Зміст
1.Ізготовленіе литих деталей з металевих сплавів
1.1. Загальні відомості
1.2. Технологічні вимоги до конструкції деталей
1.3. Лиття під тиском
1.4. Формоутворення деталей методом лиття по виплавлюваних моделях
2.Ізготовленіе деталей з пластмас
2.1. Технологічні особливості конструювання пластмасових деталей
2.2. Виготовлення деталей з термореактивних пластмас
2.3. Виготовлення деталей з термопластичних пластмас
3.Ізготовленіе деталей з кераміки
3.1. Вихідні матеріали керамічних виробів
3.2. Виготовлення вихідної керамічної маси
3.3. Методи виготовлення керамічних деталей
ВИСНОВОК
1.Ізготовленіе литих деталей з металевих сплавів
1.1. Загальні відомості
У виробництві РЕЗ для зниження металоємності і трудомісткості виготовлення деяких деталей виробляють з литих заготовок - виливків. До числа таких деталей відносять корпусу складальних одиниць приймачів, передавачів; деталей антенних пристроїв, хвилеводних ліній; радіатори охолодження; деталі механізмів різних систем; постійні магніти.
Основними операціями технологічних процесів одержання виливків є: плавка металу, заливання розплаву у форму, видалення виливки з форми після її затвердіння, відрізка літників, термообробка.
У залежності від застосування технологічного обладнання та конструкції ливарних форм розрізняють такі види ливарних процесів: лиття під тиском, литво в металеві форми, лиття в оболонкові форми, лиття в піщані форми. Область застосування того чи іншого способу лиття визначається обсягом виробництва, вимог до геометричної точності, економічної доцільності.
Типовим технологічним устаткуванням є плавильні печі, машини для лиття під тиском, машини відцентрового лиття, формувальні машини, сушильні агрегати, металорізальні верстати для відрізки літників.
Технологічним оснащенням є прес-форми, ливарні форми, моделі, металеві ливарні форми-кокілі і т.п.
У залежності від призначення деталі і її конструкції для отримання виливків застосовують: сталі і сплави на основі алюмінію, міді, титану, магнію. Техніко-економічна ефективність процесів лиття обгрунтовано можливістю виготовлення заготовок для деталей складної форми, з достатньою точністю розмірів при раціональному використанні сплаву.
1.2. Технологічні вимоги до конструкції деталей
Конструюючи литу деталь, необхідно враховувати ливарні властивості сплаву, що заливається: жидкотекучесть, кристалізацію та усадку.
Жидкотекучесть - це здатність металів і сплавів текти в розплавленому стані по каналах ливарної форми, заповнювати її порожнини і чітко відтворювати контури виливка. Сплави, що твердіють при постійній температурі (евтектичні сплави), мають кращу жидкотекучестью, ніж сплави, що утворюють тверді розчини і твердіють в інтервалі температур. Чим більше жидкотекучесть, тим тонше може бути отримувана стінка. У той же час жідкотекучест' залежить від умов тепловіддачі у формі.
Кристалізація сплаву відбувається в напрямі, перпендикулярному поверхні тепловіддачі. Швидкість кристалізації змінюється від максимальної у поверхні до мінімальної в центрі стінки виливка. Одночасно відбувається зростання кристалів-зерен. Для створення рівномірного і дрібнозернистої структури бажано зменшувати товщину стінок.
Усадка - властивості металів і сплавів зменшуватися в обсязі при охолодженні. Відносна лінійна усадка К л визначається зі співвідношення
де
Лінійна усадка для вуглецевих сталей становить 2 - 2,4%, для алюмінієвих сплавів 0,9 - 1,5%, для мідних - 1,4 - 2,3%. Лінійна усадка викликає утворення тріщин і викривлення внаслідок гальмування усадки в окремих місцях виливків. Об'ємна усадка (До про = 3 К л) призводить до утворення усадочної пористості в потовщених місцях виливки.
Перераховані властивості сплавів визначають конструктивні особливості деталей, отриманих литтям: равностенность, радіуси заокруглень, плавні переходи, ухили, отвори і армування.
Равностенность. Для забезпечення рівномірності усадки і відсутності усадочних раковин товщина стінок виливки на всьому протязі повинна бути однаковою. Для збереження необхідної міцності деталі виливок посилюється ребрами жорсткості (рис.5.1). Товщина ребер жорсткості t p становить: для зовнішніх ребер t p = (0,8 - 0,9) t, для внутрішніх t p = (0,6 - 0,7) t, де t - середня товщина стінки виливка. Товщина стінок виливків залежить від методів литва і ливарних сплавів.
Радіуси заокруглень. Радіуси заокруглень запобігають появі тріщин у місцях сполучення стінок внаслідок нерівномірності кристалізації. Гострі кромки допускаються тільки на площині роз'єму ливарних форм. Радіуси заокруглень визначаються виразом
де t 1, t 2 - товщини стінок; k - коефіцієнт, що залежить від методу лиття.
При лиття по виплавлюваних моделях і при литті під тиском рекомендується величина R = 0,8 - 1,0 мм. Радіуси заокруглень R на зовнішніх крайках звичайно зменшуються в два рази в порівнянні c R внутрішніх крайок.
Переходи від товстих перетинів до тонких повинні бути плавними. Рекомендований розмір переходу визначається з співвідношення
Ухили і конусність. На необроблюваних поверхнях, розташованих перпендикулярно площині роз'єму, необхідно передбачити ухили і конусність. У разі неприпустимість з конструктивних міркувань конусность повинна входити в припуск і віддалятися при механічній обробці. Конусность на зовнішніх і внутрішніх поверхнях при литті по виплавлюваних моделях і під тиском 1,5 - 3 о.
Отвори. Рекомендується виготовляти отвори відразу при литті, тому що при подальшому свердлінні в стовщеннях виливків розкриваються усадочні чи газові раковини. При необхідності отримання отворів з чистою поверхнею і точними розмірами залишають припуск на механічну обробку. Не рекомендується робити дуже глибокі отвори, для яких l> 3d (l, d - глибина і діаметр отвору). Мінімальні значення отворів, одержуваних литтям під тиском з алюмінієвих і магнієвих сплавів - 1,5 мм, з латуні - 3 мм.
Армування використовують у тому випадку, коли метал деталі не повністю відповідає вимогам, наприклад по міцності або антифрикційним властивостями, воно значно розширює область застосування литих деталей у пристроях РЕЗ. Метод армування виливків широко застосовується при литті під тиском. У залежності від призначення можна розглядати три напрями армування: армування для створення равностенності; армування, що заміняє зборку; армування для створення якісно нових виробів. На рис. 5.2 наведено приклади армування виливків.
1.3. Лиття під тиском
Литтям під тиском називається такий метод лиття, коли рідкий метал заповнює порожнину металевої форми (прес-форми) під примусово великим тиском (40 - 100 МПа). Лиття під тиском є найпродуктивнішим способом виготовлення тонкостінних деталей складної конструкції і застосовується в РЕМ для виготовлення корпусів приймачів, передавачів та інших деталей. При виборі сплаву необхідно враховувати наступні вимоги: сплав повинен мати достатню міцність при високих температурах, щоб виливок не ламалася при виштовхуванні; мати мінімальну усадку; мати високу жідкотекучест'ю при невеликому перегріві і мати невеликий інтервал кристалізації. Із сплавів найбільше застосування отримали: алюмінієві (AЛ2, AЛ4, AЛ9), магнієві (МЛ5, МЛ6), мідні (латуні ЛС59-1Л, ЛК80-ЗО). Останнім часом цей метод почали застосовувати і для виготовлення сталевих і титанових виливків.
Точність розмірів виливків залежить від точності виготовлення форм. При виготовленні ливарних форм по 9-му квалітету точності виливка можуть мати 10 - 11-й квалітет точності. Виливки, що оформляються в роз'ємних прес-формах, виходять по 11 - 13-м квалітетом. Шорсткість поверхні виливків залежать від шорсткості формотворної порожнини форми і тривалості її експлуатації. Внутрішня порожнина форми, оброблена поліруванням або шліфуванням, забезпечує Ra 1,25 - 2,5 мкм.
Механічні властивості матеріалу деталей значно відрізняються від механічних властивостей вихідних сплавів. При швидкому охолодженні у виливках утворюється ливарна скориночка з дуже дрібнозернистою структурою, товщина якої складає близько 0,5 - 1,0 мм. Тому тонкостінні виливки мають дрібнозернисту структуру, підвищену міцність і твердість на 20 - 30% при одночасному зниженні пластичності приблизно на 30% в порівнянні іншими методами лиття.
Деталі, що відливаються литтям під тиском, повинні бути по можливості тонкостінними. Найкраща якість виходить при товщині стінок 1,5 - 3 мм. Мінімальна товщина стінок залежить від розміру деталі. Так, якщо площа зовнішньої поверхні не перевищує 250 мм 2, то можна отримати виливки з алюмінієвих сплавів товщиною 1 мм.
При литті під тиском рекомендується одержувати виливки як з зовнішньою різьбою (діаметр не менше 6 мм), так і з внутрішньої (діаметр не менше 4 мм).
Пористість є основною причиною шлюбу і розкривається при механічній обробці. Джерелами пористості є усадка сплаву, гази, що виділяються з рідкого металу, і повітря, яке захоплюється потоком в порожнину форми. Для підвищення якості виливків необхідно передбачати виготовлення ливарних отворів. Величина припусків на механічну обробку не повинна перевищувати 0,5 мм.
Технологічним обладнанням є ливарна машина, плавильна піч; спеціальної оснащенням - металева прес-форма. В даний час застосовуються три типи машин для лиття під тиском: з холодною вертикальної камерою пресування, з холодною горизонтальної камерою пресування і з вертикальною гарячої камерою пресування. Ливарні машини з гарячою камерою пресування застосовують в основному для виготовлення виливків з цинкових сплавів. Ливарні машини з горизонтальним камерою пресування мають більш коротку ливникову систему, ніж машини з вертикальною камерою пресування і, відповідно, менші втрати тепла і тиску при подачі розплаву з камери пресування у порожнину форми. Продуктивність їх на 10 - 20% вище, вони простіше в обслуговуванні і тому отримують все більше поширення. Ці машини застосовуються для виготовлення виливків з алюмінієвих, магнієвих та мідних сплавів.
На рис. 5.3 представлена схема виготовлення деталей на ливарних машинах з горизонтальною холодною камерою пресування. Процес лиття полягає в наступному. Розплавлений метал заливається в камеру пресування 4 (рис. 5.3 а), а потім плунжером 5 він під тиском подається в порожнину рознімної прес-форми (рис. 5.3 б), що складається з нерухомої 3 та рухомий 1 частин. Внутрішня порожнина в литві оформляється стрижнем 2. Після витримки під тиском, необхідної для затвердіння виливки, прес-форма розкривається (мал. 5.3 в), витягується стрижень 2 і виливок 7 виштовхувачем 6 видаляється з робочої порожнини прес-форми. Час витримки під тиском залежить від максимальної товщини стінки виливка і становить приблизно 1 - 15 с. Перед заливанням прес-форму нагрівають до 120 - 320 о С. Після видалення виливки робочу поверхню прес-форми обдувають повітрям і змащують спеціальними матеріалами для попередження приварки виливки до прес-формі. Повітря і гази видаляють через канали завглибшки 0,05 - 0,15 мм і шириною 15 мм, розташовані в площині роз'єму прес-форми, або вакуумуванням робочої порожнини перед заливкою розплавленого металу.
