陶瓷壳体零件制作工艺的研究

摘 要：陶瓷材料可以被用来制作壳体类零件。由于陶瓷坯体在干燥和烧结过程中的收缩率较大，约5%-20%，并且受到多种因素影响，导致壳体零件尺寸精度较低，限制了陶瓷壳体的应用。为了提高陶瓷壳体零件的尺寸精度，本文首先利用注浆成型的方法制作了一个圆柱形陶瓷壳体试件，测量尺寸，计算材料收缩率。然后设计了一个电器仪表外壳，根据收缩率数据将模型放大，采用3D打印的方法制作模芯，并利用此模芯制作石膏模具。最后采用相同的注浆成形工艺参数，制作出陶瓷壳体零件。实验结果表明，这种二次注浆成形工艺能够抵消陶瓷材料收缩，并避免影响因素，使壳体零件尺寸的相对误差小于1%。

关键词：陶瓷壳体零件；二次注浆成形；收缩率

1前言

陶瓷材料可以被用来制作壳体类零件。因为其独特的物理化学性质，陶瓷壳体往往被应用于特殊的环境，例如：陶瓷材料具有很好的防腐蚀性，因此被用来制作水管和水泵壳体，以及海洋探测器的外壳[1，2]；陶瓷材料具有很高的硬度，不容易刮花，因此被用来制作手机和手表外壳；陶瓷材料具有很高的熔点，因此被用来制作用于金属铸造的型壳[3，4]。

陶瓷材料具有很好的绝缘性和阻燃性，同时不会老化，适合作为电器仪表外壳的材料。但是，目前的电器仪表外壳，一般是采用注塑成型的方法制作的塑料外壳，很少采用陶瓷材料，一个重要的原因是，陶瓷材料在干燥和烧结过程中的收缩率较大，约5%～20%，并且受到多种因素的影响，导致每一批次的壳体零件尺寸都有差异，精度较低。本文将采用注浆成型的方法，研究提高陶瓷壳体制造精度的工艺方法。

2 材料和方法

首先制作圆柱形陶瓷壳体试件，采用圆柱形木头作为模芯，直径为60mm，长度为100mm。将石膏粉（2CaSO4·H2O）与水，按照1：0.8的质量比混合，搅拌均匀，形成石膏浆料。把木模芯放置在长方形容器中，使轴线保持水平状态，然后倒入石膏浆料，浸没到圆柱面的一半。大约一个小时后，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，再次倒入石膏浆料，制作模具的另外一半。将两半的石膏模具干燥、备用。

制作陶瓷壳体的材料是粉末状的日用陶瓷原料，主要成分是高岭土（48%）、石英（30%）、钾长石（12%）、钠长石（7%）、膨润土（3%）及少量添加剂（腐植酸钠、水玻璃），粉末颗粒直径小于0.1mm。将原料与水混合，搅拌均匀，形成含水率为40%的泥浆。将泥浆倒入前面做好的石膏模具中，静置20min后，倒出模具中多余的泥浆。将石膏模具放置在40℃的干燥室，干燥2h后脱模，取出坯体。将陶瓷坯体放置在干燥室，继续干燥4h。将干燥处理后的坯体放入电加热的梭式窑中，烧制8h，最高温度为1280℃，获得圆柱形壳体试件。用游标卡尺测量壳体试件的直径和高度，按照下面的公式，计算陶瓷材料的收缩率。

收缩率=■×100%

利用三维机械设计软件设计一个电器仪表外壳，外壳上有一个长方形的窗口，用来安装显示屏，还有三个圆形孔，用来安装电器按钮。按照收缩率数据将电器仪表外壳模型放大，利用熔融沉积式3D打印机制作模型。将模型内部空间填充，使之外表面平齐，利用这个模型作为模芯，采用与前面相似的方法，制作出三块石膏模具。采用与前面相同的注浆成型工艺参数，制作陶瓷材料的壳体零件。壳体上的长方形窗口和圆孔，是在烧结前手工切割出来的。用游标卡尺测量壳体零件的长度、宽度和高度，计算尺寸误差。

