孟 飛，劉平安，張海鷗

（1.華東交通大學(xué)　機電工程學(xué)院，南昌 330017；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074）

面向等離子熔射制模的耐高溫原型復(fù)合材料可加工性研究*

孟 飛1，劉平安1，張海鷗2

（1.華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院，南昌 330017；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074）

耐高溫原型的快速制造是等離子熔射制模技術(shù)中的關(guān)鍵問題，通過制備可直接銑削加工的耐高溫復(fù)合材料，減少傳統(tǒng)工藝中硅膠模翻制工藝，可有效提高制模效率及質(zhì)量。文章在耐高溫復(fù)合材料加工機理分析的基礎(chǔ)上，通過表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量以及切屑的形狀和大小來評價制備的耐高溫復(fù)合材料的可加工性。最后通過實例加工實驗，研究表明制備的耐高溫原型復(fù)合材料具有較好的綜合銑削性能，完全可用于熔射制模技術(shù)中的耐高溫原型的直接快速銑削加工。

復(fù)合材料；加工性；耐高溫；熔射制模

0 引言

激烈的市場競爭，迫使制造業(yè)在不斷改善產(chǎn)品的性能與品質(zhì)的前提下，最大限度地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低成本，以便快速制造出滿足用戶需求的產(chǎn)品［1-2］。因此，如何快速開發(fā)及制造模具，迅速制造出產(chǎn)品的原型與模具，降低推向市場的成本，己經(jīng)成為現(xiàn)在模具企業(yè)的當務(wù)之急。等離子熔射制造模具（Rapid Plasma Spray Tooling，RPST）是快速制造模具技術(shù)的一種，這種制模工藝周期短，成本低，其成本只有傳統(tǒng)鋼模的15%～20%，周期可縮短60%以上，非常適合于新產(chǎn)品開發(fā)試制和小批量、多品種急需產(chǎn)品的制造生產(chǎn)［2-4］。李德元等［5-6］、谷諍巍等［7］、趙紫玉等［8-9］通過硅膠模翻制陶瓷熔射原模，然后熔射制備不銹鋼模具。A.Freslon［10］采用等離子熔射成型的方法在金屬母模上成功制得高為500mm，厚為0.5mm，精度為±0.03mm的圓錐形B4C陶瓷薄壁件。

本文提出直接快速制造耐高溫原型，簡化了原工藝的多次翻制工藝，降低模具的開發(fā)成本。在制備粘土-莫來石耐高溫原型復(fù)合材料后［11］，進行可加工性研究。

1 耐高溫原型加工性能研究

材料的可加工性一般是指加工確定形狀的零件，刀具具有低的磨損率以及材料具有高去除率，這被認為是坯體加工的重要屬性，但是影響加工過程中的因素非常復(fù)雜，通常認為是材料所有性能的影響結(jié)果。到目前為止，還沒有一個完整的理論來描述材料的可加工性。金屬的可加工性一般用以下四個準則來描述：刀具壽命，切削力，表面質(zhì)量和碎裂，這對金屬而言已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是對于干燥后的耐高溫原型材料而言，很少研究者開展這方面的工作。在此，本文采用簡化的方式定義耐高溫原型復(fù)合材料的可加工性，在分析耐高溫原型材料切削機理的基礎(chǔ)上以試件表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量以及切屑的形狀和大小來評價制備的耐高溫復(fù)合材料的可加工性。

1.1 耐高溫原型材料切削機理

干燥后耐高溫原型復(fù)合材料銑削加工過程中，切屑的產(chǎn)生是因為耐高溫原型材料的脆性破碎，切屑的形狀表現(xiàn)出不規(guī)則且邊緣銳利。耐高溫原型材料中聚乙烯醇溶液通過干燥工藝，固化成固體后具有一定的塑性，干燥后的耐高溫原型坯體中固體顆粒相互鍵聯(lián)，空隙（氣孔）和晶界逐漸減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮導(dǎo)致密度的增加，使得坯體形成致密的顯微結(jié)構(gòu)。因此，在加工時通常發(fā)生如圖1所示的韌性破壞，這表明制備的材料具有較高的韌性，而通常的陶瓷材料在加工過程中將產(chǎn)生脆性破壞，當銑削刀刃從坯體劃過時，這些顆粒間的互相鏈接將表現(xiàn)如圖2所示的脆性斷裂，脆性斷裂對于想控制加工后的零件精度是相當困難的。