Прес-форма для лиття під тиском в процесі роботи перебуває під дією великих зовнішніх сил і високих температур. Ці дії враховуються при конструюванні прес-форм. Деталі, які оформляють поверхні виливків (матриці, пуансони, стрижні, вкладиші), виконують з термостійких легованих сталей ЗХ2В8 (для алюмінієвого, магнієвого та мідного лиття) і меднокобальтоберілліевого сплаву для отримання сталевих виливків. Корпусні деталі - плити пуансонів та матриць - роблять із сталей 40 і 50; напрямні втулки, рейки зі сталей У7А, У8А. При конструюванні прес-форм розміри порожнини повинні бути збільшені в порівнянні з розміром виливки на величину усадки сплаву. Розміри оформляють частин форми виконують по 9-му квалітету, а розміри сполучених частин форми по 10 - 11 квалітету точності. При розрахунку виконавчих розмірів, крім усадки, враховують величину і напрям припустимих відхилень розмірів виливка і форми. При виборі коефіцієнта усадки необхідно враховувати затруднительность усадки на металевих стержнях. Коефіцієнт усадки внутрішніх розмірів менше, ніж зовнішніх внаслідок ускладнення усадки.
Прес-форми є складної дорогої оснащенням, вартість якої окупається лише при великосерійному і масовому виробництві.
Основні переваги процесу лиття під тиском: висока продуктивність (до сотні виливків за годину), висока точність розмірів виливків, можливість виготовлення тонкостінних виливків складної форми, раціональне використання металу, висока чистота поверхні (Rа 1,25 - 5 мкм), можливість одержання декількох деталей за один цикл. До найбільш істотних недоліків лиття під тиском відносяться: пористість заготовки, що викликається високими швидкостями руху рідкого металу при заповненні прес-форми й швидким охолодженням металу у формі, висока вартість прес-форми.
В даний час створюються автоматизовані комплекси для лиття під тиском. У цих комплексах автоматизується весь цикл виконання операцій: обдув прес-форми; змазування прес-форми та прес-поршня; підтримку заданого температурного режиму прес-форми; дозування і заливка сплаву з роздавальної печі в камеру пресування; витяг виливки та транспортування її до загального пресу для видалення літників і облоя; контроль і подрегулірованіе основних технологічних режимів; управління всіма механізмами, що забезпечують виконання всіх операцій.
1.4. Формоутворення деталей методом лиття по виплавлюваних моделях
Литтям по виплавлюваних моделях називається такий метод лиття, при якому порожнину в вогнетривкої оболонкової формі, необхідна для одержання виливків, утворюється за рахунок виплавлення легкоплавких моделей. Основними операціями технологічного процесу лиття по виплавлюваних моделях є: виготовлення виплавлюваних моделей; виготовлення блоків моделей; покриття блоків керамічної оболонкою і їх формування; термообробка блоків; заливка форм металом; видалення блоків з опок і очищення їх; відрізка літників; термічна обробка виливків. Схема отримання виливків методом лиття по виплавлюваних моделях зображена на рис. 5.4.
З легкоплавкого модельного складу (50% парафін 50% стеарину) в металевій прес-формі, що складається з двох частин, виготовляють моделі відливок та ливникову систему. Для цього попередньо розплавлений модельний склад заливають або запресовують під тиском 20 - 30 МПа в зібрану прес-форму. Після затвердіння моделі прес-форму розкривають і витягують з неї модель. Розміри прес-форми робляться з урахуванням відповідних розмірів виливка, з урахуванням подвійної усадки матеріалу моделі і металу виливка. Потім моделі збираються в блоки (ялинки), для чого їх приєднують до литниковой системі за допомогою нагрівача. За розташуванням на модельному блоці моделі ділять на два типи (рис. 5.4 а).
I. Моделі приєднуються безпосередньо до центрального літники-стояка. Такий спосіб застосовується для отримання дрібних виливків нескладної форми.
II. Моделі приєднуються до живильного кільцевому колектору. У цьому випадку живлення форми металом відбувається з колектора. Такий спосіб приєднання застосовують для виливків великої маси і складної форми, що вимагають істотної підживлення рідким сплавом у процесі лиття.
Рис. 5.4. Схема процесу отримання виливків методом лиття по виплавлюваних моделях: а - типи литниково-живлять систем; б - литниковая форма: 1 - опока; 2 - блоки з ливарної оболонкою; 3 - формувальний наповнювач
На отриманий блок наносять шляхом занурення суспензію - рідке облицювальні покриття, що складається з 30 - 40% гідролізованого етилсилікати (С 2 Н 5 Про) 4 Si і 60 - 70% пилоподібного кварцу. Після цього блок обсипають дрібним сухим кварцовим піском і просушують при кімнатній температурі протягом 5 - 6 годин. Ці операції повторюють до отримання вогнетривкої скоринки товщиною 2,5 - 3 мм. Потім проводять виплавлення моделей з оболонки, для чого блоки поміщають в термошкафе (Т = 110 - 120 ° С) або занурюють у гарячу воду (Т = 90 - 95 ° С).
Пустотілу вогнетривку форму 2 поміщають у металевий кожух, який заповнюють формувальним матеріалом 3 (сухий або вологий кварцовий пісок) (рис. 5.4 б). Підготовлену таким чином форму нагрівають до Т = 850 - 900 ° С протягом 3 - 4 годин. У процесі прожарювання відбуваються вигоряння залишків парафіну і стеарину і спікання вогнетривкої оболонки. Після прожарювання форма заливається розплавленим металом і потім після остигання металу керамічна оболонка руйнується або механічним шляхом, або розчиненням у лужному розчині при 120 ° С з наступним промиванням гарячою водою (для деталей складних конфігурацій). Останньою операцією є контроль виливки та видалення литниковой системи. 1.Ізготовленіе литих деталей з металевих сплавів
1.1. Загальні відомості
1.2. Технологічні вимоги до конструкції деталей
1.3. Лиття під тиском
1.4. Формоутворення деталей методом лиття по виплавлюваних моделях
2.Ізготовленіе деталей з пластмас
2.1. Технологічні особливості конструювання пластмасових деталей
2.2. Виготовлення деталей з термореактивних пластмас
2.3. Виготовлення деталей з термопластичних пластмас
3.Ізготовленіе деталей з кераміки
3.1. Вихідні матеріали керамічних виробів
3.2. Виготовлення вихідної керамічної маси
3.3. Методи виготовлення керамічних деталей
ВИСНОВОК
1.Ізготовленіе литих деталей з металевих сплавів
1.1. Загальні відомості
У виробництві РЕЗ для зниження металоємності і трудомісткості виготовлення деяких деталей виробляють з литих заготовок - виливків. До числа таких деталей відносять корпусу складальних одиниць приймачів, передавачів; деталей антенних пристроїв, хвилеводних ліній; радіатори охолодження; деталі механізмів різних систем; постійні магніти.
Основними операціями технологічних процесів одержання виливків є: плавка металу, заливання розплаву у форму, видалення виливки з форми після її затвердіння, відрізка літників, термообробка.
У залежності від застосування технологічного обладнання та конструкції ливарних форм розрізняють такі види ливарних процесів: лиття під тиском, литво в металеві форми, лиття в оболонкові форми, лиття в піщані форми. Область застосування того чи іншого способу лиття визначається обсягом виробництва, вимог до геометричної точності, економічної доцільності.
Типовим технологічним устаткуванням є плавильні печі, машини для лиття під тиском, машини відцентрового лиття, формувальні машини, сушильні агрегати, металорізальні верстати для відрізки літників.
Технологічним оснащенням є прес-форми, ливарні форми, моделі, металеві ливарні форми-кокілі і т.п.
У залежності від призначення деталі і її конструкції для отримання виливків застосовують: сталі і сплави на основі алюмінію, міді, титану, магнію. Техніко-економічна ефективність процесів лиття обгрунтовано можливістю виготовлення заготовок для деталей складної форми, з достатньою точністю розмірів при раціональному використанні сплаву.
1.2. Технологічні вимоги до конструкції деталей
Конструюючи литу деталь, необхідно враховувати ливарні властивості сплаву, що заливається: жидкотекучесть, кристалізацію та усадку.
Жидкотекучесть - це здатність металів і сплавів текти в розплавленому стані по каналах ливарної форми, заповнювати її порожнини і чітко відтворювати контури виливка. Сплави, що твердіють при постійній температурі (евтектичні сплави), мають кращу жидкотекучестью, ніж сплави, що утворюють тверді розчини і твердіють в інтервалі температур. Чим більше жидкотекучесть, тим тонше може бути отримувана стінка. У той же час жідкотекучест' залежить від умов тепловіддачі у формі.
Кристалізація сплаву відбувається в напрямі, перпендикулярному поверхні тепловіддачі. Швидкість кристалізації змінюється від максимальної у поверхні до мінімальної в центрі стінки виливка. Одночасно відбувається зростання кристалів-зерен. Для створення рівномірного і дрібнозернистої структури бажано зменшувати товщину стінок.
Усадка - властивості металів і сплавів зменшуватися в обсязі при охолодженні. Відносна лінійна усадка К л визначається зі співвідношення
де
Лінійна усадка для вуглецевих сталей становить 2 - 2,4%, для алюмінієвих сплавів 0,9 - 1,5%, для мідних - 1,4 - 2,3%. Лінійна усадка викликає утворення тріщин і викривлення внаслідок гальмування усадки в окремих місцях виливків. Об'ємна усадка (До про = 3 К л) призводить до утворення усадочної пористості в потовщених місцях виливки.
Перераховані властивості сплавів визначають конструктивні особливості деталей, отриманих литтям: равностенность, радіуси заокруглень, плавні переходи, ухили, отвори і армування.
Равностенность. Для забезпечення рівномірності усадки і відсутності усадочних раковин товщина стінок виливки на всьому протязі повинна бути однаковою. Для збереження необхідної міцності деталі виливок посилюється ребрами жорсткості (рис.5.1). Товщина ребер жорсткості t p становить: для зовнішніх ребер t p = (0,8 - 0,9) t, для внутрішніх t p = (0,6 - 0,7) t, де t - середня товщина стінки виливка. Товщина стінок виливків залежить від методів литва і ливарних сплавів.
Радіуси заокруглень. Радіуси заокруглень запобігають появі тріщин у місцях сполучення стінок внаслідок нерівномірності кристалізації. Гострі кромки допускаються тільки на площині роз'єму ливарних форм. Радіуси заокруглень визначаються виразом
де t 1, t 2 - товщини стінок; k - коефіцієнт, що залежить від методу лиття.
При лиття по виплавлюваних моделях і при литті під тиском рекомендується величина R = 0,8 - 1,0 мм. Радіуси заокруглень R на зовнішніх крайках звичайно зменшуються в два рази в порівнянні c R внутрішніх крайок.
