CN109604529A - 基于砂芯3d打印技术的铸造工艺快速验证方法 - Google Patents

基于砂芯3d打印技术的铸造工艺快速验证方法 Download PDF

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郭敏
刘彦
付岳楼
谷刚
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Abstract

提供一种基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，本发明在铸件研发或工艺改进阶段，通过设计不同方案的三维铸造工艺图，再相应设计不同工艺方案的三维砂芯图，应用砂芯3D打印技术同时生产不同工艺方案的砂芯，最后进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，确定出最优的铸造工艺方案。本发明采用砂芯3D打印技术制造砂芯，在不需要制作模具的情况下，能够快速生产不同铸造工艺的砂芯，达到缩短铸造工艺验证周期，降低工艺验证成本，提高铸造工艺设计准确性的目的。

Description

基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法
技术领域
本发明属于铸造工艺技术领域，具体涉及一种基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法。
背景技术
铸造是通过将熔炼成一定成分的液态金属注入型腔，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程，其工序多，生产周期长。铸造工艺是应用铸造相关理论和系统知识生产铸件的技术和方法，主要包括造型制芯工艺、熔炼浇注工艺等，是铸造生产的核心环节，是决定铸件质量的关键因素之一。
铸造工艺设计一般是根据工程师经验，结合相关标准及手册进行参数的选择和设计。传统铸造过程对于铸造工艺的验证需要通过制作模具，进行调试生产，用实物验证铸造工艺。随着计算机技术的发展，铸造过程仿真模拟技术得到了广泛应用，该技术通过有限元网格对三维铸件模型进行剖切，结合输入的铸造工艺参数及换热边界条件，对铸造充型及凝固过程进行数值模拟求解，最终得出铸造过程流动场及温度场，用于判断铸造工艺设计的合理性。应用传统方法验证铸造工艺，首先需要制作模具，进行调试生产，对于一些结构复杂、壁厚变化大的铸件，往往需要多次调试，更改铸造工艺参数、修改模具，传统铸造过程由于模具限制，每次只能进行一种工艺方案的验证。因铸造模具制作及修改所需的周期长、费用高，极大的增加了铸件研发阶段的成本和周期。基于仿真模拟技术的铸造工艺验证，虽然相对传统的验证方法成本小，效率高，但因其仿真精度和输入的材料热物性参数相关，然而各个铸造厂家所用的铸造材料热物性参数存在差异，且不易现场采集，导致仿真结果准确度不高，最终还需在调试生产阶段进行实际验证。针对现有铸造工艺验证存在的上述问题，因此有必要提出改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，本发明通过设计不同方案的三维铸造工艺图，再相应设计不同工艺方案的三维砂芯图，应用砂芯3D打印技术同时生产不同工艺方案的砂芯，最后进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，确定最优方案，在不需要制作模具的情况下，能够快速生产不同铸造工艺的砂芯，达到缩短铸造工艺验证周期，降低工艺验证成本，提高铸造工艺设计准确性的目的。
本发明采用的技术方案：基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，包括以下步骤；
步骤一：三维铸造工艺图设计：在铸件研发或工艺改进阶段，首先根据产品零件图的工艺参数设计形成三维铸件图，再根据得到的三维铸件图设计形成多种不同方案的三维铸造工艺图；
步骤二：三维砂芯图设计：根据步骤一中设计的多种不同方案的三维铸造工艺图进行三维砂芯分割设计，最终形成多种不同工艺方案的三维砂芯图；
步骤三：砂芯3D打印：根据步骤二中确定的不同的三维砂芯模具图，应用砂芯3D打印技术，同时打印出多个不同工艺方案的砂芯；
步骤四：并行浇注验证：针对步骤三中多个不同工艺方案的砂芯制成多个不同的砂型模具，进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，同时进行理化性能及内部组织验证，最后确定出最优的铸造工艺方案。
上述步骤一中，所述三维铸件图主要是根据产品零件图通过增加加工余量、收缩量、工艺补正量、不铸孔、拔模斜度参数而形成，所述三维铸造工艺图主要是在三维铸件图的基础上增加浇注系统、排气系统、冒口、冷铁而形成。
上述步骤三中，所述砂芯3D打印是一种通过数字模型驱动，逐层铺砂，再逐层喷射粘结剂的方式来构造砂芯的快速成型技术，所述砂芯3D打印直接打印出砂芯内部的排气通道，而针对有冷铁的砂芯，所述砂芯3D打印时在相应的冷铁位置预留冷铁孔，所述砂芯3D打印完成后再镶入冷铁。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本方案中砂芯生产采用3D打印技术，使用的原材料为铸造用砂、树脂、固化剂，和普通砂芯生产所用的原材料基本相同，其热物性参数、理化性能也与普通砂芯最为相近，与铸造仿真模拟验证相比，采用砂芯3D打印技术进行铸造工艺的验证结果更为符合实际情况，能够提高铸造工艺设计的准确性；
