Jakie są typowe techniki projektowania, aby zapobiec pękaniu i deformacji podczas dostosowywania precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych?

W zaawansowanych zastosowaniach produkcyjnych i przemysłowych ceramika precyzyjna (taka jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu, azotek krzemu, węglik krzemu) stała się niezbędnymi materiałami rdzeniowymi ze względu na ich wysoką twardość, odporność na zużycie, odporność na wysoką temperaturę i odporność na korozję. Jednakże, ze względu na wrodzoną wysoką kruchość materiałów ceramicznych i znaczny skurcz objętościowy występujący podczas spiekania w wysokiej temperaturze (stopień skurczu zwykle mieści się w granicach 15% do 25% ), projektowanie i produkcja jego części konstrukcyjnych stanowią ogromne wyzwanie. Nieracjonalne projektowanie konstrukcyjne często prowadzi do pękania, wypaczania i deformacji produktów podczas spiekania, obróbki skrawaniem lub rzeczywistej eksploatacji.

W tym przewodniku systematycznie podsumowano podstawowe techniki zapobiegania pękaniu, strategie zapobiegania odkształceniom i specyfikacje dopasowywania procesów w procesie dostosowywania precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych, mając na celu pomóc inżynierom-projektantom w optymalizacji struktury produktu, poprawie wydajności i obniżeniu kosztów produkcji.

1. Trzy kluczowe punkty dotyczące właściwości i dostosowywania materiału ceramicznego

Przed rozpoczęciem jakiegokolwiek projektu dostosowywania ceramiki należy zbadać następujące trzy wzajemnie ograniczające się podstawowe elementy z perspektywy globalnej.

1. Wybór materiału

Właściwości fizyczne i chemiczne materiałów określają górną granicę wydajności części konstrukcyjnych. W poniższej tabeli wymieniono podstawowe cechy i typowe scenariusze zastosowań czterech popularnych precyzyjnych materiałów ceramicznych.

2. Dokładność wymiarowa i naddatek na obróbkę

• Tolerancja spiekania: Bezpośrednio spiekane " zielone ciało " stawanie się " Dojrzały kęs " Wreszcie, ze względu na nierównomierny skurcz, tolerancję można zwykle kontrolować tylko wewnątrz ±1% lub ± 0,1 mm Wokół.
• Dodatek wykończeniowy: W przypadku wyjątkowo wysokich wymagań dotyczących dokładności dopasowania (takich jak poziom mikronów um ) interfejs należy odłożyć na bok podczas projektowania 15 mm-0,3 mm naddatek na szlifowanie ściernicy diamentowej.

3. Dopasowanie procesu formowania

Wybierz proces w zależności od partii produkcyjnej i złożoności strukturalnej: prasowanie na sucho jest odpowiednie dla dużych ilości prostych części płaskich; prasowanie izostatyczne na zimno (CIP) Nadaje się do półfabrykatów o dużych rozmiarach, prętów lub rur; formowanie wtryskowe ceramiki (CIM) Nadaje się do trójwymiarowych małych części o niezwykle złożonych strukturach, ale koszt otwarcia formy jest wysoki.

2. Podstawowe umiejętności projektowania w zakresie zapobiegania pękaniu i odkształceniom

1. Projekt grubości ścianki: pościg " absolutnie jednolite "

Nierówna grubość ścianek jest główną przyczyną pękania części ceramicznych podczas spiekania i chłodzenia. Rozszerzalność cieplna i współczynnik skurczu grubych i cienkich części są różne, co będzie generować ogromne naprężenia wewnętrzne.

• Unikaj różnic w grubości: Staraj się zachować stałą grubość ścianki. Jeśli w konstrukcji muszą wystąpić zmiany grubości, należy zastosować delikatne przejścia nachylenia i absolutnie ich unikać 90° nagłych zmian.
• Otwory redukcyjne masy procesowej: W przypadku ciężkich części pełnych otwory nieprzelotowe, przelotowe lub wydrążenia wsteczne (rowki) należy zaprojektować tak, aby zmniejszyć lokalną grubość, zapewniając jednocześnie wytrzymałość mechaniczną.

2. Konstrukcja narożna: pełny okrąg pod kątem ostrym ( R specyfikacja kąta)

Ceramika produkowana w ostrych narożnikach " koncentracja stresu " Niezwykle wrażliwy. Ostre narożniki wewnętrzne lub zewnętrzne mogą łatwo stać się źródłem pęknięć pod wpływem szoku termicznego lub naprężeń mechanicznych.

