Quando si personalizzano parti strutturali in ceramica di precisione, quali sono le tecniche di progettazione comuni per prevenire fessurazioni e deformazioni?

Nella produzione avanzata e nelle applicazioni industriali, le ceramiche di precisione (come allumina, zirconio, nitruro di silicio, carburo di silicio) sono diventate materiali di base indispensabili grazie alla loro elevata durezza, resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione. Tuttavia, a causa dell’elevata fragilità intrinseca dei materiali ceramici e del forte ritiro volumetrico che si verifica durante la sinterizzazione ad alta temperatura (il tasso di ritiro è solitamente compreso tra 15% a 25% ), la progettazione e la produzione delle sue parti strutturali sono estremamente impegnative. Una progettazione strutturale irrazionale spesso porta a fessurazioni, deformazioni e deformazioni dei prodotti durante la sinterizzazione, la lavorazione o il servizio effettivo.

Questa guida riassume sistematicamente le tecniche anti-fessurazione di base della progettazione, le strategie anti-deformazione e le specifiche di abbinamento dei processi nel processo di personalizzazione delle parti strutturali in ceramica di precisione, con l'obiettivo di aiutare gli ingegneri progettisti a ottimizzare la struttura del prodotto, migliorare la resa e ridurre i costi di produzione.

1. Tre punti chiave delle proprietà e della personalizzazione del materiale ceramico

Prima di iniziare qualsiasi progetto di personalizzazione della ceramica, è necessario esaminare da una prospettiva globale i seguenti tre elementi fondamentali che si limitano a vicenda.

1. Selezione dei materiali

Le proprietà fisiche e chimiche dei materiali determinano il limite prestazionale superiore delle parti strutturali. La tabella seguente elenca le caratteristiche principali e gli scenari applicativi tipici di quattro tradizionali materiali ceramici di precisione.

2. Precisione dimensionale e sovrametallo di lavorazione

• Tolleranza alla sinterizzazione: Direttamente sinterizzato " corpo verde " divenire " Billetta matura " Infine, a causa del ritiro irregolare, la tolleranza di solito può essere controllata solo all'interno ±1% o ±0,1 mm Intorno.
• Indennità di finitura: Per requisiti di precisione di corrispondenza estremamente elevati (come il livello del micron µm ) l'interfaccia deve essere messa da parte durante la progettazione 15 mm-0,3 mm tolleranza di macinazione della mola diamantata.

3. Abbinamento del processo di stampaggio

Selezionare il processo in base al lotto di produzione e alla complessità strutturale: la pressatura a secco è adatta per grandi quantità di parti piane semplici; pressatura isostatica a freddo (CIP) Adatto per grezzi di grandi dimensioni, da barra o da tubo; stampaggio ad iniezione di ceramica (CIM) È adatto per piccole parti tridimensionali con strutture estremamente complesse, ma il costo di apertura dello stampo è elevato.

2. Competenze progettuali fondamentali per l'antifessurazione e l'antideformazione

1. Design dello spessore della parete: Pursuit " assolutamente uniforme "

Lo spessore irregolare delle pareti è la causa principale di fessurazioni nelle parti in ceramica durante la sinterizzazione e il raffreddamento. I tassi di espansione e contrazione termica delle parti spesse e delle parti sottili sono diversi, il che genererà un enorme stress interno.

• Evitare disparità di spessore: Cerca di mantenere costante lo spessore complessivo della parete. Se sono necessarie variazioni di spessore nella struttura, è necessario utilizzare dolci transizioni di pendenza ed evitarli assolutamente 90° di cambiamenti improvvisi.
• Fori di riduzione del peso di processo: Per le parti solide pesanti, i fori ciechi, i fori passanti o lo svuotamento posteriore (scanalatura) dovrebbero essere progettati per ridurre lo spessore locale garantendo al tempo stesso la resistenza meccanica.

2. Design dell'angolo: cerchio completo di angolo acuto ( R specificazione dell'angolo)

Ceramica prodotta a spigoli vivi " concentrazione dello stress " Estremamente sensibile. Angoli vivi interni o esterni possono facilmente diventare fonte di crepe se sottoposti a shock termico o stress meccanico.

