4.2 Выбор материалов конструкции

Выбор материалов конструкции производится согласно требованиям, изложенным в ТЗ. Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

иметь малую стоимость;

легко обрабатываться;

быть легкими;

обладать достаточной прочностью и жесткостью;

сохранять свои физико-химические свойства в процессе эксплуата­ции;

удовлетворять требованиям технической эстетики;

Приступая к проектированию прибора, конструктор прежде всего дол­жен выбрать материал деталей, определить параметры их изготовления и способы соединения как сборочных единиц, так и в сборке прибора и его устройств. Выбор материала на начальной стадии проектирования характе­рен как для машиностроения, так и для приборостроения [11].

Техническая характеристика и работоспособность приборов во многом зависит от правильности выбора материалов для отдельных деталей. В при­боростроении применяют обширную номенклатуру технических материалов. Специфика их работы состоит в том, что они испытывают разнообразные внешние воздействия: механическую нагрузку, электрические и магнитные поля, световые потоки, радиационное облучение и т.д. Часто эти факторы действуют одновременно, поэтому при выборе материалов для отдельных де­талей приборов приходится учитывать до 20-30 характеристик разных свойств материалов.

При выборе материала для детали прибора необходимо предварительно сформулировать требования, к материалу исходя из конкретных условий ра­боты данной детали, представить весь ее технологический цикл обработки и влияние этого цикла на характеристики собираемого материала [11]. Все при­меняемые в приборостроении материалы делят на металлические и неметал­лические. Металлические в свою очередь, подразделяют на конструкционные сплавы общего назначения (черные и цветные металлы) и специальные сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные материалы, сплавы с малым и заданным температурным коэффициентом расширения, сплавы с особыми упругими свойствами и т.д.). Неметаллическими могут быть мате­риалы органического и неорганического происхождения. К первым отно­сятся пластмассы и волокнистые изоляционные материалы, ко вторым стекла, слюда, керамика. Иногда классифицируют материалы по их примене­нию: оптические, контактные, смазочные и т.д.

Покрытия в приборостроении помогают улучшить характеристики применяемых в приборостроении материалов. Детали с покрытиями лучше противостоят вредному действию коррозийно-агрессивных сред, атмосферы, изнашиванию, циклическим контактным нагрузкам и т.д.. Они имеют хоро­шие декоративные свойства. По выполняемым функциям покрытия подраз­деляют на защитные, защитно-декоративные, декоративные и специальные. По виду наносимого материала – на металлические, неметаллические, неор­ганические, неметаллические полимеры и лакокрасочные. Особое место среди покрытий занимает покрытие для защиты от коррозии.

ГОСТ 9.306-5 на покрытия металлические и неметаллические органи­ческие классифицирует покрытия по способу получения, функциональным и декоративным свойствам, а также способу дополнительной обработки по­крытия. Покрытия классифицирую еще в зависимости от условий эксплуата­ции.

При выборе покрытий следует учитывать изменение размеров деталей, а так же изменение свойств материала детали в процессе нанесения покрытий и разность потенциалов между металлом покрытия и деталью, и между по­крытиями сопрягаемых деталей.

Корпус должен обеспечивать требуемую жесткость и прочность при малой массе, поэтому в процессе его производства чаще всего применяют прокат толщиной до 2мм в виде листов, лент, гнутых профилей из сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов [11]. Рассмотрим марки неко­торых типовых представителей номенклатуры материалов, применяемых в производстве корпусов.

Сталь 10 КП ГОСТ 1050-74 – низкоуглеродная, конструкционная, высокой пластичности; хорошо сваривается и деформируется в холодном состоянии. Применяется для изготовления статически умеренных нагруженных деталей и узлов, когда при их производ­стве необходимы значительные пластические деформации: гибка, высадка, холодная штамповка, обработка и др.

Наиболее высокопластичный из алюминиевых сплавов – альми­ниево-марганцовый АМц ГОСТ 4784-74, обладающий повышен­ной коррозийной стойкостью. Как и другие алюминиевые сплавы, он в три раза легче стали; для обеспечения мягкости и вязкости при штамповке и гибки применяется в отожженном состоянии; рекомендуется для изготовления деталей, когда необходима высо­кая пластичность и свариваемость.

Более прочный и более жесткий, чем АМц, сплав Д16 использу­ется в виде плакированных листов (при изготовлении они покры­ваются с двух сторон тонкими листами мягкого коррозийно-стой­кого алюминия). Из Д16 производятся несущие конструкции, по­стоянно не соприкасающиеся в морской водой, воспринимающие средний механические нагрузки и работающие при нормальных температурах.

