陶瓷殼體零件制作工藝的研究

摘 要：陶瓷材料可以被用來(lái)制作殼體類零件。由于陶瓷坯體在干燥和燒結(jié)過(guò)程中的收縮率較大，約5%-20%，并且受到多種因素影響，導(dǎo)致殼體零件尺寸精度較低，限制了陶瓷殼體的應(yīng)用。為了提高陶瓷殼體零件的尺寸精度，本文首先利用注漿成型的方法制作了一個(gè)圓柱形陶瓷殼體試件，測(cè)量尺寸，計(jì)算材料收縮率。然后設(shè)計(jì)了一個(gè)電器儀表外殼，根據(jù)收縮率數(shù)據(jù)將模型放大，采用3D打印的方法制作模芯，并利用此模芯制作石膏模具。最后采用相同的注漿成形工藝參數(shù)，制作出陶瓷殼體零件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種二次注漿成形工藝能夠抵消陶瓷材料收縮，并避免影響因素，使殼體零件尺寸的相對(duì)誤差小于1%。

關(guān)鍵詞：陶瓷殼體零件；二次注漿成形；收縮率

1前言

陶瓷材料可以被用來(lái)制作殼體類零件。因?yàn)槠洫?dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，陶瓷殼體往往被應(yīng)用于特殊的環(huán)境，例如：陶瓷材料具有很好的防腐蝕性，因此被用來(lái)制作水管和水泵殼體，以及海洋探測(cè)器的外殼[1，2]；陶瓷材料具有很高的硬度，不容易刮花，因此被用來(lái)制作手機(jī)和手表外殼；陶瓷材料具有很高的熔點(diǎn)，因此被用來(lái)制作用于金屬鑄造的型殼[3，4]。

陶瓷材料具有很好的絕緣性和阻燃性，同時(shí)不會(huì)老化，適合作為電器儀表外殼的材料。但是，目前的電器儀表外殼，一般是采用注塑成型的方法制作的塑料外殼，很少采用陶瓷材料，一個(gè)重要的原因是，陶瓷材料在干燥和燒結(jié)過(guò)程中的收縮率較大，約5%～20%，并且受到多種因素的影響，導(dǎo)致每一批次的殼體零件尺寸都有差異，精度較低。本文將采用注漿成型的方法，研究提高陶瓷殼體制造精度的工藝方法。

2 材料和方法

首先制作圓柱形陶瓷殼體試件，采用圓柱形木頭作為模芯，直徑為60mm，長(zhǎng)度為100mm。將石膏粉（2CaSO4·H2O）與水，按照1：0.8的質(zhì)量比混合，攪拌均勻，形成石膏漿料。把木模芯放置在長(zhǎng)方形容器中，使軸線保持水平狀態(tài)，然后倒入石膏漿料，浸沒(méi)到圓柱面的一半。大約一個(gè)小時(shí)后，石膏凝固，得到模具的一半。在模具的分型面刻定位槽，涂肥皂水，再次倒入石膏漿料，制作模具的另外一半。將兩半的石膏模具干燥、備用。

制作陶瓷殼體的材料是粉末狀的日用陶瓷原料，主要成分是高嶺土（48%）、石英（30%）、鉀長(zhǎng)石（12%）、鈉長(zhǎng)石（7%）、膨潤(rùn)土（3%）及少量添加劑（腐植酸鈉、水玻璃），粉末顆粒直徑小于0.1mm。將原料與水混合，攪拌均勻，形成含水率為40%的泥漿。將泥漿倒入前面做好的石膏模具中，靜置20min后，倒出模具中多余的泥漿。將石膏模具放置在40℃的干燥室，干燥2h后脫模，取出坯體。將陶瓷坯體放置在干燥室，繼續(xù)干燥4h。將干燥處理后的坯體放入電加熱的梭式窯中，燒制8h，最高溫度為1280℃，獲得圓柱形殼體試件。用游標(biāo)卡尺測(cè)量殼體試件的直徑和高度，按照下面的公式，計(jì)算陶瓷材料的收縮率。

收縮率=■×100%

利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)電器儀表外殼，外殼上有一個(gè)長(zhǎng)方形的窗口，用來(lái)安裝顯示屏，還有三個(gè)圓形孔，用來(lái)安裝電器按鈕。按照收縮率數(shù)據(jù)將電器儀表外殼模型放大，利用熔融沉積式3D打印機(jī)制作模型。將模型內(nèi)部空間填充，使之外表面平齊，利用這個(gè)模型作為模芯，采用與前面相似的方法，制作出三塊石膏模具。采用與前面相同的注漿成型工藝參數(shù)，制作陶瓷材料的殼體零件。殼體上的長(zhǎng)方形窗口和圓孔，是在燒結(jié)前手工切割出來(lái)的。用游標(biāo)卡尺測(cè)量殼體零件的長(zhǎng)度、寬度和高度，計(jì)算尺寸誤差。

