新编快速制造粘土类陶瓷原型工艺研究模板.doc
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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一个新型制造金属模具技术,它在制造尤其复杂型腔模型金属模具上大大缩短了模具产生周期,降低了开发成本,在效率和精度方面优势显著。等离子熔射快速模具制造是快速模具制造技术一个制模方法,它属于间接制模一个,因其几乎不受制模材料和尺寸大小限制,模具尺寸及表面精度高而被广泛采取。在等离子熔射制模工艺中,耐高温原型取得通常是从硅胶模翻制而来,而硅胶模又是从快速制模原型翻制得到,两次翻制工艺会损失一定精度并花费较多时间。本研究采取数控机床直接铣削粘土原型工艺,降低了上述工艺两次翻制弊端。不过在铣削后取得原型还需要加热烧
2、结取得耐高温原型,在烧结冷却过程中,粘土原型会发生先膨胀后收缩,到最终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一个关键工艺,其工艺质量高低很大程度上影响到耐高温陶瓷原型表面尺寸精度。因为陶瓷原型硬且脆,精加工时轻易形成崩豁且加工成本很高,为了尽可能降低精加工时去除量,研究粘土原型在加热烧结过程中尺寸改变即收缩率机理就显得尤为关键,由此引申出尺寸赔偿和参数化建模问题则考虑是怎样经过已知陶瓷原型尺寸来逆向反求出未知粘土原型尺寸和在Pro/E制图软件上怎样实现相关建模操作。金相图样分析表明,粘土原型经过精加工后表面精度可达成,已经满足后续等离子喷涂工艺要求,不需要后续精加工了。但假如
3、是加工陶瓷零件,考虑到表面精度要高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深入论证其加工可行性。关键字:快速制造;烧结工艺;尺寸赔偿;参数化建模;磨削机理;机器人自动抛光 Process research I of Rapid Manufacturing Ceramic Prototyping of Clay ABSTRACTRapid tooling technology is in the late 1980s and developed a new type of manufacturing metal molds, it has obvi
4、ous 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
5、 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 accu
6、racy 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
7、 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 prototyp
8、e. 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
9、 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 analys
10、is 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
11、, 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 rob
12、ot目录摘 要I第一章绪论11.1 选题背景及目标11.2 中国外研究概况11.3对于尺寸赔偿和参数化建模个人了解31.4 本文关键工作4第二章 粘土原型加热烧结工艺52.1 粘土原型加热收缩特征52.2 烧结工艺介绍52.3烧结工艺试验62.3.1前期准备工作和设备仪器介绍62.3.2烧结试验过程72.4测量粘土原型材料在空间三个方向上收缩率92.5尺寸赔偿和参数化建模102.5.1粘土原型材料在空间三个方向赔偿量102.5.2粘土原型参数化建模11第三章 陶瓷原型磨削工艺153.1 陶瓷原型磨削工艺概述153.2 陶瓷磨削过程及表征工件加工性能磨削参数163.3 陶瓷磨削机理173.3.1
13、 压痕断裂力学模型和切削加工模型173.3.2 陶瓷磨削中脆性去除机理183.4 磨除率理论模型建立18第四章 陶瓷原型磨削工艺试验研究194.1 试验基础思绪194.2 机器人抛光加工试验系统概述204.3 磨头驱动方法选择和终端实施器设计214.4 选择软质抛光工具、游离磨料和磨具224.5 选择磨削参数224.6试验方案234.6.1 轴向预压量和磨头赔偿量234.6.2 主轴转速对表面质量影响234.6.3 横向进给对表面质量影响244.7试验结果分析25谢辞27参考文件错误!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 选题背景及目标 快速成
14、形技术(Rapid Prototyping RP)是20世纪八九十年代发展起来一个新型制造技术,它融合了机械工程、计算机技术、CAD/CAM技术、数控技术和材料科学等很多前沿技术。而随之发展起来快速模具制造技术(Rapid Tooling RT)则是利用快速成形模型为母模来翻置金属模具并生产实际产品,通常分为直接法和间接法两大类,它在制造尤其复杂型腔模型金属模具上大大缩短了模具产生周期,降低了开发成本,在效率和精度方面含有显著优势。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一个间接制模方法,它合理地利用了等离子喷涂技术和快速成形技
15、术互补性,能够正确地复制原模形状、尺寸和花纹,尤其适适用于形状不规则、花样复杂但又是小批量生产模具快速制造。通常选择粉末作为原型材料,先前已经有很多文件研究了使用石蜡、泡沫、石膏等作为原型材料可行性。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、烧结后固结成陶瓷原型可直接喷涂。本研究采取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两个工序,能够显著缩短工艺步骤和加工时间,并最终提升金属模具制造精度。不过铣削取得粘土原型还需要经过加热烧结后才能取得耐高温陶瓷原型。在烧结冷却过程中,粘土原型会发生先膨胀后收缩到最终再收缩过程。烧结工艺作
