Прессование

Технологически процесс прессования заключается в том, что под влиянием нагрева и давления пресс-материал заполняет рабочее пространство пресс-формы и полимеризуется в твердое состояние.

Прессование подразделяется на горячее, холодное и литьевое.

Горячее прессование термореактивных пластмасс применяется для изготовления деталей простой формы с ограниченным количеством арматуры или без нее.

Рис. 5.1. Прессование пластмасс

Пресс-материал в виде таблеток или порошка загружается непосредственно в формообразующую полость горячей пресс-формы, после чего подвергается давлению пресса. Нагретый пресс-материал размягчается, заполняет гнезда пресс-формы и остается в ней определенное время до полного затвердевания. После этого пресс-форму открывают и извлекают отформованную деталь. Скорость отвердевания термореактивного материала зависит от его марки и температуры прессования. Для большинства термореактивных пластмасс температура прессования изменяется от 130 до 180º С. Время выдержки для отвердевания для разных пластмасс устанавливается в пределах 0,5–2,5 мин на 1 мм наибольшей толщины изделия.

Удельные давление для различных пластмасс изменяются в пределах от 10 до 40 МН/м² (МПа).

Холодное прессование состоит в том, что пресс-порошок загружают в холодную пресс-форму, подвергают сжатию при высоких удельных давлениях 60–120МН/м² и выдерживают под таким давлением в течении 5–15 с.

Затем заготовки извлекаются из пресс-формы и запекаются в термостате при температуре 150–170º С для полимеризации связующего вещества. При холодном прессовании значительно увеличивается производительность труда, но качество изделий хуже, поверхность – матовая. Этот метод не применим для изделий сложной формы.

Литьевое прессование применяется для изготовления изделий сложной конфигурации из термореактивных пластмасс. Отличием литьевого прессования является наличие в конструкции пресс-формы дополнительной загрузочной камеры, которая соединяется с матрицей тонким литниковым каналом.

Рис. 5.1. Литьевое прессование

Пластмассу (1) помещают в загрузочную камеру (2). Там она нагревается от стенок загрузочной камеры, переходит в вязко-текучее состояние и под воздействием усилия пуансона (3) через литниковую систему (4) поступает в оформляющую разъемную полость матрицы (5). Сечение литниковых каналов мало и материал поступает в плоскость и с большой скоростью в полужидком состоянии. Температура нагрева материала находится в пределах от 140º С до 170º С. Давление в загрузочной камере – 50–200 МН/м² (МПа). Особенностями литьевого прессования является возможность получения в деталях глубоких отверстий малого диаметра, высокая точность деталей и возможность заформовывать в изделия тонкую арматуру.

Недостатки: сложная и дорогостоящая пресс-форма и большой расход материала (на литники).

Литье под давлением

Применяется для изготовления сложных деталей из термопластических масс с большим количеством арматуры и сложной конфигурации. Оно производится на специальных машинах, которые называются инжекционными.

Рис. 5.3. Литье пластмасс под давлением

В бункер (1) загружают гранулированную пластмассу, откуда через дозирующее устройство (2) гранулы в требуемом объеме для одного впрыска поступают в цилиндр (4) с нагревательным устройством (5). Температура пластмассы в цилиндре повышается от начальной на входе до заданной технологическим режимом (185–280º С) на выходе. Пуансон (3) впрыскивает расплавленную пресс-массу в охлаждаемую водой пресс-форму (6) t=30–40ºC при давлении 20 МПа. Из-за того, что температура пресс-формы ниже температуры впрыснутой в нее пресс-массы отливка быстро охлаждается, и затвердевает, уменьшаясь в объеме.

В полости пресс-формы образуется незанятый объем, поэтому для заполнения всего объема, а также для сохранения впрыснутой пластмассы плунжером (3) поддерживается давление с учетом времени, определяющим отвердение отливки в пресс-форме. После такой выдержки плунжер (3) отходит вправо и из загрузочного бункера (1) в цилиндр (4) поступает новая порция пресс-материала. Цикл повторяется.

После требуемой выдержки для охлаждения отлитой детали половинки формы раскрываются и деталь удаляется.

Весь цикл обработки производится автоматически. Поэтому данный способ изготовления пластмассовых изделий является одним из самых производительных. Удельное давление при литье термопластов в зависимости от марки материала применяется в пределах от 50 до 300 МН/м². Изделие извлекается из формы после охлаждения до 40–60º С.

Выдержка изделия в форме не превышает 40–50 с.

Пневматическое формование

Этим способом изготавливают детали из листовых термопластических материалов. Сущность процесса состоит в том, что разогретый лист материала приобретает форму матрицы под действием избыточного давления или под влиянием вакуума.

Вакуумный способ применяется для глубокой вытяжки защитных колпачков, кожухов и др. деталей.

