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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
ABSTRACT
Rapid tooling technology is in the late 1980s and developed a new type of manufacturing metal molds, it has obvious 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 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 accuracy 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 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 prototype. 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 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 analysis 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, 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 robot

目录
摘 要 I
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及目标 1
1.2 中国外研究概况 1
1.3 对于尺寸赔偿和参数化建模个人了解 3
1.4 本文关键工作 4
第二章 粘土原型加热烧结工艺 5
2.1 粘土原型加热收缩特征 5
2.2 烧结工艺介绍 5
2.3 烧结工艺试验 6
2.3.1 前期准备工作和设备仪器介绍 6
2.3.2 烧结试验过程 7
2.4 测量粘土原型材料在空间三个方向上收缩率 9
2.5 尺寸赔偿和参数化建模 10
2.5.1 粘土原型材料在空间三个方向赔偿量 10
2.5.2 粘土原型参数化建模 11
第三章 陶瓷原型磨削工艺 15
3.1 陶瓷原型磨削工艺概述 15
3.2 陶瓷磨削过程及表征工件加工性能磨削参数 16
3.3 陶瓷磨削机理 17
3.3.1 压痕断裂力学模型和切削加工模型 17
3.3.2 陶瓷磨削中脆性去除机理 18
3.4 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 19
4.1 试验基础思绪 19
4.2 机器人抛光加工试验系统概述 20
4.3 磨头驱动方法选择和终端实施器设计 21
4.4 选择软质抛光工具、游离磨料和磨具 22
4.5 选择磨削参数 22
4.6 试验方案 23
4.6.1 轴向预压量和磨头赔偿量 23
4.6.2 主轴转速对表面质量影响 23
4.6.3 横向进给对表面质量影响 24
4.7 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600~650亿美元水平。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

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磨床在工业中应用。从上世纪90年代开始，中国外学者进行了大量研究，在陶瓷磨削新型方法、陶瓷磨削材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等影响原因、不一样磨削条件最好磨削参数等多方面全部取得了主动研究结果。各发达国家如德、日、美、英等国很重视陶瓷开发和应用。80年代以来各国竞相投入大量资金和人力，在陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大进展。现在，工程陶瓷磨削加工技术正朝着开发精密及超精密磨削工艺、高速高效磨削工艺及研制高精度高刚度自动化磨床方向发展。另外，工程陶瓷加工也在特种加工（如电加工、超声加工和激光加工）和复合加工（如超声振动辅助磨削、ELID(在线电解修整金刚石砂轮)、ECD(电化学在线控制修整)、ECDM(电化学放电加工)、MEEC(机械一电解一电火花磨削)）等取得了较快发展。
最终，机器人作为现代自动控制技术、机械学、生物学、通信、计算机科学、力学等科学集中表现，其使用场所越来越多，已经开始渗透到大家生活、工作、学习、研究各个领域，为科学研究和探测工作开辟了新方向，开拓了靠人力所不能胜利新科学事业。在不到40年时间里，机器人从无到有，尤其是近20年发展，机器人技术取得了令人瞩目标辉煌成就，现在应用最多是工业机器人。日本、美国、德国、法国等早在80年代就已开始进行模具研磨抛光自动化系统研究，并相继推出了模具自动研磨抛光专用加工机床。工业机械手及机器人出现和应用，为模具研磨抛光自动化研究注入了新活力。机器人手臂含有良好柔性，能够模拟熟练工人技术动作，即使还不能完全达成模拟熟练工人研抛动作，但能够经过对人工研抛动作解析和试验测试，抓住其关键技术要领，提取研抛过程特征参数，获取研抛知识，达成仿人研磨抛光目标。机器人结构刚度较低，但因为研磨抛光加工能够看作是一个少(无)切削加工，且工具和工件接触表面之间法向力很小，机器人含有如人类手腕通常自由活动能力，使得它很适合于模具自动研磨抛光加工。现在，日本在机器人研磨抛光自动化加工方面居世界领先地位，其它地域如台湾、香港、澳大利亚、韩国也相继对机器人抛光系统进行了探索性研究。中国华中科技大学开发DPST(direct prototype spray tooling)技术,将机器人技术和快速模具制造技术相结合，采取机器人直接制造耐高温熔射原型工艺和机器人等离子熔射制模工艺，可快速制造出含有优良耐磨耐腐蚀性能不锈钢、镍-铬-铁基合金等表面注塑模和金属薄板冲压模。
1.3 尺寸赔偿和参数化建模介绍
尺寸赔偿在《交换性和技术测量》课程中是指：因为零件磨损、腐蚀、装配等原因所引发尺寸偏差，经过修理或调整来恢复其尺寸链精度方法。调整法有自动调整和定时调整两种方法。修配法通常是对零件磨损部位进行修补，或修补、更换加大尺寸赔偿件。当各组成环尺寸全部不易修复时，可增加简单零件进行尺寸赔偿。
在本文所说尺寸赔偿个人了解应该是：因为粘土原型在加热烧结过程中会发生收缩，使得最终得到陶瓷原型和粘土原型会有个尺寸偏差，这就需要我们在制造粘土原型时考虑个赔偿量，即所谓尺寸赔偿。
参数化建模是指：参数（变量）而不是数字建立和分析模型，经过简单改变模型中参数值而无须改变其CAD模型就能建立和分析新模型。这就要求我们正确了解参数含义，对于本文来说应该是在空间三个方向上尺寸值。
1.4 本文关键工作
本文是以在加工中心粗加工后粘土原型为起点，在考虑快速制造模具喷涂陶瓷熔射原型效率要高和其表面精度高问题后，关键做了以下几方面工作：
（1） 粘土原型加热烧结工艺
关键确定了粘土原型在加热烧结工艺过程中升温速率，讨论了由粘土原型转变为陶瓷原型颜色改变。
（2） 粘土原型烧结收缩变形规律研究及尺寸赔偿
关键测量了粘土原型在加热烧结前后尺寸改变及对应收缩率，建立了在笛卡尔空间坐标系三个坐标方向赔偿量数学表示式，实现了在Pro/E制图软件上参数化建模操作。
（3） 陶瓷原型磨削精加工工艺机理
关键介绍了磨削工艺相关理论和机理，建立磨除率数学模型，并结合机器人自动抛光系统分析了陶瓷原型精加工可行性。

