【正文】 ssed ceramic parts, taking into account the high surface accuracy you need to do the grinding finishing this paper, a brief description of the grindingrelated theories and models, bined with the robot automatic polishing system further demonstrated that the processing viable sex.Keywords:RapidManufacturing。Dimension pensation。Grinding Mechanism。III / 40附錄 A 外文翻譯原文部分 ..........................................................................29附錄 B 外文翻譯譯文部分 ..........................................................................34第一章 緒論 選題背景及目的 快速成形技術（Rapid Prototyping RP ）是20世紀八九十年代發(fā)展起來的一種新型制造技術，它融合了機械工程、計算機技術、CAD/CAM 技術、數(shù)控技術以及材料科學等諸多前沿技術。等離子熔射快速模具制造（Rapid Plasma Spray Tooling ，RPST）是快速模具制造技術的一種間接制模方法，它合理地利用了等離子噴涂技術與快速成形技術的互補性，可以準確地復制原模形狀、尺寸和花紋，尤其適用于形狀不規(guī)則、花樣復雜但又是小批量生產(chǎn)的模具快速制造。本文選擇了粘土材料作為原型材料，原因有二：一是江西盛產(chǎn)粘土物美價廉；二是可塑性強、切削去除量大、燒結后固結成的陶瓷原型可直接噴涂。但是銑削獲得的粘土原型還需要經(jīng)過加熱燒結后才能獲得耐高溫陶瓷原型。燒結工藝作為粘土原型轉變?yōu)槟透邷貒娡刻沾稍偷囊豁楆P鍵工藝，它在改變原型表面尺寸和組織結構方面具有重要作用，也關系到是否有必要進行后續(xù)的精加工和最終噴涂模具的表面尺寸精度。金相圖樣分析表明，粘土原型經(jīng)過精加工后表面精度可達到 ，已經(jīng)滿足后續(xù)等1m?離子噴涂工藝的要求，不需要后續(xù)精加工了。 國內外研究概況 金屬模具在模具眾多種類中占很大的比重，以其高硬度和高耐磨性的優(yōu)點滿足了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的需求，在國民經(jīng)濟的各部門，特別是汽車、輕工、電氣、電子等行業(yè)得到了廣泛應用。美國、日本、法國和瑞士等國每年出口的模具約占其模具總產(chǎn)值的 1/3 左右。不同類型的模具具有不同的加工方法，即使同類模具也可采用不同加工技術。在工業(yè)產(chǎn)品多樣化、個性化越來越明顯、產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快、市場競爭越來越來激烈的環(huán)境下，金屬模具的快速制造已成為快速成形和快速制模技術的研發(fā)重點。在該工藝中，制造耐高溫原型的被噴涂原型是一個關鍵步驟，而原有的原型制造一般是從硅膠膜翻制而來，硅膠膜又是從快速制造的原型上翻制得到的，兩次翻制工藝會損失一定精度并耗費較多時間。