CN109759542A - 一种基于分层自生铸型的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分层自生铸型的铸造方法，属于铸造技术领域。该方法包括：1、构建三维模型，提取三维模型轮廓作为自生铸型；2、将自生铸型沿竖直方向进行自生铸型单元划分；3、将自生铸型单元进行分层处理及成形路径规划处理；4、打印成形一个自生铸型单元；5、向自生铸型单元内浇入金属熔体，在快速冷却系统的作用下使金属熔体凝固成形；6、重复步骤4和5，直到成形得到金属制品。本发明所提供方法中金属熔体凝固速度较快，能够有效解决金属制品组织粗大、偏析严重等问题。

Description

一种基于分层自生铸型的铸造方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种基于分层自生铸型的铸造方法。

技术背景

铸造是一种经济高效的毛坯和零件成形方法，是制造领域的基础工艺之一。传统的铸造方法通常需要先制备铸型，然后将金属熔体浇入铸型内，待金属熔体冷却凝固后，将铸型去除，获得所需毛坯或零件等金属制品。在铸造方法中，铸型的制备和金属熔体的浇铸对金属制品的质量具有重要影响。传统的铸型制备和金属熔体浇铸的方法主要分为以下两种：

(1)首先制备出模样，再利用模样制备出整个砂型、陶瓷型、金属型或泥型等铸型，之后将金属熔体一次性浇入铸型内；

(2)采用机械加工或3D打印的方法直接制备出整个砂型、陶瓷型、金属型或石墨型等铸型，之后将金属熔体一次性浇入铸型内。

尽管以上两种方法取得了广泛的应用，但是仍然存在以下三个问题：

(1)铸型的制备与金属熔体的浇铸是分离的两道工序，并且铸型通常采用熔点高于铸造金属熔点的材料制成，浇铸完成后需要将铸型去除才能获得金属制品，整体工艺流程较为复杂；

(2)整个铸型制作完毕后再进行金属熔体的浇铸，当金属制品的形状较为复杂时，容易出现金属熔体充型困难、铸型内气体逸出不易等问题，使金属制品产生充型不完整和气孔等缺陷；

(3)金属熔体通常一次性浇入铸型内，凝固速度较慢，金属制品容易出现组织粗大和偏析严重等缺陷。

因此，开发工艺流程简单以及金属制品充型完整、气孔较少、组织细小和偏析较少的铸造新方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对传统铸造方法中存在的工艺流程复杂以及金属制品充型不完整、气孔较多、组织粗大和偏析严重等问题，开发出一种基于分层自生铸型的铸造方法。该方法将金属制品的轮廓直接作为自生铸型，首先将自生铸型沿竖直方向划分为多个自生铸型单元，通过3D打印方法对一个自生铸型单元进行打印成形，之后在快速冷却条件下，向自生铸型单元中浇铸金属熔体，并重复自生铸型单元的打印和金属熔体的浇铸，最终成形出金属制品。该方法直接将金属制品的轮廓作为自生铸型，金属熔体浇铸完成后无需去除铸型，大大简化了铸造的工艺流程；将自生铸型分为多个自生铸型单元进行打印，且每打印完成一个自生铸型单元后，直接利用金属熔体对该自生铸型单元进行浇铸，降低了金属熔体的充型难度和铸型内气体的逸出难度，有效避免了金属制品产生充型不完整和气孔等缺陷；在快速冷却条件下，将金属制品沿竖直方向分为多个部分依次浇铸成形，金属熔体凝固速度较快，能够有效解决金属制品组织粗大、偏析严重等问题。本发明的目的是提供一种基于分层自生铸型的铸造方法，特别适用于大尺寸、形状复杂的金属制品的铸造成形。

根据本发明的第一方面，提供一种基于分层自生铸型的铸造方法，所述铸造方法将金属制品的轮廓作为自生铸型，将所述自生铸型划分为多个自生铸型单元，通过交替进行所述自生铸型单元的打印和金属熔体向所述自生铸型单元中的浇铸，最终成形出所述金属制品，