Рис. 5.4. Пневматическое формование

Литьевая заготовка (4) закрепляется на отбортовке верхнего фланца (2) прижимным кольцом (6).

При включении вакуумного насоса через штуцер (7) в цилиндре (2) создается разряжение и листовая заготовка, нагреваемая горячим воздухом из рассеивателей (5) под действием атмосферного давления вытягивается.

Процесс вытягивания продолжается до момента соприкосновения стенки изготавливаемого изделия с электрическим контактным выключателем (8). При срабатывании выключателя отключается вакуумный насос и давление в цилиндре повышается до атмосферного.

Помещая в цилиндр формы различного профиля, можно изготавливать изделия со сложной кривизной поверхности.

23. Технология изготовления деталей из керамики: химический анализ и подготовка керамического сырья, тонкий помол и смешивание компонентов, формование заготовок, механическая обработка необожженных заготовок, сушка, обжиг, глазурование. ЭТО - основные этапы изготовления деталей из керамики!

После обжига в ряде случаев приходится применять механическую обработку. При изготовлении ряда керамических деталей некоторые из этих этапов могут отсутствовать или находиться в другой последовательности.

Химический анализ и подготовка керамического сырья

От качества компонентов зависят свойства керамики и их воспроизводимость. Поэтому необходимо тщательно контролировать и регулировать физико-химические свойства используемых материалов. Однородные по составу сырьевые материалы получить трудно. Поэтому в процессе контроля устанавливается содержание различных примесей, которые не должны превышать установленного предела. После этого следует очистка сырья от различных загрязнение, железистых включений и других примесей. Органические примеси удаляются с помощью предварительного обжига.

В качестве основных сырьевых материалов для изготовления дешевых керамических изделий электронной техники, к электрофизическим параметрам которых предъявляются не высокие требования, используются традиционные материалы (глина, каолин и др.). К ним применяют упрощенные способы очистки для удаления загрязнений, попадающих в массу при технологической переработке (промывка раствором соляной кислоты, электромагнитная сепарация, водная промывка, гидравлическая сепарация тяжелыми жидкостями, флотационное обогащение).

Основные исходные компоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий ЭТ, представляют собой химические реактивы высокой чистоты (окись циркония, кварцу, окись титана, различные карбиды металлов IV и VI групп и т.д.). Основное требование к ним – стабильность химического состава и стабильность физико-химического состояния. В большинстве случаев поставляемые материалы не соответствуют требованиям керамического производства. Поэтому в технологии керамического производства в этих случаях включают процессы предварительной термообработки исходных материалов (прокаливание до определенных температур, иногда плавление) и эффективны методы точного измельчения.

Затем сырье подвергают грубому дроблению вначале на валковых дробилках, а затем на бегунах с подвижным поддоном. При этом производится обработка каждого отдельного компонента (каолин, кварц, тальк, окись циркония, глина, мрамор и т.д.).

Бегуны для грубого дробления керамического сырья

Далее следует просеивание материала через сито и очистка фракций от металлических частиц.

Установка для магнитной сепарации сухого керамического порошка: 1 – бункер; 2 – вращающийся цилиндр из железа; 3 – бункер для очищенного порошка; 4 – наконечник для электромагнита; 5 – бункер для ферромагнитных примесей

Тонкий помол и смешивание компонентов

Измельчение и одновременное смешивание материалов, в заданных пропорциях производится на вибрационных мельницах. Длительность цикла составляет 30–90 мин. Помол производится с добавкой воды. В бак загружаются материалы и фарфоровые шары диаметром от 20 до 70 мм. При вибрации шары перемещаются, перетирая массу, которая при этом перемешивается. Величина частиц материала после такого помола не превышает 1 мкм. После помола образовавшаяся жидкая масса – называемая шликер – пропускается через магнитный сепаратор для удаления железистых включений и через сито (900–1600 отв/см2) для удаления прочих механических примесей. Очищенный шликер подвергается уплотнению с целью удаления излишков воды и пузырьков воздуха. Влажность массы шликера доводиться до 22–25%.

Формование заготовок

Осуществляется одним из следующих способов: сухим прессованием, пластичным прессованием (штамповкой), выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением. Сухое прессование применяется для изготовления изделий, относительно большой толщины с незначительными выступами и впадинами (заготовки керамических конденсаторов). Заготовки из влажного шликера высушивают в сушильных шкафах или токами высокой частоты до влажности 4–5%. Затем производится их размельчение и просеивание через сито (64–81 отв/см2). В полученный порошок вводится пластификатор – парафин или водный раствор поливинилового спирта. Массу формуют в металлических пресс-формах на гидравлических или пневматических прессах.

