CN108672655B - 一种铸型温度可控的复合铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铸型温度可控的复合铸造方法，该方法首先建立铸件、铸型及浇冒口系统的实体模型，同时设计砂型型腔单元和温控单元。型腔单元采用导热系数好的原砂、树脂及固化剂造型，并通过无模铸造精密成形机切削加工或砂型打印成形机打印得到。温控单元采用导热系数良好的金属材料，中间钻孔以安装加热单元和冷却水管道，浇注前后温控单元可根据需要实现加热或快速冷却。最后将砂型型腔单元、浇冒口系统及温控单元进行组装得到铸型，浇注后得到铸件。该方法可以避免薄壁铸件浇不足或冷隔等，取代后续热处理工序，降低制造成本，节约原材料消耗，大幅度缩短制造周期。另外，该方法可以改善铸件金相组织，提高力学性能，最终获得高质量铸件。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种铸型温度可控的复合铸造方法；本发明适用于铝合金、铸铁等材质的单件小批量生产和零部件快速开发试制。
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，广泛应用于航空航天、动力机械等装备制造业；高端装备迫切需要多品种、小批量、轻量化、整体化的高质量铸件，提出了高效率、高性能、高精度等迫切需要。
传统砂型铸造应用广泛，需要制作木模/金属模，存在生产工序多，工艺流程长，制造周期长；铸造尺寸精度低、质量稳定性差、单件小批生产废品率高；材料消耗大，环境污染等问题；特别对于复杂薄壁铸件容易出现冷隔、浇不足等铸造缺陷。金属型铸造的复用性好，可“一型多铸”，节省了造型材料和造型工时；但金属型设计、制造、使用及维护要求高,工艺要求严格，不适用于单件小批量铸件生产；并且金属型无退让性、透气性，易造成铸件产生裂纹或铸铁件白口等缺陷。
另外，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，新产品的开发研制周期短、批量小、精度高成为必然趋势；现有技术中的砂型铸造、金属型铸造在浇注凝固过程的铸型温度场不能达到分时、分块控制，难以得到高质量精密铸件。
本发明的目的在于提供一种铸型温度可控的复合铸造方法，该方法省去模具制造环节，周期缩短，铸件质量提高；解决了铝合金、铸铁等单件小批量生产及快速开发试制的快速化、高质量的制造需求。
发明内容
为了克服传统的砂型铸造和金属型铸造所带来的各种缺陷，本发明提供了一种铸型温度可控的复合铸造方法，适用于单件、小批量铸铁、铸铝合金等材质的高质量铸造；通过该方法可以避免薄壁铸件浇不足或冷隔等现象发生，取代后续热处理工序，降低制造成本，节约原材料消耗，大幅度缩短制造周期；另外，通过该方法可以改善铸件金相组织，提高力学性能，最终获得高质量铸件。
本发明提供的铸型温度可控的复合铸造方法，其主要步骤包括：
a) 利用三维CAD造型软件建立铸件实体模型；
b) 根据铸件几何结构特征设计铸型及浇冒口系统，铸型设计包括砂型型腔单元和温控单元，建立铸型及浇冒口系统的实体模型；
c) 采用导热系数好的原砂、树脂及固化剂配置砂块，通过数字化无模铸造精密成形机切削加工或数字化砂型打印成形机打印出所需的砂型型腔单元和浇冒口系统；
d) 根据建立的温控单元三维实体模型，采用导热系数良好的金属材料加工出所需的温控单元；
e) 将加工好的砂型型腔单元、浇冒口系统及温控单元进行组装，得到待浇注铸型；
f) 配置所需金属溶液，确定浇注温度，并根据复合铸造工艺要求将温控单元加热至所需温度，最后完成铸型的浇注；
g) 铸型浇注完成后，根据复合铸造工艺要求立即对需要激冷的温控单元通入循环冷却水或液氮，以加大铸型的局部冷却速度；
h) 需要后期热处理的铸件，可根据复合铸造工艺要求，在铸件温度冷却至100-200℃时通过温控单元加热至一定温度进行定时保温；
i) 拆除铸型，得到所需铸件。
进一步地，所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于所述的铸型是由砂型型腔单元和温控单元及浇冒口系统组装而成，且三者之间需要粉刷涂料，砂型型腔单元和浇冒口系统需通过粘结剂固定。
进一步地，所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于所述的砂型型腔单元采用原砂、粘结剂和固化剂配置而成，原砂采用的是由导热系数良好的原砂（如铬铁矿砂、锆英砂）；粘结剂采用碱性酚醛树脂和呋喃树脂等；固化剂采用不同种类有机酯或甲苯磺酸等。砂型型腔单元最薄壁厚≥5mm，最大壁厚≤20mm。
进一步地，所述的砂型型腔单元可以通过数字化无模铸造精密成形机切削加工或者砂型喷墨打印设备打印得到。
进一步地，所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于所述的温控单元是由导热系数良好的金属材料加工而成；温控单元中间钻孔，以安装加热单元和管道，加热单元可以是金属加热棒、金属加热管或者电阻丝，管道内可通循环冷却水或液氮。
进一步地，所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于所述的温控单元可根据铸件浇注和凝固冷却过程的需要，实时控制温度；另外温控单元可根据铸件结构特征而随型设计。
采用本发明方法对复杂薄壁铝合金或铸铁等铸件进行制造，可以产生以下有益效果，具体叙述如下：
a) 该方法可以避免薄壁铸件浇不足或冷隔等现象发生；
b) 该方法可以取代后续热处理工序，节约能源消耗；
