CN110385404B - 一种3d打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法 - Google Patents
一种3d打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法，首先根据零件机加要求设计铸件，封堵油路管装配口；使用冷铁设计铸件浇注系统；根据铸件和浇注系统结构完成分型；采取3DP打印砂型的方式制作砂型块，采取3D打印或激光选择性烧结覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；根据油路管芯结构设计工艺孔，在浇道底部铸造油路管芯堵头；将砂芯和砂型进行拼接后采用反重力低压浇注铸件。砂型块使用3DP(喷胶)方式是生产，生产成本低，制作效率更高，可以有效的节省铸件生产成本，砂芯采用3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂方式生产砂芯，后续对砂芯进行烘烤硬化，砂芯的抗冲击性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件的工艺设计方法，该发明适用于3D打印砂型制备具有复杂油路管铸件的铸造工艺设计方法。
背景技术
我国工业设计的整体快速发展，对高性能复杂零部件的铸造水平提出了更高的要求，同时高性能的复杂零部件在航空航天领域、武器装备、汽车等领域有着重大需求，同时节能减排与性能提高等方面要求的提升对这些核心零部件的装备整体化与轻量化也进一步带来了极大的挑战。特别是随着航空航天领域的快速发展，铸件往复杂薄壁、外观设计各异以及多油路管集成化的方向发展，并且产品设计研发换代的频率也明显加快。而航空航天领域核心装备件的整体化与轻量化设计的提高依赖于关键零部件的高性能和复杂铸件制备技术集成化的提升，采用传统的铸造生产方式已不能满足现代铸件快速开发、多功能集成化、多油路管道等方面的发展需要。
现阶段针对多油路复杂铸件的生产大多数采用砂型铸造，传统的砂型铸造是一种以砂为主要原材料，在砂型中浇注成型铸件的铸造方式。一般砂型的制作首先都需要制作模具，而模具的制作一般需要4～6个月，对于复杂铸件的模具制作周期甚至更长，导致铸件的整个生产周期较长，铸件生产成本较高，并且传统砂型铸件的尺寸精度低，型腔稍微复杂的铸件造型困难，模具的制作也受限于铸件的复杂程度，不能达到真正零部件的近净成形。特别是航空航天领域更新换代较快，零部件的设计具有复杂薄壁、多油路管道的特点，传统的砂型铸造生产方式已经不能满足现代铸造的发展需要。
近年来发展迅速的3D打印砂型技术，在制作复杂油路、多功能集成铸件方面优势明显，具有无需模具、铸件生产周期短，其相对于传统砂型铸件，减少了模具的制作周期，并且3D打印砂型生产的铸件尺寸精度要明显优于传统砂型铸件，其也不受限于铸件型腔的复杂程度，造型简单，真正的达到铸件的近净成型，其特别适合复杂油路管铸件的设计开发，可以显著降低铸件的生产难度，3D打印砂型制作的铸件已经在航空航天领域关键铸件的生产已经展现出巨大的市场潜力。但是针对于3D打印砂型制作复杂薄壁多油路管铸件没有成型的工艺方法，大多沿用与传统砂型铸件的设计方法，而传统的砂型铸件铸造工艺方法只适用于厚大、尺寸精度要求较低的铸件，对于具有复杂油路管道的铸件，其只能制备出粗大的油路管，现阶段针对复杂薄壁类、具有细长管道类铸件还没有形成系统性的铸造工艺方法。特别是航空航天用复杂薄壁类铸件，其冶金质量、尺寸精度要求极高，现在高要求铸件的生产大多数采用反重力浇注方式，由于反重力浇注的充型压力较大，随之针对油路管砂芯的强度和工艺设计要求也相对较高。因此，现阶段需要提出一种合理的系统性工艺设计方法，进而为3D打印砂型生产复杂油路管铸件的铸造工艺设计提供参考借鉴。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法，首先根据零件机加要求设计铸件，封堵油路管装配口；使用冷铁设计铸件浇注系统；根据铸件和浇注系统结构完成分型；采取3DP打印砂型的方式制作砂型块，采取3D打印或激光选择性烧结覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；根据油路管砂芯结构设计工艺孔，在浇道底部铸造油路管砂芯堵头；将砂芯和砂型进行拼接后采用反重力低压浇注铸件。
本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯设置工艺孔；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头与砂型间隙与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印砂型的方式制作砂型块，采取3D打印或激光选择性烧结覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂将冷铁与砂型粘接；
步骤8：将步骤6中的砂芯和步骤7中砂型进行拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中拼接后的砂型，得到铸件；
步骤10：将铸件在340～380℃保温1～3h空冷；
步骤11：在油路管待补焊工艺孔位置打磨坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨焊接坡口，然后进行焊接。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，设计铸件时，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件按照上公差设计。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，设计浇注系统时，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，工艺孔用于定位，工艺孔的定位端头横截面的形状为长方形的一个宽边用半圆替代。
