閆存富　李淑娟　楊磊鵬　何龍飛　楊振朝

1.西安理工大學(xué)，西安,710048　　2.黃河科技學(xué)院，鄭州，450063

?

陶瓷零件低溫?cái)D壓自由成形工藝擠壓過(guò)程及液相遷移

閆存富1,2李淑娟1楊磊鵬1何龍飛1楊振朝1

1.西安理工大學(xué)，西安,7100482.黃河科技學(xué)院，鄭州，450063

水基陶瓷膏體低溫?cái)D壓自由成形過(guò)程中，液相遷移對(duì)擠壓過(guò)程和成形件的性能有重要影響。將擠壓過(guò)程分為壓實(shí)階段、過(guò)渡階段及穩(wěn)定擠壓階段，基于Benbow-Bridgwater模型推導(dǎo)出各階段的擠壓力方程。采用單因素試驗(yàn)法研究了擠出速度、間隔時(shí)間和擠出噴嘴直徑對(duì)水基陶瓷膏體擠壓過(guò)程中液相遷移的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，增大擠壓速度，采用大直徑擠出噴嘴，縮短間隔時(shí)間，均能有效減小擠壓過(guò)程中的液相遷移，提高成形質(zhì)量。

水基陶瓷膏體；低溫?cái)D壓自由成形；單因素試驗(yàn)；液相遷移

0　引言

陶瓷材料以其耐磨、耐高溫、高強(qiáng)度及較好的耐腐蝕性等優(yōu)良性能，在航空航天、機(jī)械及生物工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。陶瓷材料的難加工性，使其傳統(tǒng)的成形工藝具有復(fù)雜、耗時(shí)、成本高的特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)低成本、高效率的成形工藝成為制造陶瓷材料零件的瓶頸[2]。

陶瓷零件低溫?cái)D壓自由成形(freeze-form extrusion fabrication，F(xiàn)EF)工藝，是一種新的陶瓷零件固體自由成形工藝，與已有的陶瓷熔融沉積成形、陶瓷激光熔化成形、陶瓷激光燒結(jié)成形、分層實(shí)體成形等固體自由成形工藝相比，具有制造成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。水基陶瓷膏體低溫?cái)D壓自由成形過(guò)程中，液相遷移會(huì)改變擠出膏體中的液體含量，影響成形過(guò)程的順利進(jìn)行，因此需要對(duì)擠壓過(guò)程中的液相遷移現(xiàn)象進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)液相遷移現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Ouchiyama等[5]、Benbow等[6]對(duì)圓管中膏體的擠壓流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為擠壓過(guò)程中剪應(yīng)力隨液相含量的降低而增加。Yaras等[7]對(duì)毛細(xì)管中高濃度膏體的擠壓過(guò)程進(jìn)行了研究，指出膏體流動(dòng)的不穩(wěn)定是導(dǎo)致液相遷移的一個(gè)重要因素。Yu等[8]對(duì)膏體擠出過(guò)程進(jìn)行的研究表明，膏體中的液相含量隨膏體擠出過(guò)程的進(jìn)行逐漸減小。Rough等[9-10]建立了微晶纖維素膏體擠壓過(guò)程中液相遷移的一維模型，得出了擠出壓力、時(shí)間、液相含量分布的關(guān)系，認(rèn)為液相遷移使擠出膏體中的液相含量遠(yuǎn)高于擠壓桶內(nèi)剩余膏體的液相含量，對(duì)成形件的質(zhì)量有重要影響。Masciaa等[11]研究了微晶纖維素膏體在方形噴嘴和錐形噴嘴的擠出過(guò)程中液相的遷移現(xiàn)象,兩種結(jié)構(gòu)噴嘴的液相遷移存在閾值速度，該閾值速度隨固體含量的增加而增加。Bayfield等[12]對(duì)“軟固體”冰糖膏體擠壓過(guò)程中的液相遷移進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，液相遷移在較低擠壓速度下較嚴(yán)重。Liu等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究指出，擠壓過(guò)程中固體顆粒間網(wǎng)格和自由水含量的變化是導(dǎo)致液相遷移的原因，柱塞速度太低容易引起液相遷移。Li等[14-15]通過(guò)修正的Herschel-Bulkley模型建立了膏體的黏度模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Navier-Stokes方程建立了柱塞速度和擠壓力的關(guān)系。Mason等[16-17]對(duì)陶瓷膏體擠壓過(guò)程進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了擠壓過(guò)程自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。鄭華濱[18]研究了工藝參數(shù)對(duì)擠壓力的影響，分析了擠出過(guò)程中膏體的流動(dòng)過(guò)程和傳質(zhì)機(jī)理。李冬健[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究指出，膏體擠出過(guò)程中，液相遷移現(xiàn)象隨膏體黏度增加而更加明顯。劉佳[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了水基ZrB2膏體擠出過(guò)程中擠出體和擠出筒內(nèi)膏體中液相的分布規(guī)律。

