Ao personalizar peças estruturais de cerâmica de precisão, quais são as técnicas de projeto comuns para evitar rachaduras e deformações?

Em aplicações industriais e de fabricação avançada, cerâmicas de precisão (como alumina, zircônia, nitreto de silício, carboneto de silício) tornaram-se materiais de núcleo indispensáveis ​​devido à sua alta dureza, resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão. No entanto, devido à alta fragilidade inerente dos materiais cerâmicos e à severa contração de volume enfrentada durante a sinterização em alta temperatura (a taxa de contração geralmente está dentro 15% para 25% ), o projeto e a fabricação de suas peças estruturais são extremamente desafiadores. O projeto estrutural irracional geralmente leva a rachaduras, empenamentos e deformações dos produtos durante a sinterização, usinagem ou serviço real.

Este guia resume sistematicamente as principais técnicas antifissuração do projeto, estratégias antideformação e especificações de correspondência de processo no processo de customização de peças estruturais cerâmicas de precisão, com o objetivo de ajudar os engenheiros de projeto a otimizar a estrutura do produto, melhorar o rendimento e reduzir os custos de produção.

1. Três pontos-chave das propriedades e personalização do material cerâmico

Antes de iniciar qualquer projeto de personalização de cerâmica, os três elementos principais que se restringem mutuamente devem ser examinados a partir de uma perspectiva global.

1. Seleção de materiais

As propriedades físicas e químicas dos materiais determinam o limite superior de desempenho das peças estruturais. A tabela a seguir lista as características principais e os cenários de aplicação típicos de quatro materiais cerâmicos de precisão convencionais.

2. Precisão dimensional e tolerância de usinagem

• Tolerância de sinterização: Diretamente sinterizado " corpo verde " tornando-se " Boleto maduro " Finalmente, devido à contração irregular, a tolerância normalmente só pode ser controlada dentro de ±1% ou ±0,1 mm Ao redor.
• Subsídio de acabamento: Para requisitos de precisão de correspondência extremamente altos (como nível de mícron μm ) a interface deve ser deixada de lado durante o design 15 mm-0,3 mm subsídio de moagem de rebolo de diamante.

3. Correspondência do processo de moldagem

Selecione o processo de acordo com o lote de produção e complexidade estrutural: a prensagem a seco é adequada para grandes quantidades de peças planas simples; prensagem isostática a frio (CIP) Adequado para peças brutas de tamanho grande, barras ou tubos; moldagem por injeção de cerâmica (CIM) É adequado para pequenas peças tridimensionais com estruturas extremamente complexas, mas o custo de abertura do molde é alto.

2. Habilidades básicas de design para anti-fissuração e anti-deformação

1. Projeto de espessura de parede: perseguição " absolutamente uniforme "

A espessura irregular da parede é a causa número um de fissuras em peças cerâmicas durante a sinterização e o resfriamento. As taxas de expansão e contração térmica de peças grossas e finas são diferentes, o que gerará enorme tensão interna.

• Evite disparidades de espessura: Tente manter a espessura geral da parede consistente. Se houver alterações de espessura na estrutura, devem ser utilizadas transições suaves de declive e absolutamente evitadas 90° de mudanças repentinas.
• Orifícios de redução de peso do processo: Para peças sólidas pesadas, furos cegos, furos passantes ou cavidades traseiras (ranhura) devem ser projetados para reduzir a espessura local e, ao mesmo tempo, garantir a resistência mecânica.

2. Design de canto: círculo de ângulo agudo completo ( R especificação de ângulo)

Cerâmica produzida em cantos vivos " concentração de estresse " Extremamente sensível. Cantos afiados internos ou externos podem facilmente se tornar fonte de rachaduras quando submetidos a choque térmico ou estresse mecânico.

