基于層合速凝原理的陶瓷件快速制造設(shè)備及材料成型研究.pdf

1、陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高、硬度大、抗氧化等優(yōu)點(diǎn),陶瓷材料的直接成型已經(jīng)成為快速成型技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向之一。由于陶瓷件的快速成型技術(shù)在國內(nèi)外尚處于起步階段,現(xiàn)有工藝及設(shè)備大都存在造價(jià)高、材料性能要求高、制件質(zhì)量差等缺點(diǎn),目前仍未有專門用于陶瓷件生產(chǎn)的快速成型設(shè)備。為解決以上難題,陜西科技大學(xué)提出了層合速凝成型陶瓷件的技術(shù),本課題就是以該理論為基礎(chǔ),并結(jié)合陶瓷材料和石蠟的特性,設(shè)計(jì)出一種新的陶瓷件快速成型裝置,該裝置適用于以

2、陶瓷為成型材料,石蠟為支撐及粘結(jié)材料的快速成型制造。將該裝置與啄木鳥DX3017型雕刻機(jī)進(jìn)行配合工作,加工出的產(chǎn)品理化性能優(yōu)異,品種豐富,得到了國內(nèi)行業(yè)專家、政府領(lǐng)導(dǎo)和消費(fèi)者的一致好評(píng)。該設(shè)備的成功研制對(duì)陶瓷產(chǎn)品快速生產(chǎn)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　 該陶瓷件快速成型機(jī)的加工過程是建立在層合速凝成型的基礎(chǔ)上,其加工步驟為:首先用Pro/E建立零件的三維實(shí)體模型,然后利用分層軟件對(duì)該模型進(jìn)行分層處理,從而把該三維實(shí)體切成一片片的二

3、維截面輪廓,隨后把這些信息傳送到機(jī)床,指引成型運(yùn)動(dòng)。前期工作完成之后,分別在盛放陶瓷漿料以及石蠟漿料的料斗內(nèi)加注材料,開啟加熱裝置同時(shí)啟動(dòng)攪拌裝置。然后在鋪料臺(tái)上鋪一層石蠟,待石蠟?zāi)毯?由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制刻刀在石蠟板上刻出零件截面形狀,并由吹風(fēng)裝置吹走石蠟碎屑,清空鏤空部分,再鋪一層陶瓷漿料,用刮板將多余的漿料刮走,鏤空部分被陶瓷漿料填充。重復(fù)上述步驟,逐層疊加,形成實(shí)體。最后取出實(shí)體,進(jìn)行排蠟、燒結(jié),即可得到陶瓷件。
　　

4、 本課題主要取得了以下創(chuàng)造性成果:
　　 1.以層合速凝技術(shù)為理論基礎(chǔ),結(jié)合陶瓷快速成型的工作原理,對(duì)陶瓷快速成型設(shè)備的機(jī)械部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算和選取,最終確定了該設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　 2.利用目前國內(nèi)應(yīng)用較廣的大型三維軟件Pro/E對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)部分進(jìn)行了建模及裝配,并通過該軟件的三維仿真模塊對(duì)其實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。并且利用了大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋪料臺(tái)在加工過程中的變形進(jìn)

5、行分析,根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)鋪料臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的鋪料臺(tái)結(jié)構(gòu)在滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下工作精度大大提高。
　　 3.設(shè)計(jì)完成了陶瓷件快速成型機(jī)“IPC+PMAC”的控制系統(tǒng)。在比較分析幾種開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合陶瓷件快速成型機(jī)的控制要求,提出“IPC+PMAC”的控制方案,配以交流伺服控制系統(tǒng),搭建了陶瓷件快速成型機(jī)的控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)部件如主軸變頻器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)等進(jìn)行了計(jì)算選取,設(shè)計(jì)完成了硬件系統(tǒng)連

6、接圖。交流伺服系統(tǒng)的控制性能很大程度上影響了零件的加工精度,因此,本文建立了交流伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上,運(yùn)用Matlab/SIMULINK對(duì)進(jìn)給交流伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了PID仿真分析,得出了系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,并分析得出了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。為了使系統(tǒng)得到更好的性能,利用PEWIN軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試仿真。
　　 4.搭建了陶瓷件快速成型機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)軟件部分,采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,對(duì)程序的上載和下載,系統(tǒng)的PMAC

7、插補(bǔ)模塊,PMAC的PLC,和數(shù)據(jù)采集分別作了分析。
　　 5.結(jié)合現(xiàn)有的控制系統(tǒng)硬件,設(shè)計(jì)了另一種采用西門子S7-200PLC對(duì)陶瓷快速成型機(jī)的進(jìn)行控制的控制方案,并成功地實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制要求。至此該陶瓷快速成型機(jī)的樣機(jī)已經(jīng)成功研制完成,從調(diào)試運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得,整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制任務(wù)能比較順利地完成,達(dá)到了預(yù)期的效果。
　　 6.利用快速成型設(shè)備按照層合速凝技術(shù)原理制備了95Al2O3陶瓷凸輪件及性能測(cè)試

8、樣品并進(jìn)行了性能測(cè)試。SEM顯微結(jié)構(gòu)表明:斷面顆粒較均勻,晶粒尺寸在4μm左右,晶粒呈短柱狀。層間間隙已經(jīng)消失,樣品燒結(jié)為一體,且具有一定的增韌效果。一體成型的95氧化鋁陶瓷樣品SEM顯微結(jié)構(gòu)表明,晶粒分布較均勻,晶粒呈短柱狀,晶粒尺寸為3μm左右;通過相關(guān)性能測(cè)試,快速成型設(shè)備制備的樣品性能與一體成型的95氧化鋁陶瓷樣品的性能基本一樣,差別較小;因此快速成型制備陶瓷部件方法是可行的。
　　 在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)的過程中也發(fā)現(xiàn)了