用于大尺寸A-95陶瓷管殼燒結的防變形墊腳的探究

摘 要：隨著滅弧室在高電壓領域的推廣，所需的A-95陶瓷管殼直徑尺寸大（≥300mm）[1]，因陶瓷燒成溫度高達1650℃，在燒成過程中容易出現瓷殼橢圓、喇叭口、縮口、尺寸超差等不合格特征[2]。本文詳盡的闡述了通過對高電壓真空滅弧室所用陶瓷管殼燒結過程中使用的墊腳結構的探究及改進，確定了保證其尺寸及圓度的方法，并在實際生產中進行推廣。

關鍵詞：大尺寸；A-95陶瓷管殼；凹槽墊腳結構；產品圓度

1 前言

在高電壓真空滅弧室所用氧化鋁陶瓷管殼（φ300*φ270mm，圓度要求3.6mm）白瓷燒結過程中，由于其徑向尺寸大，在白瓷燒結過程中極易發生尺寸超差、圓度超差導致報廢[3]。為了滿足瓷殼的尺寸及圓度，傳統工藝的控制措施為：給產品兩端匹配同材質的直臺結構墊腳[4]，并加高白瓷產品高度，燒成后，通過測量產品尺寸，選取尺寸及圓度合格的部分進行切割，以滿足產品圖紙需求，尺寸合格率僅為60%左右，生產成本較高。

本文通過對高電壓真空滅弧室所用陶瓷管殼燒結過程中使用的墊腳結構的探究及改進，確定了保證其尺寸及圓度的方法，并在實際生產中進行推廣。

2 大尺寸產品尺寸測量及數據分析

以高電壓真空滅弧室所用陶瓷管殼（φ300±2.5*φ270±2.5mm，圓度要求3.6mm）為例，產品在車坯件設計時，較計算產品高度加高80～100mm（便于燒成后切割），燒成時使用同批次原料匹配墊腳，墊腳結構使用直臺墊腳結構（產品與墊腳的裝配示意圖如圖1，產品與直臺墊腳的間隙配合放大圖如圖2），產品與墊腳的配合間隙為單邊1.0mm。

2.1 尺寸測量

產品燒結后，測量產品尺寸及圓度，產品上端圓度4.3mm、下端圓度4.9mm，產品兩端尺寸和圓度不符合圖紙要求，僅可以通過取中間尺寸及圓度合格的部位，成品率較低，且工藝過程加長、材料浪費大。

