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升压是向密闭的高压缸连续泵入液体压力介质,使高压缸内的压力逐步升高,直到最高成型压力。升压速度应该力求快而平稳。

当液体压力介质确定以后,成型升压速度的快慢主要取决于液压系统的泵动能力、高压缸的容积以及被压物料的体积大小。其中,以泵动能力是为关键。泵动能力高,即在单位时间内泵入高压缸中的压力介质的体积大,则升压速度快。当液压系统的泵动能力一定时,达到最高成型压力所需泵入高压缸中的压力介质越少,升压时间就越短。所以在冷等静压成型时,若被压物料的压缩比大,数量又多,其升压时间相对会长一些。

最高成型压力主要由压坯性能要求和压机最高工作压力(我司等静压机的最高压力为9000PSI)来确定。通常,压坯的性能主要由密度和强度来衡最,而压坯的密度和强度又与成型压力密切相关。所以在成型时,正确选择最高成型压力是相当重要的。一段来说,应该根据被压粉末的压制平衡图,亦即密度(或强度)-成型压力曲线来确定。根据经验,压制塑性粉末时,应采用较低的成型压力,而压制硬而脆(陶瓷)的粉末时,则应根据压机的能力尽可能采用高的成型压力。一般来说,巴块介质层数增高,电极厚度增加,硬度增加,需要更高的等静压力值;日本村田等在等静压制200层以上的高容量电容器时,最高压力达到16000PSI。

理想的升压过程中,巴块在z轴方向受压收缩,膜片之间发生紧密接触,并在一定时间内发生分子层扩散粘结;x、y轴在等静压下发生极其轻微的延展变形。

保压

有资料指出,在冷等静压成型过程中,压力的传递需要进行充分。如果升压太快,并且达到最高成型压力后立即泄压,则被压的粉末不可能得到充分的压实,经常会使压坯芯部较外层松软得多。这是因为在成型期间,粉末颗粒之间的位移和颗粒本身的变形均需要一定的时间。保压可增加颗粒的变形量,从而提高粉末压坯的密度,一般可提高2~3%。保压后,塑性好的软粉末压坯的密度增加量要大于硬脆粉末压坯的密度增加量。

在实际生产中,保压时间是根据压坯的截面尺寸来确定的,通常为几分钟,一般不超过20分钟。若成型截面尺寸大的压坯,保压时间一般要相对长些。

有资料介绍,采用厚壁包套进行均衡压制时,保压却有降低压坯密度的趋势。该资料认为,这是因为在保压期间,粉末颗粒被混入塑性模壁内,于是在泄压时加重了塑性模壁对压坯的拉力,从而引起压坯密度的降低。在这种情况下,长时间保压是十分不利的。

保压过程的设置是相当重要的,这个过程是巴快变形稳定化并舒缓内应力的一个过程;并且,膜片之间的紧密结合是通过扩散与有机物表面官能团的结合而实现的,而这两个过程都是需要一定的时间的。适当提高等静压最高压力可以缩短保压时间,但是过高且升压过快会造成巴块内部局部滑移,进而造成开裂。

我公司目前的层压工艺中,对于保压时间的设置是比较短甚至有些曲线是没有保压过程的。3.28~29日万润工程师在维修仪器的过程中,对层压曲线过程的保压设置也提出了相关意见。调整试验正在进行中。然而增加保压时间的缺点是会降低效率,本来已经负荷很重的层压工艺成为产能瓶颈的可能加大。

泄压

在最高成型压力下经一定时间的保压后,就要进行泄压。在冷等静压成型工艺中,泄压速度是最重要的工艺参数,很多缺陷(开裂、分层等)都是泄压过程设置不当造成的。影响泄压参数的主要因素如下:

(1)压坯中的气体膨胀。如果塑性包套内的粉末在压前没有除气则在成型期间,被截留在粉末颗粒之间的气体随着粉末颗粒间孔隙体积的减小,压力逐渐升高,一般可达0.5~1 MPa(5-10 kgf/cm2)。在泄压过程中,若压力介质的压力高于粉坯颗粒间孔隙中的气体压力,这些被截留的气体不会逸出粉末压件的表面,而当压力介质的压力降到低于压坯残留孔隙中的气体压力时,压坯中的气体的压力就会由表及里趋于与外界压力达到平衡,从而形成气体从压坯内部的孔隙向压坯表面迁移的趋势。如果塑性包套外面压力介质的压力突然大幅度降低,压缩在粉末压坯孔隙内的气体也就会随之突然膨胀,这种突然膨胀过程,往往会导致强度低的粉末压坯出现开裂观象。

