Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка здцач исследования
1.1. Способы получения отверстий в платах 9
1.U.1.I Свойства слоистых пластиков 9
1.1.2. Традиционные способы получения отверстий . 10
1.1.3. Особенности получения отверстий в ультразвуковых штампах 12
1.2. Задачи исследования долговечности пуансонов ультразвуковых штампов 20
2. Исследование взаимодействия пуансона с направляющим отверстием и стеклотекстолитом .
2.1. Стадии взаимодействия пуансона и пробиваемого материала . 23
2.2. Определение давления приїима заготовки 24
2.3. Влияние заготовки на взаимодействие пуансона с направляющим отверстием штампа .26
2.4. Особенности конструкции оборудования для штамповки отверстий пуансонами резонансной
3. Долговечность и прочность пуансонов резонансной длины
3. Влияние случайной силы увода на долговечность принудительно ориентированного пуансона 55
3.2. Связь между положениями рабочей части пуансона на стадиях ориентирования и проталкивания
3.3. Расчет долговечности пуансонов при постоянной области приработки 75
3.3.1. Определение допуска на износ . 79
3.3.2. Определение суммарной толщины изношенных слоев пуансона и направляющего отверстия к моменту стабилизации интенсивности износа 84
3.3.3. Методика расчета долговечности пуансонов 91
3.4. Расчет пуансона на прочность 105
3.5. Задачи экспериментальных исследований 121
4 Методика и результате экспериментальных исследований
4.1. Методика планирования экспериментов . 123
4.2.. Исследование распределения случайной силы увода рабочего торца пуансона при. ориентировании
и изгибающего момента при проталкивании 125
4.2.1. Стенд для измерения случайной силы 125
4.2.2. Оценка параметров предполагаемого распределения 129
4.2.3. Определение изгибающего момента при проталкивании 139
4.3. Исследование интенсивности износа 142
4w3.4. Стенд для измерения интенсивности износа .' . 142
4.3.2. Методика проведения и результаты эксперимента ; 150
4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 153
5. Выбор размеров и рекомщдащи к проектированию оборудования для ультразвуковой пробивки
5.1. Выбор диаметра направляющей части и величины смещения нерабочего торца пуансона 161
5.2. Сравнение долговечностей пуансонов со случайным и принудительным ориентированием .- 166
5.3. Результаты расчета модельной задачи и их анализ .173
5.4. Рекомендации по проектированию оборудования ультразвуковой пробивки отверстий в платах . 175
Заключение 179
Литература
- Особенности получения отверстий в ультразвуковых штампах
- Влияние заготовки на взаимодействие пуансона с направляющим отверстием штампа
- Связь между положениями рабочей части пуансона на стадиях ориентирования и проталкивания
- Оценка параметров предполагаемого распределения
Введение к работе
При изготовлении радиоэлектронной аппаратуры широкое применение получили платы печатного монтажа, представляющие собой электроизоляционную подложку с нанесенными на неё тонкими слоями медных проводников. В качестве основания плат применяют листовые слоистые пластики гетинакс и стеклотекстолит. Платы для наиболее ответственных изделий изготавливают из стеклотекстолита.
Высокая коррозионная стойкость, электроизоляционные свойства, удельная прочность, низкая теплопроводность, простота изготовления обеспечивают деталям из листовых слоистых пластиков все большее применение в радиоэлектронной промышленности.
Наиболее трудоемкой и ответственной операцией механической обработки плат печатного монтажа является операция получения монтажных и переходных отверстий. Эти отверстия имеют диаметр меньше толщины платы при межцентровом расстоянии порядка толщины платы. К качеству поверхностей отверстий, подлежащих металлизации, предъявляются жесткие требования.
В своей речи на ноябрьском 1962 г. пленуме ЦК КПСС Генераль ный секретарь ЦК Ю.В.Андропов сказал: "Главный показатель эф фективности экономики - производительность труда растет темпами, которые не могут нас удовлетворить", и далее " ... Мы располагаем большими резервами в народном хозяйстве. Эти резервы надо искать в ускорении научно-технического прогресса, широком и быстром внедрении в производство достижений науки, техники и передового опыта".
