Welche gängigen Konstruktionstechniken werden bei der kundenspezifischen Anpassung von Präzisionskeramikbauteilen angewendet, um Risse und Verformungen zu verhindern?

In fortschrittlichen Fertigungs- und Industrieanwendungen sind Präzisionskeramiken (wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid) aufgrund ihrer hohen Härte, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu unverzichtbaren Kernmaterialien geworden. Aufgrund der inhärenten hohen Sprödigkeit keramischer Materialien und der starken Volumenschrumpfung beim Hochtemperatursintern (die Schrumpfungsrate liegt normalerweise innerhalb von 15 % zu 25 % ) sind die Konstruktion und Herstellung seiner Strukturteile äußerst anspruchsvoll. Irrationales Strukturdesign führt häufig zu Rissen, Verformungen und Verformungen von Produkten beim Sintern, bei der Bearbeitung oder im tatsächlichen Betrieb.

Dieser Leitfaden fasst systematisch die wichtigsten Design-Antirisstechniken, Anti-Verformungsstrategien und Prozessanpassungsspezifikationen im Individualisierungsprozess von Präzisionskeramikstrukturteilen zusammen und soll Konstrukteuren dabei helfen, die Produktstruktur zu optimieren, die Ausbeute zu verbessern und die Produktionskosten zu senken.

1. Drei Schlüsselpunkte der Eigenschaften und Anpassung von Keramikmaterialien

Vor Beginn eines keramischen Individualisierungsprojekts müssen die folgenden drei sich gegenseitig einschränkenden Kernelemente aus einer globalen Perspektive betrachtet werden.

1. Materialauswahl

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien bestimmen die obere Leistungsgrenze von Strukturbauteilen. In der folgenden Tabelle sind die Kerneigenschaften und typischen Anwendungsszenarien von vier gängigen Präzisionskeramikmaterialien aufgeführt.

2. Maßgenauigkeit und Bearbeitungszugabe

• Sintertoleranz: Direkt gesintert " grüner Körper " Werden " Reifer Billet " Schließlich kann die Toleranz aufgrund der ungleichmäßigen Schrumpfung meist nur im Rahmen kontrolliert werden ±1 % oder ±0,1 mm Rundherum.
• Nachbearbeitungszugabe: Für extrem hohe Anforderungen an die Anpassungsgenauigkeit (z. B. im Mikrometerbereich). μm )-Schnittstelle muss während des Entwurfs außer Acht gelassen werden 15mm-0,3mm Schleifzugabe für Diamantschleifscheiben.

3. Anpassung des Formprozesses

Wählen Sie das Verfahren entsprechend der Produktionscharge und der strukturellen Komplexität aus: Trockenpressen eignet sich für große Mengen einfacher Flachteile; kaltisostatisches Pressen (CIP) Geeignet für große Stangen- oder Rohrrohlinge; Keramikspritzguss (CIM) Es eignet sich für dreidimensionale Kleinteile mit äußerst komplexen Strukturen, die Kosten für das Öffnen der Form sind jedoch hoch.

2. Kernkompetenzen im Design zur Vermeidung von Rissbildung und Verformung

1. Wandstärkendesign: Pursuit " absolut einheitlich "

Ungleichmäßige Wandstärken sind die häufigste Ursache für Risse in Keramikteilen beim Sintern und Abkühlen. Die Wärmeausdehnungs- und -kontraktionsraten dicker und dünner Teile sind unterschiedlich, was zu enormen inneren Spannungen führt.

• Dickenunterschiede vermeiden: Versuchen Sie, die Gesamtwandstärke konstant zu halten. Müssen Dickenänderungen im Bauwerk vorgenommen werden, sind sanfte Böschungsübergänge zu nutzen und unbedingt zu vermeiden 90° von plötzlichen Veränderungen.
• Löcher zur Gewichtsreduzierung verarbeiten: Bei schweren Massivteilen sollten Sacklöcher, Durchgangslöcher oder Hinterhöhlungen (Nuten) so gestaltet werden, dass die lokale Dicke verringert und gleichzeitig die mechanische Festigkeit gewährleistet wird.

2. Eckdesign: vollständiger spitzer Winkelkreis ( R Winkelangabe)

An scharfen Ecken hergestellte Keramik " Stresskonzentration " Äußerst empfindlich. Scharfe Innen- oder Außenecken können bei thermischer Belastung oder mechanischer Beanspruchung leicht zu Rissen führen.

