CN111468678A - 基于3d打印的适用于整体式多路阀的铸造方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于3D打印的适用于整体式多路阀的铸造方法和系统，属于阀门铸造技术领域。铸造方法和系统通过根据待铸造整体式多路阀的结构参数，确定多层多个内浇口，连接各层内浇口的多个横浇道，以及连接多个横浇道的直浇道，并利用3D打印技术打印整体式砂型，实现了一种多层复合式浇注铸造方法以及相应的铸造系统，可分散均衡液体充型过程中的重力和冲刷力等影响，减少砂芯断裂，内部缺陷披缝，主阀孔弯曲等铸造缺陷。且通过3D打印的整体式砂型之间的一致性较好，内部无粘接缝隙，可保障浇注完成的阀体铸件质量稳定性以及表面质量，同时能够实现整体式液压阀的快速铸造，适合批量、规格化制造，更好地支撑大型整体式液压多路阀产品快速升级。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械增材制造技术领域，特别是一种基于3D打印，且适用于整体式多路阀的铸造方法和系统。
背景技术
大型整体式液压多路阀是工程机械的核心控制元件，它位于泵和执行元件之间，用于控制液压油的流量大小和流向，从而集中控制执行元件的运动方向和速度，广泛应用于工程机械、矿山机械、港口机械等领域。大型整体式多路阀性能的好坏直接影响产品整体的工作性能，影响整机产品的口碑及销售，可见其重要性。国内大型整体式液压多路阀主要依赖进口，严重地制约了国内公司主机产品的发展。
由于整体式液压多路阀阀体的主阀孔细长，内部油道复杂，悬空结构多、油槽多、截面形状及尺寸各不相同，铸造难度大，整体式液压多路阀铸造成功率较低。目前，大型整体式液压多路阀的制造通常采用传统砂型铸造方式，根据设计模型，先制造金属模具，然后利用金属模具制造砂型，最后完成浇注，得到液压阀毛坯，传统的制造方式，模具制造周期长，模具成本较高，不利于设计阶段模型的多次修改，限制了大型整体式液压多路阀的快速更新换代。
目前砂型3D打印在铝合金铸件及厚大件上应用成功率较高，但基于砂型3D打印工艺快速制造的砂型强度远低于传动模具制造砂型，特别是在遇到内部结构复杂，细小结构、悬浮结构等特征较多的大型整体式液压多路阀，普遍存在快速铸造成功率低、成型质量差等问题，浇注过程中易出现断芯，披缝等铸造缺陷，工艺不成熟，难以满足产业化应用需求。
发明内容
本发明的目的提供一种基于3D打印的适用于整体式多路阀的铸造方法和系统，能够用于大型整体式多路阀的快速制造，铸造成功率高，质量稳定。
本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种适用于整体式多路阀的铸造方法，包括：
确定待铸造阀的结构参数；
以垂直于主阀孔轴向的方向作为高度方向，确定待铸造阀的阀体高度L；
根据阀体高度L确定内浇口的层数；
根据待铸造阀的结构参数，确定各层各内浇口的位置，使得所有内浇口均位于待铸造阀体的同一侧；
根据待铸造阀的结构参数，布置相应层数、位置的各内浇口模型；
对应每层内浇口分别布置与内浇口连通的横浇道模型；
设置冒口模型以及连通各横浇道的直浇道模型；
根据待铸造阀的结构参数，以及所述内浇口模型、横浇道模型、直浇道模型、冒口模型，创建待3D打印的砂芯模型，以及包括内浇口、横浇道、直浇道和冒口的砂型模型；
根据所述砂型模型和砂芯模型进行3D打印，得到待铸造阀的砂型和砂芯；
利用3D打印得到的砂型和砂芯进行浇注式铸造，得到整体式阀体。
本发明提供了一种采用测浇方式的多层复合式浇注铸造方法，可分散均衡液体充型过程中的重力和冲刷力等影响，且通过3D打印的砂型为整体式砂型，砂型内部无粘接缝隙，可保障浇注完成的阀体铸件表面质量，同时能够实现整体式液压阀的快速铸造，适合批量、规格化制造。
