快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究1.docx

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快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究1

快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究1

摘要

快速模具制造技术是20世纪80年代后期产生并发展起来的一种新型制造金属模具技术，它在制造特别复杂型腔模型的金属模具上大大缩短了模具产生的周期，降低了开发成本，在效率和精度方面优势明显。

等离子熔射快速模具制造是快速模具制造技术的一种制模方法，它属于间接制模的一种，因其几乎不受制模材料和尺寸大小的限制，模具尺寸及表面精度高而被广泛采用。

在等离子熔射制模工艺中，耐高温原型的获得一般是从硅胶模翻制而来，而硅胶模又是从快速制模的原型翻制得到的，两次翻制工艺会损失一定精度并耗费较多时间。

本研究采用数控机床直接铣削粘土原型工艺，减少了上述工艺两次翻制的弊端。

但是在铣削后获得的原型还需要加热烧结获得耐高温原型，在烧结冷却过程中，粘土原型会发生先膨胀后收缩，到最后粘土原型会出现收缩。

烧结工艺作为把粘土原型转变为陶瓷原型的一个关键工艺，其工艺质量的高低很大程度上影响到耐高温陶瓷原型表面尺寸精度。

由于陶瓷原型硬且脆，精加工时容易形成崩豁且加工成本很高，为了尽量减少精加工时的去除量，研究粘土原型在加热烧结过程中尺寸变化即收缩率机理就显得尤为重要，由此引申出的尺寸补偿和参数化建模问题则考虑的是如何通过已知的陶瓷原型的尺寸来逆向反求出未知的粘土原型的尺寸以及在Pro/E制图软件上如何实现相关建模的操作。

金相图样分析表明，粘土原型经过精加工后表面精度可达到

，已经满足后续等离子喷涂工艺的要求，不需要后续精加工了。

但如果是加工陶瓷零件，考虑到表面精度要高的问题则还需要做磨削精加工，为此本文简略介绍了磨削相关理论和模型，并结合机器人自动抛光系统进一步论证其加工的可行性。

关键字：

快速制造；烧结工艺；尺寸补偿；参数化建模；磨削机理；机器人自动抛光

ProcessresearchIIofRapidManufacturing

CeramicPrototypingofClay

ABSTRACT

Rapidtoolingtechnologyisinthelate1980sanddevelopedanewtypeofmanufacturingmetalmolds,ithasobviousadvantagesinefficiencyandaccuracy,particularlyincomplexcavitymodel,duetogreatlyreducingthecycleofthemold,reducingdevelopmentcosts,Rapidtoolingbyplasmasprayingisarapidtoolingtechnology,anindirectmoldingmethod,itiswidelyusedbecauseitisalmostfreefromthemoldingmaterialandthesizelimit,thediesizeandhighsurfaceaccuracy.

Plasmaspraytoolingprocess,thehightemperatureprototypeforgeneralreproductioncomesfromthesiliconemold,siliconemoldfromrapidtoolingprototypereproduction,twicethereproductionprocesswilllosesomeaccuracyandspendmoretime.Inthisstudy,theuseofCNCmachinetoolsmillingclayprototypeprocess,reducingthedrawbacksoftheaboveprocesstwicereproduced.Obtainedaftermillingprototypeheatsinteringtoobtainhigh-temperatureprototypeshrinkageaftersinteringcoolingprocess,theclayprototypeofthefirstexpansioninthelastclayprototypetherewillbeshrinkage.

Thesinteringprocessasacriticalprocess,thelevelofthequalityoftheprocessgreatlyaffectedtheprototypehigh-temperatureceramicsurfacedimensionalaccuracyoftheclayprototypeintoaceramicprototype.Easytoformhardandbrittleceramicprototypes,finishingcollapseexcludedandthemanufacturingcostishigh,itisparticularlyimportantinordertominimizethefinishingtimeofremovalofclayprototypeindimensionalchangesintheheatingduringthesinteringshrinkagemechanism,whichcomeoutofthesizeofthecompensationandparametricmodelingtoconsiderishowthesizeoftheceramicprototypeknownanti-reversetofindtheunknownsizeoftheclayprototypeaswellashowtheoperationoftherelevantmodelinginPro/Edrawingsoftware.

