工艺技术_快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究

快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 1 摘摘 要要 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1 m 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 快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - I - ProcessProcess researchresearch I I ofof RapidRapid ManufacturingManufacturing CeramicCeramic PrototypingPrototyping ofof ClayClay ABSTRACT Rapid tooling technology is in the late 1980s and developed a new type of manufacturing metal molds, it has obvious advantages in efficiency and accuracy, particularly in complex cavity model, due to greatly reducing the cycle of the mold, reducing development costs, Rapid tooling by plasma spraying is a rapid tooling technology, an indirect molding method, it is widely used because it is almost free from the molding material and the size limit, the die size and high surface accuracy. Plasma spray tooling process, the high temperature prototype for general reproduction comes from the silicone mold, silicone mold from rapid tooling prototype reproduction, twice the reproduction process will lose some accuracy and spend more time. In this study, the use of CNC machine tools milling clay prototype process, reducing the drawbacks of the above process twice reproduced. Obtained after milling prototype heat sintering to obtain high-temperature prototype shrinkage after sintering cooling process, the clay prototype of the first expansion in the last clay prototype there will be shrinkage. The sintering process as a critical process, the level of the quality of the process greatly affected the prototype high-temperature ceramic surface dimensional accuracy of the clay prototype into a ceramic prototype. Easy to form hard and brittle ceramic prototypes, finishing collapse excluded and the manufacturing cost is high, it is particularly important in order to minimize the finishing time of removal of clay prototype in dimensional changes in the heating during the sintering shrinkage mechanism, which come out of the size of the compensation and parametric modeling to consider is how the size of the ceramic prototype known anti-reverse to find the unknown size of the clay prototype as well as how the operation of the relevant modeling in Pro / E drawing software . The metallography pattern analysis showed that the clay prototype surface accuracy after finishing can be achieved, they have met the requirements of the follow-up plasma spraying