本发明进一步的改进在于，步骤7中，冷铁与砂型粘接时，冷铁端面与砂型齐平。
本发明进一步的改进在于，进行步骤10进行以下过程再进行步骤11，采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净。
本发明进一步的改进在于，步骤11中，采用氩弧焊的形式进行焊接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：将冷铁应用于3D打印砂型铸造工艺的设计中，可以有效的简化铸件浇注系统设计，提高原材料的使用效率，进而提高铸件的生产效率。砂型块使用3DP(喷胶)方式是生产，生产成本低，制作效率更高，可以有效的节省铸件生产成本，砂芯采用3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂方式生产砂芯，后续对砂芯进行烘烤硬化，砂芯的抗冲击性能优异。
进一步的，在钢丝螺套以及装配孔位置按照上公差铸造，可以在一定程度上避免铸件变形以及局部收缩不当而产生的机加缺肉情况。
进一步的，复杂薄壁油路管装配口位置全部封堵，采用工艺孔的方式固定油路管砂芯，在浇道处铸造油路管砂芯堵头，最终使用焊接的方式封堵铸件工艺孔，有效地丰富了铸件油路管砂芯的定位工艺设计方法，并且提高了铸件的尺寸精度。
附图说明
图1为工艺孔定位端头的示意图。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步详细描述：
本发明为3D打印砂型生产复杂薄壁复杂油路管铸件提供了一种铸造工艺设计方法，在保证3D打印砂型快速生产铸件的基础上，砂型和砂芯分别采用不同的3D打印方式制作，以其降低铸件的生产成本；从提高铸件冶金质量角度出发，发明了一种在砂型中采用粘接的方式使用冷铁，极大的简化了铸件的浇注系统；从保证铸件油路管装配口尺寸精度的角度出发，多使用工艺孔的方式固定油路管砂芯，油路管砂芯装配口处全部封堵，以焊接工艺孔的方式来提高铸件油路管口的尺寸精度。本发明解决了3D打印砂型制造复杂薄壁、具有油路管砂芯铸件的问题，让3D打印砂型更加有效稳定的服务于铸件生产。
以某泵壳体产品为基础，首先根据零件机加要求设计铸件，需封堵油路管装配口；设计铸件浇注系统，多使用冷铁；根据铸件和浇注系统结构完成分型；根据油路管砂芯结构设计合理的工艺孔，在浇道底部铸造油路管砂芯堵头；采用反重力低压浇注铸件；清理铸件；采用堵头焊接工艺孔；射线和荧光检测铸件冶金质量；划线检测铸件尺寸。
实现本发明技术方案的具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件需按照上公差设计；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型，多使用冷铁以简化浇注系统设计，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯合理设置工艺孔，工艺孔用于定位，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头形状为三面方形+一面圆形，即长方形的一个宽边用半圆替代，如图1所示，以方便后续砂型组型装配；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头与砂型间隙为0.3mm，其尺寸需与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印(喷胶)砂型的方式制作砂型块，采取3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂完成冷铁粘接，冷铁粘接时，其端面需与铸件齐平，以防止人为增加热节；
步骤8：对步骤6和7中砂型、砂芯完成拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中砂型；
步骤10：清理步骤9中铸件表面砂型，切除浇冒口，并且锯切浇道上油路管砂芯堵头，并清理干净待用，打磨铸件表面毛刺等；
步骤11：将步骤10中铸件在电阻炉中加热到360℃保温2h空冷，先采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净；
步骤12：在油路管待补焊工艺孔位置打磨45°坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨45°焊接坡口，清理干净工艺孔周围，采取氩弧焊以密封的形式完成焊接；
步骤13：对步骤12中铸件进行X射线、荧光检测，采用划线方式进行尺寸检测，铸件机加完成后进行打压试验。
实施例1
以某航空用附件机匣为例，铸件尺寸850×465×290mm，材质为ZL114A，共有7个油路管，壁厚为4mm，砂芯直径在8～14mm之间，长度均超过15mm，最长砂芯达到49mm，每根砂芯曲折不规则，铸件本身凸台较多，形状各异。其实施的具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件需按照上公差设计；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型，多使用冷铁以简化浇注系统设计，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯合理设置工艺孔，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头形状为三面方形+一面圆形，以方便后续砂型组型装配；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，工艺孔定位端头与砂型间隙为0.3mm，其尺寸需与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印(喷胶)砂型的方式制作砂型块，采取3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂完成冷铁粘接，冷铁粘接时，其端面需与铸件齐平，以防止人为增加热节；