如果在压前将模具内粉末颗粒之间的气体抽空,不但可以缩短成型后的泄压时间,而且也可以避免因其突然膨胀而引起的压坯开裂现象。

(2)压坯的弹性后效。冷等静压成型的粉末压坯在泄压过程中,出于其内应力的作用,会导致压坯体积的弹性胀大,即弹性后效。此时,粉末压坯中的弹性变形得以恢复,从而可以局部降低压坯中粉末颗粒接触区域的应力,减少接触面积,最终使压坯体积各向均匀胀大。如果粉末压坯本身的弹性后效值

大,泄压速度又太快,压坯的弹性后效在迅速发生的过程中,容易失去平衡,导致压坯本身在粉末颗粒连接薄弱的地方出现裂纹或者分层现象。脆性粉末压坯的弹性后放值比较大。当用这种粉末成型较薄或形状较复杂的压坯时,压坯对在泄压期间发生的弹性后效的快慢十分敏感。

(3)塑性包套的弹性回复。粉末冷等静压成型用的塑性包套,是弹性体。塑性包套在成型过程中,随着粉末体的压缩,处于拉伸或压缩的变形状态,从而贮有一定的弹性能,其大小与塑性模件的壁厚和弹性变形量呈正比。这种弹性能也是导致压坯裂纹发生的主要动力之一。在泄压过程中,随压力介质压力的降低,贮存于塑性包套中的弹性能必然被释放出来,使塑性包套的弹性变形回复。在塑性包套弹性回复的同时,压坯在弹性后效的作用下胀大,被压缩在压坯内部的气体也同时逸出压坯表面。在这三者综合作用下,塑性包套表面与压坯表面之间要发生分离。由于受到塑性包套与压坯之间的粘贴、啮合与摩擦的影响,以及模具支撑装置的限制,塑性包套与压坯各个部位之间的分离不可能同时发生。于是在分离过程中,塑性包套对压坯就具有一定的推斥力。如果泄压述度控制不当,塑性包套的推斥力就有可能突然作用于压坯,使强度不高的压坯发生破裂。例如在实际生产小成型很菠的片状压坯时,必须采用很薄的塑性包套,就是为了避免泄压时包套的弹性回复对压坯产生破坏作用。

有资料介绍,泄压时如果操作不当,甚至实心圆柱形的压坯也会产生一系列的横向裂纹,并且在相邻的两条裂纹之间具有一定的间隙,这种裂纹现象说明压坯在泄压过程中受到了一定程度的振动冲击,而这种冲击被认为是在压坯与塑性包套分离时发生的。压力介质在压坯与塑性包套分离时的压力被称为临界压力。如果泄压太快,压力介质的压力迅速降至临界压力以下,使包套与压坯之间的分离过程突然发生,也就是使二者之间原有的平衡状态突然遭到破坏,从而出现作用于压坯的冲击波,引起压坯的横向裂纹。使用一种微声探测器,在高压缸外表面上可很容易地检测到冲击波发出的声音。由此可以认为,要避免压坯在泄压时发生破裂,就应使泄压期间塑性包套与压坯的分离过程缓促进行,也就是说,当压力介质的压力下降到接近临界压力值时,应充分放慢泄压速度。并且,在冷等静压成型过程中,一般尽量采用壁厚较薄的包套,以使得包套在与压坯分离时所具有的回复力尽量的小。

因此,一般来讲,泻压阶段都分为两个阶段。第一步为快速降压阶段,从最高压力很快的降低到接近于临界压力值的压力;第二步为慢速降压阶段,即从临界压力值缓慢降低到常压。如图2示例。

图2 泄压曲线示例

从图2可以看出,第二步泄压所花费的时间要比第一步所花费的时间长得多,其目的就是使压坏中气体的逸出和包套与压坯的分离得到缓冲。两种泄压速度尽管相差很大,但在操作中都应力求保持平稳。

我公司目前在泄压阶段所采取的思路是直线泄压,没有采取两步泄压,且泄压速度比较快。个人认为存在问题,特别是在多层高容量的压制过程中。图3所示是我司正常生产中比较典型的一条层压曲线示例,从图中可以看出目前在泄压阶段所进行的操作思路。