Титан обладает высокой прочностью и жесткостью , сравнимой с твердостью стали, коррозийно стоек (последнее свойство выше чем у нержавеющей стали), почти в два раза легче стали. Однако в морской воде в контакте с медными сплавами и нержавеющей сталью подвержен электрохимической коррозии. Его теплопро­водность в 4 раза ниже, чем у стали, электропроводность – в 30 раз слабее, чем у меди. Для штамповки применяют листы марки ВТ1-0 ОСТ1 90013-71, причем изготовление деталей несущей конструкции затрудняется из-за быстрого износа оборудования. Стоимость титана и его сплавов значительно выше стоимости стали. ВТ1-0 применяют для изготовления несущих конструкций, к которым предъявляют требования высокой прочности, коррози­онной стойкости, а также производства элементов, работающих в условиях высоких температур до 573^о…623^оК.

Пресс-материал АГ-4 ГОСТ 20437-75 производится на основе моди­фицированной феноло-формальдегидной смолы и минераль­ного наполнителя. В зависимости от последнего материал выпус­кается в виде спутанного волокна или ленты, покрытых смолой. АГ-4 имеет высокие механические и электрические свойства, мало зависящие от температуры и влажности; из него изготавливают детали РЭС, работающие при повышенной влажности и темпера­туре, требующие высокой механической прочности и электроизо­ляции, элементов, эксплуатируемых в условиях тропического климата.

Основную роль в несущей конструкции ССД играет корпус, в связи с этим прочность конструкции будет зависеть от материала корпуса. Обычно ответственные детали несущих конструкций выполняют из сталей.

Для этих целей используется сталь углеродистая качественная кон­струкционная марок 05,08, 10, 15, 10, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 58, 60, с содержа­нием углерода от 0,06 до 0,65 %. Обозначение марки соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. По степени раскисления вы­пускается сталь спокойная (в обозначении не указывается) полуспокойная – пс марок 08пс, 10пс, 15пс, 20пс, и кипящая – кп марок 05кп, 10кп, 15кп, 20кп.

Поставляется горячекатаная и калиброванная – круглая, квадратная, шестигранная, в виде листов, полос, лент, проволоки и др.

По качеству отделки поверхности выпускается материал следующих групп:

• I – особо высокой отделки – холоднокатаный, поверхность без сле­дов коррозии и цветов побежалости, Rа 0,8…1,6, на лицевой стороне де­фекты не допускаются;

• II – высокой отделки – холоднокатаный, без следов коррозии, цвета побежалости не более 50 мм от края;

• III – повышенной отделки – холоднокатаный, поверхность без сле­дов коррозии, допускаются цвета побежалости по всей поверхности;

• IV – обычной отделки – горячекатаный, поверхность травленая или не травленая, допустимы следы изгиба, общая рябизна, тонкий не отделив­шийся слой окалины;

При листовой штамповке предусмотрены стали: по способности вы­тяжки для глубокой – Г и нормальной – Н вытяжки, при требовании контроля штампуемости – ШТ; по точности проката – лист нормальный – Б и повы­шенной – А точности; по плоскостности – особо высокой – ПО, высокой – ПВ, улучшенной – ПУ и нормальной – ПН точности. Исходя из вышеуказан­ного запишем сортамент и марку стали для изготовления корпуса:

Б-ПН-1,5 ГОСТ 19904-74

Лист 5-II – Г-10КП ГОСТ 16523-70 - лист холодноката­ный, нор­мальной точности (Б), нормальной плоскостности (ПН) толщина 1,5 мм из стали категории 5 по контролируемым свойствам, качество поверхно­сти по группе II , для глубокой вытяжки (Г) марка стали 10КП, свойства и качество поверхности по ГОСТ 16523-70.

Их анодных покрытий по стали наибольшее применение нашли цинковое и кадмиевое, которые защищают сталь от коррозии. У цинкового покрытия скорость коррозии в промышленной атмосфере ниже, чем у кад­миевого и составляет 1…1,5 мкм/год. Покрытие обладает декоративными свойствами, цвет серый или серебристо-серый. Хроматирование увеличивает декоративность, цвет зеленовато-желтый с радужными оттенками или чер­ный с зеленоватым оттенком (черное хроматирование).

Выбор материалов для производства печатной платы нашего уст­ройства необходимо производить исходя из условий его эксплуатации и ус­ловий проведения испытаний на прочность.

Материал печатной платы должен обладать механической прочностью на изгиб и растяжение. Кроме этого материал печатной платы должен иметь диапазон рабочих температур не меньший, чем у всего устройства.

В качестве материала для печатной платы следует выбрать стекло­тектстолит на эпоксидной основе т.к. он обладает лучшими параметрами по следующим показателям (см. таблицу 4.8):

• Относительная диэлектрическая проницаемость;

• Тангенс угла диэлектрических потерь;

• Объемное удельное сопротивление;

• Интервал рабочих температур;

• Коэффициент теплопроводности;

• Тепловой коэффициент линейного расширения .