Переходи від товстих перетинів до тонких повинні бути плавними. Рекомендований розмір переходу визначається з співвідношення
Ухили і конусність. На необроблюваних поверхнях, розташованих перпендикулярно площині роз'єму, необхідно передбачити ухили і конусність. У разі неприпустимість з конструктивних міркувань конусность повинна входити в припуск і віддалятися при механічній обробці. Конусность на зовнішніх і внутрішніх поверхнях при литті по виплавлюваних моделях і під тиском 1,5 - 3 о.
Отвори. Рекомендується виготовляти отвори відразу при литті, тому що при подальшому свердлінні в стовщеннях виливків розкриваються усадочні чи газові раковини. При необхідності отримання отворів з чистою поверхнею і точними розмірами залишають припуск на механічну обробку. Не рекомендується робити дуже глибокі отвори, для яких l> 3d (l, d - глибина і діаметр отвору). Мінімальні значення отворів, одержуваних литтям під тиском з алюмінієвих і магнієвих сплавів - 1,5 мм, з латуні - 3 мм.
Армування використовують у тому випадку, коли метал деталі не повністю відповідає вимогам, наприклад по міцності або антифрикційним властивостями, воно значно розширює область застосування литих деталей у пристроях РЕЗ. Метод армування виливків широко застосовується при литті під тиском. У залежності від призначення можна розглядати три напрями армування: армування для створення равностенності; армування, що заміняє зборку; армування для створення якісно нових виробів. На рис. 5.2 наведено приклади армування виливків.
1.3. Лиття під тиском
Литтям під тиском називається такий метод лиття, коли рідкий метал заповнює порожнину металевої форми (прес-форми) під примусово великим тиском (40 - 100 МПа). Лиття під тиском є найпродуктивнішим способом виготовлення тонкостінних деталей складної конструкції і застосовується в РЕМ для виготовлення корпусів приймачів, передавачів та інших деталей. При виборі сплаву необхідно враховувати наступні вимоги: сплав повинен мати достатню міцність при високих температурах, щоб виливок не ламалася при виштовхуванні; мати мінімальну усадку; мати високу жідкотекучест'ю при невеликому перегріві і мати невеликий інтервал кристалізації. Із сплавів найбільше застосування отримали: алюмінієві (AЛ2, AЛ4, AЛ9), магнієві (МЛ5, МЛ6), мідні (латуні ЛС59-1Л, ЛК80-ЗО). Останнім часом цей метод почали застосовувати і для виготовлення сталевих і титанових виливків.
Точність розмірів виливків залежить від точності виготовлення форм. При виготовленні ливарних форм по 9-му квалітету точності виливка можуть мати 10 - 11-й квалітет точності. Виливки, що оформляються в роз'ємних прес-формах, виходять по 11 - 13-м квалітетом. Шорсткість поверхні виливків залежать від шорсткості формотворної порожнини форми і тривалості її експлуатації. Внутрішня порожнина форми, оброблена поліруванням або шліфуванням, забезпечує Ra 1,25 - 2,5 мкм.
Механічні властивості матеріалу деталей значно відрізняються від механічних властивостей вихідних сплавів. При швидкому охолодженні у виливках утворюється ливарна скориночка з дуже дрібнозернистою структурою, товщина якої складає близько 0,5 - 1,0 мм. Тому тонкостінні виливки мають дрібнозернисту структуру, підвищену міцність і твердість на 20 - 30% при одночасному зниженні пластичності приблизно на 30% в порівнянні іншими методами лиття.
Деталі, що відливаються литтям під тиском, повинні бути по можливості тонкостінними. Найкраща якість виходить при товщині стінок 1,5 - 3 мм. Мінімальна товщина стінок залежить від розміру деталі. Так, якщо площа зовнішньої поверхні не перевищує 250 мм 2, то можна отримати виливки з алюмінієвих сплавів товщиною 1 мм.
При литті під тиском рекомендується одержувати виливки як з зовнішньою різьбою (діаметр не менше 6 мм), так і з внутрішньої (діаметр не менше 4 мм).
Пористість є основною причиною шлюбу і розкривається при механічній обробці. Джерелами пористості є усадка сплаву, гази, що виділяються з рідкого металу, і повітря, яке захоплюється потоком в порожнину форми. Для підвищення якості виливків необхідно передбачати виготовлення ливарних отворів. Величина припусків на механічну обробку не повинна перевищувати 0,5 мм.
Технологічним обладнанням є ливарна машина, плавильна піч; спеціальної оснащенням - металева прес-форма. В даний час застосовуються три типи машин для лиття під тиском: з холодною вертикальної камерою пресування, з холодною горизонтальної камерою пресування і з вертикальною гарячої камерою пресування. Ливарні машини з гарячою камерою пресування застосовують в основному для виготовлення виливків з цинкових сплавів. Ливарні машини з горизонтальним камерою пресування мають більш коротку ливникову систему, ніж машини з вертикальною камерою пресування і, відповідно, менші втрати тепла і тиску при подачі розплаву з камери пресування у порожнину форми. Продуктивність їх на 10 - 20% вище, вони простіше в обслуговуванні і тому отримують все більше поширення. Ці машини застосовуються для виготовлення виливків з алюмінієвих, магнієвих та мідних сплавів.
На рис. 5.3 представлена схема виготовлення деталей на ливарних машинах з горизонтальною холодною камерою пресування. Процес лиття полягає в наступному. Розплавлений метал заливається в камеру пресування 4 (рис. 5.3 а), а потім плунжером 5 він під тиском подається в порожнину рознімної прес-форми (рис. 5.3 б), що складається з нерухомої 3 та рухомий 1 частин. Внутрішня порожнина в литві оформляється стрижнем 2. Після витримки під тиском, необхідної для затвердіння виливки, прес-форма розкривається (мал. 5.3 в), витягується стрижень 2 і виливок 7 виштовхувачем 6 видаляється з робочої порожнини прес-форми. Час витримки під тиском залежить від максимальної товщини стінки виливка і становить приблизно 1 - 15 с. Перед заливанням прес-форму нагрівають до 120 - 320 о С. Після видалення виливки робочу поверхню прес-форми обдувають повітрям і змащують спеціальними матеріалами для попередження приварки виливки до прес-формі. Повітря і гази видаляють через канали завглибшки 0,05 - 0,15 мм і шириною 15 мм, розташовані в площині роз'єму прес-форми, або вакуумуванням робочої порожнини перед заливкою розплавленого металу.
Прес-форма для лиття під тиском в процесі роботи перебуває під дією великих зовнішніх сил і високих температур. Ці дії враховуються при конструюванні прес-форм. Деталі, які оформляють поверхні виливків (матриці, пуансони, стрижні, вкладиші), виконують з термостійких легованих сталей ЗХ2В8 (для алюмінієвого, магнієвого та мідного лиття) і меднокобальтоберілліевого сплаву для отримання сталевих виливків. Корпусні деталі - плити пуансонів та матриць - роблять із сталей 40 і 50; напрямні втулки, рейки зі сталей У7А, У8А. При конструюванні прес-форм розміри порожнини повинні бути збільшені в порівнянні з розміром виливки на величину усадки сплаву. Розміри оформляють частин форми виконують по 9-му квалітету, а розміри сполучених частин форми по 10 - 11 квалітету точності. При розрахунку виконавчих розмірів, крім усадки, враховують величину і напрям припустимих відхилень розмірів виливка і форми. При виборі коефіцієнта усадки необхідно враховувати затруднительность усадки на металевих стержнях. Коефіцієнт усадки внутрішніх розмірів менше, ніж зовнішніх внаслідок ускладнення усадки.
Прес-форми є складної дорогої оснащенням, вартість якої окупається лише при великосерійному і масовому виробництві.
Основні переваги процесу лиття під тиском: висока продуктивність (до сотні виливків за годину), висока точність розмірів виливків, можливість виготовлення тонкостінних виливків складної форми, раціональне використання металу, висока чистота поверхні (Rа 1,25 - 5 мкм), можливість одержання декількох деталей за один цикл. До найбільш істотних недоліків лиття під тиском відносяться: пористість заготовки, що викликається високими швидкостями руху рідкого металу при заповненні прес-форми й швидким охолодженням металу у формі, висока вартість прес-форми.
В даний час створюються автоматизовані комплекси для лиття під тиском. У цих комплексах автоматизується весь цикл виконання операцій: обдув прес-форми; змазування прес-форми та прес-поршня; підтримку заданого температурного режиму прес-форми; дозування і заливка сплаву з роздавальної печі в камеру пресування; витяг виливки та транспортування її до загального пресу для видалення літників і облоя; контроль і подрегулірованіе основних технологічних режимів; управління всіма механізмами, що забезпечують виконання всіх операцій.
1.4. Формоутворення деталей методом лиття по виплавлюваних моделях
Литтям по виплавлюваних моделях називається такий метод лиття, при якому порожнину в вогнетривкої оболонкової формі, необхідна для одержання виливків, утворюється за рахунок виплавлення легкоплавких моделей. Основними операціями технологічного процесу лиття по виплавлюваних моделях є: виготовлення виплавлюваних моделей; виготовлення блоків моделей; покриття блоків керамічної оболонкою і їх формування; термообробка блоків; заливка форм металом; видалення блоків з опок і очищення їх; відрізка літників; термічна обробка виливків. Схема отримання виливків методом лиття по виплавлюваних моделях зображена на рис. 5.4.
З легкоплавкого модельного складу (50% парафін 50% стеарину) в металевій прес-формі, що складається з двох частин, виготовляють моделі відливок та ливникову систему. Для цього попередньо розплавлений модельний склад заливають або запресовують під тиском 20 - 30 МПа в зібрану прес-форму. Після затвердіння моделі прес-форму розкривають і витягують з неї модель. Розміри прес-форми робляться з урахуванням відповідних розмірів виливка, з урахуванням подвійної усадки матеріалу моделі і металу виливка. Потім моделі збираються в блоки (ялинки), для чого їх приєднують до литниковой системі за допомогою нагрівача. За розташуванням на модельному блоці моделі ділять на два типи (рис. 5.4 а).
I. Моделі приєднуються безпосередньо до центрального літники-стояка. Такий спосіб застосовується для отримання дрібних виливків нескладної форми.
II. Моделі приєднуються до живильного кільцевому колектору. У цьому випадку живлення форми металом відбувається з колектора. Такий спосіб приєднання застосовують для виливків великої маси і складної форми, що вимагають істотної підживлення рідким сплавом у процесі лиття.
| I II |
| а | б |
На отриманий блок наносять шляхом занурення суспензію - рідке облицювальні покриття, що складається з 30 - 40% гідролізованого етилсилікати (С 2 Н 5 Про) 4 Si і 60 - 70% пилоподібного кварцу. Після цього блок обсипають дрібним сухим кварцовим піском і просушують при кімнатній температурі протягом 5 - 6 годин. Ці операції повторюють до отримання вогнетривкої скоринки товщиною 2,5 - 3 мм. Потім проводять виплавлення моделей з оболонки, для чого блоки поміщають в термошкафе (Т = 110 - 120 ° С) або занурюють у гарячу воду (Т = 90 - 95 ° С).
Точність розмірів відповідає 12 - 13 квалітету, а шорсткість Ra 2,5 - 5 мкм. До числа найбільш суттєвих переваг цього способу відносяться: можливість виготовлення виливків самої складної форми, з лабіринтами і порожнинами, отримати які іншими методами неможливо; отримання виливків з будь-яких сплавів з мінімальними припущеннями на обробку (0,2 - 0,7 мм); скорочення витрати металу; зниження трудомісткості подальшої механічної обробки.