當(dāng)前，對(duì)膏體擠壓過(guò)程中液相遷移的研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，且多集中在藥物制劑和食品制造方面，對(duì)陶瓷零件低溫?cái)D壓自由成形工藝擠壓過(guò)程及液相遷移的理論分析較少。本文基于自主開(kāi)發(fā)的擠壓成形設(shè)備，采用水基AL2O3陶瓷膏體作為成形材料，對(duì)水基陶瓷膏體擠出過(guò)程中的液相遷移現(xiàn)象進(jìn)行研究。詳細(xì)分析了擠壓力的形成過(guò)程，推導(dǎo)擠壓力方程；對(duì)液相遷移產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行理論分析，采用單因素試驗(yàn)法研究了擠壓速度、間隔時(shí)間及噴嘴直徑對(duì)液相遷移的影響規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　相關(guān)理論分析

1.1低溫?cái)D壓成形原理

低溫?cái)D壓自由成形原理如下：擠出裝置將膏體從儲(chǔ)料筒中擠出，沉積在工作臺(tái)上，工作臺(tái)在水平面內(nèi)沿著零件截面形狀運(yùn)動(dòng)，利用液氮將成形區(qū)域冷卻至膏體凝固點(diǎn)以下，沉積在工作臺(tái)上的膏體能夠快速凝固成形；每沉積完一層后，擠出噴嘴上升一個(gè)層厚高度，進(jìn)行下一層沉積，如此往復(fù)，直至零件成形完畢。以上是低溫?cái)D壓成形過(guò)程，成形后的零件還需要放入冷凍箱中經(jīng)冷凍干燥，將零件中的水分去除；再經(jīng)焙燒去除其中的黏結(jié)劑，然后燒結(jié)以增加其致密度，最后得到合格的陶瓷產(chǎn)品。圖1所示為一個(gè)正在成形的零件。

圖1　低溫?cái)D出成形零件

1.2擠壓過(guò)程分析

1.2.1Benbow-Bridgwater模型

圖2所示為Benbow 和 Bridgwater 提出的柱塞式擠出裝置[6]中膏體穩(wěn)定擠壓力的物理模型。該模型將穩(wěn)定擠出壓力p分為擠入儲(chǔ)料管所需壓力p1和噴嘴內(nèi)徑剪切力p2：

p1=2(σ0+αv)ln(D0/D)

(1)

p2=4(τ0+βv)L/D

(2)

p=p1+p2

(3)

式中，v為穩(wěn)定擠出速度；α為入模屈服應(yīng)力速度因子；σ0為初始入口屈服應(yīng)力；τ0為初始模型剪切應(yīng)力；β為擠壓段剪切應(yīng)力速度因子；D0為儲(chǔ)料筒直徑；D為擠出噴嘴直徑；L為擠出噴嘴長(zhǎng)度。