步骤8：对步骤6和7中砂型、砂芯完成拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中砂型；
步骤10：清理步骤9中铸件表面砂型，切除浇冒口，并且锯切浇道上油路管砂芯堵头，并清理干净待用，打磨铸件表面毛刺等；
步骤11：将步骤10中铸件在电阻炉中加热到340℃保温4h空冷，先采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净；
步骤12：在油路管待补焊工艺孔位置打磨45°坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨45°焊接坡口，清理干净工艺孔周围，采取氩弧焊以密封的形式完成焊接；
步骤13：对步骤12中铸件进行X射线、荧光检测，采用划线方式进行尺寸检测，铸件机加完成后进行打压试验。
按照此方法生产的铸件，有效的简化了铸件浇注系统设计，铸件出品率达到53％，铸件经X射线和荧光检验，冶金质量可以达到HB963Ⅰ类件要求，铸件经划线检验，尺寸精度可以HB6103 CT6要求，铸件壁厚均匀。铸件机加完成之后，铸件油路管经过打压处理可承受0.6～0.7MPa液压。
实施例2
以某航空用中介机匣为例，上端尺寸为
，下端为
，高120mm，具有
油路管3根，油路管壁厚3mm。其具体实施方案如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件需按照上公差设计；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型，多使用冷铁以简化浇注系统设计，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯合理设置工艺孔，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头形状为三面方形+一面圆形，以方便后续砂型组型装配；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，工艺孔定位端头与砂型间隙为0.3mm，其尺寸需与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印(喷胶)砂型的方式制作砂型块，采取3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂完成冷铁粘接，冷铁粘接时，其端面需与铸件齐平，以防止人为增加热节；
步骤8：对步骤6和7中砂型、砂芯完成拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中砂型；
步骤10：清理步骤9中铸件表面砂型，切除浇冒口，并且锯切浇道上油路管砂芯堵头，并清理干净待用，打磨铸件表面毛刺等；
步骤11：将步骤10中铸件在电阻炉中加热到360℃保温2h空冷，先采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净；
步骤12：在油路管待补焊工艺孔位置打磨45°坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨45°焊接坡口，清理干净工艺孔周围，采取氩弧焊以密封的形式完成焊接；
步骤13：对步骤12中铸件进行X射线、荧光检测，采用划线方式进行尺寸检测，铸件机加完成后进行打压试验。
按照此方法生产的铸件，有效的简化了铸件浇注系统设计，铸件出品率达到43％，铸件经X射线和荧光检验，冶金质量可以达到HB963Ⅰ类件要求，铸件经划线检验，尺寸精度可以HB6103 CT6要求，铸件壁厚均匀。铸件机加完成之后，铸件油路管经过打压处理可承受0.4～0.6MPa液压。
实施例3
以某航空用机匣盖为例，铸件尺寸550×245×240mm，材质为ZL114A，共有8个油路管，壁厚为4mm，砂芯直径在6～10mm之间，长度均超过15mm，最长砂芯达到27mm，每根砂芯曲折不规则，铸件本身凸台较多，形状各异。其实施的具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件需按照上公差设计；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型，多使用冷铁以简化浇注系统设计，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯合理设置工艺孔，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头形状为三面方形+一面圆形，以方便后续砂型组型装配；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，工艺孔定位端头与砂型间隙为0.3mm，其尺寸需与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印(喷胶)砂型的方式制作砂型块，采取3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂完成冷铁粘接，冷铁粘接时，其端面需与铸件齐平，以防止人为增加热节；