До недоліків методу відносяться висока вартість одноразових ливарних форм і вельми тривалий виробничий цикл отримання виливків.
Виготовлення виливків по виплавлюваних моделях механізовано й автоматизовано, що дозволяє застосовувати цей метод при будь-якому типі виробництва. У великосерійному і масовому виробництві використовують автоматичні установки для виготовлення моделей, приготування суспензій та нанесення її на блоки моделей і обсипання їх піском, для прожарювання і заливання форм. Ці установки об'єднують транспортні пристрої в єдину систему.
2.Ізготовленіе деталей з пластмас
2.1. Технологічні особливості конструювання пластмасових деталей
Равностенность. Одним з основних принципів конструювання пластмасових деталей є равностенность, усуває утворення тріщин в зчленуваннях стінок, викривлення і усадкову пористість. На рис. 6.1 наведено приклади нетехнологічних (а) і технологічних деталей (б). Для різних пластмас у залежності від габаритних розмірів існують оптимальні товщини стінок. Для термопластичних матеріалів, що відливаються під тиском, при розмірах деталі до 150 мм, рекомендована товщина стінок 1 - 2 мм; для більш великих 2 - 3 мм. Для деталей, що виготовляються пресуванням з термореактивних порошків, товщина стінок 2 - 5 мм, а для волокнистих - 2,5 - 6 мм.
| а) | б) |
Ребра жорсткості. Відхилення від геометричної форми плоских поверхонь деталей перебувають у прямій залежності від величини прогину (рис. 6.2 а), що виникає внаслідок виникнення внутрішніх напружень при охолодженні. Максимальну величину прогину визначають за емпіричною формулою
де k - коефіцієнт, що дорівнює 0,01 для термореактивних пластмас і 0,016 для термопластичних; L max - Максимальний габаритний розмір.
Для усунення викривлення і підвищення жорсткості деталей вводять ребра жорсткості, які не повинні стосуватися опорної поверхні (рис. 6.2 б). На рис. 6.2 в наведені приклади конструювання ребер з одночасним усуненням потовщень. Для малогабаритних деталей роль ребер жорсткості можуть виконувати опуклі або увігнуті поверхні, що усувають жолоблення (рис. 6.2 г).
Опорні поверхні. Раціональна конструкція опорної поверхні перешкоджає викривленню, що необхідно при виготовленні корпусних деталей, що мають опорні поверхні. З цією метою суцільні поверхні повинні замінюватися виступами, буртиками (рис. 6.3).
Отвори. При конструюванні деталей з отворами необхідно враховувати можливість появи внутрішніх напружень внаслідок усадки матеріалу. Краще розташовувати отвори не в суцільних масивах (рис. 6.4 а), а в спеціальних бобишках з тонкими стінками, що знижує усадку і зусилля охоплення стрижнів, що оформляють отвір (рис. 6.4 б).
Радіуси заокруглень. На пластмасових деталях рекомендується робити плавні переходи і радіуси заокруглення на кромках. Зовнішні радіуси виконуються рівними 2 - 3 мм. Внутрішні радіуси для деталей з прес-матеріалів повинні бути порядку 1 - 2 мм, а для литих деталей з термопластів 0,5 - 1,0 мм.
Різьблення. У пластмасових деталях при формоутворенні можна отримати готові різьблення без подальшої механічної обробки. Мінімально допустимий діаметр різьби для деталей з термопластів та прес-матеріалів - 3 мм, для волокнистих прес-матеріалів - 4,0 мм.
Армування, як і при литті металів, розширює область використання деталей з пластмас. Армування застосовують для досягнення багатьох цілей: полегшення складальних операцій, отримання електричних висновків, наприклад, у каркасах котушок індуктивностей, дроселів, трансформаторів. При конструюванні деталей необхідно враховувати, щоб армуючі елементи були міцно закріплені в пластмасі, а тип матеріалу арматури залежить від його призначення. На рис. 6.5 представлені приклади армування деталей, що мають різні призначення та методи кріплення арматури.
2.2. Виготовлення деталей з термореактивних пластмас
Основним технологічним обладнанням є гідравлічні преси, а технологічним оснащенням - прес-форми, які можуть бути нероз'ємні і роз'ємні, знімні і стаціонарні.
Технологічний процес формоутворення деталей з термореактивних матеріалів складається з наступних основних операцій: таблетування, попереднього підігріву таблеток, пресування, видалення грата і літників, термічної обробки.
Таблетування - пресування таблеток з вихідного матеріалу (порошку, що складається з наповнювача і зв'язки). Таблетування зменшує обсяг завантажувальних камер прес-форми, дозволяє автоматизувати процес дозування і його точність, підвищує якість пресованих виробів, зменшуючи кількість пор і збільшуючи щільність матеріалу по всьому об'єму деталі. Таблетування виконується на високопродуктивному технологічному обладнанні - автоматичних та напівавтоматичних машинах пігулок.
Попередній підігрів таблеток застосовується для скорочення часу підігріву матеріалу в прес-формі в операції пресування, що знижує основне технологічне час операції пресування у 2-3 рази. Підігрів виробляється в термостатах або струмами високої частоти. Останній спосіб підігріву є більш якісним і знижує час підігріву в кілька разів. Залежно від хімічної природи прес-матеріалу температура попереднього підігріву знаходиться в межах від 80 до 200 о С. Операція пресування виконується на гідравлічних пресах. Технологічним оснащенням є прес-форми. Основні переходи операції пресування: укладання арматури в прес-форму; завантаження прес-матеріалу (таблеток); включення робочого ходу повзуна преса; закриття прес-форми і витримка під тиском протягом часу, необхідного для заповнення прес-форми й затвердіння (полімеризації) прес -матеріалу; витяг деталі з прес-форми; очищення прес-форми й підготовка до завантаження.
Розрізняються два види пресування деталей з термореактивних пластмас: пряме (компресійне) пресування і литьевое пресування.
Пряме (компресійне) пресування. Схема прес-форми при прямому пресуванні зображена на рис. 6.6. Прес-матеріал завантажується в робочу порожнину 3, матриці 2, нагрітої до температури 150 - 200 ° С, і потім під тиском пуансона він заповнює робочий об'єм прес-форми, утворений матрицею 2, пуансоном 1 і знаком 4. Час витримки під тиском вибирають з розрахунку 0,5 - 2 хв на 1 мм товщини стінки деталі.
Прямим пресуванням отримують деталі середньої складності і невеликих габаритних розмірів з термореактивних матеріалів з порошковим або волокнистим наповнювачем. Перевагою цього способу є простота конструкції прес-форми й економне використання матеріалу. Недоліком - нерівномірність температурного поля маси виробу в процесі твердіння і внаслідок цього виникнення внутрішніх напружень; наявність грата, що виходить у площині сполучення пуансона і матриці; похибка розмірів по висоті вироби, що викликається неточністю дозування і витіканням матеріалу на площину роз'єму.
Литьевое пресування. Схема прес-форми при литтєвого пресування зображена на рис. 6.7. На відміну від методу прямого пресування пресоване матеріал завантажується не в порожнину прес-форми, а поміщається в спеціальну завантажувальну камеру 3, де він нагрівається і потім під великим тиском пуансона 1 через літник 4 заповнює формує порожнину 5 матриці 2. Після затвердіння матеріалу прес-форму розкривають, і готові деталі 5 витягують з матриці. Литьевое пресування дозволяє отримати деталі складної форми з глибокими отворами, у тому числі різьбовими.
Гідність методу: можливість отримати деталі з нежорсткої арматурою, з глибокими отворами невеликого діаметру, з різною товщиною стінок, однаковою щільністю розподілу матеріалу по всьому об'єму деталі. Це пояснюється тим, що прес-матеріал, проходячи через вузьке перетин литника, нагрівається і надходить у оформляють порожнину вже рівномірно розм'якшеним. До недоліків цього способу належать: велика витрата прес-матеріалу, підвищена вартість прес-форм.
Операцію видалення грата і літників залежно від конструкції деталі виконують на металорізальних верстатах або слюсарним інструментом.
Термічну обробку деталей виробляють нагріванням у повітряних термостатах або в масляній ванні при температурі I20 - I50 о С, що залежить від матеріалу деталі, її форми і розмірів. Термічна обробка необхідна для зняття внутрішніх напружень, що виникають у масі деталі в процесі пресування і механічної обробки. Внутрішні напруження, діючі в процесі експлуатації, можуть викликати появу тріщин і руйнування.
Для пресування застосовують одно-і багатогніздна прес-форми. Багатогніздна прес-форми застосовують для отримання деталей простої форми і невеликих габаритних розмірів.
Основними технологічними параметрами режимів пресування є: температура попереднього нагрівання прес-матеріалу; робоча температура пресування, час витримки при робочій температурі і тиску пресування. Параметри режимів вибирають за довідковими даними або розраховують з урахуванням технологічних властивостей вихідних прес-матеріалів, конструкції форми, геометрії і розмірів деталі.
Операції пресування виконують на пресах, типорозмір яких вибирають по необхідному зусиллю пресування Р пр:
для прямого пресування
Р пр = р уд F видавництва · n; (6.2)
для литтєвого пресування
Р пр = р уд F з.к, (6.3)
де р уд - питомий тиск, необхідний для переробки пластмаси; F вид - площа виробу в площині роз'єму; F з.к - площі завантажувальної камери; n - кількість гнізд у прес-формі.
Площа завантажувальної камери визначається з умови
F з.к ≥ (F видавництва · n + F л) · 1,25, (6.4)
де F л - площа літників в площині роз'єму.
Точність розмірів пресованих деталей залежить від точності розмірів прес-форми й коефіцієнта усадки матеріалу виробу. Зазвичай досягається точність окремих розмірів деталі знаходиться в межах 10 - 14 квалітетів точності. Шорсткість поверхонь деталей визначається шорсткістю робочих поверхонь прес-форм і становить Rа 1,25 - 2,5 мкм.
Пряме і литьевое пресування є основними методами виготовлення деталей з термореактивних пластмас.
Крім цих методів застосовується ще метод формоутворення литтям під тиском.
Литтям під тиском можна виготовляти деталі тільки з деяких термореактивних пластмас, що мають високу жидкотекучестью: литтєвих фенопластов, епоксидних прес-матеріалів, поліімідних прес-матеріалів.
Принцип формоутворення деталей з термореактивних пластмас литтям під тиском не відрізняється від виготовлення деталей з термопластичних пластмас цим методом, який розглянутий нижче.
2.3. Виготовлення деталей з термопластичних пластмас
Найбільш ефективним і продуктивним методом масового виробництва деталей з поліетилену, полістиролу, полікарбонату, поліпропілену, поліамідів і інших матеріалів є лиття під тиском і видавлюванням (екструзією).