圖2　Benbow-Bridgwater公式使用的物理模型

陶瓷膏體為非牛頓流體，則有

p=2(σ0+αvm)ln(D0/D)+ 4(τ0+βvn)L/D

(4)

式中，m、n為與速度因子α、β相關(guān)的指數(shù)。

1.2.2擠壓過(guò)程分析

擠壓開(kāi)始前，膏體呈疏松狀態(tài)。開(kāi)始擠壓時(shí)，膏體經(jīng)歷一個(gè)壓實(shí)階段。在該階段，膏體內(nèi)部固體顆粒間距離減小，固體顆粒和液體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)并重新分布；擠出桿向下移動(dòng)很小的位移，同時(shí)膏體從中心處向四周膨脹，對(duì)擠出筒內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生側(cè)壓力，膏體有向擠出噴嘴中流動(dòng)的趨勢(shì)，但并沒(méi)有開(kāi)始流動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為膏體被慢慢壓實(shí)，擠壓力快速增大。膏體為非牛頓流體，當(dāng)施加在膏體上的擠壓力大于膏體內(nèi)部的屈服應(yīng)力時(shí)，膏體開(kāi)始流動(dòng)進(jìn)入噴嘴。從膏體開(kāi)始進(jìn)入噴嘴到流出噴嘴的這段時(shí)間稱為過(guò)渡階段。該階段內(nèi)，噴嘴中的膏體與噴嘴內(nèi)壁的接觸長(zhǎng)度是變化的，所以噴嘴內(nèi)壁與膏體之間的摩擦力也是變化的。膏體從噴嘴中流出后，噴嘴內(nèi)壁與膏體之間的摩擦力保持不變，膏體和筒壁之間的摩擦阻力變化也很小。擠壓過(guò)程中的液相遷移使儲(chǔ)料筒內(nèi)膏體中的液相百分含量逐漸降低，固體顆粒之間的摩擦力逐漸增大，因此在隨后的一段時(shí)間內(nèi)，擠出壓力總體上保持緩慢增加的趨勢(shì)。隨著擠出過(guò)程的進(jìn)行，液相遷移最終導(dǎo)致儲(chǔ)料筒內(nèi)剩余膏體變干，堵塞噴嘴，擠出過(guò)程被迫停止，該階段稱為穩(wěn)定擠壓階段。圖3所示為擠壓過(guò)程；圖4為穩(wěn)定擠壓時(shí)膏體受力分析圖，圖中，p4為黏塑性變形力，p5為膏體與擠出噴嘴壁的摩擦力，p6為膏體與筒壁的摩擦力。

(a)開(kāi)始擠壓階段　　　(b)壓實(shí)階段

圖4　穩(wěn)定擠壓時(shí)膏體受力分析圖

1.2.3擠壓過(guò)程中擠壓力模型

由上述分析可知，穩(wěn)定擠出時(shí)施加在膏體上的擠壓力還應(yīng)該包括膏體與儲(chǔ)料筒內(nèi)壁的剪切力，則p6隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行逐漸減小，施加在膏體上的擠壓力可表示如下：

(5)

p=p4+p5+p6

(6)

式中，v0為柱塞擠壓速度；hx為儲(chǔ)料筒中剩余膏體高度。

(7)

1.3擠出過(guò)程中膏體的液相遷移

液相遷移(liquidphasemigration，LPM)的本質(zhì)是：膏體在外加壓力作用下產(chǎn)生流動(dòng)的過(guò)程中，液體通過(guò)固體顆粒之間的框架流動(dòng)，液相的移動(dòng)比固體顆粒的移動(dòng)快，導(dǎo)致膏體中的固液相分布不均勻。水基陶瓷膏體中的固體顆粒之間形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液體圍繞在固體顆粒周圍和固體顆粒與擠壓筒內(nèi)壁之間，在固體顆粒表面形成液層水化膜。當(dāng)膏體中液體含量較高時(shí)，液層水化膜厚度會(huì)增加，能減小固體顆粒之間的摩擦力。當(dāng)對(duì)膏體施加擠壓力時(shí)，固體顆粒間的間距變小，固體顆粒之間的液體從固體顆粒之間流過(guò)，從膏體中被擠出，導(dǎo)致膏體中固液相比例發(fā)生變化，影響成形件內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和成形件性能。

