CN112317723A - 基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法和装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，先对零件、浇道和排溢系统进行设计，使用计算机进行三维数字化建模，并采用光固化3D打印机制作成可溶性树脂模型，随后采用浆料真空灌浆来制取一次性铸型，加热去除树脂后装入差压铸造设备进行差压铸造。在制备一次性铸型的过程中无需采用额外模具，缩短了零件制造周期，提高了产品开发率；且设计相应的差压铸造设备，通过采用充型能力更强的差压铸造方式取代传统的石膏型铸造方式，极大地改善了金属液的流动性、充型平稳性和补缩能力，无须使用陶瓷型芯而使具有复杂内腔结构与拓扑结构的精密铸件的铸造成为可能，且质量得到改善。其制造成本远比直接采用金属3D打印的成本低。

Description

基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法和装备

技术领域

本发明属于金属零件制造领域，具体涉及基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法和装备。

背景技术

具有复杂的内腔结构和拓扑结构的零件制造如果用铸造方法来实现，则需要解决制型和充型两个主要问题，如能实现批量生产则更能降低成本。传统用于复杂精密零件的铸造方法是失蜡熔模铸造，分为壳型铸造和石膏模铸造等。由于壳型必须具备一定厚度，使得失蜡熔模铸造所采用的壳型铸造就不适用于较复杂的内腔结构和拓扑结构的零件制造。为了适应零件的精细镂空和复杂拓扑结构，也可采用石膏浆料制作铸型。但是传统的石膏型精密铸造通常采取重力或负压的方式进行浇注，其驱动力低且充型能力弱，对于待铸精密零件的薄壁部位往往存在浇不足的问题。同时，对于较复杂的内腔结构和拓扑结构的零件，仍然存在蜡型开模困难、成型质量不好和生产效率低等其他问题。

光固化3D打印是一种利用光固化树脂材料遇光固化的特性，使树脂材料逐层局部固化构成三维实体的增材制造工艺技术。可以利用计算机设计出形状复杂内部中空的数字三维模型，继而使用3D打印机将数字模型转化为固化的树脂模型。采用高含蜡树脂作为3D打印原材料时，树脂模型经高温处理可以被去除而极少残余，因而可将光固化3D打印技术与传统的熔模精密铸造技术相结合。两种技术相结合后可以极大地缩短生产周期，同时与直接采用3D打印方法制作金属零件相比有效地降低了生产成本。这在小批量、多品种精密铸件的生产方面具有很强的现实意义，特别在进行具有自由曲面等复杂结构的中小型铸件生产方面更具有无可比拟的优势。

因此针对具有复杂的内腔结构和拓扑结构的零件的制造问题，为了改善金属液的充型能力，并且进一步拓展光固化3D打印方法与传统熔模精密铸造工艺结合后的应用范围，设计一种保证铸件质量的快速熔模精密铸造技术工艺显得尤为重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，该方法充分利用光固化3D打印的精密成型性能和低廉的成本，制作树脂熔模。随后用石膏或陶瓷浆料负压成形并固化制作一次性铸型，最后利用一次性铸型差压浇注的方式实现金属精密铸造成形的方法。并给出了相应的一次性铸型差压精密铸造装备结构。本发明制造成本低，易于实现自动化，零件制造周期短，产品生产和开发效率均大幅提高，具有极好的应用价值。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，具体步骤如下：

（1）零件制造模型的数字三维设计与光固化3D打印高含蜡树脂熔模

对零件、浇道和排溢系统进行设计，并使用计算机进行三维数字化建模。采用的设计方法总体符合传统的零件结构和精密铸造的浇道、排气和溢流系统的设计原则。但是，设计时必须符合光固化3D打印的工艺要求，必要时需要对零件结构进行调整。