第二章 粘土原型加热烧结工艺
在加工中心粗加工后粘土原型即使已经固化，但内部仍含有大量水分，不符合制作耐高温原型要求，需要进行加热烧结脱去内部水分。研究表明，粘土中水分子关键存在3种状态：范德华力作用下自由水、氢键力作用下松散吸附结合水、氢键力和静电引力作用下紧密吸附水（强吸附结合水）。25~75 区间里失水为自由水（最先脱去），75~150 区间里失水为松散吸附结合水（脱去速度较自由水滞后），150~230 区间里失水为紧密吸附水（强吸附结合水）（最终脱去）。
为了取得高精度和高致密陶瓷原型，需要经过加热烧结工艺使粘土内部组织愈加致密，晶粒间结合更紧密，增加其强度，以用于后续等离子喷涂制模。
2.1 粘土原型加热收缩特征
体积收缩是粘土加热改变一个关键特征，这是因为其内部发生一系列物理、化学改变所引发(如脱水、分解、液相形成及莫来石晶体长大等)。体积收缩值大小，在不一样温度范围内不一样。粘性土收缩性是因为水分蒸发引发。伴随水分蒸发在土—水体系表面、三相交界面上之弯液面形成张力，使颗粒靠近；和此同时，因为颗粒间扩散变薄，其中反离子浓度增加，使它们吸引两侧土粒力量也增强，并超出原来两侧土粒间因为同号电荷引发斥力，但因为两同号电荷颗粒互想靠近斥力也增加了，直到斥力和引力达成新平衡为止。
在收缩过程中，因为失去水分，空气进入孔隙，在三相界面上表面张力可使颗粒定向排列，从而引发深入收缩。收缩过程可分为两个阶段：第一阶段粘土体积缩小和含水率减小成正比，呈直线关系，粘土之减小体积等于水分散失体积。第二阶段粘土体积缩小和含水率降低呈曲线关系，粘土体积减小量少于失水体积，伴随含水率减小，粘土体积收缩愈来愈慢。当粘土中含水率小于收缩极限时，粘土体积收缩极小，伴随含水率增加，粘土体积增大，当含水率大于液限时，土体坍塌。所以液限和缩限为土和水相互作用后，粘土体积随含水率改变之上、下界限，以缩性指数 Is表示。
收缩性大小，能够说明伴随含水率改变，土体积改变大小。表示膨胀压力随液限增大而增大；膨胀压力和收缩关系和之相反。实践中常见缩性指数作为评价粘性土收缩性指标。
表征粘性土收缩性指标有：
体收缩率，试样收缩减小体积和收缩前体积比值，以百分率表示。
线收缩率，试样收缩后高度减小量和原高度之比，以百分率表示。
本文所要研究是粘土线收缩率，其数学表示式为：
。
2.2 烧结工艺介绍
烧结是粉末压坯加热到低于其中基础成份熔点温度，然后以一定方法和速度冷却到室温过程。烧结结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体强度增加，把粉末颗粒聚集体变成为晶粒聚结体，从而取得所需物理、机械性能制品或材料。烧结工艺是指依据原料特征所选择加工程序和烧结工艺制度。它对烧结生产产量和质量有着直接而关键影响。
烧结过程必需含有两个基础条件：(一)应该存在物质迁移机理；(二)必需有一个能量(热能)促进和维持物质迁移。依据烧结性质随温度改变，能够把烧结过程用图2-1表示。早期烧结颈形成阶段，经过形核、长大等原子迁移过程，颗粒间原始接触点或面转变成晶粒结合，形成烧结颈；中间烧结颈长大阶段，原子向颗粒粘结面大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙结构变得光滑，形成连续空隙网络；最终烧结阶段：烧结最终阶段是一个很缓慢过程，借助于体积扩散机制将发生孔隙孤立、球化及收缩。