• dentro / Raggio dell'angolo esterno: Tutti gli angoli e le transizioni dei gradini devono essere arrotondati. Consiglio interno R l'angolo è almeno maggiore di 5 mm (consigliato R≥1,0 mm ). Spazio permettendo, R Maggiore è l'angolo, più rigida è la struttura.
• Assemblaggio della fessura di sgombero dell'angolo: Se deve essere trattenuto per la necessità di abbinare parti metalliche 90° Per gli angoli retti esterni, l'angolo interno dovrebbe essere progettato verso l'interno. " Sottosquadro " o " buco cieco " , spostare l'area di distensione lontano dal vertice dell'angolo retto.

3. Design del foro e del bordo: previene la rottura della sinterizzazione e la scheggiatura del bordo

Quando si aprono fori (come fori per viti e fori per ridurre il peso) in parti in ceramica, la posizione e la forma dei fori hanno una grande influenza sulla qualità dello stampaggio.

• Distanza dal bordo critica: La distanza dalla parete del foro al bordo esterno del pezzo ceramico, così come la distanza netta tra i due fori, deve essere maggiore del diametro del foro. 5 volte. Una distanza troppo ravvicinata causerà la separazione dell'area debole su entrambe le estremità durante la contrazione della sinterizzazione.
• Smusso dell'orifizio: Dovrebbero essere progettati i bordi di apertura delle vie passanti e cieche 45°×0,3 mm-0,5 mm Smusso per evitare scheggiature del bordo durante la successiva rettifica o l'assemblaggio vero e proprio.
• Evitare fori sagomati: Prova a utilizzare fori rotondi standard. Cerca di evitare di progettare fori lunghi, quadrati o speciali con spigoli vivi. Tali fori presentano un'evidente anisotropia durante il restringimento e sono soggetti a microfessure attorno ad essi.

4. Elimina le grandi superfici piane: combatti la deformazione deformativa

A causa dell'influenza della gravità, dell'attrito e delle piccole differenze nella temperatura del forno durante la sinterizzazione, le parti piane grandi e sottili sono facilmente soggette a deformazioni (comunemente note come " Curva delle banane " ).

• Impostare gli irrigidimenti: La progettazione di nervature di rinforzo a forma di croce, a forma di tic o radiali sul retro del pezzo piatto può migliorare significativamente la rigidità e bloccare la direzione del ritiro.
• Design del boss locale: Se è necessario utilizzare un determinato piano come superficie di contatto del gruppo, non trasformare l'intero piano di grandi dimensioni in una superficie di contatto di precisione ad alta precisione. Le piccole sporgenze locali dovrebbero essere progettate attorno ai fori delle viti o ai punti di montaggio chiave e solo la superficie delle sporgenze dovrebbe essere molata durante la successiva finitura. Ciò non solo consente di risparmiare sui costi di lavorazione, ma evita anche efficacemente l'impatto della deformazione complessiva del piano.

5. Design simmetrico: tensione di sinterizzazione bilanciata

Quando le parti in ceramica vengono sinterizzate nel forno, la forza di contrazione è relativamente bilanciata in tutte le direzioni. Se la struttura è gravemente asimmetrica, ciò porterà a una tensione sbilanciata e a una distorsione generale.

• Simmetria geometrica: Cerca di fare in modo che le parti strutturali mantengano la simmetria centrale, la simmetria degli assi o la simmetria della forma a livello bidimensionale o tridimensionale.
• Cravatta artigianale (trave di supporto artigianale): Per forme di apertura asimmetriche (come C forma, U (struttura sagomata), è opportuno aggiungerne artificialmente uno all'apertura in fase di progettazione. " Trave di connessione al processo temporanea " , in modo che mantenga una struttura simmetrica a circuito chiuso durante la sinterizzazione. Dopo la sinterizzazione e la molatura, la trave provvisoria viene tagliata con una fetta diamantata.

Tre. Foglio informativo per le specifiche di progettazione di parti strutturali in ceramica di precisione

La tabella seguente riassume le pratiche errate e le specifiche corrette durante la progettazione di parti strutturali in ceramica di precisione per una rapida consultazione da parte degli ingegneri.

Nota: durante l'effettivo processo di sviluppo del progetto, si consiglia vivamente di condurre una progettazione orientata alla produzione con l'ingegnere del processo produttivo ceramico il prima possibile dopo il completamento della prima bozza del progetto strutturale ( DFM ) revisione per ottimizzare ulteriormente le dimensioni in base alle proprietà meccaniche del materiale specifico.