在确定待铸造阀的结构参数后，可生成待铸造整体式多路阀的本体模型1，便于更加直观的设置内浇口、横浇道、直浇道、冒口等的位置，
可选的，整体式多路阀铸造方法还包括：
在对应主阀孔的砂芯中设置贯穿式排气通道；
对于除主阀孔之外的其它阀孔，在对应的、需连接砂型外围的砂芯中设置随型排气孔。也即排气孔的路径沿阀孔的中心路径设置。排气通道和排气孔的设置可提高整体式砂芯的排气效率。
可选的，本发明整体式多路阀铸造方法还包括：在浇注前，对3D打印得到的砂型采用锆英粉涂料浸涂，然后进行烘干处理。
可选的，采用波美度为40~60之间的锆英粉涂料浸涂，浸涂次数≤3次，烘干温度为100~180℃，烘干时间设置为：1~1.5h。
可选的，本发明方法还包括，根据待铸造阀的重量选择3D砂型打印工艺进行砂芯打印：
若待铸造阀重量≤50kg，采用选择性激光烧结技术或粘接剂喷射打印技术进行砂芯3D打印；
若待铸造阀重量>50kg，采用粘结剂喷射打印技术进行砂芯3D打印。可进一步保障砂芯减少断芯等情况。
可选的，所述待铸造阀为整体式液压多路阀；浇注时，采用球墨铸铁进行浇注式铸造，浇注温度为1350-1400℃，浇注后保温时间≥8h。
可选的，所述根据阀体高度L确定内浇口的层数N为：将阀体高度L除以一预设高度间隔L0，对所得到的结果近似取整，即得到层数N。近似取整可为四舍五入近似，也可直接取整数部分的商。预设高度间隔L0可根据需要调整，如设置为100mm等。在具体布置各层内浇口时，最好避开与各路主阀孔相平齐的位置，比如可设置于两层主阀孔平齐位置之间。
可选的，位于同一层的不同内浇口具有至少一个高度位置。也即本发明中同一层的内浇口可以高度不一地设置，以适应其它结构需求，如避开不宜直接冲刷的结构位置。
可选的，所述内浇口远离砂型内部油道设置。可保证液体充型过程中不会直接冲刷油道砂芯，降低铸造过程中由于铁水冲击导致断芯、披缝等铸造缺陷。
第二方面，本发明还提供一种适用于整体式多路阀的铸造系统，包括砂型本体、直浇道、横浇道、内浇口和冒口；
以垂直于主阀孔砂芯轴向的方向作为砂型本体的高度方向；
所述直浇道、横浇道和内浇口设置于砂型本体的一侧；横浇道沿砂型本体高度方向设置有多个，各横浇道的延伸方向上设有多个内浇口，各横浇道通过所述多个内浇口连接砂型本体；多个横浇道分别连通直浇道，冒口设置于砂型本体的顶部。
可选的，横浇道的数量设置为，将阀体高度L除以一预设高度间隔L0，对所得到的结果近似取整后的结果值；
单个横浇道所连的所有内浇口具有至少两个高度位置，各内浇口远离砂型内部油道设置；
砂型外围壁厚≥25mm；
对应主阀孔的砂芯中设置有贯穿式排气通道；
除主阀孔之外的其它阀孔所对应的、连接砂型外围的砂芯中设置有随型排气孔。
可选的，冒口数量为多个；所有内浇口均设置于砂型平行于主阀孔轴向的一个侧面的侧部。也即内浇口所在侧面非砂型顶面或底面。
有益效果
本发明提供了一种采用测浇方式的多层复合式浇注铸造方法，以及相应的铸造系统，多层复合式的浇注方法可分散均衡液体充型过程中的重力和冲刷力等影响，减少砂芯断裂，内部缺陷披缝，主阀孔弯曲等铸造缺陷。且通过3D打印的砂型为整体式砂型，砂型内部无粘接缝隙，砂型之间的一致性较好，可保障浇注完成的阀体铸件表面质量以及质量稳定性，同时能够实现整体式液压阀的快速铸造，适合批量、规格化制造，更好地支撑大型整体式液压多路阀产品快速升级，大幅降低试制成本，缩短试制周期，进一步实现砂型3D打印技术的产业化应用。
附图说明
图1所示为本发明一种实施例的内浇口、横浇道、直浇道、冒口位置示意图；
图2所示为图1的部位详解示意图；
图3所示为图1实施例对应的某整体多路阀砂芯结构示意图；
图4所示为图1实施例对应的某整体多路阀内浇口分布示意图；
图5所示为图1实施例对应的某整体多路阀排气系统示意图；