顯然前者的銑削加工由于顆粒的韌性變形降低了零件的突然碎裂，使得加工過程更加可控。

圖1 耐高溫原型材料銑削機理

圖2 粘土原型材料銑削機理

1.2 劃槽實驗

為了測試制備的耐高溫原型可加工性，首先設(shè)計了一個劃槽實驗（如圖3所示），該實驗由一個硬質(zhì)合金的針尖，切深為1mm，以恒定的進給速度500mm/ min進給，實驗由哈斯銑削中心完成。制備材料的加工特性由槽中的裂紋數(shù)量及槽周圍的碎裂數(shù)量來衡量，這些參數(shù)可用圖4的光學(xué)照片來表示。

圖3 劃槽實驗示意圖

圖4 溝槽的光學(xué)顯微圖片

由圖4溝槽的光學(xué)顯微圖片可知，溝槽邊緣未出現(xiàn)較大的破碎，同時也說明制備的耐高溫原型復(fù)合材料具有良好的加工性。

1.3 切屑形態(tài)

材料在銑削加工過程中被切除的多余材料稱為切屑，材料的可加工性也取決于切屑的大小和形狀。切屑形成是一個復(fù)雜的過程，在不同條件下切屑的形成機理會有所不同，切屑也會呈現(xiàn)出不同形態(tài)。當對塑性材料進行加工時，切屑是由于材料的剪切滑移而形成，所以切屑的形態(tài)主要有帶狀、單元型、擠裂等類型；而對粘土類脆性材料加工時，切屑是由于工件中的裂紋擴展而形成，所以其形態(tài)主要為崩碎狀切屑，但在一定的條件下也可獲得連續(xù)帶狀或擠裂型切屑。如S. H.Ng通過在氧化鋁粉末中添加氰基丙烯酸酯，獲得連續(xù)帶狀切屑［12］。綜上所述，按幾何形狀分，切屑有如圖5所示四種類型［13］。

圖5 切屑形狀分類

在耐高溫原型復(fù)合材料加工過程中產(chǎn)生的切屑如圖7所示，由圖可知，耐高溫原型材料的切屑屬于擠裂切屑。這類切屑產(chǎn)生的原因是：制備的耐高溫原型材料具有一定的塑性，在切削過程中切削深度較小的情況下，材料發(fā)生部分塑性變形，由此而使滑移面OM處應(yīng)力增大（如圖6），局部使得材料達到了強度極限。這時切屑在下部相連而上部被擠裂，即靠近銑刀前刀面的材料很光滑，而另一面呈現(xiàn)出鋸齒狀，形成擠裂切屑，如圖7所示。

圖6 塑性材料二維切削過程示意圖

圖7 加工過程產(chǎn)生的切屑

將加工過程產(chǎn)生的切屑放大20倍，光學(xué)圖片如圖8所示。收集部分切屑做掃描電鏡實驗，如圖9所示。通過實驗結(jié)果可知，切屑呈薄片長條形，這也說明了制備的耐高溫復(fù)合材料具有良好的機械加工性。

圖8 切屑放大20倍照片

圖9 掃描電鏡照片

由上述兩個圖片的形貌分析可知，這種類型的切屑通常是具有韌性的材料加工出來的，從加工的角度看，這種切屑是加工耐高溫原型的復(fù)合材料希望看到的，可以避免脆性材料在加工過程中不可避免的崩豁以及產(chǎn)生對身體健康不利的細小粉塵。同時切屑不變色，說明在加工過程中，材料有較小的變形及摩擦產(chǎn)生的熱，對刀具的磨損很小。