其工藝流程如圖 12。本文研究的是把粘土原型轉變?yōu)槟透邷貒娡刻沾稍偷臒Y工藝以及轉變?yōu)樘沾珊筇沾稍途庸つハ鞴に?。陶器，希臘語的意思是“一切黏土所制成，然后用火或熱變硬的器物” ?？脊虐l(fā)掘表明，CAD 模型粘土原型數(shù)控粗加工約公元前三千年左右，我國的陶器制作已有一定的水平。這時陶器以紅陶為主，灰陶、黑陶次之。如選用含鐵量高的陶土，燒制時在氧化焰氣氛中，其中鐵大部分成+3 價，陶器多顯紅色；燒制過程控制在還原焰中，大部分鐵轉化為+2 價，陶器呈灰色到黑色。到公元前兩千年左右，陶器的質地和器型更為豐富，不僅原有的紅陶、黑陶更為精巧，另外還出現(xiàn)白陶。由于鐵含量低，232liOASH??而鋁含量高，在高溫燒成后外形潔白美觀，堅硬耐用。到了商代中后期，施釉的陶器明顯增多，由此陶器和瓷器便完美地結合在一起成為了“陶瓷” 。其次，磨削加工技術是陶瓷材料已有加工方法中應用最多的，在陶瓷零件的制造過程中，磨削費用占到總費用的 80%，特別適用于加工平面或柱形工件的精加工。遠在石器時代，已開始使用磨料研磨加工各種貝殼、石頭及獸骨等，用于生活和狩獵工具。鐵器的出現(xiàn)，更使磨料加工成為一種普遍的工藝技巧得到應用。1901 年以后，相繼發(fā)明人工熔煉的氧化鋁(剛玉)、碳化硅磨料。1957 年研制成功立方氮化硼。當今高速高效率磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業(yè)發(fā)達的國家發(fā)展很快，如德國的Aachen大學、Bremm大學、美國的Connecticut大學等，有的在實驗室完成了磨削線速度為250m/s、350m/s、400m/s 的實驗。在實用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工業(yè)中應用。各發(fā)達國家如德、日、美、英等國非常重視陶瓷的開發(fā)和應用。目前，工程陶瓷磨削加工技術正朝著開發(fā)精密及超精密磨削工藝、高速高效磨削工藝及研制高精度高剛度自動化磨床的方向發(fā)展。最后，機器人作為現(xiàn)代自動控制技術、機械學、生物學、通信、計算機科學、力學等科學的集中體現(xiàn)，其使用場合越來越多，已經(jīng)開始滲透到人們的生活、工作、學習、研究的各個領域，為科學研究和探測工作開辟了新的方向，開拓了靠人力所不能勝利的新科學事業(yè)。日本、美國、德國、法國等早在80年代就已開始進行模具研磨拋光自動化系統(tǒng)的研究，并相繼推出了模具自動研磨拋光專用加工機床。機器人手臂具有良好的柔性，可以模擬熟練工人的技術動作，雖然還不能完全達到模擬熟練工人的研拋動作，但可以通過對人工研拋動作的解析和實驗測試，抓住其主要的技術要領，提取研拋過程特征參數(shù)，獲取研拋知識，達到仿人研磨拋光的目的。目前，日本在機器人研磨拋光自動化加工方面居世界領先地位，其它地區(qū)如臺灣、香港、澳大利亞、韓國也相繼對機器人拋光系統(tǒng)進行了探索性研究。 尺寸補償和參數(shù)化建模簡介尺寸補償在《互換性與技術測量》課程中是指：由于零件磨損、腐蝕、裝配等原因所引起的尺寸偏差，通過修理或調整來恢復其尺寸鏈精度的方法。修配法一般是對零件的磨損部位進行修補，或者修補、更換加大尺寸的補償件。在本文所說的尺寸補償個人理解應該是：由于粘土原型在加熱燒結過程中會發(fā)生收縮，使得最終得到的陶瓷原型與粘土原型會有個尺寸偏差，這就需要我們在制造粘土原型時考慮個補償量，即所謂的尺寸補償。