CN107745077B - 基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法 - Google Patents

基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，属于石膏铸型快速制造领域，包括：1)采用光固化快速成型设备制造用于灌注石膏铸型的原型树脂件；2)配制浆料，所述浆料包括：α半水硫酸钙，石英粉，铝矾土，滑石粉，C纤维，硅溶胶，硫酸镁，余量为水；3)在真空注型机中，将步骤1)制得的原型树脂件和步骤2)配制的浆料，进行充型浇注，浇注后静置待凝固，制得石膏素坯；4)将石膏素坯烧结去除原型树脂件，制得石膏铸型。该方法实现了复杂结构零件石膏铸型的快速制造，为制造结构复杂、表面质量高的低熔点金属铸件提供了一种成本低，生产周期短的生产工艺，解决悬空梁、内腔通道等传统砂型工艺不能解决的问题。

Description

基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法
技术领域
本发明属于石膏快速制造技术领域，具体涉及一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法。
背景技术
石膏铸型具有成本低廉、生产周期短、尺寸稳定性好等优点，但现今生产中采用的石膏铸型制造工艺仍存在以下不足：传统石膏铸型制造，主要面向外形特征较为简单的低熔点金属材料铸造，对于结构微小复杂、具有悬空结构等功能结构零件，受原型制造困难和石膏浆料流动性影响，使用该工艺难以制造；通常半水石膏的初凝时间和终凝时间在几分钟到几十分钟之间，生产周期极短，生产效率高，但用于灌注石膏的原型树脂件制造时间远远多于石膏铸型成型时间，尤其对于结构复杂的原型树脂件，生产周期较长，使得石膏铸型生产效率高的优势无法充分发挥；模具石膏理论需水量仅为18.61％，为了保证模具石膏流动性要求，其实际需水量高达60％～80％，这在一定程度上降低了其力学性能。
因此，传统方法制造复杂结构石膏铸型实施困难，生产周期长，生产成本高，且精度难以保证，这使得通过石膏铸型浇铸具有复杂结构的低熔点合金零件难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，该方法操作简单，生产周期短，效率高，产品精度好。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，包括以下步骤：
1)采用光固化快速成型设备制造用于灌注石膏铸型的原型树脂件；
2)配制浆料，所述浆料由粉体及占粉体质量30％～36％的硅溶胶溶液混合制成；
其中，所述粉体，以质量百分比计，包括：34％～36％的α半水硫酸钙，19％～20％的石英粉，40％～43％的铝矾土，0～6％的滑石粉，1％的C纤维；
所述硅溶胶溶液，以质量百分比计，包括8.3％～25％的硅溶胶，0.1％硫酸镁，余量为水；
3)在真空注型机中，将步骤1)制得的原型树脂件和步骤2)配制的浆料，进行充型浇注，浇注后静置待凝固，制得石膏素坯；
4)将石膏素坯烧结去除原型树脂件，制得石膏铸型。
优选地，步骤1)中，采用光固化快速成型设备的成型精度为0.01mm～0.02mm。
优选地，步骤2)中配制的浆料满足：流动性为300～700mPa·s，凝固时间为10～30min之间，室温强度为15～17MPa。
优选地，步骤3)中，浇注过程保持真空注型机的真空度为-0.03MPa～-0.08MPa。
优选地，浇注过程中原型树脂件保持震动，浇注结束后持续震动2～5min后取出。
优选地，步骤3)中，浇注后常温静置0.5～1h至完全凝固。
优选地，步骤4)中，是将石膏素坯在600～1000℃下烧结6～10h。
优选地，原型树脂件为型芯型壳一体化树脂件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明使用光固化快速成型工艺制造原型树脂件，制造精度较高，且可以制造具有复杂结构、细微结构的原型树脂件；用该方法小批量生产具有较高的效率和经济性，可解决结构复杂、难铸造锻造的低熔点金属铸件成型问题，且速度快，成本低。
2、采用硫酸钙、去离子水、硅溶胶以及硫酸镁配制流动性优异的浆料，且在浆料配制过程中通过改变溶液中硅溶胶与水添加量的比例控制石膏浆料凝固时间，确保浆料凝固时间适当，浆料浇注过程中不会因凝固造成流动性降低而充型失败，且浇注结束后石膏铸型可以在较快时间内凝固，提高生产效率。
3、现有复杂结构的铸型的制造通常采用氧化铝基、氧化硅基材料作为铸型材料，该铸型材料的力学性能较好，但表面粗糙度较高，且浇铸后难以脱除。本发明制备的石膏铸型的高温力学性能不及氧化铝基、氧化硅基材料，但其强度可以满足低熔点金属的浇铸需求，且表面粗糙度极低，脱除方便，适用于结构复杂且对表面粗糙度要求较高的零件制造。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图；
图2为实施例制造的具有复杂内部结构的薄壁零件结构示意图；
图3为实施例原型零件的剖视结构图；
图4为实施例石膏素坯的剖视结构图。
其中，1为悬臂结构；2为薄壁结构；3为薄壁孔；4为内部微结构；5为树脂外壳；6为零件原型；7为浇口；8为石膏素坯。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，包括以下步骤：
1)通过光固化快速成型设备制造用于制造石膏铸型的原型树脂件；
理论上快速成型设备可以成型任意形状的原型树脂件，其成型精度为0.01mm-0.02mm，为复杂结构石膏铸型的制造创造条件；对于具有复杂内部腔体、通道结构的原型树脂件，快速成型技术亦可一次成型，为型芯型壳一体化石膏铸型的制造创造条件。型芯型壳一体化石膏铸型减少了传统工艺中型芯型壳装配工序，简化石膏铸型制造流程；
2)通过α半水硫酸钙吸水反应转化为二水石膏的反应制造石膏铸型，反应的化学式为：
Figure GDA0002204569970000041
石膏铸型制造方法，所需浆料由粉体及占粉体质量30％～36％的硅溶胶溶液混合制成；所用粉体包括：α半水硫酸钙、石英粉、铝矾土、滑石粉、C纤维等材料；其浆料制备所用溶液包括：水、硅溶胶、硫酸镁；
具体配方参照表1：
表1
Figure GDA0002204569970000042
(注：表中注明的百分比均为各成分占粉体总质量的比例)
按原料配比，经过充分混合搅拌使液体与粉体充分混合，基于该比例混合而成的浆料满足本工艺制造石膏铸型的流动性、凝固速率和强度要求,其流动性为300mPa·s～700mPa·s，凝固时间为10min～30min之间，室温强度为15Mpa～17MPa；
配制的石膏浆料通过添加硅溶胶预混液作为凝固缓冲剂，通过溶液中硅溶胶预混液和水的不同配比可实现对凝固时间的控制，保证浇注过程中浆料的流动性要求，并有效提高生产效率，溶液中硅溶胶与水添加量的比例对浆料凝固时间的控制状况在表2中列出。
表2
Figure GDA0002204569970000051
从表1可以看出，本发明方法配制的石膏浆料流动性满足真空注型的要求，充型效果良好，凝固时间适当；成型后石膏铸型表面光洁度良好，高温烧结后石膏铸型具有所需强度且浇铸低熔点合金后方便脱除。
3)利用步骤1)获得的原型树脂件和步骤3)配制的浆料，在真空注型机中进行充型浇注。注型机中真空环境真空度达-0.04MPa至-0.05MPa，浇注过程中对原型树脂件持续震动，上述浇注条件可以保证石膏料在原型树脂件中的充型，确保石膏铸型完整表达原型树脂件的复杂及细微结构。浇筑结束后在注型机中，持续震动2～5min后将之取出，在常温环境中静置0.5～1h待之完全凝固，得到石膏速坯；
4)利用步骤3)中获得的石膏素坯，在600～1000℃条件下进行高温烧结6～10h，通过该工艺，原型树脂件在高温下烧失；石膏素坯经过高温烧结获得强度，满足低熔点合金等低熔点金属的浇铸需求。
参见图2，以某具有复杂内部结构的薄壁零件为例，其制造工艺，包括以下步骤：
1)设计零件原型及外壳的三维模型(如图3所示，图中，5为树脂外壳；6为零件原型；)，采用光固化快速成型设备制造用于灌注石膏铸型的原型树脂件；光固化快速成型设备的成型精度为0.01mm～0.02mm；
2)配制浆料，所述粉体，以质量百分比计，包括：36％的α半水硫酸钙，20％的石英粉，43％的铝矾土，1％的C纤维；
包括占粉体质量33％的硅溶胶溶液(8.3％硅溶胶，0.1％硫酸镁，24.6％去离子水)；
3)在真空注型机中，使用步骤1)制得的原型树脂件和步骤2)配制的浆料，进行真空充型浇注，浇注后静置待凝固，制得石膏素坯；浇注过程保持真空注型机的真空度为-0.03Mpa～-0.08Mpa；浇注过程中原型树脂件保持震动，浇注结束后持续震动2～5min后取出，浇注后常温静置0.5～1h至完全凝固。
4)将石膏素坯在700℃下脱脂烧结8.5h，去除树脂，制得石膏铸型，铸型结构如图4所示(图中，7为浇口，8为石膏素坯)。
采用本实施例方法制得的薄壁零件铸型结构完整，强度、精度满足制造要求，从数字模型建立至铸型烧结成型完成，生产周期控制在5天以内，与传统石膏模制造工艺相比效率大幅提高。解决了传统石膏铸型制造工艺中薄壁结构2、悬臂结构1、薄壁孔3、内部微结构4等加工难点。

