Название: Конструирование РЭС (Н.С. Шляпников)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1587


4.8. выбор материалов корпусов

В настоящее время существует целый спектр материалов для корпусов РЭС, полученных либо путем незначительных улучшений известных материалов машиностроения и авиации, либо путем их радикальных изменений или создания принципиально новых. Такое разнообразие является следствием необходимости защитить радиоэлектронное устройство от неблагоприятных воздействий окружающей среды, сохраняя удобство механической обработки, формообразования, соединения частей прибора.

Опытный конструктор, которому приходится разрабатывать самые разнообразные корпусы РЭС, производит выбор материалов, основываясь прежде всего на личном опыте

и опыте создания аналогичных изделий в прошлом. В случае отсутствия такого опыта выбор марки материала осуществляется на основании расчетов, связанных с соблюдением

перечисленных критериев и стоимости. Прежде всего, материалы несущих конструкций следует выбирать с учетом удельной прочности и жесткости или обобщенного коэффициента.

Интуитивно,  учитывая        удобство         перемещения             и          транспортировки      прибора,

конструктор стремится обеспечить требуемую прочность при минимальной толщине стенки корпуса, т.е. при максимальном снижении массы. Действуя таким образом, конструктор,  может  быть,  неосознанно  выбирает  массу  прибора  в  качестве  целевой

функции, подлежащей минимизации. Количественная оценка качества материала определяется из выражения для удельной прочности при растяжении-сжатии дуд.р=дв/р, удельной прочности при изгибе дуд.M. = дM/p ; удельной жесткости Еуд = Е/р , где 5в — временный  предел  текучести;  р  —  плотность  материала,  г/см3;  ди    —  допустимое

напряжение изгиба. Па; Е— модуль упругости материала, Па. Обобщенный коэффициент

 

 
определяется как

 

Усредненные показатели для  основных  материалов корпусов РЭС  представлены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

 

Материал

дв,МПа

Е-10-3,

МПа

р, г/см3

дyд,Па

Еуд, Па

У

общ

Конструк- ционные качествен- ные стали

320...730

320...324

7,8...7,85

40...93

40,76...4153

1660...

3863

Сталь легиро- ванная

750...1500

 

 

96...191

3907...7932

 

Сплавы титана

600...1200

НО...120

4,45...4,54

132...269

24...26,43

3194...

7932

Сплавы меди

200...750

100...200

8,7...8,9

22.5...86.2

11,2...23,0

252...

1981

Сплавы алюминия

190...66

70...75

2,6...2,8

67.8...263

24,2...28,8

1641...

7298

Сплавы магния

100...280

40...45

1,75...1,90

52,6... 160

21...25,7

1107...

4114

 

 

Если деталь корпуса работает на прочность (планки, стойки, кронштейны), то необходимо пользоваться значением дв . Если деталь работает на жесткость (лицевая панель, шасси, крышки), то пользуются Еуд. Как видно из табл. 4.7, Еу, маx/Еуд min= 4, а дудmax/дуд min = 11,2 , т.е. жесткость материалов примерно одинакова. Поэтому целесообразно при выборе материала пользоваться обобщенным коэффициентом Кобщ, который характеризует способность материала обеспечить высокую прочность при наименьшей деформации и массе.

Для корпусов РЭС из всего многообразия сталей в основном применяются те, которые обладают высокой пластичностью, пригодны к изготовлению деталей штамповкой, холодной высадкой и хорошо свариваются. В основном это качественные углеродистые стали марок 08 кп, 10 кп, также 15, 20, где цифры характеризуют содержание углерода в сотых долях процента. Большее содержание углерода снижает пластичность и не позволяет штамповать деталь. Если аппаратура используется в агрессивных средах (морском тумане, кислотной, щелочной среде или при повышенной влажности), то необходимо корпусы изготовлять из легированных нержавеющих сталей. С учетом требования хорошей свариваемости и штамповки в холодном состоянии рекомендуется использовать хромо-никелево-титановые стали марки 12Х18Н9Т или их бестигановые заменители: 20Х13НГ9, 10Х14АГ15, 10Х14Г14НЗ.

