CN103310068B - 一种基于sla原型的快速砂型铸造铸型制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SLA原型的快速砂型铸造铸型制造方法，所述方法在传统的铸型制造方法上，结合SLA快速原型技术。在整个铸型设计中，开发出铸造工艺CAD系统软件作为主要辅助应用工具并通过工艺CAE系统进行铸型仿真与工艺优化。完成铸型设计后，通过光固化原型机制制作SLA原型件，然后通过铸型的造型和装配，形成铸型，然后通过浇注，进行金属产品的制造。同时通过对铸件线收缩率ε和拔模斜度进行修正以及采用酚醛尿烷树脂砂造型等技术手段，提高了铸造工艺设计人员的设计制造的效率和精确性，节省了人力物力，缩短了工程时间，有利于这种快速铸造技术的推广应用。

Description

一种基于SLA原型的快速砂型铸造铸型制造方法

技术领域

本发明属于铸造领域，特别涉及一种基于SLA原型的快速砂型铸造铸型制造方法。

背景技术

砂型铸造是铸造行业中应用最为普遍的技术，而利用材料累加制造原理的光固化成型（SLA）技术可实现复杂形状零件的制造。将SLA技术与砂型铸造技术相结合形成的快速砂型铸造技术是目前快速获得复杂金属零件的一种首选工艺，其基本原理是利用光固化成型技术制造铸造用模样、芯盒（SLA原型），然后结合砂型铸造工艺，快捷的制造金属零件。这种基于SLA原型的快速砂型铸造技术具有成本低，制造周期短的特点，适合单件、小批量生产，尤其适合于新产品开发。

基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型设计制造是产品实际生产的中心环节，它包含铸造工艺（工艺方案、工艺参数、浇注系统、冒口系统等）的确定。传统的砂型铸造铸型设计制造多依靠工艺人员经验和查询工艺手册来完成，如图1所示，这是在长期的生产实践中，通过经验积累，逐渐形成了传统的铸型制造方法，一般适用于木模、塑料模、金属模等传统模具。

尽管SLA方法是目前快速成型技术领域研究最多、技术最为成熟、精度最高的方法，但是SLA原型件的树脂模型和传统的木模、金属模等有很大的差异性，表现在：SLA成型过程伴随着物理和化学变化，制件较易变形；成型的精度虽然可达±0.1mm，但是这是需要对成型工艺精确控制才能达到的理论值，在实际生产中很难实现；液态树脂固化后性脆，易断裂。鉴于SLA原型件存在翘曲变形、强度，刚度，耐热性有限的缺点，采用SLA原型件替代砂型铸造用木质模样、金属模样或塑料模样，与模样和芯盒相关的工艺参数都要依据光固化成型的特点加以确定。由于传统方法中没有建立SLA原型件的工艺参数，只能采用人工查询手册和铸造人员经验来完成铸型制造，然后通过大量实验来修改工艺缺陷，这样不仅要求工艺人员有较高的铸造水平，工作量也繁重，又浪费工程时间。

铸造工艺CAD系统是一种铸造工艺计算机辅助设计软件系统。该系统根据铸造生产原理和铸造工艺设计原则，建立铸造工艺计算机辅助设计数学物理模型，融合相关物理定律和实践经验，以实现专业铸造工艺设计数字化，准确化和敏捷化。通过该系统，实现零件到铸件的三维造型、分型面的确定、浇注系统CAD的设计和冒口系统的设计等。兰州理工大学李凌羽以Pro/E为平台，实现了铸件三维造型及工艺，并应用Pro/E的参数化设计功能和族表开发工具，对冒口、冷铁、浇道等工艺组元进行标准化和参数化建模。以MAGMAsoft作为CAE平台，应用其专门的铸铁模块，对铸件的充型和凝固过程进行模拟。然而，现有技术尚没有结合光固化原型特点开发基于SLA原型的铸造工艺CAD系统，且没有建立基于SLA原型的快速砂型铸造工艺参数库，因此不能较全面的解决铸型制造中设计问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种基于SLA原型的快速砂型铸造铸型制造方法，该方法有利于提高铸型制造的效率和设计正确性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺参数修正方法，包括对铸件线收缩率ε和拔模斜度进行修正。通过对铸件线收缩率ε的修正使得铸型制造效率和精确性都显著提高，避免通过后期的大量实验反复修改，减少了工作量和工程时间；通过对拔模斜度的修正，避免拔模时对SLA原型造成损伤。