图2-1 烧结过程
2.3 烧结工艺试验
2.3.1 前期准备工作和设备仪器介绍
（1）为了研究粘土原型在转变成陶器原型烧结过程中表面尺寸改变情况，故特意选择加工了点阵图案，其在加工中心部分加工过程图2-2。

图2-2 粘土原型部分加工过程
（2）为了确保粘土原型在烧结过程中不发生崩裂，粘土原型应该足够固结，即使在初始干燥过程粘土原型已经失去了大部分自由水，但还是存在少许自由水和大量结合水和吸附水，这些水分存在很可能在烧结过程中形成气孔和粉末化而影响其组织结构，为了使这些水分挥发充足，粘土原型需要在保持在室温4~5个小时，以脱去粘土内残余自由水。最终得到粘土原型效果图2-3。

图2-3 烧结前粘土原型
由效果图可看出，粘土原型已经基础固结完全，水分也已基础挥发完全，能够进行后续烧结工艺。
（3）烧结工艺用烧结炉
烧结炉使用是学校材料试验室，其最高温度可达成以上，数字显示实时温度值，电阻传感器，因为使用年代久远，密封不是很紧，温度上升得很快但降很慢，不能智能控制温度改变，只能人工凭经验控制其温度改变。

图2-4 烧结炉
2.3.2 烧结试验过程
粘土烧结机理关键是液相烧结过程，所以其烧结性能关键取决于在高温下产生液相数量和性质，即取决于粘土中所含熔剂杂志种类、数量，和比值。烧结温度和烧结范围是粘土关键性质，通常而言粘土中杂志含量越少，其烧结温度越高，烧结范围越窄。粘土烧结程度通常见吸水率或体积密度表示，通常吸水率小于<5%。
经过本人近30天探索，发觉烧结炉升温规律以下：
（1） 升温大约需要10分钟左右。
（2） 降低大约需要1个小时左右。
深入研究发觉，粘土原型在烧结炉加热温度上升到，整体已经很硬固，即使还没加热升温到陶瓷原型所需要以上，已经能够直接往上喷射铁水用于熔射制模了。故本试验烧结加热只加热到。
烧结过程中，因为粘土原型导热性差，湿强度低，升温不能过快，不然轻易开裂。所以采取阶段性升温。又因为粘土原型导热不均匀，加热到一定温度后粘土内部和外部温度不一致，这就需要在加热到一定温度后再保温相当长一段时间。升温曲线图2-5。
烧结升温分三个阶段：
第一阶段关键是脱去粘土内松散吸附结合水分，这阶段温度保持在2个小时。
第二阶段关键是粘土内紧密吸附水挥发，这阶段温度先由上升到保温1个小时，再由上升到保温2个小时。
第三阶段关键是粘土内粉末颗粒再结晶过程，这阶段温度每上升保温2个小时，一直上升到。