process, no follow-up finishing. Processed ceramic parts, taking into account the high surface accuracy you need to do the grinding finishing this paper, a brief description of the grinding- related theories and models, combined with the robot automatic polishing system further demonstrated that the processing viable sex. Keywords:RapidManufacturing;Roasting process;Dimension compensation;Parametric modeling;Grinding Mechanism;Automatic polishing robot 华东交通大学毕业论文 - II - 目录目录 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。错误！未定义书签。 快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - III - 附录 A 外文翻译-原文部分29 附录 B 外文翻译-译文部分34 华东交通大学毕业论文 - 0 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及目的选题背景及目的 快速成形技术（Rapid Prototyping RP）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（Rapid Tooling RT）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（Rapid Plasma Spray Tooling，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1 m 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 600650 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、 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 1 - 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。 去除基膜金属模具 快速原型硅胶膜 熔射壳层 补强和后处理 图图 1-1 等离子熔射快速制模工艺流程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。 快速原型 金属模具 CAD 模型 机器人磨削陶瓷原型熔射壳层 补强和后处理 图图 1-2 等离子熔射快速制模新工艺流程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。 陶瓷原型精加工 零件原型建模加工轨迹生成 粘土原型烧结 图图 1-3 粘土类陶瓷原型工艺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， CAD 模型 粘土原型数控粗加工 华东交通大学毕业论文 - 2 - 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， 2322 l2 iO2A OSH O 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 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 3 - 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(direct prototype spray tooling)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尺寸补偿和参数化建模简介简介 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。 华东交通大学毕业论文 - 4 - 第二章第二章 粘土原型加热烧结工艺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） 。2575 区间里的失水为自由水（最C 先脱去） ，75150 区间里的失水为松散吸附结合水（脱去速度较自由水滞后） ，C 150230 区间里的失水为紧密吸附水（强吸附结合水） （最后脱去） 。C 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，其数学表达式为： 。 - =100% 收缩前的尺寸收缩后的尺寸 线收缩率 收缩前的尺寸 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 5 - 2.2 烧结工艺简介烧结工艺简介 烧结是粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度 冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末 颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。烧 结工艺是指根据原料特性所选择的加工程序和烧结工艺制度。