与传统设计内容不同，且必须考虑的主要内容有：

a) 对零件厚壁部位进行抽壳处理以减小3D打印时树脂固化的收缩，提高尺寸精度；抽壳后内腔须设计拓扑支撑进行加强，并设计连通抽壳腔体的工艺孔，以便在打印完成后排泄未固化的树脂液；

b) 零件的内腔中不允许设置支撑结构：因此，在设计时首先确定零件3D打印的放置方位，使得零件内腔各个面与成形方向的夹角小于设置支撑的临界角度。否则，需要调整打印方位或者零件内腔结构。另外，必须确保零件内腔与任意外表面有通路相连，如果没有，则必须专门设计零件的内腔和表面连接的通道，用于导流出内腔中未固化的树脂；

c) 完成上述设计以后，必须进行满足3D打印要求的支撑设计。

将建立的数字三维模型导入相关的光固化3D打印机使用高含蜡树脂进行树脂原型的制作。光固化3D打印完成时获得具备浇道和排溢系统以及支撑的含复杂内腔结构的零件树脂模型。经去除支撑、封堵多余的工艺孔、打磨等后续处理后获得用于制作一次性铸型的树脂模型。采用高含蜡树脂制作模型的原因是为了在后续的一次性铸型制作时尽量能彻底去除树脂模型、减少熔模去除后的残余灰分。

（2）一次性铸型制作

将上一步骤获得的树脂模型组成树脂模型树作为熔模，或者单独作为熔模，采用流动性好的石膏或陶瓷浆料来制取一次性铸型。

首先将金属套型的顶盖取掉，将与金属套型的升液管内径适配的耐火陶瓷管插入升液管内，并且一起插入到橡胶底座的定位孔中并浇入熔融的石蜡进行熔合固定；然后在石蜡凝固前，将熔模(树脂模型或模型树)的直浇道插入耐火陶瓷管内未凝固的石蜡中进行固定；待石蜡凝固并固定好熔模后，盖上金属套型盖，用宽胶带缠绕金属套型两侧, 封住两侧的孔。

将一次性铸型的浆料制备好，快速灌注到金属套型中，待浆料完全浸透模型后继续灌注到即将溢出。将灌注浆料的金属套型置于真空环境中除气30-60秒。室温干燥环境放置8-12小时进行预固化获得与树脂模型对应的石膏模型。

得到的一次性铸型去除金属套型底部橡胶底座和侧面的宽胶带后，模型直浇道方向向下倒置于加热炉中静置，开启加热炉，去除树脂，其加热过程是：先在2小时之内加热到500±25℃，保温1-1.5小时，然后在1小时之内升温到850±25℃，保温3-4小时，随炉冷却至室温取出一次性铸型装入差压铸造设备进行差压铸造。

（3）一次性铸型的差压铸造

对于具有复杂拓扑结构的零件，传统的负压浇注下金属充型能力较弱，往往会造成铸件产生浇不足等严重工艺缺陷。因此，寻求新的提升金属液充型能力的浇注方式对于精密零件的铸造显得十分重要。而差压铸造方法能够明显改善金属液的充型能力，它结合了低压充型与保压结晶两种方式，可获得缺陷少、组织致密的精密铸件。

本发明提供了一种一次性铸型的差压精密铸造设备，该设备可以利用上述的一次性铸型完成具有复杂的内腔结构和拓扑结构的零件制造。

本发明所述的差压铸造设备，包括上下对称设置的U型上压力罐与下压力罐，上压力罐内设有金属套型，金属套型内设有一次性铸型，下压力罐内设有坩埚，坩埚外侧周围绕有加热感应线圈，所述一次性铸型下方通过管道连通坩埚里的金属液，上压力罐与下压力罐之间设有中隔板与定位板，上压力罐与下压力罐通过螺栓固定连接，上压力罐与下压力罐连通外侧的真空泵与氮气储罐，上压力罐与下压力罐外侧设有控制设备。