图1-图5中：1-整体式多路阀，2-直浇道，3-横浇道，4（41至42，42-1至42-5、）为内浇口，5-冒口，61（62）-主阀孔砂芯，63-67为内部油道砂芯，71-72为主阀孔位置排气通道，73为随型排气孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明的发明构思为：首先通过根据待铸造整体式多路阀的结构参数，确定多层多个内浇口，连接各层内浇口的多个横浇道，以及连接多个横浇道的直浇道，并利用3D打印技术打印整体式砂型，实现多层复合式浇注铸造方法以及相应的铸造系统，分散液体充型过程中的重力和冲刷力等影响，减少砂芯断裂，内部缺陷披缝，主阀孔弯曲等铸造缺陷，并实现快速铸造，同时保障成型阀的质量稳定性。
实施例1
本实施例为基于3D打印的适用于整体式多路阀的铸造方法，包括：
确定待铸造阀的结构参数；
以垂直于主阀孔轴向的方向作为高度方向，确定待铸造阀的阀体高度L；
根据阀体高度L确定内浇口的层数；
根据待铸造阀的结构参数，确定各层各内浇口的位置，使得所有内浇口均位于待铸造阀体的同一侧；
根据待铸造阀的结构参数，布置相应层数、位置的各内浇口模型；
对应每层内浇口分别布置与内浇口连通的横浇道模型；
设置冒口模型以及连通各横浇道的直浇道模型；
根据待铸造阀的结构参数，以及所述内浇口模型、横浇道模型、直浇道模型、冒口模型，创建待3D打印的砂芯模型，以及包括内浇口、横浇道、直浇道和冒口的砂型模型；
根据所述砂型模型和砂芯模型进行3D打印，得到待铸造阀的砂型和砂芯；
利用3D打印得到的砂型和砂芯进行浇注式铸造，得到整体式阀体。
本发明提供了一种采用测浇方式的多层复合式浇注铸造方法，可分散均衡液体充型过程中的重力和冲刷力等影响，且通过3D打印的砂型为整体式砂型，砂型内部无粘接缝隙，可保障浇注完成的阀体铸件表面质量，同时能够实现整体式液压阀的快速铸造，适合批量、规格化制造。
实施例1-1
在实施例1的基础上，本实施例以待铸造阀为整体式液压多路阀为例进行方法的具体介绍。
本实施例中，在确定待铸造阀的结构参数后，可生成待铸造整体式多路阀的本体模型1，便于更加直观的设置内浇口、横浇道、直浇道、冒口等的位置，参考图1和图2所示。
整体式多路阀铸造方法还包括：
在对应主阀孔的砂芯中设置贯穿式排气通道；对于除主阀孔之外的其它阀孔，在对应的、需连接砂型外围的砂芯中设置随型排气孔。也即排气孔的路径沿阀孔的中心路径设置。排气通道和排气孔的设置可提高整体式砂芯的排气效率，参考图5所示；
根据待铸造阀的重量选择3D砂型打印工艺进行砂芯打印：若待铸造阀重量≤50kg，采用选择性激光烧结技术或粘接剂喷射打印技术进行砂芯3D打印；若待铸造阀重量>50kg，采用粘结剂喷射打印技术进行砂芯3D打印。可进一步保障砂芯减少断芯等情况。
在浇注前，对3D打印得到的砂型采用锆英粉涂料浸涂，然后进行烘干处理。此处可采用波美度为40~60之间的锆英粉涂料浸涂，浸涂次数≤3次，烘干温度为100~180℃，烘干时间设置为：1~1.5h。
对于整体式液压多路阀，在浇注时采用球墨铸铁进行浇注式铸造，浇注温度为1350-1400℃，浇注后保温时间≥8h。
在确定内浇口层数时，根据阀体高度L确定内浇口的层数N：将阀体高度L除以一预设高度间隔L0，此处L0取100mm，对所得到的结果近似取整，即得到层数N。近似取整可为四舍五入近似，也可直接取整数部分的商。
参考图4所示，位于同一层的不同内浇口可以高度不一地设置，以适应其它结构需求，如避开不宜直接冲刷的结构位置，包括砂型内部油道等，可保证液体充型过程中不会直接冲刷油道砂芯，降低铸造过程中由于铁水冲击导致断芯、披缝等铸造缺陷。
实施例2