影響膏體中液相含量的因素很多，可分為兩大類：一類取決于擠壓膏體的組成，如膏體的黏度、pH值、固體顆粒的大小及體積分?jǐn)?shù)等，在擠壓過(guò)程中這些因素不能更改；另一類是擠壓過(guò)程參數(shù)，如擠出速度、擠出嘴直徑及長(zhǎng)度、間隔時(shí)間及擠出溫度等因素，這些因素對(duì)擠壓過(guò)程中的液相遷移有很大影響，在擠壓過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。本文主要研究第二類因素對(duì)擠壓過(guò)程中液相遷移的影響。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在自主開(kāi)發(fā)的擠壓成形設(shè)備上進(jìn)行，伺服電動(dòng)缸的動(dòng)力經(jīng)過(guò)活塞桿直接擠壓儲(chǔ)料筒中的膏體，膏體通過(guò)噴嘴堆積在工作臺(tái)上，擠壓力數(shù)據(jù)由壓力傳感器采集，直接傳輸?shù)絇C機(jī)上并顯示出來(lái)。擠出裝置中各零件參數(shù)如下：擠出儲(chǔ)料筒內(nèi)徑為20.60mm，外徑為24.60mm，儲(chǔ)料筒長(zhǎng)度為165mm，擠出頭長(zhǎng)度為10mm，擠出頭直徑為1mm和0.5mm。另外，準(zhǔn)備若干個(gè)用來(lái)收集擠出膏體的燒杯，電子秤和烘干箱各1臺(tái)(分別用來(lái)稱重和烘干)。

2.2膏體制備及裝載

膏體材料以α-Al2O3為基體材料，平均粒徑約為10μm，致密度為3.97g/cm3，先將體積含量為38.825%的蒸餾水與2%的聚乙二醇、2.175%的六偏磷酸鈉、3%的丙三醇和4%的卡拉膠混合均勻，再加入50%的Al2O3粉末攪拌，放入球磨機(jī)中研磨12h，得到合適的膏體。之后，加入適量的鹽酸調(diào)整膏體的pH值，最后放入真空攪拌器中進(jìn)行攪拌，使膏體中的各成分分散均勻，得到試驗(yàn)用的陶瓷膏體。為減少空氣進(jìn)入膏體，增強(qiáng)膏體材料的均勻性，采用倒裝法將制備好的膏體裝入儲(chǔ)料筒中，裝載過(guò)程中同時(shí)對(duì)儲(chǔ)料筒進(jìn)行振動(dòng)，盡量釋放其中的氣泡。裝載好后，將儲(chǔ)料筒連接到擠出裝置上，利用電動(dòng)缸推桿將儲(chǔ)料筒內(nèi)的膏體材料進(jìn)一步壓實(shí)，使擠出筒內(nèi)膏體剛好從擠出頭擠出。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

先用電子秤對(duì)做好標(biāo)記的每個(gè)空杯進(jìn)行稱量得到質(zhì)量m0。擠壓柱塞，每移動(dòng)5mm對(duì)所擠出膏體取樣，放進(jìn)燒杯里。收集完樣品后，馬上密封瓶口，將裝載膏體樣品的燒杯在同一電子秤上再次稱量得到質(zhì)量ms。然后放入烘干箱烘干，待膏體中水分充分蒸發(fā)后，再將燒杯進(jìn)行稱重得到裝載干燥膏體的燒杯質(zhì)量mg。

