陶瓷殼體零件制作工藝的研究

摘 要：陶瓷材料可以被用來制作殼體類零件。由于陶瓷坯體在干燥和燒結過程中的收縮率較大，約5%-20%，并且受到多種因素影響，導致殼體零件尺寸精度較低，限制了陶瓷殼體的應用。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圓柱形陶瓷殼體試件，測量尺寸，計算材料收縮率。然后設計了一個電器儀表外殼，根據收縮率數據將模型放大，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，制作出陶瓷殼體零件。實驗結果表明，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誤差小于1%。

關鍵詞：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制作殼體類零件。因為其獨特的物理化學性質，陶瓷殼體往往被應用于特殊的環境，例如：陶瓷材料具有很好的防腐蝕性，因此被用來制作水管和水泵殼體，以及海洋探測器的外殼[1，2]；陶瓷材料具有很高的硬度，不容易刮花，因此被用來制作手機和手表外殼；陶瓷材料具有很高的熔點，因此被用來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，同時不會老化，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，一個重要的原因是，陶瓷材料在干燥和燒結過程中的收縮率較大，約5%～20%，并且受到多種因素的影響，導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，長度為100mm。將石膏粉（2CaSO4·H2O）與水，按照1：0.8的質量比混合，攪拌均勻，形成石膏漿料。把木模芯放置在長方形容器中，使軸線保持水平狀態，然后倒入石膏漿料，浸沒到圓柱面的一半。大約一個小時后，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%）、鉀長石（12%）、鈉長石（7%）、膨潤土（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。用游標卡尺測量殼體試件的直徑和高度，按照下面的公式，計算陶瓷材料的收縮率。

收縮率=■×100%

利用三維機械設計軟件設計一個電器儀表外殼，外殼上有一個長方形的窗口，用來安裝顯示屏，還有三個圓形孔，用來安裝電器按鈕。按照收縮率數據將電器儀表外殼模型放大，利用熔融沉積式3D打印機制作模型。將模型內部空間填充，使之外表面平齊，利用這個模型作為模芯，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，制作陶瓷材料的殼體零件。殼體上的長方形窗口和圓孔，是在燒結前手工切割出來的。用游標卡尺測量殼體零件的長度、寬度和高度，計算尺寸誤差。

相對誤差=■×100%=■×100%

3 結果

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 結論

注漿成型是陶瓷行業一種常用的成形方法，主要用來制作洗臉池、坐便器等衛生潔具。這種注漿成型的方法，也可以用來制作機電行業的殼體類零件。如圖3所示，注漿成型的工藝過程，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，在石膏模具內表面形成泥層。泥層的厚度隨時間的延長而增加，當泥層到達一定厚度時，倒出多余的泥漿，經過干燥和脫模獲得陶瓷坯體，再經過干燥和燒結，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，需要經歷干燥和燒結兩個過程，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成分配比和含水率、石膏模具的吸水性、干燥時間和環境溫度、燒結溫度等。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用的一個重要原因。

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圓柱形的殼體試件，測量和計算試件的收縮率。然后，根據收縮率數據，對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，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。在對殼體元件做放大處理時，相應地，長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，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。實驗研究結果表明，殼體零件的絕對誤差小于1mm，相對誤差小于1%。

殼體類零件的制造，是機械制造中一個比較復雜的工藝過程，需要使用專門的機械設備和昂貴的模具。例如對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；對于塑料殼體，需要注塑機和昂貴的注塑模具。日用陶瓷材料燒結后轉變為莫來石（3Al2O3·2SiO2），莫來石陶瓷的強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械設備，石膏模具成本也很低廉，并且模具可以反復使用。陶瓷注漿成型的缺點是需要較多的手工操作，并且生產周期較長，干燥和燒結過程加起來大約需要一天時間。因此，陶瓷注漿成型適合單件或小批量殼體零件的生產，特別是一些受力不大的電器儀表外殼，是一種具有廣泛應用前景的工藝方法。

參考文獻

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

[2] 劉曉東.萬米水下滑翔機陶瓷耐壓殼體設計研究[D].天津大學碩士學位論文，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打印機的研制[J].制造技術與機床，2021，6：25-29.

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

[5] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，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