3. Формообразование конструкционных элементов

Вопросы формообразования конструкционных элементов име­ют весьма важное значение в технологии монтажа МЭА ввиду то­го, что требования к таким изделиям, как видим, весьма жесткие — они должны обладать достаточной механической прочностью, вы­соким значением теплопроводности и в, то же время быть легкими и обладать необходимой газонепроницаемостью. Кроме того, сле­дует учитывать технологический фактор — материалы не должны быть критичны к условиям различных методов формообразования(при всей сложности и большой номенклатуре конструкций блоков и узлов МЭА). Этим требованиям лучше всего удовлетворяют магниевые, магниево-литиевые и алюминиевые сплавы типа АМГ или АМЦ. В отдельных случаях применяют пластмассы, поверх­ность которых иногда металлизируют (полностью или частично). Металлоемкость конструкций МЭА еще высока и составляет от 20 до 50% всей массы. Необходимыми условиями внедрения прог­рессивных методов формообразования является унификация, типизация, стандартизация конструкционных элементов и технологии их изготовления. В этом случае даже при сравнительно небольшой серийности отдельных устройств МЭА экономически целесообразно использовать в производстве методы: литье под давлением, тонколистовая штамповка и сварка, метод порошковой металлургии.

Большинство металлических конструкций МЭА еще выполня­ется фрезерованием с использованием станков с программным уп­равлением. При этом применяют последовательное, параллельно-последовательное фрезерование и фрезерование на поворотных столах. Для тонкого фрезерования плоских поверхностей деталей применяют и фрезы, оснащенные алмазными резцами.

Литье под давлением является наиболее производительным технологическим процессом для производства тонкостенных корпусов сложной формы из алюминиевых и магниевых сплавов. Минимальная толщина стенок отливок составляет 0,5 мм, оптимальная — 1—3 мм (при тонкостенном литье не только уменьшается металлоемкость конструкционных изделий, но и увеличивается скорость кристаллизации сплава, создается равномерная мелкозернистая структура, повышаются механические свойства отливок). Литье под давлением обеспечивает и наименьшие диаметры отверстий, получаемых различными методами литья (до 1 мм). Сплавы для литья под давлением должны обладать достаточной прочностью при высоких температурах (отливка не должна ломаться при выталкивании), минимальной усадкой, высокой жидкотекучестью при небольшом перегреве и небольшим интервалом температур кристаллизации. Этим требованиям удовлетворяют алюминиевые (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛИ, АЛ28 и АЛ32) и магниевые (МЛ5 и МЛ6) сплавы, латунь (ЛС59-1Л и ЛК80-ЗЛ). Точность размеров отливок и шероховатость поверхности зависят от качества обработок пресс-форм. Основные детали пресс-форм, соприкасающиеся с расплав­ленным металлом, изготавливают из высоколегированных сталей (ЗХ2В8Ф, 4X5 МФС, 5ХВ2В) и обрабатывают по 8—10 квалитету точности (Ра=1,25—0,32 мкм).

Вакуумирование пресс-формы и камеры прессования позволя­ет повышать качество отливок: увеличивается (в 1,5—2 раза) от­носительное удлинение и ударная вязкость, имеется возможность уменьшить толщину стенок на 30—40%, улучшается качество по­верхности.

Большое распространение при изготовлении ряда конструктив­ных элементов МЭА получили методы штамповки, особенно листовых заготовок. При этом достигается эффект получения достаточно легких, прочных и жестких конструкций деталей при неболь­шом расходе материала, большая производительность и низкая стоимость деталей, взаимозаменяемость деталей вследствие их большой точности и единообразия, благоприятные условия для ме­ханизации и автоматизации операций и создания автоматических линий и участков. При холодной обработке давлением (холодная штамповка) в металле протекает процесс пластической деформа­ции, вызывающей изменение не только формы и размера заготов­ки, но и физико-механических и даже химических свойств металла. С увеличением степени деформации возрастают предел прочности и твердость, снижаются пластические характеристики (относитель­ное удлинение, ударная вязкость), увеличивается электрическое сопротивление, понижаются стойкость к коррозии и теплопровод­ность. Горячая обработка давлением (горячая штамповка) обыч­но происходит при температурах, значительно превышающих тем­пературу рекристаллизации, поэтому кроме указанных процессов (наклеп металлов) происходит и его разупрочнение (снятие на­клепа). Снятие наклепа, сопровождающееся снятием внутренних напряжений, характерно и для процессов отжига деталей, изготовленных холодной штамповкой при последующем отжиге в диапазоне температур, превышающих температуру рекристаллизации.

Диапазон размеров штампуемых деталей очень большой — по длине и ширине от одного миллиметра до 6—7 мм, по толщи­не — от десятых долей миллиметра до 100 мм, шероховатость поверхности среза достигается по всей толщине R_z = 3,2—1,6 мкм точностью 6—9 квалитета.

Применение листовой штамповки связано с изготовлением срав­нительно трудоемкой и материалоемкой оснастки, поэтому в мелкосерийном и опытном производстве штамповка обычных конструк­ций невыгодна. Обычно в таких случаях применяют поэлементную штамповку или комплект универсальных штампов.