Таблица 4.8 – Параметры материалов печатных плат

Параметр	Гетинакс	Текстолит на капро­новой основе	Стеклотектстолит на эпоксидной основе
1	2	3	4
Плотность без фольги, кг/м3	1300…1400	1300…1500	1600…1900
Относительная диэлек­трическая проницае­мость	4,5…6	4,5…6	5…6
Тангенс угла диэлектри­ческих потерь на частоте f=106 Гц	0,008…0,02	0,03…0,04	0,005…0,02
Объемное удельное со­противление, Ом*см	1012…1014	1012…1014	1014…1015
Интервал рабочих тем­ператур, оС	-60…+80	-60…+70	-60…+100
Коэффициент теплопро­водности, Вт/(м*К)	0,25…0,3	0,23…0,34	0,34…0,74
ТКЛР, 10-6 К-1	22	22	8…9

Печатные платы изготовлены из одностороннего фольгированного стеклотекстолита СФ-2-35Г.

При выборе припоя следует учитывать , что припой должен быть легко­плавким, недорогим и технологичным. Кроме этого припой должен обладать хорошей адгезией к меди, а также иметь малое переходное сопротивление. Выберем наиболее распространенный оловянно -свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Характеристики этого припоя приведены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 – Характеристика припоя марки ПОС. – 61

Характеристика	Значение
Температура полного расплавления, 0С	190
Электросопротивление, мкОм/м	0,12
Прочность паяемых соединений, МПа	30…40

Для электрических соединений между платой и другими элемен­тами, а также между элементами устройства необходимо использовать про­вода. Они должны быть изолированными, для предотвращения коротких за­мыканий и коррозии. Выберем в качестве такового провод марки МНВ7, ко­торый является стойким к воздействию влаги и повышенной температуры.

Проанализировав ТЗ на наше изделие делаем вывод о том, что панель должна иметь не только защитное, но и декоративное покрытие, должна быть довольно прочной, т.к. входит в состав несущей конструкции. Для этой цели лучше подходит сплав алюминия с медью и магнием (дюралюминий), кото­рый обладает хорошей обрабатываемостью давлением, хорошей теплопро­водностью, высокой пластичностью и прочностью. Сортамент – лист Д16 АТ – 2,0 ГОСТ 21631-76. Буква. А в обозначении говорит о том, что лист из алю­миниевого сплава с нормальным плакированием, Т - закаленная и, естест­венно, состаренная. Цифра 2,0 – толщина в мм.

Для защитных покрытий по алюминию и его сплавам рекомендуется: Ан. Окс. хром гр ж, Ан. Окс. хром, Ан. Окс. нхр, Ан. Окс. ч. Для защитно-де­коративных покрытий – Ан. Окс. краситель, Аноцвет 351, краситель.

Анодно-оксидное покрытие – защитное покрытие пленкой окислов ос­новного материала, полученной в электролите. Свойства пленки зависят от основного материала и электролита.

Покрытия по алюминию и его сплавам имеют пористое строение и сравнительно высокую твердость. При наполнении красителями возможно получение широкой гаммы цветов. Следовательно, для передней панели применим анодно-оксидное покрытие с добавкой черного красителя.

В конструкции системы санкционированного доступа необходимо ис­пользовать крепежные винты. Т. к. винт имеет резьбу, то сталь должна быть повышенной износостойкости, прочной, а так же с достаточной вязкостью сердцевины. Этим требования соответствует среднеуглеродистая качествен­ная сталь 45. После изготовления детали ее необходимо закалить в масле и отпустить, или закалить токами высокой частоты.

Сортамент – стальной горячекатаный прокат диаметром 14мм. Покры­тие должно защищать винт от механических воздействий, обладать стойко­стью к окислительной атмосфере, обладать высокой износостойкостью и де­коративными свойствами. Этими свойствами обладает хромовое покрытие, которое является катодным по отношению к сталям и защищает их механи­чески. Для эстетического вида этому покрытию необходимо придать светло-серый цвет (молочный). Обозначение этого покрытия – Хмол 9.

Материалы, применяемые в данной конструкции, сведены в таб­лицу 4.10:

Выбранные материалы являются унифицированными и их номенк­латура ограничена до минимально возможной, чтобы обеспечить применение типовых технологических процессов и малую себестоимость конструкции.

Таблица 4.10 – Применяемые материалы

Наименование детали	Марка материала	Покрытие
Корпус	Б-ПН-1,5 ГОСТ 19904-74	М9.Н6.Х
Печатная плата	СФ-2-35Г	ПОС- 61ГОСТ 21931-76
Крепежные винты	Пруток Ст.45 ГОСТ 1050-74	Хмол 9