Claims (7)

1.一种基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用光固化快速成型设备制造用于灌注石膏铸型的原型树脂件，所述原型树脂件为型芯型壳一体化树脂件；
2)配制浆料，所述浆料由粉体及占粉体质量30％～36％的硅溶胶溶液混合制成；浆料的流动性为300～700mPa·s；
其中，所述粉体，以质量百分比计，包括：34％～36％的α半水硫酸钙，19％～20％的石英粉，40％～43％的铝矾土，0～6％的滑石粉，1％的C纤维；
所述硅溶胶溶液，以质量百分比计，包括8.3％～25％的硅溶胶，0.1％硫酸镁，余量为水；
3)在真空注型机中，将步骤1)制得的原型树脂件和步骤2)配制的浆料，进行充型浇注，浇注后静置待凝固，制得石膏素坯；
4)将石膏素坯烧结去除原型树脂件，制得石膏铸型。
2.根据权利要求1所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，步骤1)中，采用光固化快速成型设备的成型精度为0.01mm～0.02mm。
3.根据权利要求1所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，步骤2)中配制的浆料满足：凝固时间为10～30min之间，室温强度为15～17MPa。
4.根据权利要求1所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，步骤3)中，浇注过程保持真空注型机的真空度为-0.03MPa～-0.08MPa。
5.根据权利要求4所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，浇注过程中原型树脂件保持震动，浇注结束后持续震动2～5min后取出。
6.根据权利要求1所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，步骤3)中，浇注后常温静置0.5～1h至完全凝固。
7.根据权利要求1所述的基于光固化快速成型的型芯型壳一体化石膏铸型制造方法，其特征在于，步骤4)中，是将石膏素坯在600～1000℃下烧结6～10h。
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