擠出膏體中的液相含量η的計(jì)算公式為

(8)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1擠出速度對(duì)擠壓力和液相遷移的影響

圖5a所示為不同擠出速度下擠出桿位移和擠壓力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中采用的擠出頭直徑為0.5mm。由圖5a可知，隨著擠出桿位移的增加，擠壓力經(jīng)歷了“快速上升→穩(wěn)定→快速上升”三個(gè)階段。擠出速度越小，初始擠壓力上升越快，進(jìn)入穩(wěn)定擠壓階段越早，穩(wěn)定階段擠壓力越小，擠壓力快速上升階段來(lái)得越早。材料開(kāi)始擠出后，膏體內(nèi)部組成變化很慢，擠壓力基本保持穩(wěn)定。但由于擠出過(guò)程中發(fā)生了液相遷移，擠壓力總體會(huì)緩慢上升(變化率約為2.2×10-2N/s)[21]。擠出后期，剩余膏體內(nèi)液相含量降低，膏體逐漸變干，顆粒間摩擦力增大，擠壓力急劇上升，直到擠出過(guò)程停止，且擠出速度越小，擠壓力發(fā)生急劇上升變化的時(shí)間越早，擠壓過(guò)程結(jié)束得越早。

圖5b所示為不同擠出速度下擠出桿位移和擠出膏體中液相含量的關(guān)系。由圖5b可知，隨著擠出桿位移增加，擠出膏體中液相含量逐漸降低。擠出速度越低，擠出膏體中液相含量降低得越慢。在相同擠出桿位移處，擠出速度越低，擠出膏體中的液相含量越高，表明擠出速度越低，液相遷移現(xiàn)象越嚴(yán)重。這是由于膏體中固體顆粒填充層間存在滲流現(xiàn)象，液相從固體顆粒間網(wǎng)格中自由排出。低速擠壓膏體時(shí)，液體的流動(dòng)速度相對(duì)于固體顆粒的流動(dòng)速度高出許多，更快地到達(dá)擠出口的位置。隨著膏體從儲(chǔ)料筒中擠出，更多的液體從擠出筒中流出，導(dǎo)致擠出筒中膏體的液相含量快速降低，膏體變干的速度增加，擠壓過(guò)程結(jié)束得越快。擠壓速度較高時(shí)，膏體中固體顆粒的移動(dòng)速度加快，液體的流動(dòng)速度和固體顆粒流動(dòng)的速度相差不大，液相來(lái)不及發(fā)生遷移，表現(xiàn)為液相遷移現(xiàn)象不明顯。

(a)擠出桿位移與擠壓力的關(guān)系

(b)擠出桿位移與液相含量的關(guān)系圖5　擠出速度與擠壓力和液相含量的關(guān)系

3.2非連續(xù)擠出間隔時(shí)間對(duì)擠壓力和液相遷移的影響

實(shí)際擠壓成形過(guò)程中，在前一層沉積結(jié)束后，通常需要等該層完全凝固成形后，才能繼續(xù)進(jìn)行后一層的擠壓沉積成形，因此膏體的擠出過(guò)程并不總是連續(xù)進(jìn)行的，在擠出過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)擠壓停止一段時(shí)間，然后再繼續(xù)擠出的現(xiàn)象。非連續(xù)擠出可以看作是由多個(gè)連續(xù)擠出階段組成的“開(kāi)始→停止→開(kāi)始→……”的循環(huán)擠出過(guò)程。取FEF工藝中間隔時(shí)間為3s、8s和20s，取擠出速度為0.04mm/s、0.12mm/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖6所示的擠出桿位移和擠壓力的關(guān)系。