上压力罐上安置有观察窗，便于观察上压力罐内部的工作情形，以便预防由于设备故障可能造成的危险安全事故；上压力罐上安装有检测感应端伸至罐体内部的压力传感器一，所述的金属套型与金属套型盖相配合，顶部两侧用螺钉将二者固定；金属套型安装于隔热垫块之上，金属套型浇道管外径与隔热垫块的中间通孔孔径相配合；金属套型外部绕有冷却水管一；金属套型浇道管外部靠近隔热垫块内侧嵌有冷却水管二，用于实现浇注金属液后浇道管部位的循环冷却；所述的金属套型盖上安装有温度传感器一，

所述管道包括金属套型浇道管与升液管，所述金属套型浇道管设置在金属套型下方，所述升液管顶部有沉孔与金属套型浇道管配合用于辅助定位，升液管底部穿过中隔板与定位板向下延伸至金属液的底部；升液管由管体部分与顶端法兰部分组成，所述管体部分向下延伸至金属液的底部；顶端法兰部分安装于中隔板与定位板之间，位置相对固定。

所述坩埚其内部盛有金属液，底部被安置于下压力罐底部的底部固定支架所固定；顶部被安置于上压力罐与下压力罐之间的顶部固定支架所固定，坩埚外侧周围绕有加热感应线圈，对内部金属液进行熔炼，同时加热感应线圈四周和坩埚顶部都有隔热填料；下压力罐上安装有检测坩埚底部温度的温度传感器二用于控制坩埚内熔炼温度，且真空泵与下压力罐相连的管道上安装有压力传感器二用于控制浇注压力。

所述的控制设备与整个设备各控制部件相连，联结加热控制器控制，温度传感器，压力传感器，电磁阀、真空泵；可自动控制按序操作驱动不同电器元件工作，并实时监测装置内部的温度和压力变化。

所述的中隔板与定位板上皆设有阶梯孔，中隔板上设置的阶梯孔孔径与升液管管部外径和顶端法兰部分外径相配合；定位板上设置的阶梯孔孔径与升液管顶端法兰部分外径和密封环外径相配合；中隔板与定位板应采取耐火隔热材料制作。

所述的定位板上设有密封环，环绕金属套型的浇道管与升液管顶部衔接部位；其外径与定位板阶梯孔孔径相配合，内径与金属套型的浇道管外径和升液管管体部分外径相配合，可以防止气体泄露与金属液外渗。

所述的冷却水管内冷却水从下至上不断流动，冷却水要求为去离子水，用来冷却不断上升的高温金属液，加快铸件凝固冷却的散热过程；冷却水管一的冷却速率应比冷却水管二快，这样可以保证铸件从上至下顺序凝固。

所述的紧固螺栓用于固定上、下压力罐；从上至下依次穿过上压力罐，密封垫，定位板，中隔板，顶部固定支架，密封垫，下压力罐；所穿过的结构都设有与紧固螺栓外径相配合的孔径。

针对本发明所述的差压铸造设备，设计了一种差压铸造的工艺流程，其步骤具体如下：

1) 拆卸紧固螺栓，打开本设备，将按配方称量好的原材料放入下压力罐的坩埚内，或者将已熔炼好的金属液倒入坩埚内，盖上隔热填料，将中隔板，升液管，定位板，密封环依次固定安装；

2) 将内嵌有冷却水管的隔热垫块安置于定位板上，通孔部位与定位板上阶梯孔同轴对齐；

3) 打开加热感应线圈，使坩埚内金属液保持在预设温度值，保持熔融状态。

4) 将制作好的一次性铸型预热到需要的温度，将金属套型浇道管穿过隔热垫块通孔，并与下部的升液管定位安装好。铸件工艺设计时确定该温度值，等于浇注时的铸型温度；

5) 盖上上压力罐，并安装紧固螺栓，保证罐体整体紧固密封；

6) 在需要保护气氛的场合，打开储气罐电磁阀并使真空泵工作，控制罐体进气和排气电磁阀的开合，将惰性气体充入罐体内部，对罐内空气进行置换，可结合储气罐减压阀流量计与时间的累积值计算出惰性气体充入量的估计值，待充入气体量为罐体容积的10倍以上时，可视为装置内部气体置换完毕，待充气量达到预设值时，关闭已打开的电磁阀。在气体置换过程中，上下罐体压力差需控制在一定范围之内:0≤（P_上-P_下）≤0.01MPa（P_上是指上罐体压力，P_下是指下罐体压力）;