相對(duì)誤差=■×100%=■×100%

3 結(jié)果

圖1和圖2分別是圓柱形殼體試件和電器儀表殼體零件的成品、模芯和石膏模具。

表1和表2分別是圓柱形殼體試件和電器儀表殼體零件的尺寸。殼體的厚度為4mm。

4 結(jié)論

注漿成型是陶瓷行業(yè)一種常用的成形方法，主要用來(lái)制作洗臉池、坐便器等衛(wèi)生潔具。這種注漿成型的方法，也可以用來(lái)制作機(jī)電行業(yè)的殼體類零件。如圖3所示，注漿成型的工藝過(guò)程，是把陶瓷漿料倒入石膏模具中，利用石膏材料的多孔性，吸收泥漿中的水分，在石膏模具內(nèi)表面形成泥層。泥層的厚度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)泥層到達(dá)一定厚度時(shí)，倒出多余的泥漿，經(jīng)過(guò)干燥和脫模獲得陶瓷坯體，再經(jīng)過(guò)干燥和燒結(jié)，即可得到陶瓷殼體成品。

利用注漿成型的方法制作陶瓷殼體類零件，需要經(jīng)歷干燥和燒結(jié)兩個(gè)過(guò)程，陶瓷坯體大約收縮5%-20%，并且收縮率受到多種因素的影響。如圖3所示，這些影響因素包括泥漿的化學(xué)成分配比和含水率、石膏模具的吸水性、干燥時(shí)間和環(huán)境溫度、燒結(jié)溫度等。由于這些因素的影響，不同批次陶瓷殼體的尺寸都不相同，導(dǎo)致殼體零件的尺寸精度較低，這是限制陶瓷殼體零件廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

本文提出一種二次注漿成型的工藝方法。首先，采用注漿成型的方法制作一個(gè)圓柱形的殼體試件，測(cè)量和計(jì)算試件的收縮率。然后，根據(jù)收縮率數(shù)據(jù)，對(duì)殼體零件做放大處理，用3D打印的方法制作殼體模芯，利用這個(gè)模芯制作石膏模具，并采用與圓柱形試件相同的注漿成型工藝參數(shù)，制作陶瓷殼體零件。表1中圓柱形試件的直徑收縮率為k1=12.7%，高度收縮率為k2=13.7%，略大于直徑收縮率，原因可能是高度方向受到重力的影響。在對(duì)殼體元件做放大處理時(shí)，相應(yīng)地，長(zhǎng)度和寬度方向的放大倍率為1/（1-k1），高度方向的放大倍率為1/（1-k2），按照這個(gè)放大倍率確定模芯的尺寸，如表2所示。

二次注漿成型工藝，能夠使模型的放大量與陶瓷材料的收縮量相互抵消，另外，由于兩次注漿成型采用相同的工藝參數(shù)，在很大程度上避免了各種影響因素。因此，陶瓷成品與原件的誤差較小，殼體零件的尺寸精度較高。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，殼體零件的絕對(duì)誤差小于1mm，相對(duì)誤差小于1%。

殼體類零件的制造，是機(jī)械制造中一個(gè)比較復(fù)雜的工藝過(guò)程，需要使用專門的機(jī)械設(shè)備和昂貴的模具。例如對(duì)于鑄鐵和鋁合金殼體，需要將金屬熔化，還需要專門的鑄造模具；對(duì)于塑料殼體，需要注塑機(jī)和昂貴的注塑模具。日用陶瓷材料燒結(jié)后轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石（3Al2O3·2SiO2），莫來(lái)石陶瓷的強(qiáng)度低于鑄鐵和鋁合金，但高于一般的塑料材料[5]。陶瓷注漿成型不需要昂貴的機(jī)械設(shè)備，石膏模具成本也很低廉，并且模具可以反復(fù)使用。陶瓷注漿成型的缺點(diǎn)是需要較多的手工操作，并且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，干燥和燒結(jié)過(guò)程加起來(lái)大約需要一天時(shí)間。因此，陶瓷注漿成型適合單件或小批量殼體零件的生產(chǎn)，特別是一些受力不大的電器儀表外殼，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的工藝方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊振哲，項(xiàng)光磊.壓電陶瓷球殼制備工藝研究[J].聲學(xué)與電子工程，2022，（03）：44-47.

[2] 劉曉東.萬(wàn)米水下滑翔機(jī)陶瓷耐壓殼體設(shè)計(jì)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2021.

[3] 楊建明，肖志文，王永寬等.精密鑄造陶瓷型殼DLP光固化3D打印機(jī)的研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2021，6：25-29.

[4] 彭磊.精密鑄造用陶瓷型殼微滴噴射粘結(jié)成型工藝及性能研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2022.

[5] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Research on Manufacturing Process of Ceramic Shell Parts

LIAO Rui1，WANG Xiao-ping1， WANG De-lin2， CAO Tian-chi1， XIANG Ming1

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering， Jingdezhen Ceramic University， Jiangxi 333403， China;2. Ceramic Materials and Engineering Experiment Center， Jingdezhen Ceramic University， Jiangxi 333403， China）

Abstract： Ceramic materials can be used to make shell parts. Due to the large shrinkage rate of ceramic body during the drying and sintering process， about 5%-20%， which is influenced by many factors， the dimensional accuracy of shell parts is low. This limits the application of ceramic shell parts. In order to improve the dimensional accuracy， a cylindrical ceramic shell specimen was made using slip casting method. Dimensions of the specimen were measured and shrinkage rates were calculated. Then， outer shell of an electrical instrument was designed， and the model was enlarged based on the shrinkage rate. 3D printing method was used to make the mold core， with which a gypsum mold was made. Using the same process parameters of slip casting， a ceramic shell part was made. The experimental results show the two-step slip casting process can compensate for the shrinkage of ceramic materials and avoid the influencing factors， resulting in a dimensional error of less than 1% for shell parts.

Keywords： Ceramic shell part; Two-step slip casting; Shrinkage rate