2、本方案由于验证方法的改变，可以在不需要制作模具的情况下，同时生产多种工艺方案的砂芯，同时进行浇注，同时进行理化性能及内部组织验证，实现了铸造工艺并行浇注验证，与传统每次只能进行一种工艺方案的验证方法相比，能够大幅提高工作效率，较少了模具返修费用。
附图说明
图1为本发明的总体方案流程图；
图2为本发明实施例中某型船用柴油机缸盖底注式双冒口铸造工艺简图；
图3为本发明实施例中某型船用柴油机缸盖顶注式单冒口铸造工艺简图。
其中，1、底注式双冒口缸盖铸件；2、浇注系统Ⅰ；3、冒口Ⅰ；1′、顶注式单冒口缸盖铸件；2′、浇注系统Ⅱ；3′、冒口Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的实施例。
基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，如图1所示，包括以下步骤；
步骤一：三维铸造工艺图设计：三维铸造工艺图设计不同于传统平面二维铸造工艺设计，本发明因砂芯3D打印需要的输入为砂芯三维数模，故需要进行三维铸造工艺及砂芯设计。所以在铸件研发或工艺改进阶段，首先就要根据产品零件图的工艺参数设计形成三维铸件图，再根据得到的三维铸件图设计形成多种不同方案的三维铸造工艺图。具体的，所述三维铸件图是根据产品零件图通过增加加工余量、收缩量、工艺补正量、不铸孔、拔模斜度参数而形成，所述工艺参数设计与传统方法相同，可根据工程师经验结合相关手册、标准进行设计；所述三维铸造工艺图是在三维铸件图的基础上增加浇注系统、排气系统、冒口、冷铁而形成，三维设计应用商业三维造型软件均可实现。
步骤二：三维砂芯图设计：根据步骤一中设计的多种不同方案的三维铸造工艺图进行三维砂芯分割设计，最终形成多种不同工艺方案的三维砂芯图。
步骤三：砂芯3D打印：根据步骤二中确定的不同的三维砂芯图，应用砂芯3D打印技术，同时打印出多个不同工艺方案的砂芯。所述砂芯3D打印是一种通过数字模型驱动，逐层铺砂，再逐层喷射粘结剂的方式来构造砂芯的快速成型技术，所述砂芯3D打印直接打印出砂芯内部的排气通道，而针对有冷铁的砂芯，所述砂芯3D打印时在相应的冷铁位置预留冷铁孔，所述砂芯3D打印完成后再镶入冷铁。砂芯3D打印技术由于使用铸造用砂、树脂、固化剂的原材料通过喷射粘结剂制造砂芯，原材料价格相对较低，成型方法相对简单，无需烧结处理，可间接的生产几乎任何复杂形状的铸件，从而大大的缩减了铸造工艺验证时间，降低成本。
步骤四：并行浇注验证：针对步骤三中多个不同工艺方案的砂芯制成多个不同的砂型模具，进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，同时进行理化性能及内部组织验证，最后确定出最优的铸造工艺方案。并行浇注验证过程与传统铸造生产过程基本相同，但是传统铸造过程由于模具限制，每次只能进行一种工艺方案的验证，而本发明中的并行浇注验证则是同时生产多种工艺方案的砂芯，同时进行浇注验证，效率高，成本低。
下面以某型船用柴油机缸盖铸造验证为例进行对比说明。
这种柴油机缸盖结构复杂，尺寸精度及质量要求高，在该缸盖铸造毛坯研制阶段，初步设计了两种工艺方案，一种为底注式双冒口工艺，如图2所示，其中底注式双冒口缸盖铸件1上设有浇注系统Ⅰ2和冒口Ⅰ3；一种为顶注式单冒口工艺，如图3所示，其中，顶注式单冒口缸盖铸件1′上设有浇注系统Ⅱ2′和冒口Ⅱ3′。应用了砂芯3D打印技术进行铸造工艺验证，使该柴油机缸盖的研制周期缩短了2-3个月，降低研发成本近26万元。具体测算如下：
1.柴油机缸盖的传统研发过程：
传统研发过程针对以上两种工艺方案，在模具制作完成后，至少需要一次浇注系统部分模具的修改，才能完成两种工艺方案的验证，流程、周期及费用估算，如下表1所示。
表1：传统研发过程周期及费用
2.柴油机缸盖采用本发明研发过程：
本发明研发过程方案设计和传统方法相同，增加了砂芯三维设计和3D打印过程，可一次打印出上述两种方案的砂芯，并行进行验证，无需方案修改、模具制作、模具修改过程，生产验证采用多方案同时进行，只需一次，流程、周期及费用如下表2所示：
表2：本发明研发过程周期及费用
通过上述对比，明显可看出，本发明研发过程相比于传统研发过程，从时间和费用上都有很大降低，从而大大降低研发成本。
综上可知，本发明通过设计不同方案的三维铸造工艺图，再相应设计不同工艺方案的三维砂芯图，应用砂芯3D打印技术同时生产不同工艺方案的砂芯，最后进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，确定出最优的铸造工艺方案，在不需要制作模具的情况下，能够快速生产不同铸造工艺的砂芯，达到缩短铸造工艺验证周期，降低工艺验证成本，提高铸造工艺设计的准确性的目的。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (3)