7) 在气体置换过程中观察和检测装置罐体的气密性，检查各设备是否正常工作；

8) 控制电磁阀开合，让储气罐向下罐体内部充入气体在一定时间达到一定压力，使下罐体压力相对上罐体压力是正压差，在此压差下驱动液面上升完成铸件的充型。这个时间和压力差应等于铸件工艺设计的充型时间和充型压力，以使铸件充型速度稳定在一定范围内，使复杂结构的铸型细节不受金属液冲刷破坏。完成该过程后，控制电磁阀阀口全开，让下罐体内迅速充入气体以使压差达到保压压力，达到保压压力后关闭电磁阀使下罐体保压。

9) 在压差达到保压压力时，打开循环水系统，铸型被冷却不断带走热量，铸件在保压压力下凝固，持续一段时间；

10) 保压过程结束，控制电磁阀使得上、下罐体间气体互通，压差逐渐消失，升液管内部余留金属液回流至坩埚；

11) 待设备温度降低到安全温度范围内后，打开电磁阀和抽气泵，使罐压恢复常压，拆卸紧固螺栓，打开差压铸造设备，取出一次性铸型；

12) 打开金属套型盖，取出并清理石膏或陶瓷铸型，获得内含的铸件。

本发明所述的差压铸造设备的工艺操作流程，将一次性铸型预热的目的在于减缓铸型对浇入金属的激冷作用，提高充型能力、减少铸件缺陷同时提高铸型寿命。

本发明所述的差压铸造设备的工艺操作流程，储气罐内的气体可使用氮气，氩气等不活泼气体；对于熔炼覆盖比较好，不容易氧化的金属合金时，也可以跳过气体置换，使用压缩空气，以降低生产成本。

本发明所述的差压精密铸造设备的工艺流程，其特征在于：差压铸造所能达到的压差范围依据上下罐压力容器标准而定，压差最大可达到1MPa以上，即保压压力最大可以达到1MPa以上，实施时会依据一次性铸型的强度和铸造工艺而不同，通常0.4~0.6MPa。

本发明的有益效果是：

本发明将目标零件和浇注系统设计为整体模型，通过光固化3D打印成形，采用浆料真空灌浆来制取一次性铸型，可以实现中空、异常复杂和高精度的铸件铸型的制造，而且在制备一次性铸型的过程中无需采用额外模具，缩短了零件制造周期，提高了产品开发率。设计相应的差压铸造设备，通过采用充型能力更强的差压铸造方式取代传统的石膏型和壳型精密铸造方式，极大地改善了金属液的充型速度控制、改善了充型平稳性和压力下补缩的能力，无须使用陶瓷型芯而使具有复杂内腔结构与拓扑结构的精密铸件的铸造生产成为可能，其质量得到改善。而且制造铸件的成本比相同的直接采用金属3D打印的成本大大降低。

附图说明

图1 为工艺实施流程图；

图2 为树脂模型示意图；

图3 为一次性铸型制作示意图；

图3中，35 橡胶底座、36 耐火陶瓷管、13金属套型、37树脂模型、5一次性铸型；

图4为差压铸造设备的结构示意图；

图4中：1上压力罐、2下压力罐、3坩埚、4金属液、5一次性铸型、6升液管、7顶部固定支架、8中隔板、9定位板、10密封垫、11密封环、12隔热垫块、13金属套型、14金属套型盖、15冷却水管一、16冷却水管二、17温度传感器一、18温度传感器接头、19压力传感器一、20压力传感器二、21底部固定支架、22隔热填料、23加热感应线圈、24紧固螺栓、25观察窗、26氮气储罐、27电磁阀一、28电磁阀二、29控制设备、30真空泵、31电磁阀三、32电磁阀四、33电磁阀五、34 温度传感器二、38金属套型浇道管、39沉孔。

