Lors de la personnalisation de pièces structurelles en céramique de précision, quelles sont les techniques de conception courantes pour éviter les fissures et les déformations ?

Dans les applications industrielles et de fabrication avancées, les céramiques de précision (telles que l'alumine, la zircone, le nitrure de silicium, le carbure de silicium) sont devenues des matériaux de base indispensables en raison de leur dureté élevée, de leur résistance à l'usure, de leur résistance aux températures élevées et de leur résistance à la corrosion. Cependant, en raison de la grande fragilité inhérente des matériaux céramiques et du retrait volumique important rencontré lors du frittage à haute température (le taux de retrait est généralement compris entre 15% à 25% ), la conception et la fabrication de ses pièces structurelles sont extrêmement difficiles. Une conception structurelle irrationnelle conduit souvent à des fissures, des déformations et des déformations des produits lors du frittage, de l'usinage ou de l'utilisation réelle.

Ce guide résume systématiquement les principales techniques de conception anti-fissuration, les stratégies anti-déformation et les spécifications de correspondance des processus dans le processus de personnalisation des pièces structurelles en céramique de précision, dans le but d'aider les ingénieurs concepteurs à optimiser la structure du produit, à améliorer le rendement et à réduire les coûts de production.

1. Trois points clés des propriétés et de la personnalisation des matériaux céramiques

Avant de démarrer tout projet de personnalisation de céramique, les trois éléments fondamentaux suivants, mutuellement restrictifs, doivent être examinés dans une perspective globale.

1. Sélection des matériaux

Les propriétés physiques et chimiques des matériaux déterminent la limite supérieure de performance des pièces structurelles. Le tableau suivant répertorie les caractéristiques principales et les scénarios d'application typiques de quatre matériaux céramiques de précision courants.

2. Précision dimensionnelle et surépaisseur d'usinage

• Tolérance de frittage : Directement fritté " corps vert " devenir " Billet mûr " Enfin, en raison d'un retrait inégal, la tolérance ne peut généralement être contrôlée qu'à l'intérieur ±1% ou ±0,1mm Autour.
• Surépaisseur de finition : Pour des exigences de précision d'adaptation extrêmement élevées (telles que le niveau du micron µm ) l'interface doit être mise de côté lors de la conception 15mm-0.3mm surépaisseur de meulage de meule diamantée.

3. Correspondance du processus de moulage

Choisir le procédé en fonction du lot de production et de la complexité structurelle : le pressage à sec convient à de grandes quantités de pièces plates simples ; pressage isostatique à froid (CIP) Convient aux ébauches de grande taille, de barre ou de tube ; moulage par injection de céramique (CIM) Il convient aux petites pièces tridimensionnelles aux structures extrêmement complexes, mais le coût d’ouverture du moule est élevé.

2. Compétences de conception de base pour l'anti-fissuration et l'anti-déformation

1. Calcul de l'épaisseur de paroi : Poursuite " absolument uniforme "

L'épaisseur inégale des parois est la principale cause de fissuration des pièces en céramique lors du frittage et du refroidissement. Les taux de dilatation et de contraction thermiques des pièces épaisses et des pièces minces sont différents, ce qui générera d'énormes contraintes internes.

• Eviter les disparités d’épaisseur : Essayez de garder l’épaisseur globale de la paroi constante. S'il doit y avoir des changements d'épaisseur dans la structure, des transitions en pente douce doivent être utilisées et absolument évitées. 90° de changements soudains.
• Traiter les trous de réduction de poids : Pour les pièces massives lourdes, des trous borgnes, débouchants ou des contre-creux (rainurages) doivent être conçus pour réduire l'épaisseur locale tout en assurant la résistance mécanique.

2. Conception d'angle : cercle à angle aigu complet ( R spécification d'angle)

Céramiques produites dans des angles vifs " concentration de stress " Extrêmement sensible. Les coins intérieurs ou extérieurs pointus peuvent facilement devenir la source de fissures lorsqu'ils sont soumis à un choc thermique ou à une contrainte mécanique.