(a)間隔時(shí)間3 s

(b)間隔時(shí)間8 s

(c)間隔時(shí)間20 s圖6　不同間隔時(shí)間擠出桿位移和擠壓力的關(guān)系

由圖6可知，在其他條件相同時(shí)，擠出間隔時(shí)間對(duì)穩(wěn)定擠壓階段擠壓力的影響不大。在擠壓過(guò)程中，擠壓力會(huì)隨著間隔時(shí)間的出現(xiàn)而發(fā)生突變，這是由于膏體在先期被壓實(shí)時(shí)，發(fā)生彈性變形，之后開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，擠壓力快速上升，之后擠壓力基本上保持在穩(wěn)定值。當(dāng)擠出停止時(shí)，彈性變形得到一定程度釋放，擠壓力減小，當(dāng)繼續(xù)擠壓時(shí)，擠壓力快速上升。但擠出間隔時(shí)間越長(zhǎng)，擠壓力最后迅速上升階段的時(shí)刻越早到來(lái)。

圖7所示為兩種擠出速度、不同擠出間隔時(shí)間情況下，擠出桿位移和擠出膏體中液相含量的關(guān)系。由圖7可知，隨著擠出過(guò)程的進(jìn)行，擠出膏體中液相含量逐漸降低，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，擠出膏體中液相含量越高，相應(yīng)的剩余膏體中的液相含量越低。這是由于擠出停止時(shí)，彈性變形得到一定程度釋放，膏體中固體顆粒之間間隙產(chǎn)生松動(dòng)，膏體中的液相通過(guò)滲透和擴(kuò)散進(jìn)行重新分配，使固體顆粒之間的自由水得到補(bǔ)充，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，自由水補(bǔ)充得越充分。再次擠壓時(shí)，液相更容易先于固體顆粒擠出，使擠出膏體中的液相含量增加，液相遷移現(xiàn)象更明顯，與圖6的結(jié)論相符合。因此在實(shí)際擠出過(guò)程中，應(yīng)盡量采用較短的間隔時(shí)間。

(a)速度為0.04 mm/s

(b)速度為0.12 mm/s圖7　間隔時(shí)間對(duì)擠出膏體中液相含量的影響

3.3不同直徑噴嘴對(duì)液相遷移的影響

圖8所示為不同直徑噴嘴擠出桿位移和擠壓力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中噴嘴直徑取0.5mm、1mm，擠出速度取0.04mm/s、0.12mm/s。由圖8可知，擠出速度相同時(shí)，0.5mm直徑噴嘴的擠壓力要大于1mm直徑噴嘴的擠壓力，這與Benbow-Bridgwater模型的理論分析相符合。這主要是因?yàn)?.5mm直徑噴嘴的內(nèi)部空間小于1mm直徑噴嘴的內(nèi)部空間，導(dǎo)致膏體在由擠壓筒進(jìn)入0.5mm直徑噴嘴時(shí)，膏體被壓縮的程度增加，固體顆粒之間產(chǎn)生更大的摩擦力，表現(xiàn)為較大的擠壓力。

(a)速度為0.04 mm/s

(b)速度為0.12 mm/s圖8　噴嘴直徑對(duì)擠壓力的影響

圖9所示為不同直徑噴嘴在不同擠出速度下擠出桿位移和擠出膏體中液相含量的關(guān)系。由圖9可知，隨著擠出過(guò)程進(jìn)行，兩種直徑噴嘴擠出膏體中液相含量總體上呈逐漸下降趨勢(shì)；采用0.5mm直徑噴嘴時(shí)，擠出膏體中液相含量總體上大于1mm直徑噴嘴擠出膏體中的液相含量，表明0.5mm直徑噴嘴比1mm直徑噴嘴更容易發(fā)生液相遷移現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行擠壓時(shí)，膏體內(nèi)部的自由水需要不斷對(duì)噴嘴處的膏體進(jìn)行補(bǔ)充，才能維持膏體的塑性流動(dòng)。采用0.5mm直徑噴嘴時(shí)，液相移動(dòng)的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體顆粒的移動(dòng)速度，所以更容易發(fā)生液相遷移。但直徑0.5mm的噴嘴能夠有效提高成形零件的制造精度，在實(shí)際擠壓過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)綜合考慮制造精度和液相遷移的影響，合理選擇噴嘴直徑。