图5为差压铸造设备升液管顶端的放大图；

图6 为一次性铸型去除树脂温度控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本发明所述的一种基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，包括以下步骤：

（1）零件制造模型的数字三维设计与光固化3D打印高含蜡树脂熔模

基于三维模型软件如UG、Pro/E等对目标零件模型进行CAD三维模型设计与构建。采用的设计方法总体符合传统的零件结构和精密铸造的浇道、排气和溢流系统的设计原则。但是，设计时必须符合光固化3D打印的工艺要求，必要时需要对零件结构进行调整。 例如：零件厚壁部位抽壳处理，调整打印方位以避免在内腔中设计支撑结构，设计流出树脂工艺孔等。

接着将建立的数字三维模型导入相关的光固化3D打印机使用高含蜡树脂进行树脂原型的制作。树脂模型成型后还要去除支撑、封堵多余的工艺孔、打磨等后续处理后获得用于制作一次性铸型的树脂模型。

（2）一次性铸型制作

将上一步骤获得的树脂模型组成树脂模型树作为熔模，或者单独作为熔模，采用流动性好的石膏或陶瓷浆料来制取一次性铸型。

首先用石蜡将金属套型13、耐火陶瓷管36、树脂模型37以及橡胶底座35组装在一起，待石蜡凝固并固定好熔模后，固定金属套型盖14并用胶带密封住金属套型13侧孔，从金属套顶盖顶部浇孔处，将制备好的一次性铸型的浆料快速灌注到金属套型13中，待浆料完全浸透模型后继续灌注到即将溢出。随后将灌注浆料的金属套型13置于真空环境中除气30-60秒。室温干燥环境放置8-12小时进行预固化获得与树脂模型对应的一次性铸型5（石膏模型）。

得到的一次性铸型5去除金属套型底部橡胶底座35和侧面的宽胶带后，将模型直浇道方向向下倒置于加热炉中静置，开启加热炉，按照图6所示的的加热曲线进行去除树脂的操作。两个保温段工艺要求分别是：保温温度应设定分别为500±25℃和850±25℃，保温时长分别为1-1.5小时和3-4小时。处理后随炉冷却至一定温度时可取出一次性铸型（如图3所示）装入设备进行差压铸造。

（3）一次性铸型的差压铸造

采用特别设计的石膏铸型的差压铸造设备，实现金属熔体在可调压差的浇注驱动力作用下可控充填一次性石膏铸型，它结合了低压充型与保压结晶两种方式，可获得缺陷少、组织致密的精密铸件。

本发明提供了一种一次性铸型的差压精密铸造设备如图4所示， 上压力罐1外形与下压力罐2相同（U型），上压力罐1上安置有观察窗25，其作用在于观察上压力罐1内部的工作情形，以预防由于设备故障可能造成的危险安全事故；上压力罐1上安装有检测感应端伸至罐体内部的压力传感器一19。

下压力罐2外形与上压力罐1相同，下压力罐2内沿罐壁安置有隔热填料22，其作用在于隔绝坩埚3内的金属液4高温传导到罐体罐壁上，影响设备使用寿命；下罐体2上安装有检测坩埚底部温度的温度传感器二18用于控制坩埚内熔炼温度，且真空泵30与下罐体相连的管道上安装有压力传感器二20用于控制浇注压力。

坩埚3其内部盛有金属液4，底部被安置于下压力罐2底部的底部固定支架21所固定；顶部被安置于上压力罐1与下压力罐2之间的顶部固定支架7所固定，同时顶部盖有隔热填料22，此处的隔热填料22作用除了隔热外还有帮助稳固坩埚3位置；坩埚3周围绕有加热感应线圈23，其受控制设备29控制，可将坩埚3内的金属液4加热至设定温度范围内。

