CN101259526B - 一种无模铸型的数字化快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种普通砂型铸造用的铸型制造方法，属于一种数字化驱动的快速制造铸型的技术。它的工艺步骤是：建模、建立浇铸系统，模拟铸造工艺过程并评定优化；根据铸件性能要求，混制一定比例的型砂，制成砂坯；根据加工型腔的形状，编制程序代码，输入到砂型数控机床；铸型和型芯的加工；清理及检测铸型；下芯，铸型装配；浇注，形成铸件。本发明采用了铸造与和切削加工技术有机结合起来，是一种全新的铸型生产方法。采用数控切削技术，直接加工复杂大型铸型，既省去了模具制造环节，又提高了铸型的加工精度，使铸件的厚度降低、刚性提高、重量减轻，且该方法具有节约材料、降低能源消耗的绿色化优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种普通砂型铸造用的铸型制造方法，特别涉及一种数字化驱动的快速制造铸型的方法，属于铸造，数控切削技术领域。
背景技术
铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的基础工艺。铸造行业是国民经济发展的重要基础产业，是汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业的基础，是制造业的重要组成部份，其中，铸型加工是铸造生产中重要的组成部分，铸型的作用主要是成形，其质量的好坏直接影响最终铸件的性能。随着市场全球化以及竞争的不断加剧，产品更新换代的速度不断加快，新产品的开发、研制、生产周期短、批量小、更新快成为制造业的必然趋势。那么如何在短时间内低成本的制造出精度高、合理的铸型则成为铸造工作者研究的热点和重点问题之一。于是铸型的生产方法发生了显著变化。在普通的砂型制造中，从传统的有模铸型生产发展到无模铸型是铸造生产中的一次重大变革。
有模铸型生产需要工艺转换，周期长，成本高，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质量好的铸型，不能小批量大型铸型的生产要求。目前的无模铸型制造工艺是将快速成形工艺与传统的树脂砂工艺相结合，该工艺虽突破了传统铸型制造工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少，但仍存在着很多缺点。目前典型的CAD直接铸型工艺主要有PCM(Patternless Casting Modeling)无模铸型制造工艺、SLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结工艺、3D-P(3-Dimensional Printing)工艺、DSPC直接壳型制造(Direct Shell ProductionCasting)工艺和德国Generis公司的GS工艺(Generis Sand)。
快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型(数字模型、CAD模型)，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层)，把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。快速成形之名称是从英文RP(Rapid Prototyping)演变过来的，其英文词意为快速原型。
PCM工艺正是将RP理论引进到树脂砂造型工艺中，采用轮廓扫描喷射固化工艺，实现了无模型铸型的快速制造。该工艺对树脂砂的用量较大，粘结剂成份高，进而导致加工精度不高，且加工获得的铸型透气性差，不适合于对透气性要求高的大型铸件的制造。
SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。受成形设备成形空间和成形速度的限制，只适合于制造中小件，且对于单件小批量生产来说，成本高。该工艺产生有毒气体，污染环境。
3D-P(3-Dimensional Printing)工艺是采用逐点喷洒粘接剂来粘接粉末材料的方法制造原型。
DSPC(Direct Shell Production Casting)工艺的造型的表面质量较高，但是对于大中型铸件的生产来说，需要价格高昂，体积庞大的加热设备。
GS(Generis sand)工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂，然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。此工艺清砂困难，需特殊处理工序，影响砂型的精度和表面质量。
总之，在现有技术中，对单件小批量生产的大型铸件来说，基于快速成形的无模铸型制造技术，设备成本高，产品开发成本高，不能满足客户的总体需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制造铸型的方法，该方法省去模具制造环节，提高了零件交货期，节省了原材料，降低了铸件厚度，提高了铸型的加工精度。解决了制约铸造行业敏捷化、高精度化的技术瓶颈。
本发明提供的快速制造铸型方法，其步骤主要包括：
a)根据铸件工艺图，利用三维CAD造型软件构建零件三维实体模型；