其中，在浇铸过程中，通过3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统。

进一步的，所述铸造方法具体包括如下步骤：

第一步：构建所述金属制品的三维模型，提取所述三维模型的所述轮廓作为所述自生铸型；

第二步：将所述自生铸型沿竖直方向进行所述自生铸型单元的划分；

第三步：对每个所述自生铸型单元进行分层处理及成形路径规划处理；

第四步：根据所述自生铸型单元的所述成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以金属熔体为原料，打印成形一个所述自生铸型单元；

第五步：利用所述3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的所述自生铸型单元内浇入所述金属熔体，所述金属熔体充满所述自生铸型单元，在所述3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使所述金属熔体凝固成形；

第六步：重复上述第四步和第五步，直到成形得到所述金属制品。

进一步的，所述自生铸型的壁厚为1～10mm。

进一步的，每个所述自生铸型单元的高度为10～100mm。

进一步的，所述3D打印系统为基于金属液体的3D打印系统、基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统或基于电弧的3D打印系统中的至少一种。

进一步的，所述自生铸型不同区域的所述壁厚以及每个所述自生铸型单元的所述高度由所述金属制品不同区域的形状复杂程度决定，可以相同也可以不同。

进一步的，所述快速冷却系统为液态金属冷却系统、气体冷却介质冷却系统、非金属液体冷却介质冷却系统或固体冷却介质冷却系统中的一种，冷却速率≥100000K/s。

根据本发明的第二方面，提供一种基于分层自生铸型的铸造系统，所述系统包括：

处理器和用于存储可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的基于分层自生铸型的铸造方法。

根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的基于分层自生铸型的铸造方法。

本发明的有益效果包括：

1.基于分层自生铸型的铸造方法将金属制品的轮廓作为自生铸型，并采用3D打印的方法直接打印自生铸型，金属熔体浇铸完成后无需去除自生铸型，具有工艺流程简单、生产周期短、生产成本低等优点。

2.基于分层自生铸型的铸造方法将自生铸型分为多个自生铸型单元进行打印成形，且每打印完成一个自生铸型单元后，直接利用金属熔体对该自生铸型单元进行浇铸，有利于金属熔体的充型以及自生铸型内气体的逸出，具有能够制备复杂形状金属制品以及金属制品充型完整、气孔较少等优点。

3.基于分层自生铸型的铸造方法将金属制品沿竖直方向分为多个部分依次浇铸成形，充分利用了离散堆积的成形理念，并且在快速冷却条件下使得金属熔体的凝固速度加快，具有金属制品组织细小、偏析较少等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于分层自生铸型的铸造方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

一种基于分层自生铸型的铸造方法，属于铸造技术领域。本发明将金属制品的轮廓直接作为自生铸型，并将自生铸型划分为多个自生铸型单元，通过交替进行自生铸型单元的打印和金属熔体向自生铸型单元中的浇铸，最终成形出金属制品。本发明的基于分层自生铸型的铸造方法工艺流程简单、生产周期短、生产成本低，且所成形的金属制品具有充型完整、气孔较少、组织细小和偏析较少等优点。

实施例1：

纯铝弯头的基于分层自生铸型的铸造方法。

S1：构建纯铝弯头的三维模型，提取三维模型的轮廓作为自生铸型，自生铸型的壁厚为5mm；

S2：将自生铸型沿竖直方向进行自生铸型单元的划分，每个自生铸型单元的高度为50mm；

S3：通过常规分层处理软件和路径规划软件对每个自生铸型单元进行分层处理，分解为多个层片并获取轮廓和层片等信息，之后进行成形路径规划处理，对每一个层片进行扫描路径规划；

S4：根据自生铸型单元的成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以纯铝熔体为原料，打印成形一个自生铸型单元；

S5：利用3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的自生铸型单元内浇入纯铝熔体，纯铝熔体充满自生铸型单元，在3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使纯铝熔体凝固成形；

S6：重复上述S4和S5，直到成形得到纯铝弯头。

实施例2：

铝合金轮毂的基于分层自生铸型的铸造方法。

S1：构建铝合金轮毂的三维模型，提取三维模型的轮廓作为自生铸型，自生铸型的壁厚为1～10mm；

S2：将自生铸型沿竖直方向进行自生铸型单元的划分，每个自生铸型单元的高度为10mm；

S3：通过分层处理软件和路径规划软件对每个自生铸型单元进行分层处理，分解为多个层片并获取轮廓和层片等信息，之后进行成形路径规划处理，对每一个层片进行扫描路径规划；