Themetallographypatternanalysisshowedthattheclayprototypesurfaceaccuracyafterfinishingcanbeachieved,theyhavemettherequirementsofthefollow-upplasmasprayingprocess,nofollow-upfinishing.Processedceramicparts,takingintoaccountthehighsurfaceaccuracyyouneedtodothegrindingfinishingthispaper,abriefdescriptionofthegrinding-relatedtheoriesandmodels,combinedwiththerobotautomaticpolishingsystemfurtherdemonstratedthattheprocessingviablesex.

Keywords:

RapidManufacturing;Roastingprocess;Dimensioncompensation;Parametricmodeling;GrindingMechanism;Automaticpolishingrobot

目录

摘要I

第一章绪论1

1.1选题背景及目的1

1.2国内外研究概况1

1.3对于尺寸补偿和参数化建模的个人理解3

1.4本文的主要工作4

第二章粘土原型加热烧结工艺5

2.1粘土原型加热收缩特性5

2.2烧结工艺简介5

2.3烧结工艺实验6

2.3.1前期准备工作和设备仪器简介6

2.3.2烧结实验过程7

2.4测量粘土原型材料在空间三个方向上的收缩率9

2.5尺寸补偿和参数化建模10

2.5.1粘土原型材料在空间三个方向的补偿量10

2.5.2粘土原型的参数化建模11

第三章陶瓷原型磨削工艺15

3.1陶瓷原型磨削工艺概述15

3.2陶瓷磨削过程及表征工件加工性能的磨削参数16

3.3陶瓷磨削机理17

3.3.1压痕断裂力学模型和切削加工模型17

3.3.2陶瓷磨削中的脆性去除机理18

3.4磨除率理论模型的建立18

第四章陶瓷原型磨削工艺实验研究19

4.1实验基本思路19

4.2机器人抛光加工实验系统概述20

4.3磨头驱动方式的选择和终端执行器的设计21

4.4选择软质抛光工具、游离磨料和磨具22

4.5选择磨削参数22

4.6实验方案23

4.6.1轴向预压量和磨头补偿量23

4.6.2主轴转速对表面质量的影响23

4.6.3横向进给对表面质量的影响24

4.7实验结果分析25

谢辞27

参考文献错误！

未定义书签。

附录A外文翻译-原文部分29

附录B外文翻译-译文部分34

第一章绪论

1.1选题背景及目的

快速成形技术（RapidPrototypingRP）是20世纪八九十年代发展起来的一种新型制造技术，它融合了机械工程、计算机技术、CAD/CAM技术、数控技术以及材料科学等诸多前沿技术。

而随之发展起来的快速模具制造技术（RapidToolingRT）则是利用快速成形的模型为母模来翻置金属模具并生产实际产品，一般分为直接法和间接法两大类，它在制造特别复杂型腔模型的金属模具上大大缩短了模具产生的周期，降低了开发成本，在效率和精度方面具有明显优势。

等离子熔射快速模具制造（RapidPlasmaSprayTooling，RPST）是快速模具制造技术的一种间接制模方法，它合理地利用了等离子喷涂技术与快速成形技术的互补性，可以准确地复制原模形状、尺寸和花纹，尤其适用于形状不规则、花样复杂但又是小批量生产的模具快速制造。

通常选择粉末作为原型材料，先前已经有很多文献研究了使用石蜡、泡沫、石膏等作为原型材料的可行性。

本文选择了粘土材料作为原型材料，原因有二：

一是江西盛产粘土物美价廉；二是可塑性强、切削去除量大、烧结后固结成的陶瓷原型可直接喷涂。

本研究采用数控中心直接铣削粘土原型工艺，省去了快速原型和硅胶模翻制的两个工序，可以明显缩短工艺流程和加工时间，并最终提高金属模具的制造精度。

但是铣削获得的粘土原型还需要经过加热烧结后才能获得耐高温陶瓷原型。

在烧结冷却过程中，粘土原型会发生先膨胀后收缩到最后再收缩的过程。

烧结工艺作为粘土原型转变为耐高温喷涂陶瓷原型的一项关键工艺，它在改变原型表面尺寸和组织结构方面具有重要作用，也关系到是否有必要进行后续的精加工和最终喷涂模具的表面尺寸精度。

由于陶瓷原型材料硬且脆，精加工时容易形成崩豁且加工成本很高，为了尽量减少陶瓷原型精加工时的去除量，研究粘土原型在加热烧结过程中尺寸变化即收缩率机理显得尤为重要，由此引申出的尺寸补偿和参数化建模问题则考虑的是如何通过已知的陶瓷原型的尺寸来逆向反求出未知的粘土原型的尺寸以及在Pro/E制图软件上如何实现相关建模的操作。

