углами. Такие отверстия имеют очевидную анизотропию при сжатии и склонны к образованию микротрещин вокруг них.

4. Устраните большие плоские поверхности: боритесь с деформацией коробления

Из-за влияния силы тяжести, трения и небольших различий в температуре печи во время спекания большие и тонкие плоские детали легко подвержены деформации деформации (широко известной как " Банановый Бенд " ).

• Установить ребра жесткости: Создание крестообразных, тикообразных или радиальных ребер жесткости на задней стороне плоской детали может значительно повысить жесткость и зафиксировать направление усадки.
• Дизайн местного босса: Если определенную плоскость необходимо использовать в качестве контактной поверхности сборки, не превращайте всю большую плоскость в прецизионную контактную поверхность. Крошечные локальные бобышки должны быть спроектированы вокруг отверстий для винтов или ключевых точек крепления, и при последующей отделке следует шлифовать только поверхность бобышек. Это не только экономит затраты на обработку, но и эффективно позволяет избежать общего коробления плоскости.

5. Симметричная конструкция: сбалансированное напряжение при спекании

Когда керамические детали спекаются в печи, сила усадки относительно сбалансирована во всех направлениях. Если структура сильно асимметрична, это приведет к несбалансированному напряжению и общему искажению.

• Геометрическая симметрия: Постарайтесь, чтобы детали конструкции сохраняли центральную симметрию, симметрию осей или симметрию формы на двухмерном или трехмерном уровне.
• Крафтовая стяжка (опорная балка ремесла): Для асимметричных форм открывания (например, С форма, ты (фасонная конструкция), ее следует искусственно добавлять к проему при проектировании. " Временная балка технологического присоединения " , так что он сохраняет замкнутую симметричную структуру во время спекания. После спекания и шлифовки временную балку срезают алмазным срезом.

Три. Шпаргалка по проектным спецификациям прецизионных керамических конструкционных деталей

В следующей таблице приведены неправильные методы и правильные спецификации при проектировании прецизионных керамических конструкционных деталей для быстрого ознакомления инженеров.

Примечание. В ходе фактического процесса разработки проекта настоятельно рекомендуется провести проектирование, ориентированное на производство, совместно с инженером-технологом по керамике как можно скорее после завершения первого проекта структурного проекта ( ДФМ ) обзор для дальнейшей оптимизации размеров с учетом механических свойств конкретного материала.