b)利用铸造模拟仿真软件，建立浇注系统，模拟铸造工艺过程并评定优化，根据模拟的结果分析，如果合理则执行步骤c，不合理返回到步骤a；
c)型砂配制和砂块制作；
d)编制加工程序，输入数控砂型数控机床；
e)砂坯置于工作台上，由砂型数控机床加工出所需的铸型、砂芯；
f)清理及检测铸型；
g)下芯、铸型装配；
h)浇铸。
型砂砂坯由原砂、粘结剂、固化剂及添加剂所组成：原砂是石英质砂或非石英质砂；粘结剂根据所配的原砂特性，可以是粘土、水玻璃、树脂；固化剂根据所配的原砂性能和所用粘结剂类型，可以是乌洛托品、氯化铵、三乙胺、二甲基乙胺、磷酸；添加剂根据所配制的型砂、粘结剂、固化剂的种类，可以是淀粉、木屑、膨润土、氧化铁粉、硼砂、尿素。
粘结剂、固化剂及添加剂的比例范围分别为粘结剂加入量占原砂的1％-3％，固化剂占树脂重量的20％-60％，添加剂占树脂重量的0.1％-5％。根据所需成型铸件的性能要求，采用不同比例配制，如需制造铸铁件，采用的比例为粘结剂加入量占原砂的1.5％，固化剂占树脂重量的40％，氧化铁粉占树脂重量的4％。
采用本发明方法加工铸型，具有数字化、精密化、柔性化、绿色化等特点。其技术效果具体叙述如下：
(1)在计算机三维造型及铸造模拟仿真的基础上，利用数控机床直接切削加工出铸型，最后组型就可直接浇注。该方法实现了铸型设计、加工及浇铸的一体化，简化工艺，缩短了加工时间，能够与铸造生产实现无缝连接。
(2)数控机床可以加工各种各样的空间曲面，以及各种细小结构，能够在型砂砂坯上直接加工出复杂、精细的内部型腔结构，实现精密铸造。
(3)该方法省去模具制造过程，大大缩短铸型加工周期，产品开发和上市时间。为单件、小批量、大型铸件的制造提供了一种全新的加工方法。
(4)该方法的整个加工过程是在封闭的环境中进行的，无废气或粉尘污染，解决了传统铸型加工车间废气、粉尘污染严重的问题，而且使用该方法切削产生的废料可以二次利用，作为下批铸型的制造原料，节约了原材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为现有技术中无模铸型制造方法的分类
图2为本发明的无模铸型的快速制造工艺流程图。
具体实施方式
下面通过两个实施例对本发明做详细的说明，但不作为对本发明的限定。
实施例一：利用本发明制造一个20×20×30mm的立方体铸型型腔。
(1)利用计算机建立20×20×30mm的立方体；
(2)根据零件的大小，确定砂坯尺寸，并利用铸造模拟仿真软件，建立该浇铸系统方案，确定分为上、下两个砂坯，无需砂芯；
(3)采用原砂粒度为50/80和100/200的水洗砂按照1∶2的比例混合，固化剂加入量占树脂50％，树脂加入量占水洗砂的1.5％，混制型砂是应先加固化剂；
(4)根据所要加工的轮廓，编制数控程序，切削出的铸型深度为15mm，其加工的工艺参数为：进给量F是100mm/min，铣刀的转速为640r/min；
(5)驱动数控机床进刀，加工所需的轮廓形状，本实施例中，需加工两个同样的铸型的型腔，深度为15mm；
(6)清理及检测铸型；
(7)组型，形成所需铸型；
(8)浇注，形成铸件。
实施例二：利用本发明制造一个60×60×40mm长方体，在60×60mm的面上是一个直径为30mm的通孔。
(1)利用三维造型软件建立60×60×40mm的立方体，并打直径为30mm的通孔；
(2)根据零件的大小，确定砂坯尺寸，并在铸造模拟仿真软件里建立该浇铸系统方案，确定分为上、下两个砂坯，无需砂芯；
(3)采用原砂粒度为30/50的陶瓷粉和50/80的水洗砂按照3∶1的比例混合，固化剂加入量占树脂50％，树脂加入量占水洗砂的3％；
(4)根据所要加工的轮廓，编制数控程序，加工的工艺参数是进给量F是80mm/min，铣刀的转速为640r/min；
(5)驱动数控机床进刀，加工所需的轮廓形状，本实施例中，需加工两个同样的铸型的型腔，深度为20mm；
(6)清理及检测铸型；
(7)组型，形成需铸型；
(8)浇注，形成铸件。
Claims (1)
1.一种无模铸型的数字化快速制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)根据铸件工艺图，利用三维CAD造型软件构建零件三维实体模型；
b)利用铸造模拟仿真软件，为三维实体模型建立浇注系统，模拟铸造工艺过程并评定优化三维实体模型及浇注系统设计，根据模拟分析结果判断三维实体模型及浇注系统设计的合理性，如果合理则执行步骤c，不合理返回到步骤a；
c)型砂配制和砂块制作；型砂砂坯由原砂、粘结剂、固化剂及添加剂所组成：原砂是石英质砂或非石英质砂，粘结剂根据所配的原砂特性，是粘土、水玻璃、树脂，固化剂根据所配的原砂性能和所用粘结剂类型，是乌洛托品、氯化铵、三乙胺、二甲基乙胺、磷酸，添加剂根据所配制的型砂、粘结剂、固化剂的种类，是淀粉、木屑、膨润土、氧化铁粉、硼砂、尿素；粘结剂加入量占原砂的1％-3％，固化剂占树脂重量的20％-60％，添加剂占树脂重量的0.1％-5％；
d)编制加工程序，输入砂型数控加工机床；
e)将砂坯置于砂型数控加工机床工作台上，由砂型数控加工机床在编制加工程序的驱动下加工出所需的铸型、型芯；
f)清理及检测铸型；
g)组型，形成所需铸型；
h)浇注，得到铸件。
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