它对烧结生产的产量和质 量有着直接而重要的影响。 烧结过程必须具备两个基本条件：(一)应该存在物质迁移的机理；(二)必须有一种能 量(热能)促进和维持物质迁移。根据烧结性质随温度的变化，可以把烧结过程用图 2-1 表 示。初期烧结颈形成阶段，通过形核、长大等原子迁移过程，颗粒间的原始接触点或面 转变成晶粒结合，形成烧结颈；中间烧结颈长大阶段，原子向颗粒粘结面的大量迁移使 烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙的结构变得光滑，形成连续的空隙网络；最终烧结阶 段：烧结的最终阶段是一个很缓慢的过程，借助于体积扩散机制将发生孔隙的孤立、球 化及收缩。 图图 2-1 烧结过程烧结过程 2.3烧结工艺实验烧结工艺实验 2.3.12.3.1前期准备工作和设备仪器简介前期准备工作和设备仪器简介 （1）为了研究粘土原型在转变成陶器原型的烧结过程中表面尺寸的变化情况，故特 意选取加工了的点阵图案，其在加工中心的部分加工过程如图 2-2。3 3 华东交通大学毕业论文 - 6 - 图图 2-2 粘土原型部分加工过程粘土原型部分加工过程 （2）为了保证粘土原型在烧结过程中不发生崩裂，粘土原型应该足够固结，虽然在 初始干燥过程粘土原型已经失去了大部分的自由水，但还是存在少量的自由水和大量的 结合水和吸附水，这些水分的存在很可能在烧结过程中形成气孔和粉末化而影响其组织 结构，为了使这些水分挥发充分，粘土原型需要在保持在室温 45 个小时，以脱去粘土 内的残余的自由水。最后得到的粘土原型效果如图 2-3。 图图 2-3 烧结前的粘土原型烧结前的粘土原型 由效果图可看出，粘土原型已经基本固结完全，水分也已基本挥发完全，可以进行 后续的烧结工艺。 （3）烧结工艺用的烧结炉 烧结炉使用的是学校材料实验室的，其最高温度可达到以上，数字显示实时 1000 C 温度值，电阻传感器，由于使用年代久远，密封不是很紧，温度上升得很快但降的很慢， 不能智能控制温度变化，只能人工凭经验控制其温度变化。 图图 2-4 烧结炉烧结炉 2.3.22.3.2烧结实验过程烧结实验过程 粘土的烧结机理主要是液相烧结过程，因此其烧结性能主要取决于在高温下产生的 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 7 - 液相数量与性质，即取决于粘土中所含熔剂杂志的种类、数量，以及比值。 232 l/ iOA OS 烧结温度与烧结范围是粘土的重要性质，一般而言粘土中的杂志含量越少，其烧结温度 越高，烧结范围越窄。粘土的烧结程度通常用吸水率或体积密度表示，一般吸水率小于5%。 经过本人近一个月的摸索，发现烧结炉升温规律如下： （1） 升温大概需要 10 分钟左右。 100 C （2） 降低大概需要 1 个小时左右。 100 C 进一步研究发现，粘土原型在烧结炉加热温度上升到，整体已经非常硬固，虽 500 C 然还没加热升温到陶瓷原型所需要的以上，已经可以直接往上喷射铁水用于熔射 1200 C 制模了。故本实验的烧结加热只加热到。 500 C 烧结过程中，由于粘土原型导热性差，湿强度低，升温不能过快，否则容易开裂。 因此采取阶段性升温。又由于粘土原型导热不均匀，加热到一定温度后粘土内部和外部 温度不一致，这就需要在加热到一定温度后再保温相当长一段时间。升温曲线如图 2-5。 烧结升温分三个阶段： 第一阶段主要是脱去粘土内的松散吸附结合水分，这阶段的温度保持在2 个小 150 C 时。 第二阶段主要是粘土内的紧密吸附水的挥发，这阶段的温度先由上升到 150 C 保温 1 个小时，再由上升到保温 2 个小时。 200 C 200 C 300 C 第三阶段主要是粘土内的粉末颗粒再结晶的过程，这阶段的温度每上升保温 2 50 C 个小时，一直上升到。 500 C 图图 2-5 升温速率曲线升温速率曲线 加热烧结完后，还需要在室温放置上 45 个小时，以使组织结构冷却均匀。 华东交通大学毕业论文 - 8 - 烧结实验结束后，粘土原型的颜色发生明显的变化，由红褐色变成了玻璃化的淡色 光泽。主要是因为形成了致密的晶粒组织，对比图 2-6。 图图 2-6 粘土原型烧结前后对比粘土原型烧结前后对比 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 9 - 第三章第三章 粘土原型的尺寸补偿和参数化建模粘土原型的尺寸补偿和参数化建模 粘土原型转变为陶瓷原型的烧结过程中会发生尺寸的收缩变化，即得到的陶瓷原型 的尺寸比初始粗加工的粘土原型的尺寸偏小，虽然最终获得的耐高温喷涂陶瓷原型可以 通过陶瓷原型进行磨削精加工获得，但由于陶瓷材料硬且脆，切削去除量很小，精加工 时容易形成崩豁且加工成本很高，满足不了快速制造的宗旨要求。 基于此，为了尽量减少陶瓷原型加工的切削量，有必要准确掌握粘土原型在烧结过 程的尺寸收缩机理显得，由此考虑的粘土原型尺寸补偿和参数化建模问题则是基于上述 考虑后如何已知陶瓷原型尺寸逆向反求出粘土原型尺寸以及如何在制图软件上实现相关 参数化建模的操作。 3.1测量粘土原型材料在空间三个方向上的收缩率测量粘土原型材料在空间三个方向上的收缩率 测量粘土原型材料在空间三个方向上的收缩率是继烧结实验后的一项重要数据测量 工作，也是本文核心研究和讨论的工作，其意义在于已知最终设计的产品模型尺寸逆向 反求制作初始时粘土原型的尺寸。 本文选取上述粗加工好的点阵粘土原型为测量对象，先在点阵样品上标记 9 个测量 点（如图 3-2） 。然后用游标卡尺分别测量在烧结前后部分标记点在长度（x） 、宽度（y） 和高度（z）三个空间方向上（如图 3-1）三个方向的尺寸变化。为表示随机性，这里选 取标记点 1、4、7 测量长度 x 方向的尺寸，选取标记点 2、5、8 测量宽度 y 方向的尺寸， 选取标记点 3、6、9 测量高度 z 方向的尺寸。