CAD和CAM在陶瓷工业中的应用
作者：余红 刘光武 时间：2013-7-26
摘要：本文较全面地介绍了CAD和CAM技术在陶瓷工业中的应用状况,以及国外厂商的应用实例和应用软件开发价况。
关键词:CAD和CAM,峋先工业,应用软件
1前言
陶瓷产品生产中的关键问题是产品的设计和产品制造中工艺的控制,传统方法主要靠实验和经验,费时费力,成本高、效率低。尤其是新产品的设计,在成本和时间上分别占其总量的3%和6%,因而产品难以推陈出新,与消费市场的需求很不相适应。近年来,CAD和CAM(计算机辅助设计和计算机辅助制造)技术引人陶瓷工业,取得了极为显著的成就,展示了陶瓷工业新的发展趋势。
2CAD和CAM的应用
2.1陶瓷配方设计
陶瓷产品性能首先决定于其成份的选择和配方,由于陶瓷成份的化学、矿物学、物理性质及胶体特性间错综复杂地相互影响及其与生料性质和陶瓷烧成性质的复杂关系,过去往往靠宏观笼统的大量实验工作获得理想的配方,由于实验工作的艰巨性,使得配方的保密性和独占性很强。今天随着CAD技术的引人,技术人员通过分析,将配方的基本过程和需要考虑的因素进行分解,使用数值分析方法,设立能满足或接近配方的目标,建立起反映这些关系的庞大的矩阵系统,对传统陶瓷产品而言,用线性方程组描述这些关系可以足够精确,目前已成功地开发出建立在陶瓷成份数据库基础上的软件,如Quattropro等,可方便地在计算机上直接进行配方和筛选,我国也有一些这方面的尝试,但尚未见到成熟的软件产品问世。
在坯体或釉料配方选择中,需要了解所选成份的化学元素及其化合物的物理性质,化学性质、热化学性质、热动力学性质等,这些数据的查找往往比较麻烦·ESMicrowar。公司新近开发了一种软件TAPP,可使产品设计人员从计算机屏幕上的元素周期表上选择元素,程序自动组成有关化合物,在确定了化合物的状态(固、液、气)后,显示出化合物的各种性质。也可根据需要了解特定变量,如固体的热膨胀系数上、下限值,结晶模型、密度、杨氏模量,传热系数等。该软件还能提供化合物的二元相图及相应位置的温度、原子百分比和重量百分比参考值,这样能够很方便地得到后续分析中需要的临界点。用户使用诊程序还能够根据需要建立自已的数据库。这种直观、快速的方法大大方便了设计者。
2.2产品模型设计
新的陶瓷产品通常需要根据市场或客户对花色品种、尺寸、形状等的不同要求设计大量的图纸、并据图纸制出试样进行评价,技术要求高,工作量巨大,而且工艺师难以根据平面图传神地反映设计师的意图。CAD技术使这项工作产生了革命性的变化,计算机不仅可通过二维或三维图形功能显示不同尺寸、颜色、形状的设计方案,还能通过对称性、按比例缩放、阴影显示、块体移动等功能随时修改模型,并可根据局部改动相应调整整体模型的配合,最终给出满意的模型,同时还可将设计数据的变化情况随时反馈给相应的数据库,以方便后续各道工序的调用。
世界最大的瓷器生产商Wedgwood公司6年前开始使用工作站,已经取得了设计质量、效率和成本等方面的明显成效。他们过去设计一个椭园形瓷壶手工需要5一6天,而用CAD方法只要2天即得到理想的效果。陶瓷产品除了对外观的要求外,由于承受外力和热荷载,还需要进行工程方面的分析。CAD技术中的有限元法能够准确、快速地完成这项工作。例如,陶瓷钵体釉料要求热膨胀较低,冷却期间会产生压应力,而坯体的形状和釉料成份都会影响钵体中的应力分布,如果配合不当,当产品承受热膨胀时,釉料会从坯体上剥落下来,使用有限元方法对钵体随温度变化下的应力分布状态进行显示和分析,调节坯体形状和釉料成份,即可解决这个问题。陶瓷由烧制温度到冷却温度过程中产生的瞬时热流动往往是导致产品内部应力变化引起损坏—热冲击的原因,根据温度写时间的函数关系进行瞬时热分析及相应的应力分析,即可找到薄弱之处,改善产品设计,减少热冲击损失。
结构陶瓷是替代金属的理想材料之一,但其脆性及其裂纹破坏的不可预侧性制约了其实际应用,而其单体试件力学性质无规律描述的情况只能采用统计断裂力学方法来研究。这项工作设有计算机的帮助是难以想象的。美国NASA协会推出最新改造的软件CARES/LIFE‘一’,该软件除能进行结构陶瓷的分析外,还可以进行结构寿命预测的可靠性评价。通过大批简单试件的力学实验结果确定统计强度和疲劳参数,然后进行复杂部件有限元热分析和应力分析,预测部件的时变可靠性,优化设计方案直到得到能够接受的破坏可能性,或根据大量简单试件试验结果得到复杂部件可靠性变化的发展规律。另外该软件还可独立于试件的几何形状和荷载进行材料比较,例如军事运输机WasPallay空气透平起动器中的氮化硅透平轮改型,新产品不仅降低了成本和重量,而且还提高了耐热、耐腐蚀和耐磨蚀性。该程序已成功地用于透平、内燃机、轴承、试验装置上的激光窗、屏蔽罩、辐射热管、航天飞机驱动阀和工作台、示波管、火箭发射管及微处理器的陶瓷封装件等陶瓷部件的分析设计上。
2.3产品加工控制
粉体加工是陶瓷产品生产中最基本的工艺之一。技术人员往往要随时注意配合原料在磨细过程中的粒径分布和表面积的变化。因为它关系到颗粒堆集、生坯体积矛、干坯体积密度、颗粒间的孔隙、颗粒间的孔径分布、透气性、干燥速率、干燥收缩性、烧结收缩性、流变性颗粒间的反应及速率、烧结性质等影响产品性能和质量的多种特性。传统靠经验加单一的邻计方法往往产生较大误差。D.R.DINGER等人推荐采用计算机,根据随机采样值制成直方图和CPET图综合计算颗粒的分布和颖粒表面积,结合最小二乘方图,得到的结果在整个生产过程中对坯体的性质进行预测性控制,效果很好.