与实施例1和实施例1-1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种适用于整体式多路阀的铸造系统，包括砂型本体、直浇道2、横浇道3、内浇口4和冒口5；
以垂直于主阀孔砂芯轴向的方向作为砂型本体的高度方向；
所述直浇道2、横浇道3和内浇口4设置于砂型本体的一侧；横浇道沿砂型本体高度方向设置有多个，各横浇道的延伸方向上设有多个内浇口，各横浇道通过所述多个内浇口连接砂型本体；多个横浇道分别连通直浇道，冒口5设置于砂型本体的顶部。
实施例2-1
基于实施例2，本实施例具体介绍图1至图5所示的铸造系统。
本实施例中：横浇道的数量设置为，将阀体高度L除以一预设高度间隔L0=100mm，对所得到的结果近似取整后的结果值，如图1至图5的实施例，内浇口的层数为两层；
单个横浇道所连的所有内浇口具有至少两个高度位置，各内浇口远离砂型内部油道设置；
对应主阀孔的砂芯中设置有贯穿式排气通道；
除主阀孔之外的其它阀孔所对应的、连接砂型外围的砂芯中设置有随型排气孔；
冒口数量为多个；所有内浇口均设置于砂型平行于主阀孔轴向的一个侧面的侧部。也即内浇口所在侧面非砂型顶面或底面。
也即，参考图1至图5，本实施例铸造系统为多层复合式浇注系统，采用了侧浇方式，主阀孔水平设置，以此确定重力浇注方向，在重力浇注方向上测量阀体高度L，以N=L/100，四舍五入后取整数值，进行内浇口层数确定，如图2，两层内浇口分别为41与42。
内浇口4布置在浇注砂型侧面，在两层主阀孔61、62之间，单层内浇口数量不小于3个，如图4所示为42-1至42-5，总数为5个，不同内浇口之间可高度不一，内浇口须避开63到67等邻近内部油道，保证金属液体充型过程中不直接冲刷油道砂芯，降低铸造过程中由于铁水冲击导致断芯、披缝等铸造缺陷。
随形设置冒口5，无需考虑拔模角度，可设置为方形、圆形，如图2所示设置为方形，可更好的进行零件内部的补缩不需要考虑冒口套制造的复杂度。
区别于传统射砂制芯工艺，本发明采用3D打印工艺制造整体式砂型，砂型内部无粘接缝隙，如图5所示，砂型外围壁厚≥25mm，所有主阀孔开设排气贯穿排气通道，如图5中71、72所示，其他与外围连接阀孔均开设随形排气孔如图5中73所示，提高整体式砂芯排气效率。
铸造系统配合专用铸造工艺：采用锆英粉涂料，采用浸涂方式，涂料波美度设置为40~60之间，涂料浸涂次数≤3次，砂芯烘干温度：100~180℃，烘干时间设置为：1~1.5h。采用球墨铸铁进行整体式液压多路阀快速铸造，浇注温度控制在1350-1400℃之间，浇注后保温时间≥8h。
利用本发明铸造方法和铸造系统铸造整体式多路阀具有以下优点：
1 内部质量好。阀体内部油道特征弯曲复杂，传统铸造，砂型分体粘接成型，易出现披缝等铸造缺陷，本发明基于3D打印工艺实现砂型模具的一体化制造，避免砂芯内部粘接，减小铸造缺陷位置隐患数量，最终能够提高铸造质量；
2 成功率高。市场上采用砂型3D打印技术进行整体式液压多路阀铸造成功率普遍较低。本发明提出了复合式浇注系统，可根据阀体具体结构尺寸大小合理的设置内流道数量及层数，有效的降低了砂芯浇注过程中热流冲击，进一步提高了铸造成功率；
3 砂芯耐热强度进一步提高。选择陶粒砂作为砂芯3D打印用原砂，提高了砂芯的耐热强度，配合专用的锆英粉涂料，进一步提高3D打印砂芯的耐热强度，解决了3D打印砂芯因强度不足导致铸造成功率低的关键难题；
4 灵活性高。基于3D打印工艺，可不考虑打印结构的复杂性，能够进行随形设计冒口形式，冒口位置，浇注系统结构形式，实现了针对性的设计，无需考虑砂型模具制造的难度，设计灵活性得到大幅提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术远离的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于整体式多路阀的铸造方法，其特征是，包括：