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图3 正常层压P4曲线

要控制泄压速度的另外一个重要因素,是巴块的弹性后效。 1.2.3 弹性后效

根据一般的粉末冶金概念,弹性后效是指在除去压制压力,并把粉末压坯压出压模以后,由于内应力的作用,粉末压坯所发生的弹性膨胀。或简单地说,是指压坯从压模脱出后,出现各方向自行膨胀的现象。冷压成型过程中,粉末颗粒在受到外界压力的作用时,除了发生塑性变形外,或多或少要发生一些弹性交形。所以,在粉末压坯中总是贮存有弹性应变能。当外界压力去除以后,贮存在粉末压坯中的弹性应变能既要力图释放出来,使粉末颗粒的弹性变形得以恢复,这对已变形的粉末颗粒本身或整个粉末压坯来说,就是一个弹性膨胀和尺寸胀大的过程。

粉末压坯的弹性膨胀也并非是自由的,而是要受到粉末颐粒之间接触区域结合强度的限制。若颗粒之间结合牢固,粉末颗粒的弹性应变能就不能无拘无束地完全释放出来,只能通过有限的弹性膨胀抵消部分弹性变形应力,因此整个粉末压坯的尺寸胀大就很小。但如果颗粒间结合不牢固,压坯中的弹性应变能在释放过程中就受到较小的限制,通过弹性膨胀可在很大程度上抵消颗粒的弹性变形应力,使整个粉末压坯的尺寸得到充分的胀大。

压坯的弹性膨胀过程,就是降低颗粒接触区域的应力,减少颗粒间接触面积的过程。在许多情况下,接触区域的应力降低和面积的减少,并不总是在所有的颗粒间均匀进行,有时是集中在部分颗粒间的接触区域,使压坯出现裂纹和分层现象。

弹性后效的大小主要取决于粉末的特性、成型压力的大小、润滑情况及其他因素。弹性后效引起压坯尺寸的胀大过程,有时可能延续相当氏的时间。例如在模压铜粉压坯时,压制后放置一个星期,其直径增加0.14~0.36%,长度增加0.36~0.48%。

到目前为止,有关压坯弹性后效的研究和论述,大多数是针对常规模压压坯进行的,而对冷等静压成型的压坯弹性后效问题,研究还不多。从现有的资料来看,一般都认为冷等静压压坯产生弹性后效的原理与常规模压相同,作用规律也基本类似。这是因为,粉末颗粒在冷等静压成型过程中,同样经受了一定的弹-塑性变形,并且在成型后期内颗粒的塑性变形引起粉末材料的加工硬化和弹性极限的提高。成型后,在冷等静压压坯中,也会积蓄一定的弹性应变能。这种应变能量在压力去掉后,同样也要力图通过弹性膨胀释放出来,使得内应力在一定程度得到消除,这种弹性膨胀过程,同样也是造成冷等静压压坯分层和裂纹的原因之一。

冷等静压压坯的弹性后效,与常规模压压坯的不同之处,就是压坯尺寸的胀大值各向基本相同,实际上这是由冷等静压成型的特点所决定的。在冷等静压成型期间,粉末体各向都受到均等的压力,即各向的变形条件一样,所以对形状简单的小型压坯来说,各向尺寸的压缩比基本相同,压坯中较末颗粒的各向弹性变形也趋于一致因此在弹性应力松弛过程中,压坯各向的弹性后效值不会有明显的差别。例如,在441MPa压力下冷等静压成型的钨粉压坯的弹性后效值各向均为6%,而常规模压压坯的弹性后效值却有明显的方向性,一般在压制方向约达5~8%,垂直于压制方向约为1~3%。

实践证明,在冷等静压模具设计中,必须考虑到压坯弹性后效的作用,以便正确地控制压坯的最终尺寸。另外,通过弹性后效所引起的压坯尺寸胀大,往往有利于成型后压坯的脱模。例如在采用刚性模

芯成型压坯的内孔时,成型后刚性模芯与压坯能否自然脱离,主要取决于压坯弹性后效的大小,弹性后效大,脱离就容易。

为了避免因弹性后效而引起的压坯裂纹和分层现象,在成型工艺中,应使弹性后效发生的过程尽量缓慢而均匀。对常规模压工艺来说,要做到达一点,确实是很困难的,而对于冷等静压成型工艺来说,通过控制成型后的泄压速度就可很容易地实现这一点。 2. 切割工序