作为优选方式，所述铸件线收缩率ε按照公式： ε ＝（1+ ε _合金）/（1－ ε _SLA树脂）进行修正，其中 ε _合金和 ε _SLA树脂分别为合金和SLA树脂的线收缩率，所述拔模斜度在传统工艺（《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》，机械工业出版社，2003年）规定的数值的基础上增加45%~97%。

作为优选方式，修正后的铸件线收缩率ε如表1所示，修正后的拔模斜度如表2所示。建立了基于SLA原型的快速砂型铸造的针对不同铸件材料和尺寸的工艺参数库。

表1：修正后的铸件线收缩率（%）

合金种类	自由收缩	受阻收缩
			铝镁合金件	2.0~3.0	2.3~3.3
中小型灰铸铁件	1.8~3.0	1.9~3.3
			大中型灰铸铁件	1.7~2.9	1.8~3.0

表2：修正后的拔模斜度工艺参数表

测量面高度h(mm)	角度(°)	宽度(mm)
			≤10	6	1.2
>10~40	3.33	2.4
			>40~100	1.33	2.4
>100~160	1.08	3.2
			>160~250	0.92	4.2
>250~400	0.92	6.6
			>400~630	0.83	9.2

表3：修正前的拔模斜度工艺参数表

测量面高度h(mm)	角度(°)	宽度(mm)
			≤10	4	0.8
>10~40	2.08	1.6
			>40~100	0.92	1.6
>100~160	0.67	2.0
			>160~250	0.58	2.6
>250~400	0.58	4.2
			>400~630	0.42	5.6

本发明的还提供了一种基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，具体包括以下步骤：

1)分析零件。分析零件的形状、尺寸，得出测量数据；

2)确定铸型制作方案（包括浇注位置、分型面、砂箱中铸件数量及排列、砂芯设计、铸件的外模设计，最终确定铸造工艺方案）；

3)采用本发明所述工艺参数修正方法确定工艺参数。设定包含机械加工余量、铸件线收缩率、起模斜度、非加工壁厚负余量、最小壁厚、最小铸出孔、反变形量、工艺补正量和分型负数等工艺参数，所述工艺参数按照《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》（机械工业出版社，2003年出版）规定设置，并对其中铸件线收缩率和起模斜度进行修正；

4)进行SLA原型设计、浇注系统设计和冒口设计；

5)制作SLA原型；

6)铸型造型及装配；

作为优选方式，上述步骤3)和步骤4）采用铸造工艺CAD系统辅助设计。采用CAD辅助设计有利于保证设计的精准性，大大提高铸型设计制造的效率。

作为优选方式，在完成所述步骤4）之后采用铸造工艺CAE系统进行铸型仿真与工艺优化。通过软件对设计进行验证和优化，减少浪费，工艺更简化，有利于制作高精度的铸型。

作为优选方式，所述铸造工艺CAD系统包括：铸件CAD模型设计模块、冒口系统设计模块和浇注系统设计模块。铸件CAD模型设计的功能是通过确定铸造工艺参数，实现从零件CAD模型到铸件CAD模型的转换。完成铸件CAD模型的设计后，需要进行补缩系统的制定：通过使用铸造工艺CAD系统来选择铸件厚度和铸件截面宽厚比来确定补贴尺寸；对冒口进行热节圆的分析；计算冒口安放部位铸件的局部模数；计算冒口模数；确定冒口、冒口颈模数确定尺寸，建立三维模型并装配，完成冒口系统设计。最后进行浇注系统设计：确定浇注类型；初步确定横浇道、内浇道的个数、位置和长度；确定浇注时间；确定有效压头高度；计算或选择经验的阻流面积，选择合适的浇口比，确定浇注系统各组元的断面尺寸，建立三维模型并装配，并最终完成浇注系统工艺设计。