(a)速度為0.04 mm/s

(b)速度為0.12 mm/s圖9　噴嘴直徑對(duì)擠出膏體中液相含量的影響

4　結(jié)論

(1)采用低溫?cái)D壓自由成形技術(shù)制作陶瓷零件時(shí)，擠出速度、噴嘴直徑及擠出間隔時(shí)間對(duì)擠出過(guò)程中的液相遷移均有顯著影響。擠出過(guò)程中，液相遷移和擠壓力有緊密聯(lián)系，可通過(guò)擠壓力來(lái)分析擠出過(guò)程中的液相遷移現(xiàn)象。

(2)其他條件相同時(shí)，擠壓力隨擠出速度的增加而增大，擠壓速度越低，液相遷移現(xiàn)象明顯；0.5 mm直徑噴嘴比1 mm直徑噴嘴更容易發(fā)生液相遷移；擠出時(shí)間間隔越長(zhǎng)，液相遷移現(xiàn)象越嚴(yán)重。但相比于擠出速度，間隔時(shí)間對(duì)擠出過(guò)程的液相遷移行為的影響較小。

(3)在實(shí)際零件的成形過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮實(shí)際情況，合理選擇工藝參數(shù)，減少液相遷移現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]劉偉, 鄧朝暉, 萬(wàn)林林, 等. 基于正交試驗(yàn)-遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的陶瓷球面精密磨削參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2014, 25(4): 451-455.

Liu Wei, Deng Zhaohui, Wan Linlin, et al. Parameter Optimization on Precision Grinding of Ceramic Sphere Using Orthogonal Experiment and Genetic Neural Network[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(4): 451-455.

[2]劉洪軍, 劉佳, 鄭華濱, 等. 工藝參數(shù)對(duì)固體自由成形工藝中陶瓷膏體擠出過(guò)程的影響[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2013, 25 (3) : 83-88.

Liu Hongjun，Liu Jia，Zheng Huabin, et al. Effect of Parameters on Extrusion Process of Ceramic Paste in Solid Freeform Fabrication[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2013, 25(3): 83-88.

[3]張海鷗, 應(yīng)煒晟, 符友恒, 等. 陶瓷零件增量成形技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2015, 26(9)：1271-1277.Zhang Haiou , Ying Weisheng , Fu Youheng, et al. Advances in Additive Shaping of Ceramic Part[J]. China Mechanical Engineering， 2015，26(9) : 1271-1277.

[4]Huang T H, Mason M S, Hilmas G E, et al. Freeze-form Extrusion Fabrication of Ceramic Parts[J]. International Journal of Virtual and Physical Prototyping, 2006 , 1(2): 93-100.

[5]Ouchiyama N, Benbow J, Bridgwater J. Paste Flow and Extrusion[M]. Oxford：Clarendon Press, 1993.

[6]Benbow J, Biudgwater J. On the Fracture Toughness of Extrudates and Its Relationship to Rates of Bulk Particle Attrition [J]. Powder Technology,1987,51(1):103-114．

[7]Yaras P, Kalyon D M, Yilmazer U. Flow Instabilities in Capillary Flow of Concentrated Suspensions[J]. Rheol. Acta., 1994, 33: 48-59.

[8]Yu A B, Bridgwater J, Burbidge A S, et al. Liquid Maldistribution in Particulate Paste Extrusion[J]. Powder of Technology, 1999, 103(9): 103-109.

[9]Rough S L, Bridgwater J, Wilson D I. Effects of Liquid Phase Migration on Extrusion of Microcrystalline Cellulose Pastes[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2000, 204(1/2): 117-126.

[10]Rough S L, Wilson D I, Bridgwater J. A Model Liquid Phase Migration within an Extrusion Microcrystalline Cellulose Paste[J]. Trans. IChemE, Part A, 2002, 80(10): 86-97.