• wewnątrz / Promień narożnika zewnętrznego: Wszystkie narożniki i przejścia stopni muszą być zaokrąglone. Polecam wewnętrzne R kąt jest co najmniej większy niż 5mm (zalecane R≥1,0 mm ). Jeśli pozwala na to miejsce, R Im większy kąt, tym sztywniejsza konstrukcja.
• Montaż narożnika do czyszczenia szczeliny: Jeśli trzeba go zachować ze względu na konieczność dopasowania części metalowych 90° W przypadku kątowników zewnętrznych prostych należy projektować je do wewnątrz, w narożniku wewnętrznym. " Podcięcie " lub " ślepa dziura " , odsuń obszar odprężenia od wierzchołka kąta prostego.

3. Konstrukcja otworu i krawędzi: zapobiega pękaniu podczas spiekania i odpryskom krawędzi

Podczas otwierania otworów (takich jak otwory na śruby i otwory odciążające) w częściach ceramicznych położenie i kształt otworów mają ogromny wpływ na jakość formowania.

• Krytyczna odległość od krawędzi: Odległość od ściany otworu do zewnętrznej krawędzi elementu ceramicznego, a także odległość netto między dwoma otworami musi być większa niż średnica otworu. 5 czasy. Zbyt mała odległość spowoduje rozciągnięcie słabego obszaru na obu końcach podczas skurczu spiekania.
• Fazowanie otworu: Należy zaprojektować krawędzie otworów wszystkich przelotek przelotowych i zaślepionych 45°×0,3mm-0,5mm Fazowanie zapobiegające odpryskom krawędzi podczas późniejszego szlifowania lub samego montażu.
• Unikaj otworów kształtowych: Spróbuj użyć standardowych okrągłych otworów. Staraj się unikać projektowania długich otworów, kwadratowych otworów lub specjalnych otworów z ostrymi narożnikami. Takie otwory wykazują wyraźną anizotropię podczas kurczenia się i są podatne na mikropęknięcia wokół nich.

4. Wyeliminuj duże płaskie powierzchnie: walcz z deformacją wypaczeń

Ze względu na działanie grawitacji, tarcia oraz niewielkie różnice temperatur pieca podczas spiekania, duże i cienkie części płaskie łatwo ulegają odkształceniom wypaczającym (tzw. " Zakręt Bananowy " ).

• Zestaw usztywnień: Zaprojektowanie krzyżowych, tikowych lub promieniowych żeber wzmacniających z tyłu płaskiego elementu może znacznie poprawić sztywność i zablokować kierunek skurczu.
• Projekt lokalnego szefa: Jeśli pewna płaszczyzna musi zostać użyta jako powierzchnia styku montażowego, nie należy przekształcać całej dużej płaszczyzny w bardzo precyzyjną powierzchnię styku. Małe lokalne występy należy projektować wokół otworów na śruby lub kluczowych punktów mocowania, a podczas późniejszego wykończenia należy szlifować jedynie powierzchnię występów. To nie tylko oszczędza koszty przetwarzania, ale także skutecznie pozwala uniknąć wpływu ogólnego wypaczenia samolotu.

5. Konstrukcja symetryczna: zrównoważone napięcie spiekania

Podczas spiekania części ceramicznych w piecu siła skurczu jest względnie zrównoważona we wszystkich kierunkach. Jeśli struktura jest poważnie asymetryczna, doprowadzi to do niezrównoważonego napięcia i ogólnego zniekształcenia.

• Symetria geometryczna: Staraj się, aby części konstrukcyjne zachowały symetrię centralną, symetrię osi lub symetrię kształtu na poziomie dwuwymiarowym lub trójwymiarowym.
• Krawat rzemieślniczy (belka nośna jednostki): W przypadku asymetrycznych kształtów otworów (takich jak C kształt, U (konstrukcja kształtowana), należy ją sztucznie dołożyć do otworu podczas projektowania. " Tymczasowa belka przyłączeniowa procesowa " , dzięki czemu podczas spiekania zachowuje symetryczną strukturę o zamkniętej pętli. Po spiekaniu i szlifowaniu belkę tymczasową odcina się plasterkiem diamentu.

Trzy. Ściągawka ze specyfikacjami projektowymi precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych

Poniższa tabela podsumowuje złe praktyki i prawidłowe specyfikacje podczas projektowania precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych, aby inżynierowie mogli szybko się do nich odnieść.

Uwaga: Zdecydowanie zaleca się, aby podczas faktycznego procesu opracowywania projektu przeprowadzić projekt zorientowany na produkcję wspólnie z inżynierem zajmującym się procesami ceramicznymi tak szybko, jak to możliwe po ukończeniu pierwszego szkicu projektu konstrukcyjnego ( DFM ) przegląd w celu dalszej optymalizacji wymiarów w oparciu o właściwości mechaniczne określonego materiału.