Пластическое прессование (штамповка) применяется для изготовления установочных деталей малых размеров, сложной конфигурации и небольшой толщины. Подготовка массы производится так же, как и при сухом прессовании. Связка − древесная смола или керосин. Влажность порошка такая, при которой давление при штамповке может вызвать некоторую его текучесть. Используются высокопроизводительные эксцентриковые прессы. Детали после обжига получают большую усадку и пористость.

Выдавливание через мундштук применяется для получения керамических деталей формы трубок, стержней, колодок. Керамическая масса в этом случае должна содержать от 20 до 25% влаги. Для повышения пластичности в неё добавляют декстрин и тунговое масло. Это многократно пропускается через мешалку для получения однородной массы. Затем масса загружается в мундштучный пресс.

Выдавливание через мундштук: 1 – поршень; 2 – стенка цилиндра; 3 – керамическая масса; 4 – мундштук; 5 – стержень, выдавливаемый из мундштука

В пустотелый цилиндр загружается керамическая масса. Поршень выжимает массу через мундштук. Получается сплошной стержень. Если установлена рамка с сердечником, то получиться трубка.

Горячее литье под давлением позволяет изготавливать детали повышенной точности и сложной формы (например, каркасы катушек). По этому способу суспензия керамического материала со связкой (воск+парафин+олеиновая кислота) разогреваются и под давлением подается в металлическую форму; после охлаждения извлекается готовая заготовка.

Механическая обработка необожженных заготовок

Керамические изделия после формовки могут не соответствовать чертежам детали по форме и размерам. Для придания соответствующей формы заготовкам используется механическая доработка. Она выполняется на токарных, фрезерных, сверлильных и других станках. Применяется режущий инструмент с наконечниками из сверхтвердых сплавов, так как необожженная керамическая масса обладает абразивными свойствами.

Сушка

Сушка заготовок из керамической массы производиться для удаления влаги и понижения содержания пластификатора и связки. Применяют следующие виду сушки: естественная воздушная сушка, горячая сушка в сушильных шкафах, сушка токами высокой и промышленной частоты. При воздушной сушке заготовки выдерживаются в сушильных шкафах при t=18–22º С в течении 10–25 суток. При горячей сушке в сушильном шкафу или камере заготовка постепенно нагревается до 70º С и выдерживается там необходимое время (10–15 часов).

Сушка токами промышленной частоты состоит в пропускании электрического тока по заготовке. В результате выделяющегося тепла производится нагрев и обезвоживание материала. Сушка токами высокой частоты применяется для заготовок любой формы. Суть процесса состоит в следующем: заготовки размещаются между обкладками контурного конденсатора генератора высокой частоты (5–10 МГц) и нагревают электрическим полем тем сильнее, чем выше влажность его участков.

После сушки заготовки пропитывают горячим парафином (90–110º С) и подвергают дополнительной механической обработке.

Обжиг

Один из самых ответственных этапов изготовления керамических изделий, который определяет в основном качество деталей. Обжиг производится в два этапа: предварительный и окончательный. Предварительный обжиг производится при t=800–1000º C в электрических печах непрерывного действия. В процессе предварительного обжига из керамической массы удаляется связка и изделия приобретают необходимую механическую прочность. Затем осуществляется окончательный обжиг при t=1250–1450º C. Окончательный обжиг обеспечивает спекание керамической массы – часть компонентов расплавляется, пропитывая всю массу изделия, при этом в ее среде происходят реакции растворения и образования новых соединений.

В процессе охлаждения обожженных деталей масса затвердевает. Режим охлаждения должен быть равномерным для устранения возможного растрескивания изделия. Для каждой керамической массы температурные режимы и выдержка подбираются экспериментально. Правильно обожженные изделия имеют ровный бледно-желтый оттенок. Недожженные изделия имеют белый цвет. Если к изделию предъявляются повышенные требования в отношении точности, то оно подвергается после обжига окончательной механической обработке – шлифованию, сверлению, резанию. Точность обработки составляет ±0,01 мм.

Глазурование

Глазурование или покрытие керамических деталей глазурями позволяет защитить их поверхность от загрязнения, повысить электрическое поверхностное сопротивление и придать деталям красивый внешний вид. Глазури изготавливаются из материалов, близких по составу к керамическим массам, с добавкой стеклообразующих веществ. Глазури бывают тугоплавкие и легкоплавкие. Тугоплавкие глазури имеют температуру плавления в интервале 1200–1450º С. Они наносятся на керамические изделия непосредственно после формирования изделия и сушки, если в керамической массе отсутствует связка или после предварительного или окончательного обжига, когда удалены все виды органических связок. Легкоплавкие глазури имеют температуру плавления в интервале от 600 до 1000º С и наносятся только после обжига изделия.

Глазури наносятся на изделия погружением или пульверизацией с использованием механической смеси тонкодисперсного порошка и воды. ТКЛР глазури подбирается близким по величине к коэффициенту линейного расширения керамики, благодаря чему предотвращается появление трещин на глазурованной поверхности.