金相图样分析表明，粘土原型经过精加工后表面精度可达到

，已经满足后续等离子喷涂工艺的要求，不需要后续精加工了。

但如果是加工陶瓷零件，考虑到表面精度要高的问题则还需要做磨削精加工，为此本文简略介绍了磨削相关理论和模型，并结合机器人自动抛光系统进一步论证其加工的可行性。

1.2国内外研究概况

金属模具在模具众多种类中占很大的比重，以其高硬度和高耐磨性的优点满足了产品批量生产的需求，在国民经济的各部门，特别是汽车、轻工、电气、电子等行业得到了广泛应用。

近年来，世界模具市场需求潜力巨大，世界模具市场总量一直保持在600~650亿美元的水平。

美国、日本、法国和瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的1/3左右。

在我国，模具共分为10大类46小类。

不同类型的模具具有不同的加工方法，即使同类模具也可采用不同加工技术。

模具加工方法主要有精密铸造、金属切削加工、电火花加工、电化学加工、激光及其他高能波束加工和集多种上述方法为一体的复合加工等。

在工业产品多样化、个性化越来越明显、产品更新换代越来越快、市场竞争越来越来激烈的环境下，金属模具的快速制造已成为快速成形和快速制模技术的研发重点。

等离子熔射快速制模技术因其几乎不受制模材料和尺寸大小限制，尺寸及表面精度高于铸造和烧结法、制模时间和成本远少于和低于电铸法而受到国内外关注，其工艺流程如图1-1。

在该工艺中，制造耐高温原型的被喷涂原型是一个关键步骤，而原有的原型制造一般是从硅胶膜翻制而来，硅胶膜又是从快速制造的原型上翻制得到的，两次翻制工艺会损失一定精度并耗费较多时间。

CAD模型

图1-1等离子熔射快速制模工艺流程

基于此，本研究采用加工中心直接铣削粘土原型新工艺，省去了快速原型和硅胶模翻制的两个工序，可以明显缩短工艺流程和加工时间，并最终提高金属模具的制造精度。

其工艺流程如图1-2。

图1-2等离子熔射快速制模新工艺流程

针对上述提出的关键问题，特拟定如图1-3所示陶瓷原型工艺。

本文研究的是把粘土原型转变为耐高温喷涂陶瓷原型的烧结工艺以及转变为陶瓷后陶瓷原型精加工磨削工艺。

粘土原型数控粗加工

图1-3粘土类陶瓷原型工艺

首先，粘土加热烧结得到陶器的工艺在中国约10000年前新石器时代早期就有发现，当时人们选用黏性适度、质地较细的黏土，用水调和，塑成各种所需的形状，晒干后放在篝火上烘烤获得最原始的陶器。