有些形状复杂且精细程度要求较高的产品制造难度较大,传统制造中需要反复加工,在时间和材料成本上投人较大。例如Wedgwood公司制造客户定做的细颈盛水瓶时,由于对盛水量和瓶颈与瓶塞配合关系要求非常严格,制造成本很高。通过CAM技术,容器的容积计算能够自动完成(不管形状多复杂),解决了用水反复量测然后打磨的笨重力法,另外还考虑了烧制过程中可能产生的尺寸变化,使得加工工作一次达到合格尺寸要求。
2.4加工工具的控制
扁平餐具要求装窑窑具在烧制期间能承受15%的收缩,否则产品会变形,影响成品的承载能力。在CAD和CAM的帮助丁,现已由将坯体形状和设计要求形状在计算机中综合考虑设计出装窑窑具的尺寸,发展为直接换算,将窑具的收缩考虑在内产生所需坯体的烧制尺寸。既使很复杂产品的装窑窑具都能一次成功,而在传统方法中需要至少4~5次的实验。设计好的窑具数据还可存人数据库,用于新设计窑具的比较和检验。陶瓷隧道窑的控制早已计算机化,目前推荐采用与过程控制器建立联系,而不是直接控制工艺的分布式方法。这样做的优点是:第一可避免因计算机的故障造成生产线停工;第二可避免过多的计算源,因为计算机执行的运算越多,结果越慢,适时控制效果越差。Kil一Tel系统软件包由Kil一Tel系统公司开发,采用分布式控制,同时控制多个工艺变量,能够适时检查,还能将特定工艺变量组织在一起展示出来。该软件可保留历史数据,对特定的材料卡建立单独的烧制曲线,特别适用于1509000的要求,带有时间曲线、窑纵断面图和相曲线。可检查任何两个呈函数关系的工艺变量。该系统还可加人电话网络,便于与工程技术人员建立联系,随时解决现场出现的问题。
2.5加工生产的外围工作
生产陶瓷制品产生有化学废料,在环境保护要求越来越高的今天,对其排放废料也越来越严格,这样严格的记录和及时报告就很必要,因而也就显得很繁琐。Core化学废料处理软件可以快速而方便地完成这类工作,该软件为网络系统,用户使用的化学品的成份、数量、密度及有害程度可在生产线各道工序处键人网络,系统自动记录,累积并计算出产生的各种废料的总量信息。在排放时还可给出装人容器和贮放位置的数据清单及贮放库的责任人和责任范围及创度,随时打印出当前报告,使废料产生和排弃行踪一目了然。
3 CAD和CAM进一步推广应用的关键
CAD和CAM技术在陶瓷工业中进一步推广的关键在于功能更强的软件的开发和用户认识水平的提高。CAD和CAM技术软件的开发公司正在致力于新的努力方向,一是提高运算速度,使其具有广泛的适用性、提供优化的产品数据管理能力、将设计数据直接按流淮反馈给工艺过程,即CAD/CAM/CIM(计算机集成制造)。并及时注意与新的操作系统配洽,如WinolowNT;二是开发各自独特的功能,例如电子陶瓷的设计制造对CAD和CAM在陶瓷工业中应用提出了新课题,电子陶瓷为多片状组件,尺寸极小,仅为1密耳细薄,且为埋人式或交错叠层。目前适应这一要求的软件已由HarrisEDA公司开发出来,名称为Fi-nesseMCM。陶瓷工业应用CAD和CAM的程度和时间比其他制造业要差和晚,其原因之一是陶瓷产品的制造一直被看作是一门技艺,排斥计算机的加盟。但是从已引人CAD和CAM技术的公司(表1)使用效果看,无论从成本、效率,还是从质量、设计水平等方面都取得了极佳的
效益。Pfaltzgra“公司使用CATIA程序,废品率从原来的15%下降到5%以下。其他公司也反映综合效益很显著。从发展趋势看,我国陶瓷产品如果要达到一流水平,并要大幅度提高经济效益,也需要向这一方向迈进。所幸已有不少有识之士已认识到这一点。