Чаще всего корпусы радиоаппаратуры предпочитают изготовлять из алюминиевых сплавов.  Малый  удельный  вес,  высокая  пластичность  и  более  высокая  коррозионная

стойкость по сравнению со сталями сделали их более предпочтительными. За счет легирующих добавок и термической обработки алюминиевые сплавы могут обладать повышенными прочностью и коррозионной стойкостью. В зависимости от способа изготовления деталей одинаково широко используются для корпусов РЭС алюминиевые сплавы, деформируемые и литейные. Из деформируемых сплавов детали несущих элементов изготовляются резанием, механической обработкой, методами пластической деформации.

Различают деформируемые сплавы, упрочняемые и неупрочняемые;

неупрочняемые — сплавы алюминия с магнием (АМг), марганцем (АМц). Они имеют высокую пластичность, хорошую свариваемость, высокую коррозионную стойкость. Эти сплавы наиболее удобны для получения деталей сваркой. Для корпусов РЭС, испытывающих повышенные механические нагрузки (инерционные воздействия, вибрации, удары), используются дуралюмины, сплавы системы «алюминий — медь — магний» (А1 — Си — Mg). Они упрочняются при термической обработке и позволяют обеспечить хорошее сочетание прочности, пластичности, коррозионной стойкости. Для РЭС используются Д1, Д16, Д19. При повышенных требованиях к пластичности и коррозионной стойкости целесообразно элементы несущих конструкций изготовлять из АД31, АДЗЗ, АВ. Особенно удобны эти материалы для декоративной отделки прибора, лицевых панелей, ручек.

Для корпусов, работающих в условиях криогенных температур, предпочтительно использование ковочных сплавов АК6, АК8 системы А1—Mg—Si . Как следует из табл.

4.5, снижение пластичности — наиболее эффективный путь повышения удельной прочности дуд и удельной жесткости. Значительного улучшения таких характеристик можно достичь, если использовать сплав 1420 системы А1—Mg—Li, который отличается от сплава Д16 пониженной на 11\% плотностью и повышенным на 4\% модулем упругости. Коррозионная стойкость такая же, как и у АМг. Применение сплава 1420 вместо Д16 позволяет снизить массу деталей корпуса на 10... 15\%.

Для   изготовления  несущих  элементов  сложной  формы  используются  литейные сплавы. По назначению эти сплавы можно условно разбить на следующие группы:

1. Сплавы, предназначенные для герметичной РЭС (АЛ2, АЛ4, АЛ9, ВАЛ8, АЛ9-1,

АЛ34(ВАЛ5), АЛ4М, АЛ32).

2 Высокопрочные жаропрочные сплавы (АЛ19, АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛЗЗ(ВАЛ11)).

3 Коррозионно-стойкие сплавы (АЛ8, АЛ22, АЛ21, АЛ27, АЛ27-1). Корпусы РЭС и их

детали относятся к  элементам малых  размеров. Качество таких  деталей, полученных

литьем, будет определяться не столько механической прочностью, сколько технологическими характеристиками:

жидкотекучестью,    степенью    изменения    механических    свойств, герметичностью, склонностью к образованию пустот, трещин. Поэтому наибольшее распространение получили сплавы первой группы, выполненные на основе А1— Si, Al— Si— Mg, так

называемые силлумины. Двойной сплав АЛ2 (Al — Si) рекомендуется для литья малогабаритных деталей, так как он не упрочняется термически и склонен к образованию

усадочных раковин. Остальные сплавы этой группы относятся к системе Al— Si — Mg и имеют лучшие литейные свойства. Поэтому крупногабаритные детали РЭС целесообразно отливать из АЛ4, АЛ9. Если необходима повышенная механическая прочность, удобно

использовать АЛ9-1, содержащий добавку титана. Сплавы АЛ32, ВАЛ8 предназначены для литья под давлением и точного литья.