陶器，希腊语的意思是“一切黏土所制成，然后用火或热变硬的器物”。

黏土通常加热至800℃以上，会发生一系列的物理化学变化，使松散的黏土聚结起来成为有一定强度和硬度、结构较为致密的一种新物质。

考古发掘表明，约公元前三千年左右，我国的陶器制作已有一定的水平。

制造的方法已由手制一步步过渡到使用陶轮，焙烧的方式也由原始的篝火式发展到炉灶式，最后形成陶窑。

这时陶器以红陶为主，灰陶、黑陶次之。

人们发现陶器的颜色一方面与选择的陶土有关，另一方面与窖内温度及气氛控制条件有关。

如选用含铁量高的陶土，烧制时在氧化焰气氛中，其中铁大部分成+3价，陶器多显红色；烧制过程控制在还原焰中，大部分铁转化为+2价，陶器呈灰色到黑色。

若原料中掺和一些有机物，或在烧制后期用烟熏法进行短时间渗碳，使陶器的孔隙度降低，结构更为致密，制得的黑陶更光滑、坚实。

到公元前两千年左右，陶器的质地和器型更为丰富，不仅原有的红陶、黑陶更为精巧，另外还出现白陶。

白陶的原料主要是高岭土，其主要成分是高岭石

微细晶体。

由于铁含量低，而铝含量高，在高温烧成后外形洁白美观，坚硬耐用。

后来在实践中人们发现在挂陶衣的黏土稠浆中加入一些石灰或草木灰等物质时，烧制出的陶器表面会呈现光滑明亮的一层即釉层，釉陶的产生是制陶工艺的又一个大进步。

到了商代中后期，施釉的陶器明显增多，由此陶器和瓷器便完美地结合在一起成为了“陶瓷”。

以后便由中国传遍全世界。

其次，磨削加工技术是陶瓷材料已有加工方法中应用最多的，在陶瓷零件的制造过程中，磨削费用占到总费用的80%，特别适用于加工平面或柱形工件的精加工。

用磨料去除材料的加工是人类最早使用的生产技艺方法。

远在石器时代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，用于生活和狩猎工具。

青铜器出现以后，用磨料的加工技术得到了进一步的发展，用来制造兵器及生产工具，用磨料研磨铜镜已达到镜面的要求。

铁器的出现，更使磨料加工成为一种普遍的工艺技巧得到应用。

18世纪中期出现第一台外圆磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲凿成磨具，进而用天然磨料和粘土烧结成砂轮，随后又研制成功平面磨床，应用磨削技术逐渐形成。

1901年以后，相继发明人工熔炼的氧化铝（刚玉）、碳化硅磨料。

20世纪40年代末期，人造金刚石问世。

1957年研制成功立方氮化硼。

超硬磨料人造金刚石与立方氮化硼的应用及磨削技术的发展，使磨削技术及加工效率不断提高，应用范围日益增大。

当今高速高效率磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达的国家发展很快，如德国的Aachen大学、Bremm大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室完成了磨削线速度为250m/s、350m/s、400m/s的实验。

据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。

在实用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工业中应用。

从上世纪90年代开始，国内外学者进行了大量的研究，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的研究成果。

各发达国家如德、日、美、英等国非常重视陶瓷的开发和应用。

80年代以来各国竞相投入大量的资金和人力，在陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大的进展。

目前，工程陶瓷磨削加工技术正朝着开发精密及超精密磨削工艺、高速高效磨削工艺及研制高精度高刚度自动化磨床的方向发展。

另外，工程陶瓷的加工也在特种加工（如电加工、超声加工和激光加工）和复合加工（如超声振动辅助磨削、ELID（在线电解修整金刚石砂轮）、ECD（电化学在线控制修整）、ECDM（电化学放电加工）、MEEC（机械一电解一电火花磨削））等取得了较快发展。

最后，机器人作为现代自动控制技术、机械学、生物学、通信、计算机科学、力学等科学的集中体现，其使用场合越来越多，已经开始渗透到人们的生活、工作、学习、研究的各个领域，为科学研究和探测工作开辟了新的方向，开拓了靠人力所不能胜利的新科学事业。

在不到40年的时间里，机器人从无到有，特别是近20年的发展，机器人技术取得了令人瞩目的辉煌成就，现在应用最多的是工业机器人。

日本、美国、德国、法国等早在80年代就已开始进行模具研磨抛光自动化系统的研究，并相继推出了模具自动研磨抛光专用加工机床。

工业机械手及机器人的出现与应用，为模具研磨抛光自动化的研究注入了新的活力。

机器人手臂具有良好的柔性，可以模拟熟练工人的技术动作，虽然还不能完全达到模拟熟练工人的研抛动作，但可以通过对人工研抛动作的解析和实验测试，抓住其主要的技术要领，提取研抛过程特征参数，获取研抛知识，达到仿人研磨抛光的目的。

机器人结构刚度较低，但由于研磨抛光加工可以看作是一种少（无）切削加工，且工具与工件接触表面之间的法向力很小，机器人具有如人类手腕一般的自由活动能力，使得它非常适合于模具的自动研磨抛光加工。

目前，日本在机器人研磨抛光自动化加工方面居世界领先地位，其它地区如台湾、香港、澳大利亚、韩国也相继对机器人抛光系统进行了探索性研究。

我国华中科技大学开发的DPST（directprototypespraytooling）技术,将机器人技术与快速模具制造技术相结合，采用机器人直接制造耐高温的熔射原型的工艺和机器人等离子熔射制模工艺，可快速制造出具有优良耐磨耐腐蚀性能的不锈钢、镍-铬-铁基合金等表面的注塑模和金属薄板冲压模。