В настоящее время отверстия, подвергающиеся металлизации, получают сверлением на специальных станках с программным уп -равлением. При этом стойкость инструмента не превосходит 900 циклов срабатывания. Дальнейшее сверление изношенным сверлом приводит к браку. Сверление отверстий в платах является малопроизводительной и дорогостоящей операцией, которую необходимо заменить штамповкой. Но обычная штамповка не обеспечивает качества поверхности под металлизацию, а стойкость пуансонов невелика.
Многопуансонная пробивка отверстий в штампах, состоящая в возбуждении в пуансонах продольных механических колебаний ультразвуковой частоты, в 5-6 раз снижает усилие пробивки и позволяет получать необходимое качество поверхности пробитого отверстия. В дальнейшем, для краткости изложения, условимся называть этот процесс ультразвуковой пробивкой, а соответствующий штамп ультразвуковым. Однако низкая стойкость пуансонов,заключающаяся в частых поломках их рабочей части, не позволяет внедрить ультразвуковоую пробивку. Кроме того известные установки и штампы для ультразвуковой пробивки не обеспечивают пробивку отверстий в платах большой площади.
Целью работы является исследование процесса взаимодействия пуансона с заготовкой и штампом, разработка методики расчета пуансона на прочность и долговечность, а также выработка практических рекомендаций по проектированию оборудования для ультразвуковой пробивки.
На защиту выносятся:
- механизм взаимодействия пуансона с заготовкой и штампом;
- методика расчета долговечности и прочности пуансонов ультразвуковых штампов;
- рекомендации по выбору конструктивных параметров оборудования для ультразвуковой пробивки отверстий в платах из стеклотекстолита.
Особенности получения отверстий в ультразвуковых штампах
Впервые о возможности пробивки отверстий путем подвода ультразвуковой энергии к матрице или пуансону упоминается в ряде японских патентов [lI8, 119, 120, 121, 122], где отмечается улучшение качества поверхности раздела и снижение потребного усилия деформиро вания.
В работе [107] исследовалась ультразвуковая пробивка большого отверстия в слоистых пластиках. Автор отмечает снижение в 6-8 раз усилия пробивки по сравнению с обычной, поэтому делает вывод о возможности пробивки отверстий диаметром меньше толщины заготовки.
В работах [45, 62, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 108, 109] исследуются параметры ультразвуковой пробивки малых отверстий, при которых достижимо необходимое для металлизации качество их поверхности, однако вопросы стойкости пуансонов не рассматриваются. Автор [I07J указывает на частые поломки пуансонов и связывает их с наличием, кроме продольных, поперечных колебаний пуансонов, однако механизма поломок не приводит .
Наиболее полные исследования ультразвуковой пробивки отверстий в платах содержатся в работе [45], в которой получены экспериментальные зависимости напряжений среза Тер от скорости VUHC подачи инструмента (рис. I.I), исследовалось влияние на усадку пробитых отверстий ДСІ амплитуды колебаний А (рис. 1.2). Приводятся также типовые осциллограммы пробивки стеклотекстолита с ультразвуком (рис. 1.3) и без него (рис. 1.4), а также фотографии микрошлифов пробитых отверстий (рис. 1.5). Автор [45] связывает значительное снижение усилия пробивки с разжижением смолы и послойным разрушением волокон стекла. Разжижение же объясняется непрерывными ударами пуансона о заготовку и нагревом стеклотекстолита под действием ударов. Автор отмечает, что из-за разжижения смолы и значительного давления обратного выдавливания (30 МДа) пробивке сопутствует специфический вид брака - вспучивание верхних слоев материала и медной фольги. После пробивки среда под фольгой затвердевает. Попытка внедрения результатов исследований [45] на штампе (рис. 1.6) и установке (рис. 1.7), несмотря на значительное снижение усилия пробивки, не увенчалась успехом из-за частых поломок пуансонов.
Из графиков на рис. І.І и 1.2 [45] следует, что достижение полезных эффектов при ультразвуковой пробивке возможно при скорости движения инструмента не более 1,8 І0"3 м/с.