[11]Masciaa S, Patel M J, Rougha S L, et al. Liquid Phase Migration in the Extrusion and Squeezing of Microcrystalline Cellulose Pastes[J]. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 2006, 29(5):22-34.

[12]Bayfield M, Haggett J A, Williamson M J, et al. Liquid Phase Migration in the Extrusion of Icing Sugar Pastes[J]. Institution of Chemical Engineers, Part C, 1998, 76(3): 39-46.

[13]Liu Honjun, Liu J, Leu M C, et al. Factors Influencing Paste Extrusion Pressure and Liquid Content of Extrudate in Freeze-form Extrusion Fabrication[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2013, 67: 899-906 .

[14]Li Mingyang, Tang Lie，Landers R G, et al. Extrusion Process Modeling for Aqueous-based Ceramic Pastes-Part 1: Constitutive Model[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, 135(5): 10.1115/1.4025014.

[15]Li Mingyang, Tang Lie，Landers R G, et al. Extrusion Process Modeling for Aqueous-based Ceramic Pastes-Part2: Experimental Verification[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, 135(10):10.1115/1.4025015.

[16]Mason M S, Huang Tieshu, Landers R G, et al. Freeform Extrusion of High Solids Loading Ceramic Slurries Part 1: Extrusion Process Modeling [C]//Seventeenth Annual Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin, Texas, 2006: 316-328.

[17]Mason M S, Huang Tieshu, Landers R G, et al. Freeform Extrusion of High Solids Loading Ceramic Slurries, Part2: Extrusion Process Control[C]//Seventeenth Annual Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin, Texas, 2006: 330-338.

[18]鄭華濱. 陶瓷膏體擠出裝置和擠出工藝研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué)，2011.

[19]李冬健. 工藝參數(shù)對(duì)水基陶瓷膏體非連續(xù)擠出過(guò)程液相遷移的影響[D]. 蘭州: 蘭州理工大, 2012.

[20]劉佳. 水基ZrB2膏體非連續(xù)擠出過(guò)程研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué)，2013.

[21]Zhao Xiyue，Landers R G，Leu M C. Adaptive Extrusion Force Control of Freeze-form Extrusion Fabrication Processes[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2010,132(6): 10.1115/1.4003009.

(編輯張洋)

Liquid Phase Migration and Freeze-form Extrusion Fabrication of Aqueous Ceramic Paste

Yan Cunfu1,2Li Shujuan1Yang Leipeng1He Longfei1Yang Zhenchao1

1.Xi’an University of Technology,Xi’an，710048 2.Huanghe College of Science and Technology,Zhengzhou，450063

During the aqueous ceramic paste freeze-form extrusion fabrication process, liquid phase migration had important effects on extrusion proces and the part performances. The extrusion process was divided into 3 stages, i.e.compaction stage, transition stage and stable extrusion stage. The extrusion pressure equation which included the shear forces between the barrel inner wall and the extrusion paste was derived based on Benbow-Bridgwater model. The influences of extrusion speed, interval time and nozzle diameter on liquid phase migration were studied attentively through single factor experiments. The results show that the longer interval time, the more serious the liquid phase migration, the higher extrusion speed and the bigger diameter of extrusion nozzle may reduce liquid phase migration and improve the forming efficiency.

aqueous ceramic paste; freeze-form extrusion fabrication; single factor experiment；liquid phase migration

2015-09-23

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009CB724406)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JQ5182)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(14JK1515)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140754)

TB330.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.020

閆存富，男，1972年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器學(xué)院博士研究生，黃河科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槿S零件快速成形、數(shù)字化制造。李淑娟(通信作者)，女，1968年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。楊磊鵬，男，1991年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院博士研究生。何龍飛，男，1989年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院碩士研究生。楊振朝，男，1982年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院講師。