這就要求我們準確理解參數(shù)的含義，對于本文來說應該是在空間三個方向上的尺寸值。（2） 粘土原型燒結收縮變形規(guī)律研究及尺寸補償主要測量了粘土原型在加熱燒結前后的尺寸變化及相應的收縮率，建立了在笛卡爾空間坐標系三個坐標方向的補償量數(shù)學表達式，實現(xiàn)了在 Pro/E 制圖軟件上的參數(shù)化建模操作。 第二章 粘土原型加熱燒結工藝在加工中心粗加工后的粘土原型雖然已經(jīng)固化，但內部仍含有大量水分，不符合制作耐高溫原型的要求，需要進行加熱燒結脫去內部水分。25~75 區(qū)間里的失水為自由水（最176。C150~230 區(qū)間里的失水為緊密吸附水（強吸附結合水） （最后脫去） 。C為了獲得高精度和高致密的陶瓷原型，需要通過加熱燒結工藝使粘土內部組織更加致密，晶粒間結合更緊密，增加其強度，以用于后續(xù)等離子噴涂制模。體積收縮值的大小，在不同溫度范圍內不一樣。隨著水分的蒸發(fā)在土—水體系的表面、三相交界面上之彎液面形成的張力，使顆?？拷慌c此同時，由于顆粒間的擴散變薄，其中反離子濃度增加，使它們吸引兩側土粒的力量也增強，并超過原來兩側土粒間由于同號電荷引起的斥力，但由于兩同號電荷的顆?；ハ虢咏饬σ苍黾恿?，直到斥力與引力達到新的平衡為止。收縮的過程可分為兩個階段：第一階段粘土體積的縮小與含水率的減小成正比，呈直線關系，粘土之減小的體積等于水分散失的體積。當粘土中含水率小于收縮極限時，粘土體積收縮極小，隨著含水率的增加，粘土體積增大，當含水率大于液限時，土體坍塌。收縮性的大小，可以說明隨著含水率的變化，土體積變化的大小。實踐中常用縮性指數(shù)作為評價粘性的土的收縮性指標。線收縮率，試樣收縮后的高度減小量與原高度之比，以百分率表示。 =10%?收 縮 前 的 尺 寸 收 縮 后 的 尺 寸線 收 縮 率 收 縮 前 的 尺 寸5 / 40 燒結工藝簡介燒結是粉末壓坯加熱到低于其中基本成分的熔點的溫度，然后以一定的方法和速度冷卻到室溫的過程。燒結工藝是指根據(jù)原料特性所選擇的加工程序和燒結工藝制度。燒結過程必須具備兩個基本條件：(一)應該存在物質遷移的機理；(二)必須有一種能量(熱能 )促進和維持物質遷移。初期燒結頸形成階段，通過形核、長大等原子遷移過程，顆粒間的原始接觸點或面轉變成晶粒結合，形成燒結頸；中間燒結頸長大階段，原子向顆粒粘結面的大量遷移使燒結頸擴大，顆粒間距縮小，孔隙的結構變得光滑，形成連續(xù)的空隙網(wǎng)絡；最終燒結階段：燒結的最終階段是一個很緩慢的過程，借助于體積擴散機制將發(fā)生孔隙的孤立、球化及收縮。3?圖 22 粘土原型部分加工過程（2）為了保證粘土原型在燒結過程中不發(fā)生崩裂，粘土原型應該足夠固結，雖然在初始干燥過程粘土原型已經(jīng)失去了大部分的自由水，但還是存在少量的自由水和大量的結合水和吸附水，這些水分的存在很可能在燒結過程中形成氣孔和粉末化而影響其組織結構，為了使這些水分揮發(fā)充分，粘土原型需要在保持在室溫 4~5 個小時，以脫去粘土內的殘余的自由水。圖 23 燒結前的粘土原型由效果圖可看出，粘土原型已經(jīng)基本固結完全，水分也已基本揮發(fā)完全，可以進行后續(xù)的燒結工藝。10C溫度值，電阻傳感器，由于使用年代久遠，密封不是很緊，溫度上升得很快但降的很慢，不能智能控制溫度變化，只能人工憑經(jīng)驗控制其溫度變化。232l/iOAS燒結溫度與燒結范圍是粘土的重要性質，一般而言粘土中的雜志含量越少，其燒結溫度越高，燒結范圍越窄。