Коррозионно-стойкие сплавы третьей группы обладают повышенной стойкостью в морской воде, щелочных и азотнокислых средах. Однако невысокий интервал рабочих температур коррозионных свойств (от -60 до +60°С) ограничивает их применение для

РЭС. Лишь АЛ24 может сохранить свои свойства до +150 °С. Основные характеристики марок алюминиевых сплавов приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Сплав

р, т/см3

Е,МПа

5B,МПа

EyД

дyд

Кобщ

1

2

3

4

5

6

7

 

Амц

 

АМг2

 

Д16

 

Д16Т Д19

АД31

2,73

 

2,68

 

2,8

 

2,8

 

2,76

 

2,71

70

 

71

 

72

 

72

 

70

 

71

170

 

190

 

360 .

 

460

 

480

 

250

25,6

 

26,49

 

25,71

 

25,71

 

25,36

 

26,2

62,27

 

70,89

 

128,5

 

164,28

 

173,9

 

92,25

159,41

 

1878,0

 

3305,5

 

4223,78

 

4399,99

 

2416,9

Окончание таблицы 4.6

 

1

2

3

4

5

6

7

АДЗЗ,

 

АВ АК6

АК8

 

1420

 

АЛ2

 

АЛ4

 

АЛ9

 

ВАЛ8

 

АЛ32

 

АЛ27

 

АЛ24

2,71

 

2,70

 

2,75

 

2,80

 

2,47

 

2,65

 

2,65

 

2,66

 

2,73

 

2,65

 

2,55

 

2,74

71

 

71

 

72

 

74

 

75

 

70

 

70

 

70

 

72

 

71

 

70

 

69

140

 

350

 

378

 

480

 

450

 

190

 

290

 

230

 

410

 

280

 

360

 

310

26,2

 

26,3

 

26,18

 

26,40

 

30,36

 

26,4

 

26,40

 

26,30

 

26,30

 

26,79

 

27,45

 

25,18

51,66

 

129,6

 

137,4

 

171,4

 

182,2

 

71,70

 

199,4

 

86,4

 

150,18

 

105,60

 

141,1

 

113,1

1353,5

 

3409,2

 

4525,7

 

4525,7

 

5531,1

 

1892,8

 

2889,0

 

22274,8

 

3942,2

 

2831,7

 

3879,2

 

2848,8

 

 

Ценными материалами для радиотехнических конструкций являются магниевые сплавы. Они хорошо поглощают вибрации, что особенно важно для самолетной и вертолетной аппаратуры.   Например, удельная вибрационная прочность магниевых сплавов почти в 100 раз выше, чем у дуралюминов (Д16), и в 20 раз лучше, чем у конструкционных сталей. По удельной жесткости при изгибе и кручении магниевые сплавы не уступают алюминиевым и стальным. Эти сплавы используются не только как ценный технический материал с малой плотностью, но и как заменитель дефицитных и дорогостоящих легированных сталей, бронз, латуней. Так, для микроэлектронной аппаратуры интерес представляют сверхлегкие сплавы МА18, МА21 с плотностью 1,3-

1,6 г/см3 , которые обладают пластичностью, удельной жесткостью и прочностью выше,

чем у дуралей (табл. 4.7).

Следует отметить сплав МЦИ, предназначенный для литья деталей, работающих в

условиях    вибраций.    Его    использование    позволяет    уменьшить    массу    деталей,

подвергающихся повышенной вибрационной нагрузке, и увеличить надежность и срок службы.   Литейные   магниевые   сплавы   предназначены   для   фасонного   литья.   В

конструкциях РЭС применяются сплавы МЛ4, МЛ6, МЛ9, МЛ10.