c) 该方法由于内部砂型型腔可以通过数字化无模铸造精密成形机和砂型喷墨打印设备加工得到，可大幅度降低制造成本，缩短制造周期；
d) 该方法可以实现铸件凝固过程中局部温度的实时控制，进而改善铸件金相组织，提高力学性能。
附图说明
图1和图2 为利用本方法的复合铸造所需铸型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步说明本发明，但不做为对本发明的限定。
实施例一：参见图1，浇注一个壁厚不均的圆柱筒体ZL114A铝合金铸件，最薄壁厚是3mm，最大壁厚是15mm，步骤如下：
a) 利用三维CAD造型软件建立如图1中零件2的实体模型；
b) 根据铸件几何结构特征设计铸型及浇冒口系统，铸型设计包括砂型型腔单元（如图1中零件3）和温控单元（如图1中零件1），建立铸型及浇冒口系统的实体模型；
c) 采用导热系数好的铬铁矿砂、碱性酚醛树脂及有机酯固化剂配置砂块，通过数字化无模铸造精密成形机切削加工出所需的砂型型腔单元和浇冒口系统；
d) 根据建立的温控单元三维实体模型，采用导热系数良好的紫铜加工出所需的温控单元，温控单元上加工有可安装金属加热管的通孔4，也加工有可通入循环冷却水的通孔5，同时温控单元的上下部分通过凹凸配合结构6来定位；
e) 将加工好的砂型型腔单元、浇冒口系统及温控单元进行组装，得到待浇注铸型；
f) 配置所需ZL114A金属溶液，确定浇注温度为720℃，并根据复合铸造工艺要求在浇注之前将温控单元加热至180℃，最后完成铸型的浇注；
g) 铸型浇注完成后，根据复合铸造工艺要求立即对温控单元通入循环冷却水，以加大铸型的冷却速度；
h) 根据复合铸造工艺要求，在铸件冷却至一定温度100℃时，通过温控单元进行加热至540℃定时保温约12小时，随后进行人工时效，并采取空冷方式；
i) 拆除铸型，得到所需铸件。
实施例二：参见图2，浇注一个壁厚不均的方形筒体ZL101铝合金铸件，最薄壁厚是3mm，最大壁厚是15mm，步骤如下：
a) 利用三维CAD造型软件建立如图2中零件8的实体模型；
b) 根据铸件几何结构特征设计铸型及浇冒口系统，铸型设计包括砂型型腔单元（如图2中零件7）和温控单元（如图2中零件9），建立铸型及浇冒口系统的实体模型；
c) 采用导热系数好的锆英砂、碱性酚醛树脂及有机酯固化剂配置砂块，通过数字化无模铸造精密成形机切削加工出所需的砂型型腔单元和浇冒口系；
d) 根据建立的温控单元三维实体模型，采用导热系数良好的紫铜加工出所需的温控单元，温控单元上加工有可安装加热棒的通孔10，也加工有可通入循环冷却水的通孔11，同时温控单元的上下部分通过凹凸配合结构6来定位；
e) 将加工好的砂型型腔单元、浇冒口系统及温控单元进行组装，得到待浇注铸型；
f) 配置所需ZL101金属溶液，确定浇注温度为680℃，并根据复合铸造工艺要求在浇注之前将温控单元加热至150℃，最后完成铸型的浇注；
g) 铸型浇注完成后，根据复合铸造工艺要求立即对温控单元通入循环冷却水，以加大铸型的冷却速度；
h) 根据复合铸造工艺要求，在铸件冷却至一定温度100℃时，通过温控单元进行加热至530℃定时保温约4小时，随后进行人工时效，并采取空冷方式；
i) 拆除铸型，得到所需铸件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于包括以下步骤：
a)利用三维CAD造型软件建立铸件实体模型；
b)根据铸件几何结构特征设计铸型及浇冒口系统，铸型设计包括砂型型腔单元和温控单元，建立铸型及浇冒口系统的实体模型；
c)采用导热系数好的原砂、树脂及固化剂配置砂块，通过数字化无模铸造精密成形机切削加工或砂型数字化3D打印成形机打印出所需的砂型型腔单元和浇冒口系统；
d)根据建立的温控单元三维实体模型，采用导热系数良好的金属材料加工出所需的温控单元；
e)将加工好的砂型型腔单元、浇冒口系统及温控单元进行组装，得到待浇注铸型，其中，仅由砂型型腔单元限定型腔；
f)配置所需金属溶液，确定浇注温度，并根据复合铸造工艺要求将温控单元加热至所需温度，最后完成铸型的浇注；
g)铸型浇注完成后，根据复合铸造工艺要求立即对需要激冷的温控单元通入循环冷却水或液氮，以加大铸型的局部冷却速度；
h)需要后期热处理的铸件，根据复合铸造工艺要求，在铸件温度冷却至100-200℃时通过温控单元加热至一定温度进行定时保温；
i)拆除铸型，得到所需铸件。
2.根据权利要求1所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于，所述的铸型是由砂型型腔单元和温控单元及浇冒口系统组装而成，且三者之间需要粉刷涂料，砂型型腔单元和浇冒口系统需通过粘结剂固定。
3.根据权利要求1所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于，所述的砂型型腔单元采用原砂、粘结剂和固化剂配置而成，原砂采用的是由导热系数良好的原砂；粘结剂采用碱性酚醛树脂和呋喃树脂；固化剂采用不同种类有机酯或甲苯磺酸；砂型型腔单元最薄壁厚≥5mm，最大壁厚≤20mm。
4.根据权利要求1所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于，所述的温控单元是由导热系数良好的金属材料加工而成；温控单元中间钻孔，以安装热电阻和管道。
5.根据权利要求1所述的一种铸型温度可控的复合铸造方法，其特征在于，所述的温控单元根据铸件浇注和凝固冷却过程的需要，实时控制温度；另外温控单元根据铸件结构特征而随型设计。
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