1.基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤一：三维铸造工艺图设计：在铸件研发或工艺改进阶段，首先根据产品零件图的工艺参数设计形成三维铸件图，再根据得到的三维铸件图设计出多种不同方案的三维铸造工艺图；
步骤二：三维砂芯图设计：根据步骤一中设计的多种不同方案的三维铸造工艺图进行三维砂芯分割设计，最终形成多种不同工艺方案的三维砂芯图；
步骤三：砂芯3D打印：根据步骤二中确定的不同的三维砂芯图，应用砂芯3D打印技术，同时打印出多个不同工艺方案的砂芯；
步骤四：并行浇注验证：将步骤三中多个不同工艺方案的砂芯制成多个不同的砂型模具，进行不同工艺方案的并行实际浇注验证，同时进行理化性能及内部组织验证，最后确定最优的铸件铸造工艺方案。
2.根据权利要求1所述的基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，其特征在于：上述步骤一中，所述三维铸件图主要是根据产品零件图通过增加加工余量、收缩量、工艺补正量、不铸孔、拔模斜度参数而形成，所述三维铸造工艺图主要是在三维铸件图的基础上增加浇注系统、排气系统、冒口、冷铁而形成。
3.根据权利要求1所述的基于砂芯3D打印技术的铸造工艺快速验证方法，其特征在于：上述步骤三中，所述砂芯3D打印是一种通过数字模型驱动，逐层铺砂，再逐层喷射粘结剂的方式来构造砂芯的快速成型技术，所述砂芯3D打印直接打印出砂芯内部的排气通道，而针对有冷铁的砂芯，所述砂芯3D打印时在相应的冷铁位置预留冷铁孔，所述砂芯3D打印完成后再镶入冷铁。
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