Сплавы титана находят ограниченное применение при разработке несущих элементов

РЭС.  Удельные прочностные  характеристики —  такие же,  как  у Mg  и  A1  .  Модуль

упругости в два раза меньше, чем у сталей, что затрудняет получение жестких конструкций.   Несмотря   на   высокую   температуру   плавления,   титан   не   обладает

жаропрочностью и склонен к ползучести даже при нормальных температурах. Наиболее ценными качествами титана являются высокие прочностные свойства при криогенных температурах и низкий коэффициент линейного расширения. Поэтому титановые сплавы

находят применение прежде всего для устройств, работающих в условиях пониженных

температур (вплоть до криогенных), и для корпусов микросборок, где требуется спай стекла с металлом. Для этих целей рекомендуется использовать сплавы: ВТ1-00, ВТ-0, QT-4-1, OT4, ВТ5, ВТ5-1.

Таблица 4.7

 

Сплав

дB,МПа

Е10-3, МПа

Р.Г/СМ3

дуд

EyД

Кобщ

МА18

 

МА21

 

МЦИ МА8

МА2-1

 

МА2

 

МЛ4

 

МЛ6

 

МЛ9'

 

МЛЮ

185

 

240

 

170

 

л280

 

270

 

260

 

250

 

250

 

250

 

226

45

 

46

 

40

 

42

 

43

 

43

 

42

 

42

 

42

 

41

1,5

 

1,5

 

1,9

 

1,78

 

1,78

 

1,79

 

1,83

 

1,81

 

1,76

 

1,78

123

 

160

 

94

 

123

 

151,6

 

145,2

 

136,6

 

138,1

 

142,0

 

126,9

30

 

30,6

 

21

 

23,5

 

24,1

 

24

 

22,9

 

23,2

 

23,8

 

23,0

3690

 

4896

 

1978,9

 

2890,5

 

3653,6

 

3484,8

 

3135,0

 

3204,5

 

3388,6

 

2922,9

 

 

В конструкциях самолетной и бортовой аппаратуры широкое применение находят полимерные композиционные материалы (КМ) с неметаллической матрицей. По сравнению со сплавами металлов они имеют ряд преимуществ:

меньшую массу, повышенные прочность, жесткость и теплостойкость. Из большого числа существующих КМ наиболее перспективными для авиационной аппаратуры являются КМ на основе углеродных волокон, т.е. углепластики. Кроме перечисленных достоинств, они

обладают  еще  рядом  преимуществ:  коррозионной  стойкостью,  электропроводностью,

малым  коэффициентом        линейного        расширения,        высокой       демпфирующей

способностью  и  значительно  превосходят  металлы  по  вибропрочности.  В  табл  4.8

приведены основные характеристики наиболее распространенных углепластиков: КМУ-

1Л на основе углеродной ленты; КМУ-1У на основе углеродного   жгута;   КМУ-1В   на основе      углеродного      жгута, вискоризированного нитевидными кристаллами. Их теплостойкость — до 100 °С. Для более высоких температур (до 300 °С ) применяются

углепластики марок КМУ-2, КМУ-2Л.

Еще более высокой теплостойкостью (до 2000 °С ) обладает углепластик с углеродной

матрицей марки КУП-ВМ.

 

Таблица.4.8

Параметр

 

Углепластики

Бороволокниты

КМУ-

КМУ-

КМУ-

КУП-

ВМ

КМБ-

Ш

КМБ-

КМБ-

КМБ-

ЗК

Р, т/см3

1,4

1,47

1,55

1,35

2,1

2,0

2,0

2,0

8^Па

0,65

1,02

1,0

0,2

1,3

0,9

1,0

1,3

8^Па

0,35

0,4

0,54

0,26

1,16

0,92

1,25

1,5

8»Ша

0,80

1,10

1,20

0,64

1,75

1,25

1,55

1,45

 

Е.ГПа

120

180

180

165

270

214

260

260

Е^Гпа

103

145

160

160

250

223

215

238

8уь

46,4

693

645

148

619

450

500

650

Еуд

85,7