В месте схватывания материал имеет более высокую прочность и при дальнейшем относительном движении разрыв происходит по основному металлу. Так как направление колебательных смещений пуансона параллельно его боковой поверхности, то на ней могут появиться лунки. Учитывая высокочастотный характер нагружения пуансона (частота колебаний пуансона 18 кГц) и относительно большое число циклов нагружений в процессе пробивки (скорость пробивки мала), лунки должны привести к усталостной поломке. Так как поломки пуансонов происходят не одновременно и чаще наблюдаются в том отверстии прижима, где была предыдущая поломка, то можно предположить, что благоприятные условия для схватывания определяются износом взаимодействующих поверхностей пуансона и прижима. В дальнейшем для краткости, термин "схватывание" заменим на термин "сварка". По мере износа увеличиваются зазоры между пуансоном и прижимом. Большему зазору при тех же силах взаимодействия соответствуют большие контактные напряжения, увеличивающие опасность сварки [83,I3lJ. Учитывая изложенное, необходимо провести обзор исследований по износу металлов в условиях колебаний.
Авторы [24,30,31,38,43,44,Пб] считают, что автоколебания деталей машин есть результат взаимодействия поверхностей трения. Кроме того, колебания возникают при динамической неуравновешенности деталей механизмов и обслуживаемых ими процессов. Поскольку колебания есть результат взаимодействия поверхностей, то они, будучи созданными искусственно, могут использоваться для изучения закономерностей трения и износа.Авторы fl8,29,50, 68,69,82] отмечают существенное уменьшение силы трения в условиях колебаний. Изучая влияние свойств поверхностного слоя на трение и износ [87-100,102,I03J, авторы приходят к выводу о существенном влиянии на эти свойства ультразвуковых колебаний.
Оценке происходящих изменений в поверхностном слое материалов деталей при их эксплуатации посвящены работы [26, 27] . В работах [57, 59] рассмотрено влияние вынужденных колебаний на формирование свойств поверхностного слоя. Согласно представлениям И.Б.Крагельского [38, 39, 40, 4l] , сформулированным в виде правила о положительном градиенте, процессы на поверхностях трения также связаны с изменениями свойств поверхностного слоя. Учитывая возможность существенного термомеханического воздействия ультразвуковых колебаний на свойства поверхностного слоя, авторы работ [92, 102, ЮЗ] исследуют износостойкость основных конструкционных сталей( Ст. 3, 10, 15, 35, 45, 40Х, 45Г2, 55ПП) и чугунов G4I8-36, G42I-40 . В отношении влияния твердости на износостойкость наибольшее распространение получило мнение, что с её увеличением сопротивление изнашиванию возрастает [37] . Другие авторы [28, IOlJ считают, что общей закономерности изнашивания сталей от их твердости быть не может, и что прямо пропорциональная зависимость износостойкости стали от твердости наблюдается лишь при абразивном износе. При изучении влияния структуры сталей на их изнашивание [21, 37J были получены противоречивые результаты. Однако можно сделать общий вывод, что кроме увеличения содержания углерода на сопротивление изнашиванию положительное влияние оказывают легирующие элементы: марганец, хром, вольфрам, ванадий, кремний, никель. Условия экспериментов в исследованиях [92, 102, ЮЗ] наиболее близки к условиям изнашивания пуансонов: скорость скольжения изменялась от 0,4 до 5,1 м/с, нормальное давление в экспериментах без смазки от 0,25 до 1,47 МПа, в условиях, близких к граничному трению, от 3,68 до 4,91 МПа.
Влияние заготовки на взаимодействие пуансона с направляющим отверстием штампа
При движении пуансона размягченная смола перемещается навстречу пуансону и ломает нити стеклотканл (рис. 2.1), что недопустимо. Излому стекловолокон сопутствует подъем медной фольги (вспучивание). Проведенные нами промеры толщины стеклотекстолита показали, что она не постоянна (рис. 2.2). Особенность разнотол-щинности заключается в том, что переход от выступа к впадине крутой. Длина перехода составляет 3-4 мм при среднем размере впадины 66 мм. Средняя глубина впадины Д 30 мкм. Опыт показывает, что,выбрав нужное давление прижима, можно существенно уменьшить или вообще избежать явления вспучивания.