图2-5 升温速率曲线
加热烧结完后，还需要在室温放置上4~5个小时，以使组织结构冷却均匀。
烧结试验结束后，粘土原型颜色发生显著改变，由红褐色变成了玻璃化淡色光泽。关键是因为形成了致密晶粒组织，对比图2-6。

图2-6 粘土原型烧结前后对比

第三章 粘土原型尺寸赔偿和参数化建模
粘土原型转变为陶瓷原型烧结过程中会发生尺寸收缩改变，即得到陶瓷原型尺寸比初始粗加工粘土原型尺寸偏小，即使最终取得耐高温喷涂陶瓷原型能够经过陶瓷原型进行磨削精加工取得，但因为陶瓷材料硬且脆，切削去除量很小，精加工时轻易形成崩豁且加工成本很高，满足不了快速制造宗旨要求。
基于此，为了尽可能降低陶瓷原型加工切削量，有必需正确掌握粘土原型在烧结过程尺寸收缩机理显得，由此考虑粘土原型尺寸赔偿和参数化建模问题则是基于上述考虑后怎样已知陶瓷原型尺寸逆向反求出粘土原型尺寸和怎样在制图软件上实现相关参数化建模操作。
3.1 测量粘土原型材料在空间三个方向上收缩率
测量粘土原型材料在空间三个方向上收缩率是继烧结试验后一项关键数据测量工作，也是本文关键研究和讨论工作，其意义在于已知最终设计产品模型尺寸逆向反求制作初始时粘土原型尺寸。
本文选择上述粗加工好点阵粘土原型为测量对象，先在点阵样品上标识9个测量点（图3-2）。然后用游标卡尺分别测量在烧结前后部分标识点在长度（x）、宽度（y）和高度（z）三个空间方向上（图3-1）三个方向尺寸改变。为表示随机性，这里选择标识点1、4、7测量长度x方向尺寸，选择标识点2、5、8测量宽度y方向尺寸，选择标识点3、6、9测量高度z方向尺寸。其中标识点1、2、3三维尺寸为mm，标识点4、5、6、7、8、9三维尺寸为mm。
这里需要尤其指出是，因为游标卡尺是刚性，而粘土是软性，为了确保粘土原型轮廓完整性，在用游标卡尺测量粘土原型尺寸时应很小心翼翼，尽可能不磕碰到原型轮廓尖角，且在烧结前后粘土原型全部应该在室温放置足够长时间以使尺寸收缩释放完全，确保测量得到数据正确可靠性。另外，因为收缩率通常很小不易测量，这就需要在测量长度、宽度和高度三个方向尺寸时应尽可能多选择不一样方位点进行测量以找到最好值，这就更需要我们测量时仔细认真地读数。

图3-1 空间笛卡尔坐标系上三个坐标方向

图3-1 样品测量点 图3-3 游标卡尺
根据上述测量方法依次测量，得出粘土收缩率三组数据，列于下表3-1。
表3-1粘土烧结收缩率
测量点
状态
长度x（mm）
宽度y(mm)
高度z(mm)