作为优选方式，其中所述铸件CAD模型设计模块包含基于SLA原型的工艺参数模块，所述冒口系统设计模块包含灰铸铁冒口系统设计模块和铸铝冒口系统设计模块，所述浇注系统设计模块包含灰铸铁浇注系统模块和铸铝浇注系统模块。所述系统具有完整的设计模块，可用于不同铸件的浇注系统。

作为优选方式，其中铸造工艺CAD系统是以Pro/E软件为基础，以VC++为开发工具，利用Pro/E自带的二次开发接口Pro/TOOLKIT，结合光固化树脂模的特点，开发出基于光固化原型的三维铸造工艺CAD/CAE集成系统，形成快速制模的软件平台。其中的CAE是通用的铸造分析软件PROCAST。

作为优选方式，将所述CAD系统完成的整个铸型设计通过IGES格式转化后进入铸造CAE软件PROCAST系统进行仿真模拟，判断其设计合理性。

作为优选方式，所述铸型采用酚醛尿烷树脂砂造型，其主要组成成分为：原砂（硅砂）、苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯。可适用时间长，表面和内部同时硬化且硬化过程不产生副产物，适用性广。

作为优选方式，所述苯基醚酚醛树脂的质量分数占原砂的0.8%～1%，苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯质量比为1：1。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明的有益效果：

本发明是在传统的铸型制造方法上，结合SLA快速原型技术，提出一种新的基于SLA快速原型砂型铸造铸型制造方法。在整个铸型设计中，开发出铸造工艺CAD系统软件作为主要辅助应用工具并通过工艺CAE系统进行铸型仿真与工艺优化。完成铸型设计后，通过光固化原型机制作SLA原型件，然后通过铸型的造型和装配，形成铸型，然后通过浇注，进行金属产品的制造。同时通过对铸件线收缩率ε和拔模斜度进行修正以及采用酚醛尿烷树脂砂造型等技术手段，提高了铸造工艺设计人员的设计制造的效率和精确性，节省了人力物力，缩短了工程时间，有利于这种快速铸造技术的推广应用。

附图说明

图1是传统铸造工艺流程图；

图2是本发明所述铸造工艺CAD系统构成图；

图3是本发明所述铸型制造的工艺流程。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

一种基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺参数修正方法，包括对铸件线收缩率ε和拔模斜度进行修正。

作为优选方式，所述铸件线收缩率ε按照公式： ε ＝（1+ ε _合金）/（1－ ε _SLA树脂）进行修正，其中 ε _合金和 ε _SLA树脂分别为合金和SLA树脂的线收缩率，所述拔模斜度在传统工艺（《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》，机械工业出版社，2003年）规定的数值的基础上增加45%~97%。

作为优选方式，修正后的铸件线收缩率ε如表1所示，修正后的拔模斜度如表2所示。建立了基于SLA原型的快速砂型铸造的针对不同铸件材料和尺寸的工艺参数库。

实施例2

采用本发明所述基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺制备铸型，具体包括以下步骤：

1)分析零件。分析零件的形状、尺寸，得出测量数据。

2)确定铸型制作方案（浇注位置、分型面、砂箱中铸件数量及排列、砂芯设计，铸件的外模设计）。

3)采用本发明所述工艺参数修正方法确定工艺参数。设定包含机械加工余量、铸件线收缩率、起模斜度、非加工壁厚负余量、最小壁厚、最小铸出孔、反变形量、工艺补正量和分型负数等工艺参数，所述工艺参数安照（《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》，机械工业出版社，2003年）的规定设置，并对其中铸件线收缩率和起模斜度进行修正。