Определение давления прижима, необходимого для предотвращения вспучиваний, проводилось нами на заготовке 20x20 мм (рис.іі.З). При этом использовалось затвердение смолы в области вспучивания после её охлаждения. Заготовка 5 равномерной толщины (разница не превышала 5 мкм) прижималась прижимом 1 посредством болтов 2. С целью выбора зазоров на болтах создавалось незначительное начальное усилие. Местность болтов выбиралась на порядок меньше жесткости прижима 1 и нижней плиты Ь с тем, чтобы вся деформация от давления смолы в области вспучиваний сконцентрировалась на болтах 2. Высота вспучиваний S (см. рис. 2.3) есть деформация болтов, зная которую из закона Гука определяем силу их растяжения. Разделив эту силу на площадь поверхности вспучиваний, получим отжимающее давление смолы. Его величина составила «73 МПа. При контрольной пробивке заготовки равномерной толщины при давлении прижима 77 МПа вспучивания отсутствовали. Таким образом, для предотвращения вспучиваний на всей поверхности заготовки необходимо обеспечить давление прижима не менее 73 МПа.
Для осуществления сварки достаточна амплитуда колебаний 3 мкм в течение 0,1k: с [l3l] . При ультразвуковой пробивке оптимальна амплитуда А =22 мкм [45]. Сопоставляя осциллограмму (см.рис. 1.3) и зависимости на рис. 1.1 , приходим к выводу, что время любой стадии пробивки больше 0,1 : с. Следовательно, амплитуда и время пробивки достаточны для сварки. Автор [l3l] приводит выражение для определения контактных напряжений сварки где 6i - временное сопротивление наиболее мягкого из металлов пары; - коэффициент, выбираемый для наиболее мягкого металла.
Для закаленной стали =0,11. Если пуансон изготовлен из стали У10А (6 =1650 МПа ), а прижим из Х12Ф1, то 5К =1Ь0 МПа. При пробивке отверстий на установке [45] наблюдалась сварка пуансонов с направляющим отверстием в плите-прижиме (рис. 2.4). Проанализируем причины этого явления. или выступа 66 мм) в пределах платы могла находиться граница между выступом и впадиной. Поэтому даже при идеально равной длине пуансонов часть их начнет контактировать с заготовкой и волноводом раньше, в то время как остальные начнут работать после хода волновода Д =? 0,030 мм. Акустическая развязка волно-водной системы от установки (см. рис.1.7) осуществлялась резиновой прокладкой 15, которая служила также уплотнением водяного охлаждения преобразователя. Под действием момента RzLtj, (рис. 2.5,а) рабочий торец волновода повернется, деформируя прокладку и взаимодействующие с волноводом пуансона. Если не учитывать реакцию прокладки, то верхняя оценка поперечной силы i на свободном конце пуансона будет Р24т (2.4) где =0,3 м - длина ультразвуковой волны; П - число взаимодействующих с волноводом пуансонов.
Участок возрастания силы пробивки на осциллограмме (см. рис. 1.3) приближенно прямая, следовательно, где Хпр =0,22 мм - ход пуансона, соответствующий силе РПр. jru iTj (2,6)
Длины пятен контакта между пуансоном и направляющим отверстием невелики и приближенно примем погонные нагрузки распределенными по линейному закону. Для оценки максимальных значений ширины верхнего пятна контакта 0 , погонной нагрузки ty , кон -тактных напряжений 6 и величины сближения V воспользуемся соотношениями Герца
Связь между положениями рабочей части пуансона на стадиях ориентирования и проталкивания
Время, необходимое на изнод" слоя "толщиной Vf) .ввиду его малости учитывать не будем, что пойдет в запас по долговечно -сти. Не будет учитываться время службы пуансона после выбора допуска на износ в том случае, если У то в течение не более, чем 1500 циклов пробивки (см.рис.2.6). произойдет поломка рабочей части.
Замечания:
1. На величину смещения й должен быть назначен допуск Уд . Выбор границ й при заданном допуске ц удобно зало жить в разделе 5 после получения эмпирических зависимостей для Руб. » ЛТ/ . Здесь отметим, что при любом допуске на fi можно так выбрать диаметр направляющей части пуансона UH » что при максимальном Ц = Ц 0)( Долговечность не ограничивается износом направляющей части. Тогда долговечность группы пуансонов ограничивают пуансоны с М =1 ) = ftflQjcVg CMeu eHiie Ц П долано быть таким, чтобы вплоть до полного износа выполнялось (2.34). Это значит, что при ориентировании пуансон контактирует как с верхней кромкой направляющего отверстия, так и с нижней. Смещение Ц п)( выбираем так, чтобы при проталкивании верхняя кромка и пуансон в точке 6 (см. рис. 2.14,а) не взаимодействовали, то есть верхняя кромка не изнашивалась для всего диапазона Я.