Лиття під тиском пластмас здійснюється за тим же принципом, що і лиття металів. Сутність цього способу полягає в наступному. Матеріал, що переробляється у вигляді гранул або крихти з завантажувального бункера 8 (рис. 6.8) подається дозатором 9 в робочий циліндр 6 з електронагрівачем 4. При русі поршня 7 певна доза матеріалу надходить у зону обігріву, де він переходить у в'язкотекучий стан, а вже розплавлений матеріал через сопло 3 та литниковой канал - в порожнину прес-форми 1, де формується виготовляється деталь 2. У робочому (нагрівальному) циліндрі на шляху руху розплаву встановлено розсікач 5, який змушує розплав протікати тонким шаром у стінок циліндра. Це прискорює прогрівання матеріалу і забезпечує більш рівномірну температуру розплаву. Після охолодження і затвердіння матеріалу прес-форма розкривається, і готова деталь з допомогою виштовхувачем витягується з неї. Для запобігання нагрівання вище 50 - 70 о С в процесі лиття прес-форма охолоджується проточною водою.
Основними технологічними параметрами, що впливають на якість деталей, є: температура розплаву в циліндрі машини, питомий тиск лиття, температура прес-форми, час витримки під тиском.
Температуру розплаву вибирають з урахуванням реологічних властивостей і термостійкості полімеру. Час витримки під тиском становить 2 - 10 хв і залежить від товщини стінок деталей; воно призначається з умови того, щоб деталь досягла певної міцності, що виключає необоротну деформацію її при вилученні з прес-форми.
Тривалість циклу лиття складається з часу змикання прес-форми, уприскування, витримки під тиском і розкриття прес-форми. Робочий цикл залежить від виду матеріалу деталі, середньої товщини стінки і може становити 10 - 20 с.
Досягається точність виробів, одержуваних литтям під тиском, відповідає 11 -12 квалітетами точності, а шорсткість поверхонь - Rа 1,25 мкм.
Технологічним обладнанням є ливарні машини, а технологічним оснащенням - прес-форми. Важливим параметром ливарних машин є зусилля змикання Р см прес-форми. Для виключення мимовільного розкриття прес-форми в момент заповнення її розплавом необхідне виконання умови
Р см ≥ Р ф (F видавництва · n + F л), (6.5)
де Р ф - тиск у прес-формі; F видавництва і F л - площі вироби і літників в площині роз'єму прес-форми; n - кількість гнізд у прес-формі.
В даний час застосовують ливарні машини, в яких автоматизовані всі операції отримання пластмасових деталей.
Видавлювання (екструзія) застосовують для виготовлення виробів з термопластів постійного профілю в поперечному перерізі: труб, прутків, плівок і т.п. Цей спосіб характеризується високою продуктивністю процесу і можливістю отримання на одному і тому ж технологічному обладнанні великого різноманіття деталей. Витискування здійснюється на спеціальних черв'ячних машинах. Матеріал, що переробляється у вигляді порошку, гранул або крихти з бункера 1 (рис. 6.9 а) потрапляє в робочий циліндр 3, де захоплюється обертовим черв'яком 2. Черв'як просуває матеріал, перемішує і ущільнює його. В результаті передачі теплоти від нагрівального елемента 4 і виділення теплоти при терті частинок матеріалу об стінки циліндра матеріал, що переробляється переходить в в'язкотекучий стан і безперервно видавлюється через калібрований отвір 5 у формующей голівці 6.
У міру виходу з отвору головки матеріал охолоджується і твердне, зберігаючи профіль і розміри вихідних виробів голівки. Профіль виробів визначається профілем отворів у формующей голівці. Змінюючи формують голівки на ливарної машині, можна отримати вироби різного профілю (рис. 6.9 б).
6.4. Виготовлення деталей з неметалічних листових матеріалів
Різка і вирубка. Більшість листових неметалевих матеріалів (гетинакс, склотекстоліт, текстоліт, оргскло) не володіють достатніми пластичними властивостями, необхідними для різання і вирубки. Тому перед виконанням зазначених операцій вихідні заготовки піддають нагріву. Гранична товщина листа для різання і вирубки без підігріву дорівнює I мм для гетинакса і 1,5 мм для стеклотекстолита. При товщині 1 - 5 мм для запобігання появи дефектів на поверхні зрізу (тріщин, сколів) різання і вирубку виробляють з попереднім підігрівом. Гетинакси різних марок підігрівають до температури 90 -120 о С, склотекстоліти до 70 - 90 ° С, текстоліти до 80 - 90 ° С. Нагрівання виробляють в електропечах, термостатах або в спеціальних установках, що використовують інфрачервоні промені. Різання виконують на механічних ножицях з паралельним розташуванням ножів, надійно притискаючи заготівлю до столу ножиць в зоні різання. При товщині листа понад 5 мм різання виробляють дисковими фрезами без підігріву.
Вирубка проводиться вирубними штампами на пресах, причому вирубка з підігрівом забезпечує кращу якість поверхні зрізу, більш високу точність, менші дефекти, але ускладнює і здорожує процес виробництва. Гранична товщина листа для вирубки без підігріву дорівнює 1,5 мм для стеклотекстолита і 1 мм для гетинаксу. Характерними дефектами при вирубці деталей з листових шаруватих матеріалів є сколи, тріщини й ореоли (розшарування і випинання матеріалу у вирубаних отворів) у поверхні зрізу. Основними причинами утворення ореолів є: завищення зазору між пуансоном і притиском, затуплення ріжучих крайок пуансонів і матриць, недостатнє посилення притиску, порушення режиму підігріву заготовки. Шорсткість зрізу при вирубці виходить в межах Rа 10 - 20 мкм, точність розмірів значно нижче точності при вирубці отворів у металевих деталях.
Свердління. При свердлінні термореактивних пластмас з волокнистими і шаруватими наповнювачами (особливо стеклотекстолита), свердла зі швидкорізальної сталі швидко зношуються, що призводить до зменшення розміру отворів. Тому при свердлінні отворів, до яких пред'являються високі вимоги по точності, застосовують свердла з твердих сплавів. Низька теплопровідність пластмас викликає місцевий розігрів її в зоні обробки, що призводить до деяких негативних явищ. Наприклад, при свердлінні комутаційних отворів у багатошарових друкованих платах розігріта пластмаса обволікає зрізи фольги, що виходять в отвір, і ускладнює отримання електричної комутації між шарами плати. Для охолодження зони свердління використовують тільки газоподібні речовини, що не містять вологи, а застосування рідких охолоджуючих речовин призводить до замасливанию отворів. Для отримання хорошої якості оброблених отворів рекомендується застосовувати швидкості різання V = 40 - 50 мм / хв і подачі дорівнює 0,1 - 0,2 мм / об, а при обробці точних і чистих отворів - 0,03 - 0,05 мм / об .
3.Ізготовленіе деталей з кераміки
3.1. Вихідні матеріали керамічних виробів
Керамічні матеріали використовують для виготовлення різних настановних деталей (лампових панелей, каркасів котушок індуктивностей, ізоляторів, підкладок мікросхем і ін), п'єзоелектричних резонаторів, конденсаторів. Основними електрофізичними властивостями керамік, застосовуваних для виготовлення деталей, є: високий питомий електричний опір, малі діелектричні втрати, хороша теплопровідність і висока термостійкість, висока хімічна стійкість, висока механічна міцність. Відносна діелектрична проникність визначається типом кераміки та її призначенням і може становити від 6 до 9000 одиниць. Електрофізичні і механічні властивості кожної конкретної кераміки визначаються складом вихідних компонентів.
Для приготування керамік, застосовуваних у РЕЗ, використовують вихідні матеріали, які поділяються на дві групи: природні і штучні, одержувані хімічним шляхом.
До перших належать:
- Глина, що складається в основному з каолініту Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O та інших глинистих мінералів (MgO, CaO, TiO 2, Fe 2 O 3, Na 2 O) в малих кількостях;
- Каолін - гірська порода, що складається з мінералу каолініту;
- Тальк - непластичний матеріал 3MgO · 4SiO 2 · H 2 O з домішкою Fe 2 O 3, Al 2 O 3, CaO, Na 2 O, Cr 2 O 3;
- Магнезит MgCO 3;
- Кальцит, або вапняковий мармур (крейда) CaCO 3;
- Кварцовий пісок - продукт руйнування гірських порід, який містить 99% SiO 2, а інше - Al 2 O 3 та інші речовини;
- Плавиковий шпат CaF і ашарит 2MgO · B 2 O 3 · H 2 O, які вводять в кераміку в кількості 2 - 3% для поліпшення спікливості кераміки.
До штучних належать:
- Глинозем Al 2 O 3 - порошкоподібна кристалічна окис алюмінію;
- Вуглекислий барій BaCO 3;
- Двоокис титану TiO 2;
- Окис олова SnO;
- Двоокис цирконію Zr 2 O 2;
- Окис кальцію CaO.
За здатністю гідролізувати і утворювати з водою суспензію ці матеріали поділяються на: пластичні і непластичні.
До пластичним вихідним матеріалів відносяться глина і каолін, до непластичний - тальк, магнезит, кварцовий пісок, глинозем, вуглекислий барій, двоокис цирконію та ін
Структура технологічного процесу виготовлення деталей з кераміки складається з наступних основних етапів: підготовки вихідної керамічної маси; формоутворення деталей; сушіння і низькотемпературного випалу, високотемпературного випалу; механічної обробки (якщо необхідна).
3.2. Виготовлення вихідної керамічної маси
Найважливішими передумовами для отримання високої якості керамічної маси при виготовленні деталей радіоелектронної апаратури є:
1. Точність дозування шихтового складу.
2. Товщина (зернистість) помелу.
3. Хімічна чистота компонентів шихти.
Способи приготування керамічних мас зводяться до двох видів: шлікерної (водному) і бесшлікерному (сухому). Шликер - це найменш концентрована водна суспензія, що володіє гарною плинністю. Шлікерної спосіб застосовується для виготовлення пластичних мас з високоглиноземисті корундових і корундомуллітових матеріалів, що містять глину (більше 10%).
Бесшлікерний, сухий спосіб, застосовується для приготування пластичних мас з високочастотних керамічних матеріалів, що не містять пластичних глин або мають їх в невеликих кількостях.
На малюнку 7.1 представлена схема укрупненого технологічного процесу приготування керамічних мас водним способом для матеріалів типу радіофарфора і ультрафарфору.
Подрібнення - помел компонентів. Ця операція є основною в процесі приготування керамічної маси. Схема заснована на мокрому помелі і змішуванні компонентів, що дає можливість отримувати високу ступінь помелу, що досягає розміру часток до одного мікрометра.
Подрібнення вихідних матеріалів виробляють роздавлюванням, стиранням і ударом. Розчавлювання застосовують для середнього та великого дроблення (розмір частинок 10 4 - 10 5 мкм) на шнекових і валкових дробарках. Для отримання більш дрібних частинок (10 2 - 10 4 мкм) застосовуються бігуни, в яких поєднується стирання і розчавлювання.
Тонкий помел роблять у кульових млинах сухим і мокрим способами.
Кульова млин є металевий барабан, внутрішні стінки якого футерована керамічними плитками. Подрібнення матеріалу в кульовому млині проводиться за допомогою порцелянових куль.
При обертанні барабана навколо своєї осі кулі піднімаються і падають вниз, виробляючи, таким чином, дроблення і стирання, тобто помел вихідного матеріалу. Сухий помел застосовується при подрібненні більш великих часток вихідних матеріалів. У цьому випадку ударне дію тіл, що мелють (куль) дає великий ефект, ніж истирающим дію при мокрому помелі.