4)进行SLA原型设计、浇注系统设计和冒口设计。不依赖CAD系统，采用传统方法根据分析零件得到的数据进行SLA原型设计，实现从零件模型到铸件模型的转变；根据（《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》，机械工业出版社，2003年）的规定，选择铸件厚度和铸件截面宽厚比来确定补贴尺寸，定制补缩系统；对冒口进行热节圆的分析；计算冒口安放部位铸件的局部模数，计算冒口模数，确定冒口、冒口颈模数确定尺寸，完成冒口系统设计；确定浇注类型；初步确定横浇道、内浇道的个数、位置和长度，确定浇注时间，确定有效压头高度，计算或选择经验的阻流面积，选择合适的浇口比，确定浇注系统各组元的断面尺寸，最终完成浇注系统工艺设计。

5)通过光固化原型机制制作SLA原型件。

6)铸型造型及装配。

作为优选，所述步骤6）中铸型采用酚醛尿烷树脂砂造型，其主要组成成分为：原砂（硅砂）、苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯。

作为优选方式，所述苯基醚酚醛树脂的质量分数占原砂的0.8%～1%，苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯质量比为1：1。

采用上述铸型浇注得到的铸件精准性高，次品率低，无需对产品进行额外的加工和修正。

实施例3

采用本发明所述基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺制备铸型，具体包括以下步骤：

1)分析零件。分析零件的形状、尺寸，得出测量数据。

2)确定铸型制作方案（浇注位置、分型面、砂箱中铸件数量及排列、砂芯设计，铸件的外模设计）。

3)采用本发明所述工艺参数修正方法确定工艺参数。设定包含机械加工余量、铸件线收缩率、起模斜度、非加工壁厚负余量、最小壁厚、最小铸出孔、反变形量、工艺补正量和分型负数等工艺参数，所述工艺参数安照《铸造手册（第5卷，铸造工艺）》的规定设置，并对其中铸件线收缩率和起模斜度进行修正。

4)进行SLA原型设计、浇注系统设计和冒口设计。

5)通过光固化原型机制制作SLA原型件。

6)铸型造型及装配。

作为优选，所述步骤6）中铸型采用酚醛尿烷树脂砂造型，其主要组成成分为：原砂（硅砂）、苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯。相对其他自硬砂，该砂硬化速度相对较慢，可使用时间长（3分钟左右），砂型的流动性较好，树脂聚合过程中没有副产物生成，型砂的发气量低，落砂性能好。

作为优选方式，所述苯基醚酚醛树脂的质量分数占原砂的0.8%～1%，苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯质量比为1：1。

作为优选方式，上述步骤3)和步骤4）采用铸造工艺CAD系统辅助设计。采用CAD辅助设计有利于保证设计的精准性，大大提高铸型设计制造的效率。

作为优选方式，在完成所述步骤4）之后采用铸造工艺CAE系统进行铸型仿真与工艺优化。通过软件对设计进行验证和优化，减少浪费，工艺更简化，有利于制作高精度的铸型。

作为优选方式，所述铸造工艺CAD系统包括：铸件CAD模型设计模块、冒口系统设计模块和浇注系统设计模块。铸件CAD模型设计的功能是通过确定铸造工艺参数，实现从零件CAD模型到铸件CAD模型的转换。完成铸件CAD模型的设计后，需要进行补缩系统的制定：通过使用铸造工艺CAD系统来选择铸件厚度和铸件截面宽厚比来确定补贴尺寸；对冒口进行热节圆的分析；计算冒口安放部位铸件的局部模数；计算冒口模数；确定冒口、冒口颈模数确定尺寸，建立三维模型并装配，完成冒口系统设计。最后进行浇注系统设计：确定浇注类型；初步确定横浇道、内浇道的个数、位置和长度；确定浇注时间；确定有效压头高度；计算或选择经验的阻流面积，选择合适的浇口比，确定浇注系统各组元的断面尺寸，建立三维模型并装配，并最终完成浇注系统工艺设计。