确定待铸造阀的结构参数；
以垂直于主阀孔轴向的方向作为高度方向，确定待铸造阀的阀体高度L；
根据阀体高度L确定内浇口的层数；
根据待铸造阀的结构参数，确定各层各内浇口的位置，使得所有内浇口均位于待铸造阀体的同一侧；
根据待铸造阀的结构参数，布置相应层数、位置的各内浇口模型；
对应每层内浇口分别布置与内浇口连通的横浇道模型；
设置冒口模型以及连通各横浇道的直浇道模型；
根据待铸造阀的结构参数，以及所述内浇口模型、横浇道模型、直浇道模型、冒口模型，创建待3D打印的砂芯模型，以及包括内浇口、横浇道、直浇道和冒口的砂型模型；
根据所述砂型模型和砂芯模型进行3D打印，得到待铸造阀的砂型和砂芯；
利用3D打印得到的砂型和砂芯进行浇注式铸造，得到整体式阀体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：
在对应主阀孔的砂芯中设置贯穿式排气通道；
对于除主阀孔之外的其它阀孔，在对应的、需连接砂型外围的砂芯中设置随型排气孔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：在浇注前，对3D打印得到的砂型采用锆英粉涂料浸涂，然后进行烘干处理；
采用波美度为40~60之间的锆英粉涂料浸涂，浸涂次数≤3次，烘干温度为100~180℃，烘干时间设置为：1~1.5h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括，根据待铸造阀的重量选择3D砂型打印工艺进行砂芯打印：
若待铸造阀重量≤50kg，采用选择性激光烧结技术或粘接剂喷射打印技术进行砂芯3D打印；
若待铸造阀重量>50kg，采用粘结剂喷射打印技术进行砂芯3D打印。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征是，所述待铸造阀为整体式液压多路阀；浇注时，采用球墨铸铁进行浇注式铸造，浇注温度为1350-1400℃，浇注后保温时间≥8h。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征是，所述根据阀体高度L确定内浇口的层数N为：将阀体高度L除以一预设高度间隔L0，对所得到的结果近似取整，即得到层数N；
位于同一层的不同内浇口具有至少一个高度位置。
7.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征是，所述内浇口远离砂型内部油道设置。
8.一种适用于整体式多路阀的铸造系统，其特征是，包括砂型本体、直浇道、横浇道、内浇口和冒口；
以垂直于主阀孔砂芯轴向的方向作为砂型本体的高度方向；
所述直浇道、横浇道和内浇口设置于砂型本体的一侧；横浇道沿砂型本体高度方向设置有多个，各横浇道的延伸方向上设有多个内浇口，各横浇道通过所述多个内浇口连接砂型本体；多个横浇道分别连通直浇道，冒口设置于砂型本体的顶部。
9.根据权利要求8所述的适用于整体式多路阀的铸造系统，其特征是，横浇道的数量设置为，将阀体高度L除以一预设高度间隔L0，对所得到的结果近似取整后的结果值；
单个横浇道所连的所有内浇口具有至少两个高度位置，各内浇口远离砂型内部油道设置；
砂型本体中，砂型外围壁厚≥25mm；
对应主阀孔的砂芯中设置有贯穿式排气通道；
除主阀孔之外的其它阀孔所对应的、连接砂型外围的砂芯中设置有随型排气孔。
10.根据权利要求8所述的适用于整体式多路阀的铸造系统，其特征是，冒口数量为多个；所有内浇口均设置于砂型平行于主阀孔轴向的一个侧面的侧部。
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