16、为粘土原型转变为耐高温喷涂陶瓷原型一项关键工艺,它在改变原型表面尺寸和组织结构方面含相关键作用,也关系到是否有必需进行后续精加工和最终喷涂模具表面尺寸精度。因为陶瓷原型材料硬且脆,精加工时轻易形成崩豁且加工成本很高,为了尽可能降低陶瓷原型精加工时去除量,研究粘土原型在加热烧结过程中尺寸改变即收缩率机理显得尤为关键,由此引申出尺寸赔偿和参数化建模问题则考虑是怎样经过已知陶瓷原型尺寸来逆向反求出未知粘土原型尺寸和在Pro/E制图软件上怎样实现相关建模操作。金相图样分析表明,粘土原型经过精加工后表面精度可达成,已经满足后续等离子喷涂工艺要求,不需要后续精加工了。但假如是加工陶瓷零件,考虑到表面精度要
17、高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深入论证其加工可行性。1.2 中国外研究概况 金属模具在模具众多个类中占很大比重,以其高硬度和高耐磨性优点满足了产品批量生产需求,在国民经济各部门,尤其是汽车、轻工、电气、电子等行业得到了广泛应用。多年来,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600650亿美元水平。美国、日本、法国和瑞士等国每十二个月出口模具约占其模具总产值1/3左右。在中国,模具共分为10大类46小类。不一样类型模具含有不一样加工方法,即使同类模具也可采取不一样加工技术。模具加工方法关键有精密铸造、金属切削加工、电火花加
18、工、电化学加工、激光及其它高能波束加工和集多个上述方法为一体复合加工等。在工业产品多样化、个性化越来越显著、产品更新换代越来越快、市场竞争越来越来猛烈环境下,金属模具快速制造已成为快速成形和快速制模技术研发关键。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中国外关注,其工艺步骤图1-1。在该工艺中,制造耐高温原型被喷涂原型是一个关键步骤,而原有原型制造通常是从硅胶膜翻制而来,硅胶膜又是从快速制造原型上翻制得到,两次翻制工艺会损失一定精度并花费较多时间。CAD模型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
19、图1-1 等离子熔射快速制模工艺步骤基于此,本研究采取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两个工序,能够显著缩短工艺步骤和加工时间,并最终提升金属模具制造精度。其工艺步骤图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1-2 等离子熔射快速制模新工艺步骤针对上述提出关键问题,特确定图1-3所表示陶瓷原型工艺。本文研究是把粘土原型转变为耐高温喷涂陶瓷原型烧结工艺和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1-3 粘土类陶瓷原型工艺首先,粘土加热烧结得到陶器工艺在中国约100前新石器时
20、代早期就有发觉,当初大家选择黏性适度、质地较细黏土,用水调和,塑成多种所需形状,晒干后放在篝火上烘烤取得最原始陶器。陶器,希腊语意思是“一切黏土所制成,然后用火或热变硬器物”。黏土通常加热至800 以上,会发生一系列物理化学改变,使松散黏土聚结起来成为有一定强度和硬度、结构较为致密一个新物质。考古发掘表明,约公元前三千年左右,中国陶器制作已经有一定水平。制造方法已由手制一步步过渡到使用陶轮,焙烧方法也由原始篝火式发展到炉灶式,最终形成陶窑。这时陶器以红陶为主,灰陶、黑陶次之。大家发觉陶器颜色首先和选择陶土相关,其次和窖内温度及气氛控制条件相关。如选择含铁量高陶土,烧制时在氧化焰气氛中,其中铁大
21、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。若原料中掺和部分有机物,或在烧制后期用烟熏法进行短时间渗碳,使陶器孔隙度降低,结构更为致密,制得黑陶更光滑、坚实。到公元前两千年左右,陶器质地和器型更为丰富,不仅原有红陶、黑陶更为精巧,另外还出现白陶。白陶原料关键是高岭土,其关键成份是高岭石微细晶体。因为铁含量低,而铝含量高,在高温烧成后外形雪白美观,坚硬耐用。以后在实践中大家发觉在挂陶衣黏土稠浆中加入部分石灰或草木灰等物质时,烧制出陶器表面会展现光滑明亮一层即釉层,釉陶产生是制陶工艺又一个大进步。到了商代中后期,施釉陶器显著增多,由此陶器和瓷器便完美
22、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经有加工方法中应用最多,在陶瓷零件制造过程中,磨削费用占到总费用80%,尤其适适用于加工平面或柱形工件精加工。用磨料去除材料加工是人类最早使用生产技艺方法。远在石器时代,已开始使用磨料研磨加工多种贝壳、石头及兽骨等,用于生活和狩猎工具。青铜器出现以后,用磨料加工技术得到了深入发展,用来制造兵器及生产工具,用磨料研磨铜镜已达成镜面要求。铁器出现,更使磨料加工成为一个普遍工艺技巧得到应用。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,随即又研制成功平面磨床,应
23、用磨削技术逐步形成。1901 年以后,相继发明人工熔炼氧化铝(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和立方氮化硼应用及磨削技术发展,使磨削技术及加工效率不停提升,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、美国和日本等部分工业发达国家发展很快,如德国Aachen大学、Bremm大学、美国Connecticut大学等,有在试验室完成了磨削线速度为250m/s、350m/s、400m/s 试验。据报道,德国Aachen大学正在进行目标为500m/s磨削试验研究。在实用磨削方面,日本已经有200m/s磨床在工业中应
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