作为优选方式，其中所述铸件CAD模型设计模块包含基于SLA原型的工艺参数模块，所述冒口系统设计模块包含灰铸铁冒口系统设计模块和铸铝冒口系统设计模块，所述浇注系统设计模块包含灰铸铁浇注系统模块和铸铝浇注系统模块。所述系统具有完整的设计模块，可用于不同的浇注系统。

作为优选方式，其中铸造工艺CAD系统是以Pro/E软件为基础，以VC++为开发工具，利用Pro/E自带的二次开发接口Pro/TOOLKIT，结合光固化树脂模的特点，开发出基于光固化原型的三维铸造工艺CAD/CAE集成系统，形成快速制模的软件平台。其中的CAE是通用的铸造分析软件PROCAST。

作为优选方式，将所述CAD系统完成的整个铸型设计通过IGES格式转化后进入铸造CAE软件PROCAST系统进行仿真模拟，判断其设计合理性。

采用上述铸型浇注得到的铸件精准性高，次品率低，无需对产品进行额外的加工和修正。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

1）分析零件；

2）确定铸型制作方案；

3）采用工艺参数修正方法确定工艺参数；

4）进行SLA原型设计、浇注系统设计和冒口设计；

5）制作SLA原型；

6）铸型造型及装配；

所述步骤3）中的工艺参数修正方法包括对铸件线收缩率ε和拔模斜度进行修正,修正后的铸件线收缩率为：

当铸件为镁铝合金件时，其自由收缩的线收缩率2.0%～3.0%，受阻收缩的线收缩率2.3%～3.3%；

当铸件为中小型灰铸铁件时，其自由收缩的线收缩率1.8%～3.0%，受阻收缩的线收缩率1.9%～3.3%；

当铸件为大中型灰铸铁件时，其自由收缩的线收缩率1.7%～2.9%，受阻收缩的线收缩率1.8%～3.0%；

修正后的拔模斜度为：

当测量面高度h≤10时，拔模斜度为6°，宽度为1.2mm；

当10mm<测量面高度h≤40mm时，角度为3.33°，宽度为2.4mm；

当40mm<测量面高度h≤100mm时，角度为1.33°，宽度为2.4mm；

当100mm<测量面高度h≤160mm时，角度为1.08°，宽度为3.2mm；

当160mm<测量面高度h≤250mm时，角度为0.92°，宽度为4.2mm；

当250mm<测量面高度h≤400mm时，角度为0.92°，宽度为6.6mm；

当400mm<测量面高度h≤630mm时，角度为0.83°，宽度为9.2mm。

2.根据权利要求1所述的基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，所述步骤3)和步骤4）采用铸造工艺CAD系统辅助。

3.根据权利要求2所述的基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，在完成所述步骤4）之后采用工艺CAE系统进行铸型仿真与工艺优化。

4.根据权利要求1-3中任意一个所述的基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，所述铸型采用酚醛尿烷树脂砂造型，其主要组成成分为：硅砂、苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯，苯基醚酚醛树脂的质量分数占硅砂的0.8%～1%，苯基醚酚醛树脂和聚异氢酸酯质量比为1：1。

5.根据权利要求2所述的基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，所述铸造工艺CAD系统包括：铸件CAD模型设计模块、冒口系统设计模块和浇注系统设计模块；其中所述铸件CAD模型设计模块包含基于SLA原型的工艺参数模块，所述冒口系统设计模块包含灰铸铁冒口系统设计模块和铸铝冒口系统设计模块，所述浇注系统设计模块包含灰铸铁浇注系统模块和铸铝浇注系统模块。

6.根据权利要求3所述的基于SLA原型的快速砂型铸造的铸型制造工艺，其特征在于，将所述CAD系统完成的整个铸型设计通过IGES格式转化后进入铸造CAE软件PROCAST系统进行仿真模拟，判断其设计合理性。