其中标记点 1、2、3 的三维尺寸为 mm，标记点 4、5、6、7、8、9 的三维尺寸为mm。8 2 8 8 8 8 这里需要特别指出的是，由于游标卡尺是刚性的，而粘土是软性的，为了保证粘土 原型轮廓的完整性，在用游标卡尺测量粘土原型的尺寸时应非常小心翼翼，尽量不磕碰 到原型的轮廓尖角，且在烧结前后粘土原型都应该在室温放置足够长的时间以使尺寸收 缩释放完全，保证测量得到的数据的准确可靠性。另外，由于收缩率一般很小不易测量， 这就需要在测量长度、宽度和高度三个方向的尺寸时应尽可能的多的选取不同方位点进 行测量以找到最佳值，这就更需要我们测量时仔细认真地读数。 华东交通大学毕业论文 - 10 - 图图 3-1 空间笛卡尔坐标系上三个坐标方向空间笛卡尔坐标系上三个坐标方向 图图 3-1 样品测量点样品测量点 图图 3-3 游标卡尺游标卡尺 按照上述测量方法依次测量，得出粘土收缩率的三组数据，列于下表 3-1。 表表 3-1 粘土烧结收缩率粘土烧结收缩率 测量点 状态 长度 x（mm）宽度 y(mm) 高度 z(mm) 147258 3 6 9 烧结前8.007.987.961.987.987.967.987.968.00 烧结后7.947.947.921.967.947.92 7.967.947.98 尺寸差0.060.040.040.020.040.040.020.020.02 收缩率0.75%0.50%0.50%1.01%0.50%0.50% 0.25%0.25%0.25% 平均收缩率0.58%0.67% 0.25% 从表中可以看出，粘土原型通过烧结后在三个空间方向收缩率都很小，且收缩率都 不一样，其中宽度方向收缩率最大为 0.67%，长度方向其次为 0.58%，高度方向收缩率最 小为 0.25%。分析其原因可能是温度场影响对粘土三个方向变形的影响不同。 另外，综上可以得出粘土在烧结过程中没有发生明显的开裂和变形现象，尺寸基本 上维持不变。 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 11 - 3.2尺寸补偿和参数化建模尺寸补偿和参数化建模 3.2.13.2.1粘土原型材料在空间三个方向的补偿量粘土原型材料在空间三个方向的补偿量 通过上述粘土原型烧结前后测量三个空间方向的收缩率实验可知，要得到符合设计 所要求的耐高温的喷涂陶瓷原型，必须考虑在粘土原型烧结前在空间三个方向都有一个 补偿量，其补偿量的计算公式为： 长度方向（x）补偿量为：； x =D1-0.58% -DD x后x后补 （） (1) 宽度方向（y）补偿量为：； =D1-0.67% -D y D y后y后补 （） (2) 高度方向（z）补偿量为：； (3) =D1-0.25% -D z D z后z后补 （） 这里、分别表示烧结后陶瓷原型在长度方向、宽度方向和高度方向的尺Dx后 Dy后Dz后 寸，即是通过设计所要求的陶瓷原型三维尺寸来反求制作粘土原型所需要的三维尺寸， 这也满足了快速制造原型模具的要求，大大加快了制作毛坯粘土类原型的进程。 这里需要指出的是上述三个等式并不都适合所有情况，只是在上述烧结工艺中，以 粘土原型为材料，至于对于其他工艺情况和其他不同的原型材料的尺寸补偿量就不得而 知了。 另外，由上述三个等式可以得到的粘土原型三维尺寸： 长度方向（x）尺寸：； x =D1-0.58%D x后前 （） (4) 宽度方向（y）尺寸： ； =D1-0.67% y D y后前 （） (5) 高度方向（z）尺寸：； =D1-0.25% z D z后前 （） (6) 这里、分别表示烧结前粘土原型在长度方向、宽度方向和高度方向 Dx前Dy前Dz前 的尺寸。 上述三个等式给我们一个重要启示：即只要给出一个陶瓷原型三维尺寸就可以得到 相应的粘土原型三维尺寸，这就为我们制作粘土原型提供了极大的方便，也为后续的参 华东交通大学毕业论文 - 12 - 数化建模奠定了数学基础。 3.2.23.2.2基于尺寸补偿的粘土原型参数化建模基于尺寸补偿的粘土原型参数化建模 由于快速原型制造技术是集机械工程、计算机技术、数控技术以及材料科学等为一 身的技术，为了表现其快速便捷性，本文选用了常用的 Proe/E 制图软件，实践操作了如 何利用上面得到的参数关系式进行参数化建模。 由于只知道在 x、y、z 三个坐标方向的收缩率而不知道在空间弯曲曲线的收缩率，所 以为了简化，首先选取了较为简单的模型，如图 3-4 立方体模型，其三个方向的尺寸为 mm。具体操作步骤如下：8 8 8 （1）由于三个空间方向的尺寸是任意给定的，故应首先设置 x、y、z 方向上的尺寸 参数 A、B、C，单击“工具”菜单条中的“参数”命令，系统打开“参数”对话框，单 击“添加新参数” 按钮，添加的参数如图 3-5 所示，参数 A、B、C 都设置为 8mm。 图图 3-4 立方体模型立方体模型 图图 3-5 添加参数添加参数 （2）单击“工具”菜单条中的“关系”命令，系统打开“关系”对话框，输入关系 式：，如图 3-6 关系式，注意此时尺寸：长1/0.9942; 2/0.9933; 3/0.9975dadbdc “8” 的标识是“d1” ；宽“8”的 标识是“d2” ；高“8”的标识是“d0” ，如图 3-7。 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 13 - 图图 3-6 输入关系式输入关系式 图图 3-7 对应尺寸对应尺寸 （3）单击再生成管理器按钮，系统打开“再生管理器”对话框，如图 3-8，单击 “再生”按钮，此时立方体模型会再生成，变化后模型如图 3-9。 由再生产模型可以看出，在长、宽、高三个方向尺寸都增大了，这是考虑了加热烧 结过程中收缩的尺寸补偿，即再生成得到的是烧结前的粗加工的粘土原型尺寸。以后只 要随意输入任何尺寸值，根据各方向的收缩率大小就可以再生成所需的模型。 