陶瓷件结构设计准则.doc

陶瓷件结构设计准则(1)(十四)*
参考:陶瓷海
1 前言
陶瓷是重要的工程材料之一,坚硬耐磨是它主要的力学特性。它的承压能力强,但承拉能力差,特别是因为很脆,不耐冲击,陶瓷件的结构设计要注意这些材料特性。此外,陶瓷件的生产工艺对其结构设计影响很大。陶瓷件的生产工艺可以分为三部分:压制成形、烧结、后加工。其中压制成形一般用模具方法,这些是陶瓷件结构设计应考虑的基本因素。下面用结构设计准则的方法探讨其具体化。
2 结构设计准则
避免高精度配合准则
高精度的公差配合要求,在陶瓷件装配中很难满足,这是因为:(1)在毛坯制作和烧结过程中,构件的尺寸、形状、精度难以提高。(2)烧结后的陶瓷材料很坚硬,机械加工困难。即通过后继的精密的机械加工方法提高配合面精度的措施在此不合适。(3)陶瓷材料的弹性变形很小,靠构件弹性变形来减低装配难度的方法也行不通。所以,陶瓷构件要避免紧密配合。图1a和图2a所示结构因成形、烧结过程中难以避免的尺寸、形状误差,故装配困难,甚至根本无法装配,而将圆孔变成长孔,如图1b和图2b所示的结构,则装配起来要方便得多。

(a)不合理结构(b)改进结构
图1
方便模具制作准则
不论是干压法、湿压法还是连压法,陶瓷构件毛坯制作都要模具。对于用模具生产的构件,减少其模具制作难度和制作成本是基本要求。图3a的椭圆形结构所需的成形模具,其制作难度远高于图3b所示结构所需要的模具的难度。图4a的结构比之右边的结构虽然节省了原材料,但模具制作难度大、费用高。陶土通常是很低廉的,所以,图4b所示的陶瓷结构更为合理。带有边孔的结构其对应的模具制作困难,如在不妨碍构件功能的前题下,将边孔改设计为贯通到棱边的孔,即将封闭孔变成开通孔,则对应的模具制作要简单得多。如图5,图6和图7所示。

(a)不合理结构(b)改进结构(a)不合理结构(b)改进结构
图2 图3

(a)不合理结构(b)改进结构(a)不合理结构(b)改进结构
图4 图5
避免烧结变形准则
烧结过程中,构件容易产生弯曲变形。在刚度弱的地方,要采取加强措施,以减低烧结变形的危险。图8a所示结构两竖板横向抗弯能力差。毛坯制作和烧结过程中,竖板壁厚方向的一定程度的不均匀性是不可避免的,这种不均性将有导致烧结弯曲的危险。改进措施之一是设置加强筋。如图8b所示结构。图9a结构的底板在烧结时产生了变形,这是因为底板受自重作用。支承点间距越大,横向弯曲变形越大。改进的措施之一是在中间多加一个支点。如图
9b所示结构。加强壁厚也是提高刚度,防止烧结变形的有效措施。图10a所示结构因壁太薄,有烧结弯曲的危险,而图10b所示的结构因增加了壁厚,则不存在这一危险。烧结体积较大的结构时,也会产生大的烧结变形。所以连接大体积的结构要提高刚度,如图11所示的结构,图11b结构采用了加强筋。

(a)不合理结构(b)改进结构(a)不合理结构(b)改进结构
图6 图7

(a)不合理结构(b)改进结构(a)不合理结构(b)改进结构
图8 图9

(a)不合理结构(b)改进结构(a)不合理结构(b)改进结构
图10 图11
避免薄壁准则
陶瓷构件在压制成形过程中,壁厚较薄处易产生裂纹。这些裂纹能导