• innerhalb / Außeneckenradius: Alle Ecken und Stufenübergänge müssen abgerundet sein. Intern empfehlen R Winkel ist mindestens größer als 5mm (empfohlen R≥1,0 mm ). Sofern der Platz es zulässt, R Je größer der Winkel, desto steifer ist die Struktur.
• Montage des Eckräumschlitzes: Wenn es aufgrund der Notwendigkeit, Metallteile aufeinander abzustimmen, beibehalten werden muss 90° Bei rechten Außenwinkeln sollte man an der Innenecke nach innen entwerfen. " Unterschnitt " oder " Sackloch " , verschieben Sie den Spannungsentlastungsbereich vom rechtwinkligen Scheitelpunkt weg.

3. Loch- und Kantendesign: Verhindert Sinterrisse und Kantenabsplitterungen

Beim Öffnen von Löchern (z. B. Schraubenlöchern und Löchern zur Gewichtsreduzierung) in Keramikteilen haben die Position und Form der Löcher einen großen Einfluss auf die Formqualität.

• Kritischer Randabstand: Der Abstand von der Lochwand zur Außenkante des Keramikteils sowie der Nettoabstand zwischen den beiden Löchern müssen größer sein als der Lochdurchmesser. 5 mal. Ein zu geringer Abstand führt dazu, dass die Schwachstelle beim Sintern und Schrumpfen an beiden Enden auseinandergezogen wird.
• Öffnungsfase: Die Öffnungskanten aller Durchgangs- und Blindvias sollten gestaltet werden 45°×0,3mm-0,5mm Fase, um ein Absplittern der Kante beim anschließenden Schleifen oder beim eigentlichen Zusammenbau zu verhindern.
• Vermeiden Sie geformte Löcher: Versuchen Sie, standardmäßige runde Löcher zu verwenden. Versuchen Sie, lange Löcher, quadratische Löcher oder spezielle Löcher mit scharfen Ecken zu vermeiden. Solche Löcher weisen beim Schrumpfen eine offensichtliche Anisotropie auf und sind anfällig für Mikrorisse um sie herum.

4. Eliminieren Sie große ebene Flächen: Bekämpfen Sie verziehende Verformungen

Aufgrund des Einflusses von Schwerkraft, Reibung und kleinen Unterschieden in der Ofentemperatur während des Sinterns neigen große und dünne flache Teile leicht zu einer verziehenden Verformung (allgemein bekannt als " Bananenbiegung " ).

• Versteifungen einstellen: Durch die Gestaltung kreuzförmiger, tickförmiger oder radialer Verstärkungsrippen auf der Rückseite des Flachstücks kann die Steifigkeit deutlich verbessert und die Schrumpfrichtung fixiert werden.
• Design des lokalen Chefs: Wenn eine bestimmte Ebene als Montagekontaktfläche verwendet werden muss, machen Sie nicht die gesamte große Ebene zu einer hochpräzisen Präzisionskontaktfläche. Kleine lokale Vorsprünge sollten um Schraubenlöcher oder wichtige Passpunkte herum entworfen werden, und bei der anschließenden Endbearbeitung sollte nur die Oberfläche der Vorsprünge geschliffen werden. Dies spart nicht nur Bearbeitungskosten, sondern vermeidet auch effektiv die Auswirkungen des gesamten Flugzeugverzugs.

5. Symmetrisches Design: ausgewogene Sinterspannung

Beim Sintern von Keramikteilen im Ofen ist die Schrumpfungskraft in alle Richtungen relativ ausgeglichen. Wenn die Struktur stark asymmetrisch ist, führt dies zu einer unausgeglichenen Spannung und einer Gesamtverzerrung.

• Geometrische Symmetrie: Versuchen Sie, dafür zu sorgen, dass die Strukturteile auf zwei- oder dreidimensionaler Ebene eine zentrale Symmetrie, Achsensymmetrie oder Formsymmetrie beibehalten.
• Bastelkrawatte (Bastelstützbalken): Für asymmetrische Öffnungsformen (wie z C Form, U (geformte Struktur) sollte bei der Gestaltung künstlich in die Öffnung eingefügt werden. " Temporärer Prozessverbindungsbalken " , so dass es während des Sinterns eine geschlossene symmetrische Struktur beibehält. Nach dem Sintern und Schleifen wird der provisorische Balken mit einer Diamantscheibe abgeschnitten.

Drei. Spickzettel für Designspezifikationen von Präzisionskeramik-Strukturteilen

Die folgende Tabelle fasst die falschen Vorgehensweisen und korrekten Spezifikationen bei der Konstruktion präziser Keramikstrukturteile zusammen, damit Ingenieure sie schnell nachschlagen können.

Hinweis: Während des eigentlichen Projektentwicklungsprozesses wird dringend empfohlen, so bald wie möglich nach Fertigstellung des ersten Entwurfs des Strukturentwurfs mit dem Keramik-Vorwärtsprozessingenieur einen fertigungsorientierten Entwurf durchzuführen ( DFM ) Überprüfung zur weiteren Optimierung der Abmessungen basierend auf den mechanischen Eigenschaften des spezifischen Materials.