1.3尺寸补偿和参数化建模简介

尺寸补偿在《互换性与技术测量》课程中是指：

由于零件磨损、腐蚀、装配等原因所引起的尺寸偏差，通过修理或调整来恢复其尺寸链精度的方法。

调整法有自动调整和定期调整两种方式。

修配法一般是对零件的磨损部位进行修补，或者修补、更换加大尺寸的补偿件。

当各组成环尺寸都不易修复时，可增加简单零件进行尺寸补偿。

在本文所说的尺寸补偿个人理解应该是：

由于粘土原型在加热烧结过程中会发生收缩，使得最终得到的陶瓷原型与粘土原型会有个尺寸偏差，这就需要我们在制造粘土原型时考虑个补偿量，即所谓的尺寸补偿。

参数化建模是指：

参数（变量）而不是数字建立和分析的模型，通过简单的改变模型中的参数值而不必改变其CAD模型就能建立和分析新的模型。

这就要求我们准确理解参数的含义，对于本文来说应该是在空间三个方向上的尺寸值。

1.4本文的主要工作

本文是以在加工中心粗加工后的粘土原型为起点，在考虑快速制造模具的喷涂陶瓷熔射原型的效率要高和其表面精度高的问题后，主要做了以下几方面工作：

（1）粘土原型的加热烧结工艺

主要确定了粘土原型在加热烧结工艺过程中的升温速率，讨论了由粘土原型转变为陶瓷原型的颜色变化。

（2）粘土原型烧结收缩变形规律研究及尺寸补偿

主要测量了粘土原型在加热烧结前后的尺寸变化及相应的收缩率，建立了在笛卡尔空间坐标系三个坐标方向的补偿量数学表达式，实现了在Pro/E制图软件上的参数化建模操作。

（3）陶瓷原型的磨削精加工工艺机理

主要介绍了磨削工艺的相关理论和机理，建立磨除率的数学模型，并结合机器人自动抛光系统分析了陶瓷原型精加工的可行性。

第二章粘土原型加热烧结工艺

在加工中心粗加工后的粘土原型虽然已经固化，但内部仍含有大量水分，不符合制作耐高温原型的要求，需要进行加热烧结脱去内部水分。

研究表明，粘土中水分子主要存在3种状态：

范德华力作用下的自由水、氢键力作用下的松散吸附结合水、氢键力和静电引力作用下的紧密吸附水（强吸附结合水）。

25~75

区间里的失水为自由水（最先脱去），75~150

区间里的失水为松散吸附结合水（脱去速度较自由水滞后），150~230

区间里的失水为紧密吸附水（强吸附结合水）（最后脱去）。

为了获得高精度和高致密的陶瓷原型，需要通过加热烧结工艺使粘土内部组织更加致密，晶粒间结合更紧密，增加其强度，以用于后续等离子喷涂制模。

2.1粘土原型加热收缩特性

体积收缩是粘土加热变化的一个重要特征，这是由于其内部发生的一系列物理、化学变化所引起的（如脱水、分解、液相形成及莫来石晶体的长大等）。

体积收缩值的大小，在不同温度范围内不一样。

粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。

随着水分的蒸发在土—水体系的表面、三相交界面上之弯液面形成的张力，使颗粒靠近；与此同时，由于颗粒间的扩散变薄，其中反离子浓度增加，使它们吸引两侧土粒的力量也增强，并超过原来两侧土粒间由于同号电荷引起的斥力，但由于两同号电荷的颗粒互想接近斥力也增加了，直到斥力与引力达到新的平衡为止。

在收缩过程中，由于失去水分，空气进入孔隙，在三相界面上的表面张力可使颗粒定向排列，从而引起进一步的收缩。

收缩的过程可分为两个阶段：

第一阶段粘土体积的缩小与含水率的减小成正比，呈直线关系，粘土之减小的体积等于水分散失的体积。

第二阶段粘土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系，粘土体积的减小量少于失水体积，随着含水率的减小，粘土体积收缩愈来愈慢。

当粘土中含水率小于收缩极限时，粘土体积收缩极小，随着含水率的增加，粘土体积增大，当含水率大于液限时，土体坍塌。

所以液限与缩限为土与水相互作用后，粘土体积随含水率变化之上、下界限，以缩性指数Is表示。

收缩性的大小，可以说明随着含水率的变化，土体积变化的大小。

表示的膨胀压力随液限的增大而增大；膨胀压力与收缩的关系与之相反。

实践中常用缩性指数作为评价粘性的土的收缩性指标。

表征粘性土的收缩性指标有：

体收缩率，试样收缩减小的体积与收缩前体积的比值，以百分率表示。

线收缩率，试样收缩后的高度减小量与原高度之比，以百分率表示。

本文所要研究的是粘土的线收缩率，其