При мокрому помелі спостерігається менший дробить ефект куль, а истирающим більше внаслідок розклинюючого дії води, що потрапляє в мікротріщини частинок подрібнювального матеріалу.
Після сухого помелу вихідних компонентів (тальку, мармуру) виробляють перший мокрий помел з додаванням близько 5% глини і поверхнево-активних речовин (ПАР). Як ПАР застосовують різні речовини, наприклад триетаноламін, сульфатно-спиртову суміш і ін ПАР інтенсифікують процес мокрого помелу внаслідок швидкого і рівномірного розподілу часток по поверхні, а також проникнення у наявні мікротріщини.
При другому мокрому помелі досягається подрібнення і змішування всіх компонентів, що складають керамічну масу.
Після другого мокрого помелу слідують операції механічного та магнітної сепарації.
Механічна сепарація полягає в продавлюванні отриманої маси через сито з 10000 отв / см 2, що складає розмір подрібнених частинок близько одного мікрометра.
Магнітна сепарація застосовується для видалення з шлікера частинок магнітних матеріалів, які можуть погіршити електрофізичні властивості керамічних виробів.
Зневоднення є останньою операцією технологічного процесу. Ця операція виконується на спеціальних фільтр-пресах.
Після виконання цієї операції в масі залишається близько 30 - 35% вологи. Волога маса у фільтр-пресах формується у вигляді коржів. Коржі направляють на наступні операції по формоутворенню деталей з кераміки.
Розглянута технологічна схема є типовою для приготування вихідної маси з інших видів кераміки.
3.3. Методи виготовлення керамічних деталей
Формування деталей здійснюється пресуванням, штампуванням, видавлюванням через профільні отвори, гарячим литтям під тиском. Кожному способу формоутворення передує ряд технологічних операцій підготовки вихідної керамічної маси.
Пресування. Пресуванням виготовляють невеликі плоскі деталі з невеликими виступами або поглибленнями (наприклад, п'єзокерамічні перетворювачі). При формоутворенні деталей методом пресування коржі, отримані на прес-фільтрах, просушують з подальшим помелом у кульових млинах для отримання потрібної дисперсності (Тоніна помелу). У процесі помелу проводиться пластифікація керамічної маси додаванням 10 - 17% парафіну або 15% водного розчину полівінілового спирту. Для скорочення часу пресування попередньо отриману масу формотворчих у вигляді брикетів при відносно низькому тиску (15 - 40 МПа). Власне пресування є основною операцією виготовлення з прес-порошку або брикетованої маси. Пресування проводиться в металевих прес-формах, які встановлюються на гідравлічних, пневматичних або спеціальних прес-автоматах з питомим тиском 30 - 150 МПа. Для підвищення рівномірності розподілу використовують прес-форми, що забезпечують тиск як зверху, так і знизу (рис. 7.2). Розміри оформляють поверхонь прес-форм визначаються зі співвідношення:
Після пресування деталі, виготовлені з пластифікованої керамічної маси, піддають сушінню при температурі 60 - 70 о С в спеціальних сушильних шафах. Висушена деталь містить вологи не більше 3%.
Випал є заключною операцією виготовлення деталей із заданими властивостями. Випал керамічних деталей здійснюється в печах періодичної або безперервної дії при температурах від 1200 ° С до 1750 ° С в залежності від типу кераміки. Наприклад, деталі з стеатитових кераміки обпалюють при температурі 1380 - 1400 о С, з тікондовой кераміки -1200 - 1300 о С, з ультрафарфору - 1360 - 1380 о С, а з алюмінооксідной кераміки типу ВК94 - 1580 о С.
Найбільш досконалими є тунельні печі безперервної дії.
В процесі випалення відбувається перетворення механічної суміші вихідної маси в монолітну структуру кераміки. Тверді частинки маси, нагріті до високої температури, набувають пластичні властивості, переходячи в в'язкотекучий стан. У результаті дифузійних процесів і хімічної взаємодії відбувається злиття цих частинок з утворенням кристалічної та аморфної фаз.
На електричні та механічні властивості деталей з кераміки впливають хімічний склад вихідних матеріалів, розмір часток вихідної маси і режим випалу. Малий розмір часток вихідної маси сприяє кращому прилипанню їх, взаємної дифузії елементів у процесі спікання, зменшення кількості пір. А це обумовлює менше значення коефіцієнта усадки, зниження дефектності та підвищення якості.
Основними параметрами режиму випалу є: кінцева температура нагріву Т к, час нагрівання заготовки до кінцевої температури випалу τ н, час витримки при кінцевій температурі τ к і час охолодження τ о (рис. 7.3). Ці параметри істотно впливають на електричні та механічні властивості керамічних деталей. Наприклад, при швидкому нагріванні в керамічній масі не встигають відбутися процеси гомогенізації і спікання частинок, хімічної освіти нових кристалічних фаз і склофази, підвищується кількість пор, що знижує якість кераміки. Зазвичай режими спікання деталей з різних типів кераміки розраховуються теоретично і перевіряються експериментально.
Після спікання можлива механічна обробка керамічних деталей для додання точних розмірів. Механічну обробку проводять шліфуванням абразивними колами на основі карбіду кремнію або алмазу.
Штампування. Штампування відрізняється від пресування застосуванням більш пластифікованої керамічної маси і більш високою продуктивністю. До складу типового пластифікатора керамічної маси для штампування деталей середніх габаритів входять: вода -12 - 13%, сланцеве масло - 0,61%, гас - 1,4 - 1,6%, олеїнова кислота - 0,2%. Штампування виконують у прес-формах на швидкохідних пресах механічної дії і прес-автоматах. Для штампування використовують різні прес-форми. Один з типів прес-форм зображений на рис. 7.4.
Спосіб застосовується для виготовлення деталей складної форми, що мають велику нерівномірність розподілу маси по робочому об'єму прес-форми. Високопластіфіцірованная маса добре заповнює прес-форму при порівняно невеликих тисках (6 - 8 МПа).
Основними недоліками цього способу є підвищена нерівномірність усадки, що приводить до зниження точності деталі, підвищена пористість. Перевагою штампування є можливість отримання деталей складної конфігурації.
Видавлювання. Це безперервний процес формообраз-вання виробів постійного профілю продавлюванням керамічної маси через профільне отвір формуючої головки. Для видавлювання технологічним устаткуванням є поршневі і черв'ячні преси, а в якості технологічної оснастки - формотворчих голівки. На рис. 7.5 показана схема конструкції формуючих головок для отримання трубок і стрижнів.
Необхідна пластичність керамічної маси досягається підвищеним вмістом води (12 - 20%), з добавками декстрину (4 - 7%) і тунгового масла (близько 5%). Однорідність складу керамічної маси забезпечують попередніми багаторазовим пропусканням її через черв'ячний прес-терлиця.
Видавлюванням через мундштук виготовляють стрижні діаметром від 0,5 мм і вище і трубки з мінімальним діаметром 2,5 мм.
Процес видавлювання відрізняється високою продуктивністю і однорідної щільністю розподілу керамічної маси у виробі.
Гаряче лиття під тиском застосовують для виготовлення невеликих керамічних деталей будь-якої форми. Основна особливість процесу полягає в тому, що заповнення форми проводиться вязкотекучем керамічною масою, нагрітої до температури 80 - 90 ° С під тиском 0,3 - 0,5 МПа. Технологічним обладнанням є спеціальна ливарна машина, а технологічним оснащенням - металева роз'ємна прес-форма.
Отримання деталей методом гарячого лиття під тиском відбувається в наступній послідовності.
Вихідну керамічну масу у вигляді коржів піддають випаленню, подрібнення і помелу в кульових млинах до тонкодисперсного стану. Потім її перемішують з пластифікатором (парафін - 11,5 - 13,5%, олеїнова кислота - 0,5%, віск - 0,2%) у спеціальних змішувачах. Керамічну масу (шликер) завантажують у робочий бак 3 ливарної установки (рис. 7.6), де вона попередньо вакуумируют і нагрівається до температури 80 - 90 о С, набуваючи в'язкотекучий стан. Вакуумирование застосовують для видалення повітряних включень з шлікера, що знижує кількість пір в керамічних деталей і зменшує її усадку.
Розплавлений шликер 2, що знаходиться в баку 3, при температурі 80 - 90 ° С під тиском стисненого повітря 0,3 - 0,5 МПа через живильну трубку 1 заповнює роз'ємну металеву прес-форму 6, охолоджувану водою. Нагрівання керамічної маси здійснюється рідинним термостатом 8 з підігрівачем 9. Прес-форма встановлюється на кришці робочого бака 4 і фіксується пневматичним притиском 7.
Після затвердіння керамічної маси в прес-формі тиск знімають, її розбирають і видаляють заготовку. Потім деталь піддають сушінню, попереднього і остаточного випалу, який розглянутий раніше. Внаслідок того, що пресувальні маса вже проходила попередню операцію випалу і вакуумування шлікера, усадка після випалу деталей невелика K y = 1,08 - 1,10%. Таким чином, поряд з високою продуктивністю цей метод дозволяє одержувати деталі найточніших розмірів після випалу. При виготовленні деталей з масовим випуском застосовують ливарні установки з автоматичним регулюванням температури і часу витримки.
Точність розмірів керамічних деталей залежить від методу їх виготовлення і регламентується галузевим стандартом ОСТ 11 аЯО.077.000. Згідно галузевому стандарту встановлено 1, 2, 3 та 4-а групи точності, які можуть бути забезпечені такими способами виготовлення:
1 - 2-а групи точності - механічною обробкою (шліфуванням) після випалу деталей, отриманих: методами гарячого лиття під тиском в металеві форми, пресуванням;
3-тя група точності - способами: гарячого лиття під тиском, пресуванням, штампуванням;
4-я група точності - способами: видавлюванням через мундштук, штампуванням, механічною обробкою до випалу.
Групи точності керамічних деталей визначаються конструкцією, призначенням і сполученням їх з іншими деталями:
1-а група точності призначається на розміри, отримані шліфуванням після випалу, що забезпечують точне сполучення деталей у складальних одиницях;
2-я група точності призначається на розміри, отримані шліфуванням після випалу, не сполучаються;
3-тя група точності призначається на розміри елементів різьблення, що забезпечують спряження деталей, крім розмірів отворів на бічних поверхнях каркасів і трубок;
4-я група точності призначається на всі інші розміри.
Кожному розміром в залежності від групи точності призначаються допуски, які вказуються в таблицях допусків галузевого стандарту. Так, допустимі відхилення для 1, 2 і 3 групи точності деталі розміру 10 мм складають відповідно 0,2, 0,3, 0,4 мм.
Шорсткість поверхні керамічних деталей на кресленнях не вказується. При необхідності шліфування шліфовані поверхні деталей вказуються на кресленні.
Виготовлення керамічних підкладок. В якості керамічних матеріалів для діелектричних підкладок мікросхем застосовують високоглиноземисті кераміку ВК94-1, ВК100-2 (поликор), що містить 94% і 99,7% глинозему (Al 2 O 3). Процес виготовлення керамічних підкладок містить етапи: підготовки сировинних матеріалів; приготування вихідної керамічної пластичної маси; формоутворення сировинних заготовок; випалу заготовок; механічної обробки.