• dentro / Raio do canto externo: Todos os cantos e transições de etapas devem ser arredondados. Recomendar interno R ângulo é pelo menos maior que 5mm (recomendado R≥1,0mm ). Se o espaço permitir, R Quanto maior o ângulo, mais rígida é a estrutura.
• Montagem da ranhura de compensação de canto: Se for necessário mantê-lo devido à necessidade de combinar peças metálicas 90° Para ângulos retos externos, um deve ser projetado para dentro no canto interno. " Corte inferior " ou " buraco cego " , mova a área de alívio de tensão para longe do vértice do ângulo reto.

3. Design de furos e bordas: evita rachaduras na sinterização e lascas nas bordas

Ao abrir furos (como furos para parafusos e furos para redução de peso) em peças cerâmicas, a posição e o formato dos furos têm grande influência na qualidade da moldagem.

• Distância crítica da borda: A distância da parede do furo até a borda externa da peça cerâmica, bem como a distância líquida entre os dois furos, deve ser maior que o diâmetro do furo. 5 vezes. Vocêma distância muito próxima fará com que a área fraca seja separada em ambas as extremidades durante a contração de sinterização.
• Chanfro de orifício: As bordas de abertura de todas as vias passantes e cegas devem ser projetadas 45°×0,3mm-0,5mm Chanfro para evitar lascas nas bordas durante o desbaste subsequente ou na montagem real.
• Evite furos moldados: Tente usar furos redondos padrão. Tente evitar projetar furos longos, quadrados ou furos especiais com cantos afiados. Esses buracos têm anisotropia óbvia quando encolhem e são propensos a microfissuras ao seu redor.

4. Elimine grandes superfícies planas: combata a deformação por empenamento

Devido à influência da gravidade, fricção e pequenas diferenças na temperatura do forno durante a sinterização, peças planas grandes e finas são facilmente propensas à deformação por empenamento (comumente conhecida como " Curva de Banana " ).

• Definir reforços: Projetar nervuras de reforço em forma de cruz, em forma de tique ou radiais na parte traseira da peça plana pode melhorar significativamente a rigidez e travar a direção do encolhimento.
• Design de chefe local: Se um determinado plano precisar ser usado como superfície de contato de montagem, não transforme todo o plano grande em uma superfície de contato de alta precisão. Pequenas saliências locais devem ser projetadas em torno de furos de parafusos ou pontos de encaixe de chave, e somente a superfície das saliências deve ser retificada durante o acabamento subsequente. Isto não só economiza custos de processamento, mas também evita efetivamente o impacto do empenamento geral do avião.

5. Design simétrico: tensão de sinterização equilibrada

Quando as peças cerâmicas são sinterizadas no forno, a força de contração é relativamente equilibrada em todas as direções. Se a estrutura for severamente assimétrica, isso levará a uma tensão desequilibrada e à distorção geral.

• Simetria geométrica: Tente fazer com que as partes estruturais mantenham a simetria central, a simetria dos eixos ou a simetria da forma em um nível bidimensional ou tridimensional.
• Gravata artesanal (viga de suporte artesanal): Para formas de abertura assimétricas (como C forma, U (estrutura moldada), deve ser adicionado artificialmente à abertura durante o projeto. " Feixe temporário de conexão ao processo " , de modo que mantém uma estrutura simétrica em circuito fechado durante a sinterização. Após sinterização e retificação, a viga temporária é cortada com uma fatia de diamante.

Três. Folha de dicas para especificações de projeto de peças estruturais de cerâmica de precisão

A tabela a seguir resume as práticas erradas e as especificações corretas ao projetar peças estruturais de cerâmica de precisão para referência rápida por parte dos engenheiros.

Nota: Durante o processo real de desenvolvimento do projeto, é altamente recomendável realizar o projeto orientado para a fabricação com o engenheiro de processo direto de cerâmica o mais rápido possível após a conclusão do primeiro rascunho do projeto estrutural ( DFM ) revisão para otimizar ainda mais as dimensões com base nas propriedades mecânicas do material específico.