2.2 數據分析

為分析產品的尺寸及圓度情況，將產品由裝載時的上端面至下端面，切成20mm的瓷環，從上至下，按順序進行編號，測量其尺寸及圓度，將其圓度變化數據繪制折線圖3：

從產品燒結情況及尺寸測試數據圓度變化趨勢中可以看出：

（1）產品上端受墊腳在燒結過程中塌陷的影響，產品圓度較差；

（2）產品下端受產品自身重量及墊腳重量的影響，整體收縮受阻，產品尺寸偏大，圓度較差；

（3）產品中間尺寸及圓度較好。

由此可見：要提高產品的尺寸合格率和圓度，必須通過對墊腳機構的改進，來改善產品兩端頭的尺寸及圓度。

3 大尺寸產品墊腳結構改進

基于對大產品尺寸超差及圓度超差的分析，認為使用的直臺結構墊腳無法帶動并控制產品的收縮，對產品端頭收縮的控制力較弱。因此，有必要對墊腳結構進行改進。

初步，在直臺墊腳的結構基礎上，新設計了三種新型墊腳結構，分別為斜臺墊腳結構、長配合墊腳結構、凹槽型墊腳結構，墊腳示意圖如下：

選取同一批次的φ300±2.5*φ270±2.5mm產品，分別使用上述四種墊腳結構裝載大尺寸產品，燒結后，測量產品尺寸及圓度，數據見表1。

從試驗樣品及上述對比數據可以看出：

1、直臺墊腳結構、斜臺墊腳結構，僅對產品的內徑進行限制，對產品的束縛力較弱，產品圓度較差；

2、使用長配合墊腳結構，由于產品各個位置收縮不一，導致燒結后，墊腳與產品卡死，無法取出；

3、使用凹槽型直臺墊腳結構，對產品的內徑、外徑同時進行了限制，產品圓度相對較好。

4 凹槽墊腳結構分析及優化

4.1 凹槽直臺墊腳結構分析

4.1.1凹槽直臺墊腳結構設計

凹槽直臺墊腳的槽深為5mm，環槽側壁與底部的角度為85°，環槽外徑=瓷殼毛坯外徑+間隙尺寸，環槽內徑=瓷殼毛坯內徑-間隙尺寸，單邊間隙尺寸為1.0mm。環槽的深度為5mm，墊腳的厚度為25mm。墊腳的凹槽設計，可對產品的內外徑同時進行了限制，減少高溫燒結過程中產品的變形量，保證了產品的尺寸及圓度。

4.1.2凹槽直臺墊腳結構分析

燒結時為了防止產品與墊腳相互粘連，在凹槽內涂覆了一層剛玉砂[5]，導致燒結后，產品內外徑與凹槽直臺接觸部位，有剛玉砂產生的墊坑，需對其進行處理，以免影響產品的電性能。

4.2 凹槽斜臺墊腳結構設計

4.2.1凹槽斜臺墊腳結構設計方案

為了避免大產品匹配凹槽直臺墊腳時內外徑端頭墊坑問題，將上述環槽設計為錐形結構，將瓷殼毛坯與墊塊的接觸部位由內、外徑端頭改為倒角處。凹槽斜臺墊腳的槽深為5mm，環槽底部寬度小于環槽頂部寬度，形成錐形結構，墊腳的厚度為25mm。產品在燒結過程中匹配凹槽斜臺墊腳結構時，產品可以順著凹槽斜臺錐形面滑動，從而在很大范圍內，保證產品與錐形面有效接觸，也可有效避免瓷殼毛坯內外徑端頭的墊坑問題。

4.2.2凹槽斜臺墊腳結構設計參數探究

凹槽斜臺墊腳與產品匹配示意圖如圖8，為了保證大產品在燒結過程中的圓度，凹槽斜臺墊腳的重點設計參數為環槽側壁與底部的角度α和環槽底部距產品端面的高度h。

根據圖紙模擬情況，分別設計環槽側壁與底部的角度α為30°、45°，環槽底部距產品端面的高度h為2mm、2.5mm、3mm，裝載φ300±2.5*φ270±2.5mm產品，進行交叉對比試驗，測試數據見表2。

通過對比實驗可以看出：方案5，即凹槽斜臺墊腳結構的環槽側壁與底部的角度α為45°，環槽底部距產品端面的高度h為2.5mm時，配合燒結的大尺寸A-95陶瓷管殼產品的尺寸合格率可達80%多；經批量產品生產性驗證，該控制方法穩定，可進行推廣應用。

5 結語

本文對高電壓真空滅弧室所用瓷殼燒結過程中使用的墊腳結構進行了改進及優化，產品尺寸合格率及圓度明顯提升。為高電壓真空滅弧室所需的大尺寸瓷殼，提供了較為穩定的燒結工藝控制方法。

參考文獻

[1]馬慧.劉志遠.耿英三. 高電壓等級真空滅弧室絕緣設計[J] 真空電子技術.2019-05.7-13.

[2]王雷波.張靈芝. 陶瓷金屬化對真空滅弧室可靠性的影響[J] 真空電子技術.2007-04.79-81.

[3]樸文博.李曉光. 等靜壓95%氧化鋁陶瓷管殼常見缺陷分析[J]真空電子技術.2016-04.38-41.

[4]楊寶珠. 控制瓷殼燒成形變、提高裝配尺寸精度[J] 真空電子技術.2009.53-56.

[5]劉國祥. 影響氧化鋁陶瓷燒結的因素分析[J] 江蘇陶瓷.2000-3.19-21.