經(jīng)過本人近一個月的摸索，發(fā)現(xiàn)燒結爐升溫規(guī)律如下：（1） 升溫 大概需要 10 分鐘左右。0C（2） 降低 大概需要 1 個小時左右。進一步研究發(fā)現(xiàn)，粘土原型在燒結爐加熱溫度上升到 ，整體已經(jīng)非常硬固，雖176。20C制模了。176。因此采取階段性升溫。升溫曲線如圖 25。150C時。保溫 1 個小時，再由 上升到 保溫 2 個小時。20C176。30第三階段主要是粘土內的粉末顆粒再結晶的過程，這階段的溫度每上升 保溫 2176。176。 燒結實驗結束后，粘土原型的顏色發(fā)生明顯的變化，由紅褐色變成了玻璃化的淡色光澤。圖 26 粘土原型燒結前后對比9 / 40 第三章 粘土原型的尺寸補償和參數(shù)化建模粘土原型轉變?yōu)樘沾稍偷臒Y過程中會發(fā)生尺寸的收縮變化，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，雖然最終獲得的耐高溫噴涂陶瓷原型可以通過陶瓷原型進行磨削精加工獲得，但由于陶瓷材料硬且脆，切削去除量很小，精加工時容易形成崩豁且加工成本很高，滿足不了快速制造的宗旨要求。 測量粘土原型材料在空間三個方向上的收縮率 測量粘土原型材料在空間三個方向上的收縮率是繼燒結實驗后的一項重要數(shù)據(jù)測量工作，也是本文核心研究和討論的工作，其意義在于已知最終設計的產(chǎn)品模型尺寸逆向反求制作初始時粘土原型的尺寸。然后用游標卡尺分別測量在燒結前后部分標記點在長度（x） 、寬度（y）和高度（z）三個空間方向上（如圖 31）三個方向的尺寸變化。其中標記點 3 的三維尺寸為mm，標記點 9 的三維尺寸為 mm。另外，由于收縮率一般很小不易測量，這就需要在測量長度、寬度和高度三個方向的尺寸時應盡可能的多的選取不同方位點進行測量以找到最佳值，這就更需要我們測量時仔細認真地讀數(shù)。表 31 粘土燒結收縮率測量點狀態(tài) 長度 x（mm ） 寬度 y(mm)高度 z(mm)1 4 7 2 5 8 3 6 9燒結前 燒結后 尺寸差 收縮率 % % % % % % % % %平均收縮率 % % %從表中可以看出，粘土原型通過燒結后在三個空間方向收縮率都很小，且收縮率都不一樣，其中寬度方向收縮率最大為 %，長度方向其次為 %，高度方向收縮率最小為 %。另外，綜上可以得出粘土在燒結過程中沒有發(fā)生明顯的開裂和變形現(xiàn)象，尺寸基本上維持不變。這里需要指出的是上述三個等式并不都適合所有情況，只是在上述燒結工藝中，以粘土原型為材料，至于對于其他工藝情況和其他不同的原型材料的尺寸補償量就不得而知了。上述三個等式給我們一個重要啟示：即只要給出一個陶瓷原型三維尺寸就可以得到相應的粘土原型三維尺寸，這就為我們制作粘土原型提供了極大的方便，也為后續(xù)的參數(shù)化建模奠定了數(shù)學基礎。由于只知道在 x、y、z 三個坐標方向的收縮率而不知道在空間彎曲曲線的收縮率，所以為了簡化，首先選取了較為簡單的模型，如圖 34 立方體模型，其三個方向的尺寸為mm。圖 34 立方體模型 圖 35 添加參數(shù)（2）單擊“工具”菜單條中的“關系”命令，系統(tǒng)打開“關系”對話框，輸入關系式： ， 如圖 36 關系式，注意此時尺寸：長1/。/???“8”的標識是“d1” ；寬“8”的 標識是“d2” ；高“8”的標識是“d0” ，如圖 37。由再生產(chǎn)模型可以看出，在長、寬、高三個方向尺寸都增大了，這是考慮了加熱燒結過程中收縮的尺寸補償，即再生成得到的是燒結前的粗加工的粘土原型尺寸。圖 38 再生成管理器