升液管6管体底部伸至盛有金属液4的坩埚3的底部附近；顶端法兰部分被安装于中隔板8与定位板9之间，位置相对固定。

中隔板8与定位板9上皆设有阶梯孔，中隔板8上设置的阶梯孔孔径与升液管6管部外径和顶端法兰部分外径相配合；定位板9上设置的阶梯孔孔径与升液管6顶端法兰部分外径和密封环11外径相配合；中隔板8与定位板9应采取耐热材料制作，两块板子将上压力罐1与下压力罐2分隔开来。

密封环11置于定位板9上，环绕金属套型13的浇道管与升液管6顶部衔接部位，其外径与定位板9阶梯孔孔径相配合，内径与金属套型13的浇道管外径和升液管6管部外径相配合。密封环11作用在于防止气体泄露与金属液4外渗。

金属套型13与金属套型盖14相配合，顶部两侧用螺钉与套型固定。金属套型13安置于隔热垫块12之上，金属套型浇道管38外径与隔热垫块12的中间通孔孔径相配合，金属套型13外部绕有冷却水管一15，金属套型浇道管38外部绕有内嵌于隔热垫块12的冷却水管二16，冷却水应在冷却水管内从下至上不断流动，冷却水要求为去离子水并用来冷却不断上升的高温金属液4，加快铸件凝固冷却的散热过程，冷却水管一15的冷却速率应比冷却水管二16快，这样可以保证铸件从上至下顺序凝固；所述的金属套型盖14上安装有温度传感器一17。此外升液管6顶部有沉孔39与金属套型13的耐火陶瓷管配合用于辅助定位。

紧固螺栓24用于固定上、下压力罐，从上至下依次穿过上压力罐1，密封垫10，定位板9，中隔板8，顶部固定支架7，密封垫10，下压力罐2；所穿过的结构都设有与紧固螺栓24外径相配合的孔径。

氮气储罐26通过电磁阀一27与上压力罐1相连，通过电磁阀二28与下压力罐2相连；真空泵30与电磁阀三31相连，电磁阀三31通过电磁阀四32与上压力罐1相连，通过电磁阀五33与下压力罐2相连，所有电磁阀的开闭皆受控制设备29地控制。

控制设备29与整个罐体相连接，控制设备29与加热感应线圈23，温度传感器一17，温度传感器二18，压力传感器一19，压力传感器二20，电磁阀，真空泵30电性链接，可通过操作控制设备29来按序操作驱动不同电器元件工作，并实时监测装置内部的温度和压力变化

实施例1

针对本发明所述的差压铸造设备，设计了一种铸造铝合金（以A356为例）差压铸造的工艺流程，其步骤具体如下：

1）检查使用装置的控制设备检测装置整体气密性，检查各设备结构是否正常工作；

2）拆卸紧固螺栓24，打开本设备，将按配方称量好的原材料放入下压力罐的坩埚3内，或者将已熔炼好的金属液倒入坩埚内，盖上隔热填料22，将中隔板8，升液管6，定位板9，密封环11依次固定安装；

3） 将内嵌有冷却水管的隔热垫块12安置于定位板9上，通孔部位与定位板上阶梯孔同轴对齐；

4） 将制作好的一次性铸型5安装并在200℃下预热，将金属套型13浇道管穿过隔热垫块通孔，并与下部的升液管6定位安装好；

5）盖上上压力罐1，并安装紧固螺栓24，保证罐体整体紧固密封；

6）打开加热感应线圈23，使坩埚内铝合金液温度保持在710℃，保持熔融状态。

7）操纵控制设备打开电磁阀二28，让储气罐向下罐体在60s内充入0.3MPa的压缩空气以提供升液动力形成压差并实现金属充型，此后，控制电磁阀二28阀口全开继续向下压力罐内充入压力0.2MPa的压缩空气，使上、下罐体间形成0.5MPa的压差以提供保压压力，待上、下罐体压差达到预设值后关闭已打开的电磁阀，并让设备保压1800s；