2 加工實驗

通過CAM軟件建立模型、加工參數(shù)設(shè)定及仿真加工，原型制品模型尺寸是100mm×90mm×35mm。如圖10a所示。原型制品的粗加工仿真如圖10b及精加工仿真如圖10c所示。

圖10 耐高溫原型建模及仿真加工過程

根據(jù)加工仿真生成粗加工和精加工加工刀軌，然后將生成的加工刀軌通過軟件后處理輸出加工代碼，作為加工的源文件。加工實驗在哈斯數(shù)控加工中心完成，加工過程如下圖11所示。

圖11 耐高溫原型加工過程

3 結(jié)果分析

（1）在預(yù)干燥耐高溫原型加工過程中，由于材料中水分含量已經(jīng)很低，在自然環(huán)境中已經(jīng)很難丟失水分。這樣可避免粘土原型加工過程中的失水問題而導(dǎo)致的坯料脆性增加。從而避免加工過程中出現(xiàn)大的崩豁及刮傷原型表面。

（2）根據(jù)粘土原型的加工實驗過程中裝夾松動問題［14］，在耐高溫原型加工過程中在夾具兩邊增加了橡膠墊片，如圖12所示。避免了工件由于工作臺的運動導(dǎo)致的松動，也避免了加工不到位及過切問題。

（3）制備的耐高溫原型材料具有良好的可加工性，通過如圖13所示的加工工藝品原型，可以看出表面光滑細膩。沒有過切及切不到現(xiàn)象。同時從模型的四周邊框來看，最薄的邊框厚度約為1.5mm，深度15mm。由此可見制備的耐高溫原型材料能很好的加工出具有小特征的模型。

圖12 橡膠墊片裝夾毛坯

（5）加工后原型在100倍下的光學(xué)顯微鏡中觀察，發(fā)現(xiàn)耐高溫原型表面光滑，并且原型外邊輪廓邊緣平直，如圖14中陰影所示，用雙管顯微鏡測得加工后原型表面粗糙度Rz約為1.11μm。

圖13 加工后原型

圖14 精加工后耐高溫原型邊緣圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過耐高溫復(fù)合材料銑削加工機理分析，以及復(fù)合材料表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量以及切屑的形狀和大小的分析，評價了制備的耐高溫復(fù)合材料的良好加工性。最后通過實例加工進行了驗證實驗，研究表明制備的耐高溫原型復(fù)合材料具有較好的綜合銑削性能，完全可用于熔射制模技術(shù)中的耐高溫原型的直接快速銑削加工，可簡化原工藝的多次翻制工藝，降低模具的開發(fā)成本。

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（編輯 趙蓉）

M achinability of High-temperature Prototype Com posite M aterial for Plasma Spray Tooling

MENG Fei1，LIU Ping-an1，ZHANG Hai-ou2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330017，China；2.School of Mechanical Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Rapidmanufacturing high temperature resistant prototype is the key problem in plasma spray tooling，it can effectively improve the efficiency and quality ofmould，prepared by directm illing compositematerial w ith high temperature resistance，reduced the process of silicone rubber mould in the traditional process.In this paper，the processing mechanism of high temperature resistant compositematerial was analysed，while themachinability of high temperature resistance composite material was evaluated through the surface quality，edge quality，the chip shape and the size of chip.Finally，experiment research ofmachining examples shows thathigh temperature resistant prototype compositematerial has bettermilling performance，it can be used fastm illing of resistant in prototype for spray tooling technology.

compositematerials；machinability；high temperature resistant；spray tooling

TH142；TG506

A

1001-2265（2015）08-0144-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.037

2014-09-17；

2014-10-28

國家自然科學(xué)基金（51175203），載運工具與裝備教育部重點實驗室資助項目

孟飛（1975-），男，江西南昌人，華東交通大學(xué)，副教授，博士，研究方向為快速制造原型技術(shù)，陶瓷材料制備，（E-mail）zzitmf@163. com。