相对误差=■×100%=■×100%

3 结果

图1和图2分别是圆柱形壳体试件和电器仪表壳体零件的成品、模芯和石膏模具。

表1和表2分别是圆柱形壳体试件和电器仪表壳体零件的尺寸。壳体的厚度为4mm。

4 结论

注浆成型是陶瓷行业一种常用的成形方法，主要用来制作洗脸池、坐便器等卫生洁具。这种注浆成型的方法，也可以用来制作机电行业的壳体类零件。如图3所示，注浆成型的工艺过程，是把陶瓷浆料倒入石膏模具中，利用石膏材料的多孔性，吸收泥浆中的水分，在石膏模具内表面形成泥层。泥层的厚度随时间的延长而增加，当泥层到达一定厚度时，倒出多余的泥浆，经过干燥和脱模获得陶瓷坯体，再经过干燥和烧结，即可得到陶瓷壳体成品。

利用注浆成型的方法制作陶瓷壳体类零件，需要经历干燥和烧结两个过程，陶瓷坯体大约收缩5%-20%，并且收缩率受到多种因素的影响。如图3所示，这些影响因素包括泥浆的化学成分配比和含水率、石膏模具的吸水性、干燥时间和环境温度、烧结温度等。由于这些因素的影响，不同批次陶瓷壳体的尺寸都不相同，导致壳体零件的尺寸精度较低，这是限制陶瓷壳体零件广泛应用的一个重要原因。

本文提出一种二次注浆成型的工艺方法。首先，采用注浆成型的方法制作一个圆柱形的壳体试件，测量和计算试件的收缩率。然后，根据收缩率数据，对壳体零件做放大处理，用3D打印的方法制作壳体模芯，利用这个模芯制作石膏模具，并采用与圆柱形试件相同的注浆成型工艺参数，制作陶瓷壳体零件。表1中圆柱形试件的直径收缩率为k1=12.7%，高度收缩率为k2=13.7%，略大于直径收缩率，原因可能是高度方向受到重力的影响。在对壳体元件做放大处理时，相应地，长度和宽度方向的放大倍率为1/（1-k1），高度方向的放大倍率为1/（1-k2），按照这个放大倍率确定模芯的尺寸，如表2所示。

二次注浆成型工艺，能够使模型的放大量与陶瓷材料的收缩量相互抵消，另外，由于两次注浆成型采用相同的工艺参数，在很大程度上避免了各种影响因素。因此，陶瓷成品与原件的误差较小，壳体零件的尺寸精度较高。实验研究结果表明，壳体零件的绝对误差小于1mm，相对误差小于1%。

壳体类零件的制造，是机械制造中一个比较复杂的工艺过程，需要使用专门的机械设备和昂贵的模具。例如对于铸铁和铝合金壳体，需要将金属熔化，还需要专门的铸造模具；对于塑料壳体，需要注塑机和昂贵的注塑模具。日用陶瓷材料烧结后转变为莫来石（3Al2O3·2SiO2），莫来石陶瓷的强度低于铸铁和铝合金，但高于一般的塑料材料[5]。陶瓷注浆成型不需要昂贵的机械设备，石膏模具成本也很低廉，并且模具可以反复使用。陶瓷注浆成型的缺点是需要较多的手工操作，并且生产周期较长，干燥和烧结过程加起来大约需要一天时间。因此，陶瓷注浆成型适合单件或小批量壳体零件的生产，特别是一些受力不大的电器仪表外壳，是一种具有广泛应用前景的工艺方法。

参考文献

[1] 杨振哲，项光磊.压电陶瓷球壳制备工艺研究[J].声学与电子工程，2022，（03）：44-47.

[2] 刘晓东.万米水下滑翔机陶瓷耐压壳体设计研究[D].天津大学硕士学位论文，2021.

[3] 杨建明，肖志文，王永宽等.精密铸造陶瓷型壳DLP光固化3D打印机的研制[J].制造技术与机床，2021，6：25-29.

[4] 彭磊.精密铸造用陶瓷型壳微滴喷射粘结成型工艺及性能研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2022.

[5] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，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