2. Так как многие, необходимые при расчете долговечности расчетные схемы громоздки и часто схемы для ориентирования и проталкивания выполнены на одном рисунке, то в дальнейшем под Lp на стадии ориентирования понимается длина рабочей части, а на стадии проталкивания величина Lp .определяемая по (3,63).
3. Для удобства программирования необходимые при расчете долговечности расчетные схемы и соответствующие им величины прогибов будем нумеровать индексом, на первом месте которого стоит номер схемы в порядке изложения, а на втором - номер участка стержня (пуансона). Например, У«(0) есть прогиб второго участка в направлении оси ОУ для точки с координатой Z==D первой схемы. 42
4. Чтобы не загромождать расчетные схемы,точки пересечения координатных осей (например Оц , 02 , Щъ ) на схемах отмечать не будем.
При ориентировании осевая сила на пуансоне близка к нулюй=0 » пуансон взаимодействует с зацентровкой волновода, острыми кромками направляющего отверстия и заготовкой, то есть 1у = (1х=0 для всех участков пуансона.
Для направляемого участка fty- O . Решение (2.10) и три его производные имеют вид где V« - зазор между рабочей частью и отверстием прижима превышение которого ведет к недопустимому выдавливанию фольги в зазор и образованию заусенца? ц , ц величины допусков соответственно на диаметры рабочей и направляющей частей пуансона} у» - допуск на биение между направляющей и рабочей частями пуансона; ц - величина несоосности между отверстиями под направляющую и рабочую части пуансонаj V5 , Vg - величины допусков на отверстия соответственно под направляющую и рабочую части пуансонaj V7g - разность в поперечном оси пуансона направлении координат точек оси,соответствующих торцу рабочей и переходному сечению от рабочей части к направляющей при наиболее благоприятных для контактирования и сварки направлении и величине случайной силы
Оценка параметров предполагаемого распределения
Задача сводится к определению (0)к . На рис. 3.13 дана расчетная схема стадии ориентирования, а на рис. 3.14 - стадии проталкивания. Единая для каждой из этих схем система координатных осей имеет начало в точке оси цуансона, соответствующей положению его рабочего торца при ориентировании к моменту полного износа при наиболее благоприятном для контакта и сварки рабочей части с отверстием прижима направлении и величине Pyg = Рустах (как на рис. З.Ь, 3.10). На рис. 3.13, 3.14: 1 - конечное положение оси пуансона, соответствующее полному износу J К - положение оси пуансона, соответствующее (КН) шагу интегрирования-, (J - положение, соответствующее концу приработки.
Методика выбора величин смещения fl будет дана в разделе 5, где показано, что долговечность минимальна при И = ДХ гіс.П Будем предполагать, что в этом случае при проталкивании пуансон взаи модействует с направляющим отверстием по всей длине 1ц . Тогда задача определения долговечности решается в линейной постановке в том смысле, что при известном CL(Zg2) известно значение интеграла и фундаменДля определения (0) UK примем, что износ К -ого слоя происходит при одном и том же Pyfe.Li С целью сокращения записи в дальнейшем индексы Li К писать не будем.
В предварительных экспериментах было установлено, что интенсивность износа круто возрастает с увеличением контактных напряжений и амплитуды колебаний. Поэтому эмпирическую зависимость для интенсивности износа будем искать в виде коэффициенты, определяемые из опыта.
Условие равенства времени износа At і необходимого для перемещения точек оси пуансона из одного положения в другое (3 22), справедливо для любой пары точек оси пуансона. Запишем это условие для конечного числа точек S+ 1 , расположенных на равном расстоянии друг от друга -= по длине направляющего отверстия 1»н . тальных функций, образующих (3.76) в точке Z-M=LU . Так как на стадии ориентирования (см. рис. 3.13) пуансон обязательно взаимодействует с нижней острой кромкой направля ющего отверстия (сечение плоскостью 52 52 и ПРИ вычисле нии долговечности учитывается только время износа после завер шения приработки, то сечение пуансона Уэд 052 не смеп ает ся под действием Руб. Lj поскольку оно находится в приработан ной зоне (см. рис. 3.13,в).