S4：根据自生铸型单元的成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以铝合金熔体为原料，打印成形一个自生铸型单元；

S5：利用3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的自生铸型单元内浇入铝合金熔体，铝合金熔体充满自生铸型单元，在3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使铝合金熔体凝固成形；

S6：重复上述S4和S5，直到成形得到铝合金轮毂。

实施例3：

纯铜方形结晶器的基于分层自生铸型的铸造方法。

S1：构建纯铜方形结晶器的三维模型，提取三维模型的轮廓作为自生铸型，自生铸型的壁厚为1mm；

S2：将自生铸型沿竖直方向进行自生铸型单元的划分，每个自生铸型单元的高度为10～50mm；

S3：通过分层处理软件和路径规划软件对每个自生铸型单元进行分层处理，分解为多个层片并获取轮廓和层片等信息，之后进行成形路径规划处理，对每一个层片进行扫描路径规划；

S4：根据自生铸型单元的成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以纯铜熔体为原料，打印成形一个自生铸型单元；

S5：利用3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的自生铸型单元内浇入纯铜熔体，纯铜熔体充满自生铸型单元，在3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使纯铜熔体凝固成形；

S6：重复上述S4和S5，直到成形得到纯铜方形结晶器。

实施例4：

铜合金螺旋桨的基于分层自生铸型的铸造方法。

S1：构建铜合金螺旋桨的三维模型，提取三维模型的轮廓作为自生铸型，自生铸型的壁厚为1～10mm；

S2：将自生铸型沿竖直方向进行自生铸型单元的划分，每个自生铸型单元的高度为10～100mm；

S3：通过分层处理软件和路径规划软件对每个自生铸型单元进行分层处理，分解为多个层片并获取轮廓和层片等信息，之后进行成形路径规划处理，对每一个层片进行扫描路径规划；

S4：根据自生铸型单元的成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以铜合金熔体为原料，打印成形一个自生铸型单元；

S5：利用3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的自生铸型单元内浇入铜合金熔体，铜合金熔体充满自生铸型单元，在3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使铜合金熔体凝固成形；

S6：重复上述S4和S5，直到成形得到铜合金螺旋桨。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器、空调器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于分层自生铸型的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法将金属制品的轮廓作为自生铸型，将所述自生铸型划分为多个自生铸型单元，通过交替进行所述自生铸型单元的打印和金属熔体向所述自生铸型单元中的浇铸，最终成形出所述金属制品。

2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法具体包括如下步骤：

第一步：构建所述金属制品的三维模型，提取所述三维模型的所述轮廓作为所述自生铸型；

第二步：将所述自生铸型沿竖直方向进行所述自生铸型单元的划分；

第三步：对每个所述自生铸型单元进行分层处理及成形路径规划处理；

第四步：根据所述自生铸型单元的所述成形路径，利用3D打印与铸造一体化设备的3D打印系统，以金属熔体为原料，打印成形一个所述自生铸型单元；

第五步：利用所述3D打印与铸造一体化设备的铸造系统向打印成形的所述自生铸型单元内浇入所述金属熔体，所述金属熔体充满所述自生铸型单元，在所述3D打印与铸造一体化设备的快速冷却系统的作用下使所述金属熔体凝固成形；

第六步：重复上述第四步和第五步，直到成形得到所述金属制品。

3.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述自生铸型的壁厚为1～10mm。

4.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，每个所述自生铸型单元的高度为10～100mm。

5.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述3D打印系统为基于金属液体的3D打印系统、基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统或基于电弧的3D打印系统中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述自生铸型不同区域的所述壁厚以及每个所述自生铸型单元的所述高度根据所述金属制品不同区域的形状复杂程度为相同的或不同的。

7.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述快速冷却系统为液态金属冷却系统、气体冷却介质冷却系统、非金属液体冷却介质冷却系统或固体冷却介质冷却系统中的一种，冷却速率≥100000K/s。

8.一种基于分层自生铸型的铸造系统，其特征在于，所述系统包括：处理器和用于存储可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如根据权利要求1至7任一项所述的基于分层自生铸型的铸造方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如根据权利要求1至7任一项所述的基于分层自生铸型的铸造方法。