В условиях массового производства исключительно эффектив­на порошковая металлургия — метод изготовления деталей из металлических порошков и их смесей с неметаллическими матери­алами без расплавления основного компонента. Вначале произ­водят прессование порошка при нормальной температуре в сталь­ных пресс-формах для придания требуемой формы и размеров из­делию, а затем заготовки спекают в защитной атмосфере. Меха­нические свойства изделий из порошков близки по свойствам к свойствам литых деталей, причем по отдельным параметрам пока­затели выше, например для алюминия δ_b = 300—400 МПа (30— 40кгс/мм2) по сравнению с 180—200 МПа (18—20кгс/мм2); H_b = 80—90 (40—50); δ = 8—12% (10—12%), сравнение проведено для литых заготовок. Насыпная масса алюминиевых порошков (ее постоянство определяет стабильность усадки при спекании) сос­тавляет 0,7—0,8 г/см³.

Однако при конструировании деталей, которые изготавливают­ся методами порошковой металлургии, следует учитывать следующие ограничения: детали должны быть без наружной и внутрен­ней резьбы, иметь плавные переходы от тонких сечений к толстым, и радиусы скругления не менее 1 мм.

Процесс спекания протекает поэтапно — вначале (при темпера­туре 150° С) производят удаление влаги, затем происходит снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц (темпера­тура составляет 75—80% от окончательной температуры спекания) и, наконец, окончательное спекание. Несмотря на высокое давление прессования при указанных режимах, не удается достигнуть 100%-ной плотности — дальнейшее увеличение давления прессова­ния ведет к расслаиванию прессовок и браку. Однако определен­ная степень пористости полезна, так как изделия приобретают осо­бые физические свойства, например малый коэффициент трения. Для получения плотных изделий (что требуется чаще всего) ис­пользуют горячее прессование, когда процессы прессования и спе­кания совмещают. При этом, к сожалению, стойкость пресс-форм понижается Процесс горячего прессования происходит в 20—30 раз быстрее, чем обычный процесс.

Методами литья под давлением и прессованием изготавливают ряд конструкционных деталей и отдельные корпуса МЭА из пласт­масс. Наиболее широко для изготовления таких изделий исполь­зуются пресс-порошки различных марок на основе феноло-, фено-лоанилино- и мочевиноформальдегидных смол, фенолокаучуковых пресс-порошков (не содержащих серу), а также полиимиды и полиамиды. Очень часто используются наполнители (порошки, волокниты, стекловолокниты). Литые и прессованные детали имев гладкие поверхности с шероховатостью R_a=1,25—0,8 мкм, обработанные по 11—13 квалитету точности, и почти не требуют обработки резанием. Величина расчетной усадки может быть мене! 0,1—0,16%. Для полиимидов и стеклопластиков допускается тол­щина стенок 0,3 мм; минимальное предельное отношение глубины создаваемых отверстий к их диаметру должно составлять менее двух, таким образом, для полиимидов достижимы минимальные значения диаметров порядка 0,5 мм.

Часто применяется армирование пластмассовых изделий метал­лическими элементами; при этом арматура не должна быть мас­сивной и располагаться близко к поверхности детали.

При обработке пластмасс необходимо учитывать ряд техноло­гических ограничений: детали, соприкасающиеся с другими дета­лями (пластмассовыми или металлическими), не должны иметь сплошных опорных поверхностей, а должны быть в виде выступов, буртиков, с выступающим дном и т. п.; в местах сопряжения по­верхностей и ребер жесткости необходимо делать плавные переходы и радиусы скруглений (не менее 0,5—1,0 мм для внутренних по­верхностей и 1—2 мм для внешних), не рекомендуется прямоуголь­ная и мелкая резьба (с шагом менее 0,4 мм) вследствие их недо­статочной прочности.

Поверхность пластмассовых деталей можно металлизировать — чаще всего на нее наносится медь толщиной от единиц до десять микрометров, а в дальнейшем проводится электрохимическая защита медного слоя (сплавы олова, никель, значительно реже золото). Способы металлизации — химический, вакуумное распы­ление и иногда горячее распыление расплавленного металла. Од­нако в последнем случае трудно достигнуть хорошей адгезии и рав­номерности покрытия.

Для защиты металлических конструкционных деталей от кор­розии, а также в декоративных целях широко применяют химиче­ские, гальванические и лакокрасочные покрытия. Химическое ок­сидирование этих материалов проводят в растворах, содержащих щелочь и хроматы щелочных металлов (например, в водном раст­воре 50 г/л кальцинированной соды и 15 г/л хромовокислого нат­рия в течение 10—12 мин при 85—100° С). Полученную пленку за­крепляют в водном растворе хромового ангидрида. Электрохими­ческие методы используются для покрытия никелем, сплавом оло­во— свинец, для хромирования. В качестве лакокрасочных покры­тий используются масляно-, масляно-смоляные и эфироцеллюлозные материалы, в том числе фенольно-формальдегидные силоксановые, перхлорвиниловые, полиуретановые, эпоксидные, нитроцеллюлозные и нитроглифталевые покрытия.