1
4
7
2
5
8
3
6
9
烧结前
8.00
7.98
7.96
1.98
7.98
7.96
7.98
7.96
8.00
烧结后
7.94
7.94
7.92
1.96
7.94
7.92
7.96
7.94
7.98
尺寸差
0.06
0.04
0.04
0.02
0.04
0.04
0.02
0.02
0.02
收缩率
0.75%
0.50%
0.50%
1.01%
0.50%
0.50%
0.25%
0.25%
0.25%
平均收缩率
0.58%
0.67%
0.25%
从表中能够看出，粘土原型经过烧结后在三个空间方向收缩率全部很小，且收缩率全部不一样，其中宽度方向收缩率最大为0.67%，长度方向其次为0.58%，高度方向收缩率最小为0.25%。分析其原因可能是温度场影响对粘土三个方向变形影响不一样。
另外，综上能够得出粘土在烧结过程中没有发生显著开裂和变形现象，尺寸基础上维持不变。
3.2 尺寸赔偿和参数化建模
3.2.1 粘土原型材料在空间三个方向赔偿量
经过上述粘土原型烧结前后测量三个空间方向收缩率试验可知，要得到符合设计所要求耐高温喷涂陶瓷原型，必需考虑在粘土原型烧结前在空间三个方向全部有一个赔偿量，其赔偿量计算公式为：
长度方向（x）赔偿量为：； (1)
宽度方向（y）赔偿量为：； (2)
高度方向（z）赔偿量为：； (3)
这里、、分别表示烧结后陶瓷原型在长度方向、宽度方向和高度方向尺寸，即是经过设计所要求陶瓷原型三维尺寸来反求制作粘土原型所需要三维尺寸，这也满足了快速制造原型模具要求，大大加紧了制作毛坯粘土类原型进程。
这里需要指出是上述三个等式并不全部适合全部情况，只是在上述烧结工艺中，以粘土原型为材料，至于对于其它工艺情况和其它不一样原型材料尺寸赔偿量就不得而知了。
另外，由上述三个等式能够得到粘土原型三维尺寸：
长度方向（x）尺寸：； (4)
宽度方向（y）尺寸： ； (5)
高度方向（z）尺寸：； (6)
这里、、分别表示烧结前粘土原型在长度方向、宽度方向和高度方向尺寸。
上述三个等式给我们一个关键启示：即只要给出一个陶瓷原型三维尺寸就能够得到对应粘土原型三维尺寸，这就为我们制作粘土原型提供了极大方便，也为后续参数化建模奠定了数学基础。
3.2.2 基于尺寸赔偿粘土原型参数化建模
因为快速原型制造技术是集机械工程、计算机技术、数控技术和材料科学等为一身技术，为了表现其快速便捷性，本文选择了常见Proe/E制图软件，实践操作了怎样利用上面得到参数关系式进行参数化建模。
因为只知道在x、y、z三个坐标方向收缩率而不知道在空间弯曲曲线收缩率，所以为了简化，首先选择了较为简单模型，图3-4立方体模型，其三个方向尺寸为mm。具体操作步骤以下：
（1）因为三个空间方向尺寸是任意给定，故应首先设置x、y、z方向上尺寸参数A、B、C，单击“工具”菜单条中“参数”命令，系统打开“参数”对话框，单击“添加新参数” 按钮，添加参数图3-5所表示，参数A、B、C全部设置为8mm。

图3-4 立方体模型 图3-5 添加参数
（2）单击“工具”菜单条中“关系”命令，系统打开“关系”对话框，输入关系式：，图3-6关系式，注意此时尺寸：长“8”
标识是“d1”；宽“8” 标识是“d2”；高“8”标识是“d0”，图3-7。

图3-6 输入关系式 图3-7 对应尺寸
（3）单击再生成管理器按钮，系统打开“再生管理器”对话框，图3-8，单击“再生”按钮，此时立方体模型会再生成，改变后模型图3-9。
由再生产模型能够看出，在长、宽、高三个方向尺寸全部增大了，这是考虑了加热烧结过程中收缩尺寸赔偿，即再生成得到是烧结前粗加工粘土原型尺寸。以后只要随意输入任何尺寸值，依据各方向收缩率大小就能够再生成所需模型。

图3-8再生成管理器 图3-9 再生成模型
但在实际生产中，绝大多数全部是含有自由空间曲面或曲线复杂型腔模型，这就要对自由空间曲面或曲线在空间三个方向收缩机理更深入地理论研究。理论上讲，自由空间曲面或曲线收缩率应该是空间三个方向收缩综合作用结果，但具体哪个方向收缩率影响大，最终收缩结果会怎样就不得而知了。
这里提供本人对这一问题处理思绪，仅供参考：能够先在图形分析软件中扫描分析模型尺寸分布情况，对能够确定自由空间曲面或曲线坐标尺寸（如起始点、终末点，曲率等）进行空间坐标投影，得到投影坐标尺寸再按空间三个方向收缩率进行对应缩放，这么就近似处理了自由空间曲面或曲线参数化建模问题。
在Proe/E制图软件中，空间曲线是经过绘制空间样条曲线来创建，其创建有一定人为性，不一样人创建会有所不一样，而空间曲面创建则是经过空间曲线来，常常在模型中作为整体一块。至于其它类似弯曲特征（如倒角、拔模斜度，圆球形等），则只需对对应特征值进行相关百分比缩放。
因为没有相关图形分析软件，这里只能选择有类似弯曲特征进行相关参数化建模，这里选择沙发模型为例，相关尺寸图3-10。

图3-10 沙发模型
参数化建模步骤以下：
（1）单击“工具”菜单条中“参数”命令，系统打开“参数”对话框，单击“添加新参数” 按钮，添加参数图3-11，这里有8个参数，2个x方向为80mm；为10mm，1个y方向为80mm，2个z方向为40mm；为