• à l'intérieur / Rayon d'angle extérieur : Tous les coins et transitions de marches doivent être arrondis. Recommander interne R l'angle est au moins supérieur à 5mm (recommandé R≥1,0 mm ). Si l'espace le permet, R Plus l'angle est grand, plus la structure est rigide.
• Assemblage de la fente de dégagement d'angle : S'il doit être conservé en raison de la nécessité de faire correspondre les pièces métalliques 90° Pour les angles droits externes, l’un doit être conçu vers l’intérieur au niveau du coin interne. " Contre-dépouille " ou " trou borgne " , éloignez la zone de soulagement des contraintes du sommet à angle droit.

3. Conception des trous et des bords : évite les fissures de frittage et l’écaillage des bords

Lors de l'ouverture de trous (tels que des trous de vis et des trous de réduction de poids) dans des pièces en céramique, la position et la forme des trous ont une grande influence sur la qualité du moulage.

• Distance critique au bord : La distance entre la paroi du trou et le bord extérieur de la pièce en céramique, ainsi que la distance nette entre les deux trous, doivent être supérieures au diamètre du trou. 5 fois. Une distance trop proche entraînera la séparation de la zone faible aux deux extrémités lors du retrait par frittage.
• Chanfrein de l'orifice : Les bords d'ouverture des vias traversants et borgnes doivent être conçus 45°×0,3 mm-0,5 mm Chanfrein pour éviter l'écaillage des bords lors du meulage ultérieur ou de l'assemblage proprement dit.
• Évitez les trous façonnés : Essayez d'utiliser des trous ronds standard. Essayez d'éviter de concevoir des trous longs, des trous carrés ou des trous spéciaux avec des coins pointus. De tels trous présentent une anisotropie évidente lors du retrait et sont sujets à des microfissures autour d'eux.

4. Élimine les grandes surfaces planes : lutte contre la déformation

En raison de l'influence de la gravité, de la friction et des petites différences de température du four pendant le frittage, les pièces plates grandes et minces sont facilement sujettes à une déformation par gauchissement (communément appelée déformation). " Courbe de banane " ).

• Définir les raidisseurs : La conception de nervures de renfort en forme de croix, en forme de tic ou radiales à l'arrière de la pièce plate peut améliorer considérablement la rigidité et verrouiller la direction de retrait.
• Conception du patron local : Si un certain plan doit être utilisé comme surface de contact d'assemblage, ne transformez pas l'ensemble du grand plan en une surface de contact de haute précision. De minuscules bossages locaux doivent être conçus autour des trous de vis ou des points de montage des clés, et seule la surface des bossages doit être meulée lors de la finition ultérieure. Cela permet non seulement de réduire les coûts de traitement, mais également d'éviter efficacement l'impact du gauchissement global de l'avion.

5. Conception symétrique : tension de frittage équilibrée

Lorsque les pièces en céramique sont frittées dans le four, la force de retrait est relativement équilibrée dans toutes les directions. Si la structure est fortement asymétrique, cela entraînera une tension déséquilibrée et une distorsion globale.

• Symétrie géométrique : Essayez de faire en sorte que les pièces structurelles conservent une symétrie centrale, une symétrie d'axe ou une symétrie de forme à un niveau bidimensionnel ou tridimensionnel.
• Attache artisanale (poutre de support artisanale) : Pour les formes d'ouverture asymétriques (telles que C forme, U (structure façonnée), il faut en ajouter artificiellement un à l'ouverture lors de la conception. " Poutre de raccordement process temporaire " , de sorte qu'il conserve une structure symétrique en boucle fermée pendant le frittage. Après frittage et meulage, la poutre provisoire est découpée avec une tranche de diamant.

Trois. Aide-mémoire pour les spécifications de conception des pièces structurelles en céramique de précision

Le tableau suivant résume les mauvaises pratiques et les spécifications correctes lors de la conception de pièces structurelles en céramique de précision pour une référence rapide par les ingénieurs.

Remarque : Au cours du processus de développement du projet, il est fortement recommandé d'effectuer une conception axée sur la fabrication avec l'ingénieur du procédé de fabrication de la céramique dès que possible après l'achèvement de la première ébauche de la conception structurelle ( DFM ) examen pour optimiser davantage les dimensions en fonction des propriétés mécaniques du matériau spécifique.