Из изложенного в п. 3.2 следует, что с увеличением Уд изгибающий момент при проталкивании должен увеличиваться. Поэтому на расчетной схеме (см. рис. 3.13) допуски на несоосность учтены так, что увеличивают Ц« . Имея эмпирическую зависимость момента jfUl от у0 , толщины заготовки f] и диаметра пробивки dp , можно определить
Из расчетной схемы стадии проталкивания (см. рис. 3.14) имеем систему 12 линейных уравнений граничных условий для определения (}у(0)к и 12 постоянных Аубй » Вубф » Щ » "убф к"ого положения оси пуансона.
Недостающим является соотношение (3,72) между \jQ и (j , которое с учетом допусков Vj , Vo и принятой системы координат принимает вид
При определении эмпирической зависимости ЙПх — х(Уо»Н ,dp) будем также использовать (3.72),чем достигается соответствие полученной эмпирической зависимости методике расчета долговечности.
В первом приближении примем 1 2 =у = \ , тогда Yi = =Q и получим (L (zJL= Qy (О) к =С0ПЛ . После определения фу (0) к необходимо определить l)i((2g2J =(L(0) =C0fl6t Для этого достаточно в (3.204), (3.22b) К, заменить на К +і . Затем уточняются значения yg , по (3.175) до достижения заданной точности определения фу(0) и tyy(0) +4 . При вычислении у2 » yf используем среднее значение 6й ( 22І определяемое по (3,161).
При ультразвуковой пробивке необходимо сравнительно часто (например, при смене штампов или волноводов (см. рис. 2,12))настраивать ультразвуковой генератор, согласуя его выходные параметры с характеристиками волноводной системы. В условиях производства удобно контролировать настройку генератора непосредственно по достижении достаточно малого усилия пробивки, а среднее осевое усилие на пуансоне гср ограничить настройной давления воздуха в пневмоцилиндре рабочего хода волноводной сиетемы.Из-за различных в пределах допусков длин пуансонов, глубины зацентровок в волноводе осевая сила г на наиболее длинном пуансоне, взаимодействущем с наименее глубокой зацентровкой может в не -сколько раз превысить Р р и Рпр і что может привести к поломке наиболее нагруженной рабочей части пуансона.
Поставим задачу определения коэффициента запаса Kj по превышению усилия пробивки Рпр К5=--» (3.248) где г - осевая сжимающая сила, превышение которой влечет поломку рабочей части пуансона.
Для уменьшения стоимости штампа необходимо стремиться к минимальному количеству плит в плите-прижиме. При этом экономически целесообразно сверление отверстий под пуансон в каждой из плит проводить одним сверлом без какой-либо последующей обработки. При сверлении сверло уводит, причем величина увода увеличивается с глубиной сверления. Ясно, что наименее трудоемким будет штамп, где отверстия в каждой плите получены встречным сверлением с двух сторон, а толщины плит, за исключением нижней L » одинаковы. Так как направления увода сверла для каждого сверления случайны, то рассмотрение всех возможных вариантов опирання пуансона при расчете его на прочность в условиях продольно-поперечного изгиба силой Р не представляется возможным. Приближенное определение Kg возможно без учета всех вариантов опира -кия пуансона, если принять следующие допущения .
1. Торец рабочей части пуансона к моменту достижения осевой силой величины г сохраняет то положение, которое он занял при ориентировании.
2. Так как модуль упругости стеклотекстолита на два порядка меньше модуля упругости стали, а угол поворота торца мал, то нормальные напряжения на последнем можно считать распределенными симметрично оси пуансона, а опору торца рабочей части считать шарниром.
3. В пределах направляющего отверстия (длиной 1ц ) имеется по крайней мере одна опорная область. Половина длины этой опорной области L0 мала по сравнению с расстоянием от рабочего торца до опорной области 1 (рис. 3.15,а), поэтому контакт направляющего отверстия с пуансоном принимаем точечным.