步骤8：对步骤6和7中砂型、砂芯完成拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中砂型；
步骤10：清理步骤9中铸件表面砂型，切除浇冒口，并且锯切浇道上油路管砂芯堵头，并清理干净待用，打磨铸件表面毛刺等；
步骤11：将步骤10中铸件在电阻炉中加热到380℃保温1h空冷，先采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净；
步骤12：在油路管待补焊工艺孔位置打磨45°坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨45°焊接坡口，清理干净工艺孔周围，采取氩弧焊以密封的形式完成焊接；
步骤13：对步骤12中铸件进行X射线、荧光检测，采用划线方式进行尺寸检测，铸件机加完成后进行打压试验。
按照此方法生产的铸件，有效的简化了铸件浇注系统设计，铸件出品率达到48％，铸件经X射线和荧光检验，冶金质量可以达到HB963Ⅰ类件要求，铸件经划线检验，尺寸精度可以HB6103 CT6要求，铸件壁厚均匀。铸件机加完成之后，铸件油路管经过打压处理可承受0.4～0.6MPa液压。
实施例4
以尺寸150×130×57mm，整体壁厚8mm铸件为例，材质为ZL105，铸件存在两个承液压通道，其实施具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件，针对于钢丝螺套以及装配孔位置，铸件需按照上公差设计；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型，多使用冷铁以简化浇注系统设计，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯合理设置工艺孔，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头形状为三面方形+一面圆形，以方便后续砂型组型装配；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，工艺孔定位端头与砂型间隙为0.3mm，其尺寸需与油路管砂芯的工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印(喷胶)砂型的方式制作砂型块，采取3D打印(激光选择性烧结)覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂完成冷铁粘接，冷铁粘接时，其端面需与铸件齐平，以防止人为增加热节；
步骤8：对步骤6和7中砂型、砂芯完成拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中砂型；
步骤10：清理步骤9中铸件表面砂型，切除浇冒口，并且锯切浇道上油路管砂芯堵头，并清理干净待用，打磨铸件表面毛刺等；
步骤11：将步骤10中铸件在电阻炉中加热到360℃保温2h空冷，先采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净；
步骤12：在油路管待补焊工艺孔位置打磨45°坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨45°焊接坡口，清理干净工艺孔周围，采取氩弧焊以密封的形式完成焊接；
步骤13：对步骤12中铸件进行X射线、荧光检测，采用划线方式进行尺寸检测。
按照此方法生产的铸件，有效的简化了铸件浇注系统设计，铸件出品率达到45％，铸件经X射线和荧光检验，冶金质量可以达到HB963Ⅰ类件要求，铸件经划线检验，尺寸精度可以HB6103 CT6要求，铸件壁厚均匀。
Claims (2)
1.一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法，其特征在于，首先根据零件机加要求设计铸件，封堵油路管装配口；使用冷铁设计铸件浇注系统；根据铸件和浇注系统结构完成分型；采取3DP打印砂型的方式制作砂型块，采取激光选择性烧结覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；根据油路管砂芯结构设计工艺孔，在浇道底部铸造油路管砂芯堵头；将砂芯和砂型进行拼接后采用反重力低压浇注铸件；
具体步骤如下：
步骤1：根据零部件要求，设计铸件；
步骤2：根据铸件特点，设计浇注系统，完成分型；其中，设计浇注系统时，预留的冷铁孔在直径方向单边增加0.5～1.0mm余量，为后续砂型喷刷涂料厚度留有余量；
步骤3：针对油路管装配口位置采取封堵的形式保证机加要求，根据油路管砂芯结构在铸件上设计工艺孔；
步骤4：根据工艺孔三维尺寸，在浇道砂型块上预留焊接油路管砂芯堵头，用于对油路管砂芯在砂型中的定位的工艺孔定位端头与工艺孔相匹配；
步骤5：采取3DP打印砂型的方式制作砂型块，采取激光选择性烧结覆膜砂的工艺制作油路管砂芯；
步骤6：对砂型块和油路管砂芯完成修型，刷涂料，烘干；
步骤7：使用铸造粘接剂将冷铁与砂型粘接，且冷铁端面与砂型齐平；
步骤8：将步骤6中的砂芯和步骤7中砂型进行拼接；
步骤9：采用反重力低压方式浇注步骤8中拼接后的砂型，得到铸件；
步骤10：将铸件在340～380℃保温1～3h空冷；
步骤11：在油路管待补焊工艺孔位置打磨坡口，并在油路管砂芯堵头与工艺孔连接位置打磨焊接坡口，然后采用氩弧焊的形式进行焊接。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印砂型制备复杂油路管铸件铸造工艺设计方法，其特征在于，进行步骤10后进行以下过程再进行步骤11，采用振动筛将油路管砂芯震碎，最后采用高压水枪将油路管内剩余砂芯清理干净。
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