У керамічну масу, що складається з глинозему, вводять мінералізатор - компонент, який регулює процес спікання і утворення структури кераміки при випалюванні. Як минерализующих добавок використовують суміш кварцового піску SiO 2, окису хрому Cr 2 O 3, марганцю вуглекислого MnCO 3 (для кераміки ВК94-1) і водний розчин хлористого магнію MgCl 2 (для кераміки ВК100-2). У керамічну масу додають рідку органічну (технологічну) зв'язку, що складається з суміші полівінілбутиралю, дибутилфталата і етилового спирту. Керамічна маса з органічної зв'язкою утворює при кімнатній температурі сметанообразную суспензію (шликер).
Формоутворення підкладок у вигляді керамічної плівки здійснюють відливанням (витягуванням) на установці типу УБ636 через фильеру на поліетилентерефталатні плівку (підкладку), що переміщається зі швидкістю 0,6 м / хв. Потім керамічну плівку відділяють від підкладки з наступним розрізанням її на відрізки довжиною 150 - 200 мм. Отримані відрізки плівки витримують протягом певного часу. У результаті випаровування компонентів зв'язки або їх полімеризації керамічна плівка твердне, зберігаючи еластичність. Для ущільнення і доведення до заданої товщини відрізки плівки набирають в пакети і прокочують в вальцях, а потім з них отримують підкладку в вирубних штампах з урахуванням припуску на остаточну механічну обробку після випалу.
Випал підкладок здійснюють у дві стадії - попередній випал для видалення технологічної зв'язки і остаточний, в результаті якого формується структура кераміки.
Попередній випал проводять в окислювальному середовищі в конвеєрних електричних печах. З метою запобігання викривленню підкладки укладають на спеціальні підставки (Бомзе) з глинозему, що обмежують їх деформацію. Температура попереднього випалу (Т к) керамічних деталей ВК94-1 і ВК100-2 становить відповідно 1100 і 1300 о С. Швидкість підйому температури здійснюють ступінчасто: від 20 до 300 о С зі швидкістю 50 град / год; від 300 до 700 о С - 150 град / год; від 700 о С і вище - 200 град / ч. При цьому час нагрівання τ к - 1 год, час охолодження τ о - 12 -14 год
Остаточний випал здійснюють в електропечах з молібденовим нагрівачами у вакуумі (0,013 Па). Кінцева температура випалу Т до кераміки ВК94-1 і ВК100-2 (поликор) становить відповідно 1580 і 1750 о С.
Після контролю на наявність сколів, тріщин і деформацій робочі поверхні підкладок піддають шліфуванню на плоскошліфувальних верстатах.
Свердління. При свердлінні термореактивних пластмас з волокнистими і шаруватими наповнювачами (особливо стеклотекстолита), свердла зі швидкорізальної сталі швидко зношуються, що призводить до зменшення розміру отворів. Тому при свердлінні отворів, до яких пред'являються високі вимоги по точності, застосовують свердла з твердих сплавів. Низька теплопровідність пластмас викликає місцевий розігрів її в зоні обробки, що призводить до деяких негативних явищ. Наприклад, при свердлінні комутаційних отворів у багатошарових друкованих платах розігріта пластмаса обволікає зрізи фольги, що виходять в отвір, і ускладнює отримання електричної комутації між шарами плати. Для охолодження зони свердління використовують тільки газоподібні речовини, що не містять вологи, а застосування рідких охолоджуючих речовин призводить до замасливанию отворів. Для отримання хорошої якості оброблених отворів рекомендується застосовувати швидкості різання V = 40 - 50 мм / хв і подачі дорівнює 0,1 - 0,2 мм / об, а при обробці точних і чистих отворів - 0,03 - 0,05 мм / об .
3.Ізготовленіе деталей з кераміки
3.1. Вихідні матеріали керамічних виробів
Керамічні матеріали використовують для виготовлення різних настановних деталей (лампових панелей, каркасів котушок індуктивностей, ізоляторів, підкладок мікросхем і ін), п'єзоелектричних резонаторів, конденсаторів. Основними електрофізичними властивостями керамік, застосовуваних для виготовлення деталей, є: високий питомий електричний опір, малі діелектричні втрати, хороша теплопровідність і висока термостійкість, висока хімічна стійкість, висока механічна міцність. Відносна діелектрична проникність визначається типом кераміки та її призначенням і може становити від 6 до 9000 одиниць. Електрофізичні і механічні властивості кожної конкретної кераміки визначаються складом вихідних компонентів.
Для приготування керамік, застосовуваних у РЕЗ, використовують вихідні матеріали, які поділяються на дві групи: природні і штучні, одержувані хімічним шляхом.
До перших належать:
- Глина, що складається в основному з каолініту Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O та інших глинистих мінералів (MgO, CaO, TiO 2, Fe 2 O 3, Na 2 O) в малих кількостях;
- Каолін - гірська порода, що складається з мінералу каолініту;
- Тальк - непластичний матеріал 3MgO · 4SiO 2 · H 2 O з домішкою Fe 2 O 3, Al 2 O 3, CaO, Na 2 O, Cr 2 O 3;
- Магнезит MgCO 3;
- Кальцит, або вапняковий мармур (крейда) CaCO 3;
- Кварцовий пісок - продукт руйнування гірських порід, який містить 99% SiO 2, а інше - Al 2 O 3 та інші речовини;
- Плавиковий шпат CaF і ашарит 2MgO · B 2 O 3 · H 2 O, які вводять в кераміку в кількості 2 - 3% для поліпшення спікливості кераміки.
До штучних належать:
- Глинозем Al 2 O 3 - порошкоподібна кристалічна окис алюмінію;
- Вуглекислий барій BaCO 3;
- Двоокис титану TiO 2;
- Окис олова SnO;
- Двоокис цирконію Zr 2 O 2;
- Окис кальцію CaO.
За здатністю гідролізувати і утворювати з водою суспензію ці матеріали поділяються на: пластичні і непластичні.
До пластичним вихідним матеріалів відносяться глина і каолін, до непластичний - тальк, магнезит, кварцовий пісок, глинозем, вуглекислий барій, двоокис цирконію та ін
Структура технологічного процесу виготовлення деталей з кераміки складається з наступних основних етапів: підготовки вихідної керамічної маси; формоутворення деталей; сушіння і низькотемпературного випалу, високотемпературного випалу; механічної обробки (якщо необхідна).
3.2. Виготовлення вихідної керамічної маси
Найважливішими передумовами для отримання високої якості керамічної маси при виготовленні деталей радіоелектронної апаратури є:
1. Точність дозування шихтового складу.
2. Товщина (зернистість) помелу.
3. Хімічна чистота компонентів шихти.
Способи приготування керамічних мас зводяться до двох видів: шлікерної (водному) і бесшлікерному (сухому). Шликер - це найменш концентрована водна суспензія, що володіє гарною плинністю. Шлікерної спосіб застосовується для виготовлення пластичних мас з високоглиноземисті корундових і корундомуллітових матеріалів, що містять глину (більше 10%).
Бесшлікерний, сухий спосіб, застосовується для приготування пластичних мас з високочастотних керамічних матеріалів, що не містять пластичних глин або мають їх в невеликих кількостях.
На малюнку 7.1 представлена схема укрупненого технологічного процесу приготування керамічних мас водним способом для матеріалів типу радіофарфора і ультрафарфору.
Подрібнення - помел компонентів. Ця операція є основною в процесі приготування керамічної маси. Схема заснована на мокрому помелі і змішуванні компонентів, що дає можливість отримувати високу ступінь помелу, що досягає розміру часток до одного мікрометра.
Подрібнення вихідних матеріалів виробляють роздавлюванням, стиранням і ударом. Розчавлювання застосовують для середнього та великого дроблення (розмір частинок 10 4 - 10 5 мкм) на шнекових і валкових дробарках. Для отримання більш дрібних частинок (10 2 - 10 4 мкм) застосовуються бігуни, в яких поєднується стирання і розчавлювання.
Тонкий помел роблять у кульових млинах сухим і мокрим способами.
Кульова млин є металевий барабан, внутрішні стінки якого футерована керамічними плитками. Подрібнення матеріалу в кульовому млині проводиться за допомогою порцелянових куль.
При обертанні барабана навколо своєї осі кулі піднімаються і падають вниз, виробляючи, таким чином, дроблення і стирання, тобто помел вихідного матеріалу. Сухий помел застосовується при подрібненні більш великих часток вихідних матеріалів. У цьому випадку ударне дію тіл, що мелють (куль) дає великий ефект, ніж истирающим дію при мокрому помелі.
При мокрому помелі спостерігається менший дробить ефект куль, а истирающим більше внаслідок розклинюючого дії води, що потрапляє в мікротріщини частинок подрібнювального матеріалу.
Після сухого помелу вихідних компонентів (тальку, мармуру) виробляють перший мокрий помел з додаванням близько 5% глини і поверхнево-активних речовин (ПАР). Як ПАР застосовують різні речовини, наприклад триетаноламін, сульфатно-спиртову суміш і ін ПАР інтенсифікують процес мокрого помелу внаслідок швидкого і рівномірного розподілу часток по поверхні, а також проникнення у наявні мікротріщини.
При другому мокрому помелі досягається подрібнення і змішування всіх компонентів, що складають керамічну масу.
Після другого мокрого помелу слідують операції механічного та магнітної сепарації.
Механічна сепарація полягає в продавлюванні отриманої маси через сито з 10000 отв / см 2, що складає розмір подрібнених частинок близько одного мікрометра.
Магнітна сепарація застосовується для видалення з шлікера частинок магнітних матеріалів, які можуть погіршити електрофізичні властивості керамічних виробів.
Зневоднення є останньою операцією технологічного процесу. Ця операція виконується на спеціальних фільтр-пресах.
Після виконання цієї операції в масі залишається близько 30 - 35% вологи. Волога маса у фільтр-пресах формується у вигляді коржів. Коржі направляють на наступні операції по формоутворенню деталей з кераміки.
Розглянута технологічна схема є типовою для приготування вихідної маси з інших видів кераміки.
3.3. Методи виготовлення керамічних деталей
Формування деталей здійснюється пресуванням, штампуванням, видавлюванням через профільні отвори, гарячим литтям під тиском. Кожному способу формоутворення передує ряд технологічних операцій підготовки вихідної керамічної маси.
Пресування. Пресуванням виготовляють невеликі плоскі деталі з невеликими виступами або поглибленнями (наприклад, п'єзокерамічні перетворювачі). При формоутворенні деталей методом пресування коржі, отримані на прес-фільтрах, просушують з подальшим помелом у кульових млинах для отримання потрібної дисперсності (Тоніна помелу). У процесі помелу проводиться пластифікація керамічної маси додаванням 10 - 17% парафіну або 15% водного розчину полівінілового спирту. Для скорочення часу пресування попередньо отриману масу формотворчих у вигляді брикетів при відносно низькому тиску (15 - 40 МПа). Власне пресування є основною операцією виготовлення з прес-порошку або брикетованої маси. Пресування проводиться в металевих прес-формах, які встановлюються на гідравлічних, пневматичних або спеціальних прес-автоматах з питомим тиском 30 - 150 МПа. Для підвищення рівномірності розподілу використовують прес-форми, що забезпечують тиск як зверху, так і знизу (рис. 7.2). Розміри оформляють поверхонь прес-форм визначаються зі співвідношення:
Після пресування деталі, виготовлені з пластифікованої керамічної маси, піддають сушінню при температурі 60 - 70 о С в спеціальних сушильних шафах. Висушена деталь містить вологи не більше 3%.
