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1、 I 摘摘 要要 陶瓷粉末注射成形（Ceramic Injection Molding，简称 CIM）是近代粉末注射成形（Powder Injection Molding，简称 PIM）技术的一个分支，它继承了粉末注射成形的所有优点，可以大批量、低成本地制造形状复杂、性能优越的产品，满足了国防、通讯、机械、汽车、医疗等行业对高性能异形关键精密零部件的需求，是当前先进制造技术领域研究的热点之一。本文采用理论分析、软件仿真和实验测试相结合的方法来模拟陶瓷粉末注射成形流动过程中的关键问题。 喂料的流变特性的拟合是整个注射成形计算机模拟的关键。目前尚未有成熟的软件能够模拟陶瓷注射成形，论文针对这一现状
2、，利用塑料注射成形的粘度公式对 CIM中非牛顿流体流动过程进行仿真，针对现有模流分析软件无拟合喂料粘度功能的问题，以幂率模型为基础拟合出喂料粘度曲线，并提出改进算法拟合 Cross-Arrhenius 模型参数和 Cross-WLF 模型参数，开发了算法软件包，为陶瓷注射成形的质量预测、模具和工艺参数优化设计提供了必须的数据，奠定了 CIM 材料数据库的基础。 在 CIM 领域中的注射成形仿真软件应用研究方面，对陶瓷粉末的注射成形过程进行了仿真和实验分析。用保压压力和注射速度对不同成形参数下成形坯体进行评价，确定了较适合注射温度、注射压力和注射时间等参数。与实际试验数据进行对比分析，得到了较为
3、理想的实验效果。 以上研究和分析表明，通过控制喂料的流变特性、成形工艺参数等相关因素，利用改进算法来实现计算机模拟，就能够较为成功地控制模拟的精度和效果，并满足虚拟试验需求。 关键词：关键词：陶瓷注射成形 粘度 幂律模型 Cross-Arrhenius 模型 Cross-WLF 模型 II Abstract Ceramic Power Injection Molding (CIM), the combination of traditional powder metallurgy and thermoplastic injection molding, is one of high-tech.
4、 As one of the hot researchers of current advanced mass-produce complicated products of fine quality with less cost, which meets the requirements for precise key parts with irregular shape and high performance in many industries such as national defence, communication, machinery, automobile and medi
5、cal device. Some key issues of flow process in injection molding were studied with theoretic analysis, experimental test and software simulation, which are as follows: In the research of rheological equation of CIM feedstock, the flow process of Non-Newtonian fluid was firstly studied by using Cross
6、-WLF Seven-Parameter model. For solution of feedstock viscosity model parameters and shortage of regress function in current molding analysis software, One-step Linearity Algorithm and Median Algorithm was build and the package was developed. Then the algorithm was used to get the seven parameters o
7、f viscosity model of ZrO2 Ceramic feedstock, which provide the necessary material data for quality forecast of mold core part made of ZrO2 Ceramic, and for optimal design of mold and process parameters, which establishes the foundation of material database of CIM. In the CIM field, Injection Mouldin
8、g simulation software application can be used in the process of ceramic powder injection doing the simulation and analyse works. Estimate the green injections with different parameters, find the best injection temperature, injection press and injection time. Compared to the real date of experiments,
