面向熔射制模的快速制造粘土原型試驗(yàn)研究*

孟 飛，張海鷗，劉平安

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330017)

面向熔射制模的快速制造粘土原型試驗(yàn)研究*

孟 飛1，2，張海鷗1，劉平安2

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330017)

針對(duì)等離子熔射制模技術(shù)中耐高溫原型制造問題，該研究選用傳統(tǒng)耐高溫材料粘土做為原材料，采用干燥工藝使得粘土毛坯適合機(jī)加工和夾持，同時(shí)采用數(shù)控機(jī)床的傳統(tǒng)銑削方法制造耐高溫原型，減少了舊工藝中翻制原型工藝流程長(zhǎng)和精度丟失等弊端。選用沙發(fā)模型做為耐高溫原型的例子進(jìn)行了粗加工、精加工的仿真和加工實(shí)驗(yàn)，原型表面精度達(dá)到1μm。符合熔射制模要求，證明該工藝路線可行。

熔射制模;耐高溫原型;銑削加工;實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

等離子熔射制造模具(Rapid Plasma Spray Tooling，RPST)是快速制造模具技術(shù)的一種，因其幾乎不受制模材料和尺寸大小限制，尺寸及表面精度高于鑄造和燒結(jié)法、制模時(shí)間和成本遠(yuǎn)少于和低于電鑄法而受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注［1-2］。其工藝就是在快速原型(或過渡基模)表面上運(yùn)用等離子噴涂方法噴涂金屬粉末形成金屬殼層，然后通過一些后處理工序能夠很快制造出金屬模具，可廣泛用于注塑模、汽車覆蓋件拉延模等模具的制造［3-4］。

傳統(tǒng)的制造耐高溫熔射原型方法通常是通過干壓粉末，或者通過硅膠模翻制耐高溫熔射原型，以及快速原型系統(tǒng)制造［5-7］。以上制造的原型方法及燒結(jié)引起的原型收縮，都將導(dǎo)致原型精度低且不好控制，燒結(jié)陶瓷的加工需要大量的時(shí)間和能源消耗。此外，它還通常需要特定的設(shè)備，如鉆石刀具，這類設(shè)備非常昂貴，而且生產(chǎn)成本占陶瓷零件的80%［7-8］。

針對(duì)上述問題，為了獲得高質(zhì)量的原型，本文選用可燒結(jié)為耐高溫原型的粘土作為加工材料。高溫焙燒后的粘土原型是優(yōu)良的耐高溫材料，這一特性符合熔射制模技術(shù)要求。粘土作為制造陶瓷的一種傳統(tǒng)材料，在我國(guó)大量存在，資源豐富、價(jià)格低廉，同時(shí)采用傳統(tǒng)的銑削加工能獲得好的原型精度。但是自然狀態(tài)的粘土含水量大、質(zhì)地軟，不易成型，且毛坯裝夾困難，切屑粘刀、排屑不暢等一系列問題［9］，導(dǎo)致這類研究很少。因此本文從粘土干燥，高速鋼刀具銑削加工性能，耐高溫熔射原型加工實(shí)驗(yàn)等方面展開研究。

1 實(shí)驗(yàn)

為了滿足熔射快速制造金屬模具工藝的需要，陶瓷坯料首先要滿足一定的機(jī)加工性，同時(shí)還必須滿足后續(xù)等離子噴涂工藝的要求。因此，確定制造原型的材料就成為本工藝是否可行的關(guān)鍵。對(duì)多種傳統(tǒng)陶瓷骨料如陶瓷粉、粘土、膨潤(rùn)土、陶土等進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)研究以尋找具有合適加工性能和強(qiáng)度的陶瓷坯料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粘土坯料具有較好的成型性和機(jī)加工特性以及廉價(jià)性，同時(shí)也能滿足后續(xù)等離子熔射成形的需要。

1.1 干燥實(shí)驗(yàn)

軟質(zhì)粘土從景德鎮(zhèn)采購(gòu)，天然粘土含水量約15%，粉料粒度0.3～0.5μm，經(jīng)過多次揉捏擠出體內(nèi)氣泡后初步制成毛坯，由于粘土含水率比較大，比較松軟，根本不能進(jìn)行夾持，而且加工時(shí)候粘土?xí)车逗筒灰着判迹@樣使得加工不能正常進(jìn)行。所以必須放進(jìn)加熱爐中烘干，經(jīng)過5℃/min升溫到50℃后保溫，然后再升溫到80℃再保溫3個(gè)小時(shí)后，粘土的自由水基本蒸發(fā)，同時(shí)避免粘土原型在干燥過程中開裂。達(dá)到粘土可加工且易排屑的效果，而且毛坯裝夾力度達(dá)到3Mpa，可以?shī)A持。這樣得到可以進(jìn)行數(shù)控加工的毛坯。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后得到如圖1所示的干燥制度。干燥前和干燥后效果如圖2，3所示。

圖1 粘土原型干燥溫度制度

圖2 毛坯成形

圖3 毛坯烘干

1.2 加工實(shí)驗(yàn)

1.2.1 建立模型

選取如圖4所示的陶瓷工藝品沙發(fā)模型進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。模型尺寸是80mm×80mm×40mm。該形狀較復(fù)雜，有斜面，圓角，圓弧等特征。本研究使用Pro/E為主要三維設(shè)計(jì)軟件，其中Pro/E CAM模塊為加工制造模塊，功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的加工。

圖4 沙發(fā)模型

沙發(fā)模型的加工流程基本如圖5所示。

圖5 加工流程圖

1.2.2 加工仿真

根據(jù)沙發(fā)模型的形狀尺寸、加工質(zhì)量要求以及粘土加工工藝特點(diǎn)設(shè)置合適的加工參數(shù)(如加工方式、加工區(qū)域、刀具參數(shù)、加工余量和軌跡間距等)，分別生成粗加工和精加工加工刀軌，如圖6和圖7所示。最后仿真如圖8所示。加工刀軌生成后通過后處理輸出NC代碼，作為數(shù)控加工軌跡文件的源文件。