Випал є заключною операцією виготовлення деталей із заданими властивостями. Випал керамічних деталей здійснюється в печах періодичної або безперервної дії при температурах від 1200 ° С до 1750 ° С в залежності від типу кераміки. Наприклад, деталі з стеатитових кераміки обпалюють при температурі 1380 - 1400 о С, з тікондовой кераміки -1200 - 1300 о С, з ультрафарфору - 1360 - 1380 о С, а з алюмінооксідной кераміки типу ВК94 - 1580 о С.
Найбільш досконалими є тунельні печі безперервної дії.
В процесі випалення відбувається перетворення механічної суміші вихідної маси в монолітну структуру кераміки. Тверді частинки маси, нагріті до високої температури, набувають пластичні властивості, переходячи в в'язкотекучий стан. У результаті дифузійних процесів і хімічної взаємодії відбувається злиття цих частинок з утворенням кристалічної та аморфної фаз.
На електричні та механічні властивості деталей з кераміки впливають хімічний склад вихідних матеріалів, розмір часток вихідної маси і режим випалу. Малий розмір часток вихідної маси сприяє кращому прилипанню їх, взаємної дифузії елементів у процесі спікання, зменшення кількості пір. А це обумовлює менше значення коефіцієнта усадки, зниження дефектності та підвищення якості.
Основними параметрами режиму випалу є: кінцева температура нагріву Т к, час нагрівання заготовки до кінцевої температури випалу τ н, час витримки при кінцевій температурі τ к і час охолодження τ о (рис. 7.3). Ці параметри істотно впливають на електричні та механічні властивості керамічних деталей. Наприклад, при швидкому нагріванні в керамічній масі не встигають відбутися процеси гомогенізації і спікання частинок, хімічної освіти нових кристалічних фаз і склофази, підвищується кількість пор, що знижує якість кераміки. Зазвичай режими спікання деталей з різних типів кераміки розраховуються теоретично і перевіряються експериментально.
Після спікання можлива механічна обробка керамічних деталей для додання точних розмірів. Механічну обробку проводять шліфуванням абразивними колами на основі карбіду кремнію або алмазу.
Штампування. Штампування відрізняється від пресування застосуванням більш пластифікованої керамічної маси і більш високою продуктивністю. До складу типового пластифікатора керамічної маси для штампування деталей середніх габаритів входять: вода -12 - 13%, сланцеве масло - 0,61%, гас - 1,4 - 1,6%, олеїнова кислота - 0,2%. Штампування виконують у прес-формах на швидкохідних пресах механічної дії і прес-автоматах. Для штампування використовують різні прес-форми. Один з типів прес-форм зображений на рис. 7.4.
Спосіб застосовується для виготовлення деталей складної форми, що мають велику нерівномірність розподілу маси по робочому об'єму прес-форми. Високопластіфіцірованная маса добре заповнює прес-форму при порівняно невеликих тисках (6 - 8 МПа).
Основними недоліками цього способу є підвищена нерівномірність усадки, що приводить до зниження точності деталі, підвищена пористість. Перевагою штампування є можливість отримання деталей складної конфігурації.
Видавлювання. Це безперервний процес формообраз-вання виробів постійного профілю продавлюванням керамічної маси через профільне отвір формуючої головки. Для видавлювання технологічним устаткуванням є поршневі і черв'ячні преси, а в якості технологічної оснастки - формотворчих голівки. На рис. 7.5 показана схема конструкції формуючих головок для отримання трубок і стрижнів.
Необхідна пластичність керамічної маси досягається підвищеним вмістом води (12 - 20%), з добавками декстрину (4 - 7%) і тунгового масла (близько 5%). Однорідність складу керамічної маси забезпечують попередніми багаторазовим пропусканням її через черв'ячний прес-терлиця.
Видавлюванням через мундштук виготовляють стрижні діаметром від 0,5 мм і вище і трубки з мінімальним діаметром 2,5 мм.
Процес видавлювання відрізняється високою продуктивністю і однорідної щільністю розподілу керамічної маси у виробі.
Гаряче лиття під тиском застосовують для виготовлення невеликих керамічних деталей будь-якої форми. Основна особливість процесу полягає в тому, що заповнення форми проводиться вязкотекучем керамічною масою, нагрітої до температури 80 - 90 ° С під тиском 0,3 - 0,5 МПа. Технологічним обладнанням є спеціальна ливарна машина, а технологічним оснащенням - металева роз'ємна прес-форма.
Отримання деталей методом гарячого лиття під тиском відбувається в наступній послідовності.
Вихідну керамічну масу у вигляді коржів піддають випаленню, подрібнення і помелу в кульових млинах до тонкодисперсного стану. Потім її перемішують з пластифікатором (парафін - 11,5 - 13,5%, олеїнова кислота - 0,5%, віск - 0,2%) у спеціальних змішувачах. Керамічну масу (шликер) завантажують у робочий бак 3 ливарної установки (рис. 7.6), де вона попередньо вакуумируют і нагрівається до температури 80 - 90 о С, набуваючи в'язкотекучий стан. Вакуумирование застосовують для видалення повітряних включень з шлікера, що знижує кількість пір в керамічних деталей і зменшує її усадку.
Розплавлений шликер 2, що знаходиться в баку 3, при температурі 80 - 90 ° С під тиском стисненого повітря 0,3 - 0,5 МПа через живильну трубку 1 заповнює роз'ємну металеву прес-форму 6, охолоджувану водою. Нагрівання керамічної маси здійснюється рідинним термостатом 8 з підігрівачем 9. Прес-форма встановлюється на кришці робочого бака 4 і фіксується пневматичним притиском 7.
Після затвердіння керамічної маси в прес-формі тиск знімають, її розбирають і видаляють заготовку. Потім деталь піддають сушінню, попереднього і остаточного випалу, який розглянутий раніше. Внаслідок того, що пресувальні маса вже проходила попередню операцію випалу і вакуумування шлікера, усадка після випалу деталей невелика K y = 1,08 - 1,10%. Таким чином, поряд з високою продуктивністю цей метод дозволяє одержувати деталі найточніших розмірів після випалу. При виготовленні деталей з масовим випуском застосовують ливарні установки з автоматичним регулюванням температури і часу витримки.
Точність розмірів керамічних деталей залежить від методу їх виготовлення і регламентується галузевим стандартом ОСТ 11 аЯО.077.000. Згідно галузевому стандарту встановлено 1, 2, 3 та 4-а групи точності, які можуть бути забезпечені такими способами виготовлення:
1 - 2-а групи точності - механічною обробкою (шліфуванням) після випалу деталей, отриманих: методами гарячого лиття під тиском в металеві форми, пресуванням;
3-тя група точності - способами: гарячого лиття під тиском, пресуванням, штампуванням;
4-я група точності - способами: видавлюванням через мундштук, штампуванням, механічною обробкою до випалу.
Групи точності керамічних деталей визначаються конструкцією, призначенням і сполученням їх з іншими деталями:
1-а група точності призначається на розміри, отримані шліфуванням після випалу, що забезпечують точне сполучення деталей у складальних одиницях;
2-я група точності призначається на розміри, отримані шліфуванням після випалу, не сполучаються;
3-тя група точності призначається на розміри елементів різьблення, що забезпечують спряження деталей, крім розмірів отворів на бічних поверхнях каркасів і трубок;
4-я група точності призначається на всі інші розміри.
Кожному розміром в залежності від групи точності призначаються допуски, які вказуються в таблицях допусків галузевого стандарту. Так, допустимі відхилення для 1, 2 і 3 групи точності деталі розміру 10 мм складають відповідно 0,2, 0,3, 0,4 мм.
Шорсткість поверхні керамічних деталей на кресленнях не вказується. При необхідності шліфування шліфовані поверхні деталей вказуються на кресленні.
Виготовлення керамічних підкладок. В якості керамічних матеріалів для діелектричних підкладок мікросхем застосовують високоглиноземисті кераміку ВК94-1, ВК100-2 (поликор), що містить 94% і 99,7% глинозему (Al 2 O 3). Процес виготовлення керамічних підкладок містить етапи: підготовки сировинних матеріалів; приготування вихідної керамічної пластичної маси; формоутворення сировинних заготовок; випалу заготовок; механічної обробки.
У керамічну масу, що складається з глинозему, вводять мінералізатор - компонент, який регулює процес спікання і утворення структури кераміки при випалюванні. Як минерализующих добавок використовують суміш кварцового піску SiO 2, окису хрому Cr 2 O 3, марганцю вуглекислого MnCO 3 (для кераміки ВК94-1) і водний розчин хлористого магнію MgCl 2 (для кераміки ВК100-2). У керамічну масу додають рідку органічну (технологічну) зв'язку, що складається з суміші полівінілбутиралю, дибутилфталата і етилового спирту. Керамічна маса з органічної зв'язкою утворює при кімнатній температурі сметанообразную суспензію (шликер).
Формоутворення підкладок у вигляді керамічної плівки здійснюють відливанням (витягуванням) на установці типу УБ636 через фильеру на поліетилентерефталатні плівку (підкладку), що переміщається зі швидкістю 0,6 м / хв. Потім керамічну плівку відділяють від підкладки з наступним розрізанням її на відрізки довжиною 150 - 200 мм. Отримані відрізки плівки витримують протягом певного часу. У результаті випаровування компонентів зв'язки або їх полімеризації керамічна плівка твердне, зберігаючи еластичність. Для ущільнення і доведення до заданої товщини відрізки плівки набирають в пакети і прокочують в вальцях, а потім з них отримують підкладку в вирубних штампах з урахуванням припуску на остаточну механічну обробку після випалу.
Випал підкладок здійснюють у дві стадії - попередній випал для видалення технологічної зв'язки і остаточний, в результаті якого формується структура кераміки.
Попередній випал проводять в окислювальному середовищі в конвеєрних електричних печах. З метою запобігання викривленню підкладки укладають на спеціальні підставки (Бомзе) з глинозему, що обмежують їх деформацію. Температура попереднього випалу (Т к) керамічних деталей ВК94-1 і ВК100-2 становить відповідно 1100 і 1300 о С. Швидкість підйому температури здійснюють ступінчасто: від 20 до 300 о С зі швидкістю 50 град / год; від 300 до 700 о С - 150 град / год; від 700 о С і вище - 200 град / ч. При цьому час нагрівання τ к - 1 год, час охолодження τ о - 12 -14 год
Остаточний випал здійснюють в електропечах з молібденовим нагрівачами у вакуумі (0,013 Па). Кінцева температура випалу Т до кераміки ВК94-1 і ВК100-2 (поликор) становить відповідно 1580 і 1750 о С.
Після контролю на наявність сколів, тріщин і деформацій робочі поверхні підкладок піддають шліфуванню на плоскошліфувальних верстатах.