9、 we can get an ideal effect. With all the research and analyse above, if we control the rheological of material, and process parameter, and then with the simulation works, we can control the precision and the result successful, and can reach the requirement of dummy experiment. Keywords: Ceramic Pow
10、er Injection Molding (CIM) Viscosity Power Law Model Cross-Arrhenius Viscosity Model Cross-WLF Viscosity Model 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授
11、权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 随着时代对材料需求的日益增长，陶瓷材料现在被逐渐应用到很多高科技领域，制品尺寸的精度要求也越来越高，所成形的几何形状也越来越复杂，但由于陶
12、瓷材料本身所固有的高硬度、低韧性，常规的机械加工很难满足它的成形要求，能够直接制备各种复杂形状和高精度陶瓷制品注射成形工艺应需而生1。陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，简称 CIM）是一种新型的陶瓷近净成形技术，其来源于现代粉末注射成形技术，基本工艺是将陶瓷粉末与有机粘结剂均匀混炼，经制粒后在加热塑化的条件下加压使喂料注入模腔内并冷却固化成形，然后将成形坯中的有机物通过加热或其它物理化学方法进行排除，最后经烧结致密化后得到最终产品。它具有一次性成形复杂形状制品、产品尺寸精度高、无需或只需微量机械加工、易于实现规模化生产等特点2。 1.1 CIM 的发展概况的发展
13、概况 最初，注射成形技术被用于塑料成形方面，由于生产高效、成形精度高和制件质地均匀，从而被引入到粉末冶金领域而形成一门新型的粉末冶金近净成形技术。早在20 世纪 20 年代就报道利用粉末注射成功成形了陶瓷火花塞，此后，相继在 1948 年于美国、 1960 年于日本都开始了对陶瓷注射成形的研究3， 但此时由于各种条件的限制，注射成形技术在大规模生产上处于早期的发展阶段，工艺改进缓慢、产品强度低且分散性大4。在随后的几十年间，粉末注射成形主要以金属注射成形（MIM）为主。近些年，随着新产品的开发和应用，尤其是在发动机上使用精密陶瓷的零部件，研究者们开始对陶瓷注射成形投入大规模的研究，无论是在技术
14、还是工艺上都取得相当大的进步，产品质量的可靠性得到大幅度的提高，它的应用范围不仅包括制造传感器、绝缘体、牙托等一般产品，还被用来制造汽车零部件、人造骨骼、轴承等高精密产品。基于此，陶瓷注射成形受到越来越广泛的重视。 1.1.1 CIM 工艺的流程和特点工艺的流程和特点 CIM 的基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂混练均匀，经制粒后在加热塑化状态下(150)用注射成形机注入模腔内固化成形， 然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品5。 2 从原料上说，基本上常见的陶瓷粉末原料，如 ZrO26、Si3N47、AlN8、Al2O39等，都能利用 CIM 技
15、术制造出精度高、形状复杂的产品，具有常规粉末冶金和机加工都无法比拟的技术优势。根据原料种类、制品形状、生产规模和使用目的等因素，注射成形和其他成形方法作比较，见下表 1.15。相比较而言，注射成形适用于批量生产、制品体积较小、尺寸精度高、后期加工少甚至不需加工、质量可靠性高的领域。 表 1.1 注射成形和其他成形方法的比较 制品尺寸（cm）成形方法 基本材料 制品形状 直径厚度 生产规模 技术要点 注射成形 粉末有机材料（1025） 非常复杂 0.530 13.0大量生产 添加剂的选择、脱脂机械压制 粉末有机材料（48） 简单 1.020 1.08间歇、 自动大量生产 颗粒调整 冷等静压 粉末
16、有机材料（38） 较复杂 （球状、柱状） 3150 1.9150干式大量生产 颗粒调整、模具设计粉浆浇注 粉末各种材料水 相当复杂 20150 0.33.0间歇式 控制粒度、调整粉浆刮片 粉末各种材料有机溶剂 简单 15200 0.0030.2 自动大量连续式 粒度分布、调整粉浆、有机物的选择 挤压 粉末有机材料水 棒状、 管状 2030 0.012.5 连续大量生产 添加剂的选择 综合国内外的文献及研究生产现状和发展趋势，大家归纳出陶瓷注射成形工艺主要有以下这些特点： （1）成形周期短，仅为浇注、热压成形时间的几十分之一至几百分之一，可自动化生产，适宜大批量生产。 （2）能直接制备几何形状复杂的制品且坯件强度高。 （3）因添加的粘结剂致使喂料的流动性较好，成形坯件的致密度相当均匀。 （4）粘结剂和粉末混合均匀后，在烧结过程中收缩量基本一致，所以制品各部位