从最早的手工切割,到钢材的编程可控切割;从水射切割,到电脑CPU中采用的线切割…切割技术在工业生产中已有非常悠久的历史,且应用领域十分广泛。切割作为加速MLCC生产自动化的的必经工序,在业内被广泛采用。

目前我公司共有切割设备7台,其中圆刀切割机1台,铡刀切割机6台。圆刀与铡刀在对巴块的下刀方式以及精度控制手段等方面都有很大不同,这就决定了两者在切割效果、效率等方面的差异。一般来说,相比铡刀切割机,圆刀机的切割速率较慢,但可以解决较硬巴块在铡刀切割偏、裂等问题。 2.1 圆刀切割

2.1.1 圆刀切割机构造

圆刀切割机的构造包括以下几个部分:

(1)刀环和轮盘:圆刀是圆环形刀片,其固定装置为下端开口的轮盘,轮盘安装于切割机主轴上。 (2)主轴旋动装置:它主要由主轴电机和卡在主轴承上的主传动轴构成,通过塔形皮带轮变换,其转速可以高达5000rpm。

(3)液压系统:它由齿轮泵、机油油箱、油路管道系统、阀门系统构成,通过电磁控制阀改变液压油路中液压流动的方向,以推动工作平台的左右移动,即进刀、退刀操作。切割时巴块缓慢移动,当巴块和高速旋转的刀片相接触时发生切割行为,巴块对刀片的压力调整由内部阻尼器控制。

(4)冷却系统:由冷却水循环系统、储水箱、阀门系统组成,当切割刀片高速旋转时冷却水喷射在切割刀刀刃上,以达到降低刀片与巴块摩擦热量的目的,同时冷却水还可以把切割时产生的碎粉冲走,从而加速切割刀对巴块的磨削作用。

(5)电路系统:略。

(6)工作平台:为一平动台,下面通过两排滚珠和阻尼器油箱上的导轨相接触,保证平台能够平稳匀速的左右移动。通过阻尼器的泄油量和砝码重量可以控制进刀切割速度。

(7)对位控制:采用显微镜放大显示人工控制方法。 (8)输入输出:略。 2.1.2 圆刀刀片的安装

保证圆刀刃的中心和切割机主轴的中心对准,并使刀片在各个方向上都以同样的张力在轮盘上张紧,这是直接影响切片质量和刀片寿命的重要因素。因此圆切割刀片的安装是一个较为关键的操作步骤。

刀片安装时,当刀片位置调好后压上压块,以防止装螺钉时刀片的移动;对称地装上固定螺钉并把它们拧紧。在拧紧螺钉时应对角进行,即在紧过一个螺钉之后再紧与它相对应的一个,然后再紧和这对螺钉垂直放置的另一对螺钉,直至对称分布的螺钉被紧完为止。每次一个螺钉只略紧一点,而每个螺钉的拧紧力量也应相同,经几次循环后才将所有螺钉拧紧。这样方能使刀片在各个方向的张力基本相同。 2.1.3 圆刀切割的操作

正常切割操作,可以参照工序的操作指示规程。作为补充,这里主要说明合理设定进刀速度的重要性。

切割速度过慢最直接是影响产量,过快则会影响切割的效果且容易损坏切割刀片。影响切割速度的原因较多,因此要视具体情况而定,比如:(1)刀片的质量:不同材质的刀片;(2)刀片的新旧程度;(3)巴块的软硬程度;等等。 2.2 铡刀切割

铡刀切割机是正常生产采用的机型,与圆刀的主要区别是采用铡刀为切割刀具,通过上下往复运动实现切割操作,并且采用CCP对位装置来进行精度控制。具体的操作工艺见操作指示规程,这里不再赘述。比较关键的是参数的设置,其中对应于叠层的位移量是比较重要的。

切割工序的X轴和Y轴分别对应于叠层工序的Y轴和X轴。 (1)切割时X轴偏移量设置: 若叠层工序Y轴错位数设置为0,则切割时X轴偏移量设置为0;若切割工序X轴需设置偏移量时,即叠层工序Y轴有一定的错位数,此时切割要特别注意:如果采取不切边的切割方式,则X轴的偏移