圖6 粗加工刀軌

圖7 精加工刀軌

圖8 加工過程仿真

1.2.3 加工實(shí)驗(yàn)

開始沙發(fā)模型的加工，由于粘土毛坯尺寸精度直接影響到后續(xù)模具的精度，為了保證尺寸精度，加工前需要毛坯上平面進(jìn)行加工。加工過程包括毛坯上表面銑削、粗加工、精加工，刀具選擇φ12端銑刀和φ8球頭銑刀。通過單因素(轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度及切深)和正交實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)化的加工參數(shù)如表1。另外考慮到烘干過程模型尺寸收縮、加工過程夾持、毛坯的銑削等許多因素得到毛坯的尺寸是80mm×8mm×40mm。

根據(jù)上述參數(shù)開始加工粘土毛坯，如圖9所示為毛坯加工。

圖9 粘土毛坯加工

2 結(jié)果討論

(1)在加工過程中，粘土中的水分會(huì)散失，會(huì)導(dǎo)致粘土間的結(jié)合力降低，出現(xiàn)局部崩豁影響加工效果。在加工過程中，也可以噴點(diǎn)水霧保持粘土的濕度。同時(shí)允許切屑堆積在原型表面，這樣可以對(duì)原型起保濕作用，最后切屑排出的方式是通過壓縮空氣的噴槍吹走。

(2)如圖10所示為最終加工出的粘土模型。可看出原型形貌基本加工到位，表面形狀特征明顯，無(wú)過切現(xiàn)象，表面基本光滑，加工效果較好，加工表面只有少量微小孔隙。另外沙發(fā)模型兩側(cè)面有少許特征損壞，是因?yàn)楦稍锖蟮恼惩翆儆诖嘈圆牧希霈F(xiàn)了裝夾不緊，所以在加工過程中毛坯出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致刀具刮傷模型。這樣就有必要再毛坯的裝夾時(shí)，加具兩邊加橡膠塊，通過橡膠的收縮夾緊粘土原型，如圖11所示。

圖10 沙發(fā)粘土原型

圖11 毛坯固定裝夾裝置

圖12 精加工后原型金相

(3)加工后原型在100倍下的金相顯微鏡中觀察得到如圖所示圖樣，發(fā)現(xiàn)粘土原型表面基本光滑，刀痕均勻。用雙管顯微鏡測(cè)得加工后的表面粗糙度Rz達(dá)到1.01μm。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究的目的是快速制造等離子熔射制模技術(shù)中的耐高溫原型，經(jīng)研究證明選用傳統(tǒng)耐高溫材料粘土做為原材料，采用適當(dāng)干燥工藝使得粘土毛坯適合機(jī)加工和夾持，然后進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的傳統(tǒng)銑削制造耐高溫原型可行，減少了舊工藝中翻制原型工藝流程長(zhǎng)和精度丟失等弊端。選用沙發(fā)模型做為例子進(jìn)行了粗加工、精加工的仿真和加工實(shí)驗(yàn)，原型表面光滑，表面粗糙度1μm左右，符合熔射制模要求。該工藝不需要快速原型設(shè)備，且原材料價(jià)格低廉，切削力小，適合制造形狀復(fù)雜的耐高溫原型。

［1］張海鷗.直接原型熔射快速制造金屬模具技術(shù)［M］.2005年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2005:140-144.

［2］王運(yùn)贛.快速模具制造及其應(yīng)用［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.

［3］Antonio J，Pontes，Miguel P，Queirós，Pedro G.Martinho，etal.Experimental assessment of hybrid mould performance［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2010(50):441-448.

［4］李德元，張洪兵，張忠禮.電弧噴涂與RP原型技術(shù)結(jié)合的鋼基模具制備方法［J］.模具工業(yè)，2010，36(4):67-71.

［5］C.M.Cheah，C.K.Chua，C.W.Lee，etal.Rapid prototyping and tooling techniques:a review of applications for rapid investment casting［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2005(25):308-320.

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［7］S.H.Ng，J.B.Hull，J.L.Henshall.Machining of novel alumina/cyanoacrylate green ceramic compacts［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006(175):299-305.

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［9］孟飛，張海鷗，王桂蘭.基于機(jī)器人快速制造粘土類陶瓷原型工藝研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(11):70-72，76.

Experimental Study of Rapid Manufacturing Clay Prototype for Spray Molding

MENG Fei1，2，ZHANG Hai-ou1，LIU Ping-an2
(1.School of Mechanical Science＆ Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering Departments，East China Jiaotong University，Nanchang 330017，China)

Focus on manufacturing problems of high-temperature prototyping in plasma spray tooling technology，in this study，the traditional high-temperature materials clay was chosen as raw material，the drying process makes the clay blanks suitable for machining and clamping，high-temperature prototype was manufactured by the conventional milling of CNC machine tools，reducing the drawbacks of the old process length and loss of accuracy in reproduction of the prototype.The sofa model was selected as a high-temperature prototype example，it was simulated in a roughing，finishing machining and processed，surface accuracy of the prototype was 1μm.This was in line with the melting shot molding requirements，and that the process route was feasible.

spray molding;high-temperature prototype;milling machining;experimental study

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0050-03

2012-07-27;

2012-08-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(43007402)

孟飛(1975—)，男，南昌人，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人加工技術(shù)及快速制造原型技術(shù);(E-mail)mengfei2003@ecjtu.jx.cn。

(編輯 李秀敏)