图图 3-8 再生成管理器再生成管理器 图图 3-9 再生成模型再生成模型 但在实际生产中，绝大多数都是具有自由空间曲面或曲线的复杂型腔的模型，这就 要对自由空间曲面或曲线在空间三个方向的收缩机理更深入地理论研究。理论上讲，自 由空间曲面或曲线的收缩率应该是空间三个方向的收缩综合作用的结果，但具体的哪个 方向收缩率影响大，最终的收缩结果会怎样就不得而知了。 华东交通大学毕业论文 - 14 - 这里提供本人对这一问题的解决思路，仅供参考：可以先在图形分析软件中扫描分 析模型的尺寸分布情况，对可以确定自由空间曲面或曲线的坐标尺寸（如起始点、终末 点，曲率等）进行空间坐标投影，得到的投影坐标尺寸再按空间三个方向的收缩率进行 相应的缩放，这样就近似处理了自由空间曲面或曲线的参数化建模问题。 在 Proe/E 制图软件中，空间曲线是通过绘制空间样条曲线来创建的，其创建有一定 人为性，不同人创建的会有所不同，而空间曲面的创建则是通过空间曲线来的，常常在 模型中作为整体一块。至于其他类似弯曲的特征（如倒角、拔模斜度，圆球形等） ，则只 需对相应的特征值进行相关的比例缩放。 由于没有相关的图形分析软件，这里只能选取有类似弯曲的特征进行相关参数化建 模，这里选取沙发模型为例，相关尺寸如图 3-10。 图图 3-10 沙发模型沙发模型 参数化建模步骤如下： （1）单击“工具”菜单条中的“参数”命令，系统打开“参数”对话框，单击“添 加新参数” 按钮，添加参数如图 3-11，这里有 8 个参数，2 个 x 方向的为 80mm；1x 为 10mm，1 个 y 方向的为 80mm，2 个 z 方向的为 40mm；为 20mm，3 个倒2x 1y 1z2z 角特征为 6mm；为 4mm；为 10mm。 1 j2j3j （2）单击“工具”菜单条中的“关系”命令，系统打开“关系”对话框，输入关系 式： 11/0.9942; 52/0.9942; 21/0.9933; 31/0.9975; 01/0.9975; 32/0.9975;dxdxdydzdzdz 。如图 3-12 关系式。注意此时尺寸：x1“80”51/0.995; 72/0.995; 83/0.995djdjdj 的标识是“d1” ；x2 的标识是“d5” ；y1“80”的标识是“d2” ；z1“40”的标识是“d0” ， z2“20”的标识是“d3” ，j1“6”的标识是“d5” ；j2“4”的标识是“d7” ； j3“10”的 标识是“d8” 。注意这里近似取倒角特征的收缩率为三个空间方向收缩率的算术平均值。 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 15 - 图图 3-11 添加参数添加参数 图图 3-12 输入关系式输入关系式 （3）单击再生成管理器按钮，系统打开“再生管理器”对话框，单击“再生” 按钮，此时沙发模型会再生成，变化后模型如图 3-13。 图图 3-13 再生成的模型再生成的模型 这时可以任意改变相关尺寸再重生成可以得到不同大小的模型，如把 z2 改为 10mm，x1 改为 100mm，x2 改为 20mm 得到如图 3-14 所示模型。 华东交通大学毕业论文 - 16 - 图图 3-14 变化后的模型变化后的模型 上述两例只是简略地介绍了如何利用三个空间方向的收缩率参数化构建粘土原型模 型，至于其他具有复杂曲面和曲线的型腔模型，都可以按以下步骤生成出所需的粘土原 型： 1、把模型的尺寸归结出 x 方向、y 方向、z 方向直线尺寸和空间曲线、空间曲面尺寸。 2、把三个方向直线尺寸，以及能确定空间曲线、空间曲面的关键尺寸作为参数添加 在参数表里。 3、对每个参数定义关系式，把每个方向的收缩率考虑进去，直线尺寸直接使用收缩 率值，对于曲线和曲面的收缩率应该是三个方向收缩率综合作用的结果，本文为 方便起见，取三个方向的收缩率算术平均值为收缩率。 4、定义好参数和关系式后，即可根据设计需要的陶瓷原型尺寸任意修改尺寸参数通 过收缩率的作用再生成所需要的粘土原型尺寸。 第四章第四章 陶瓷原型磨削工艺陶瓷原型磨削工艺 4.1 陶瓷原型磨削工艺概述陶瓷原型磨削工艺概述 陶瓷又称无机非金属材料，按照材料及烧制工艺的不同，可分为传统陶瓷和工程陶 瓷两大类。所谓传统陶瓷，是以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成的，又叫硅酸盐陶瓷。 工程陶瓷是近代发展起来的各种陶瓷的总称，也称为新型陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷。 工程陶瓷是以精制高纯的化工产品为原料，具有较高的强度和硬度，良好的耐磨及耐腐 蚀等许多优点，其化学组成、内部结构、使用性能及效能等各方面均不同于传统陶瓷， 王振中：快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究 1 - 17 - 被广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域。但是，由于 陶瓷材料的高硬度性，被加工陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，这会 导致陶瓷材料强度的降低，进而限制了采用高效率的材料去除率。 磨削技术在陶瓷材料加工中有着极其重要的地位，它往往是陶瓷产品成形前的最后 一道工序，用于精加工来提高产品的表面精度和轮廓度。对于快速高效磨削制造陶瓷原 型而言，其根本目的就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除 率。根据加工对象的工艺目的和要求不同，磨削加工已发展成为多种加工形式的加工工 艺。通常按工具类型进行分类，分为使用固定磨粒加工及使用自由磨粒加工两大类，如