8）打开循环水系统，铸型被冷却不断带走热量；

9）待判断浇道凝固后，保压充型过程结束，操纵控制设备29打开电磁阀四32和电磁阀五33使得上、下罐体间气体互通，压差逐渐消失，升液管内部余留金属液回流至坩埚3；

10）待设备温度降低到安全温度范围内后，打开电磁阀和抽气泵，使罐压恢复常压，拆卸紧固螺栓，打开差压铸造设备，取出一次性铸型；

11）打开金属套型盖14，取出并清理石膏或陶瓷铸型，获得内含的铝合金铸件。

12）将铸件上形成的多余部分如浇注系统部分等切除，并最后进行打磨、喷砂、抛光等后续处理工序，以提高铸件的表面质量，最终制得目标零件的精密铝合金铸件。

实施例2

针对本发明所述的差压铸造设备，设计了一种铸造铜合金（以ZCuZn38Mn2Pb2为例）差压铸造的工艺流程，其步骤具体如下：

1）通过拆卸设备或外部观察，使用装置的控制设备检测装置整体气密性，检查各设备结构是否正常工作；

2）拆卸紧固螺栓24，打开本设备，将按配方称量好的原材料放入下压力罐的坩埚内，或者将已熔炼好的金属液倒入坩埚3内，盖上隔热填料，将中隔板，升液管，定位板，密封环依次固定安装；

3）将内嵌有冷却水管的隔热垫块12安置于定位板9上，通孔部位与定位板上阶梯孔同轴对齐；

4）将制作好的一次性铸型5安装并在250℃下预热，将金属套型13浇道管穿过隔热垫块通孔，并与下部的升液管6定位安装好；

5）盖上上压力罐1，并安装紧固螺栓，保证罐体整体紧固密封；

6）打开加热感应线圈23，使坩埚内铜合金液温度保持在1100℃，保持熔融状态。

7）操纵控制设备打开电磁阀一27、电磁阀二28、电磁阀三31、电磁阀四32和电磁阀五33，同时打开储气罐26与真空泵30，将氮气充入上下罐体内部，待充气量达到罐体容积10倍后，关闭已打开的电磁阀；

8）操纵控制设备打开电磁阀二28，让储气罐向下罐体在45s内充入0.3MPa的氮气以提供升液动力形成压差并实现金属充型，此后，控制电磁阀二28阀口全开继续向下压力罐内充入压力0.3MPa的氮气，使上、下罐体间逐渐形成0.6MPa的压差以提供保压压力，待上、下罐体压差达到预设值后关闭已打开的电磁阀，并让设备保压2700s；

9）打开循环水系统，铸型被冷却不断带走热量；

10）待判断浇道凝固后，保压充型过程结束，操纵控制设备打开电磁阀四32和电磁阀五33使得上、下罐体间气体互通，压差逐渐消失，升液管内部余留金属液回流至坩埚；

11）待设备温度降低到安全温度范围内后，打开电磁阀和抽气泵，使罐压恢复常压，拆卸紧固螺栓，打开差压铸造设备，取出一次性铸型；

12）打开金属套型盖14，取出并清理石膏或陶瓷铸型，获得内含的铜合金铸件。

13）将铸件上形成的多余部分如浇注系统部分等切除，并最后进行打磨、喷砂、抛光等后续处理工序，以提高铸件的表面质量，最终制得目标零件的精密铜合金铸件。

上述实施例中的目标零件树脂原型通过光固化3D打印成形，并通过与蜡模拼接形成带浇注系统的整体模型 ，在制备石膏铸型的过程中无需采用额外模具，缩短了零件制造周期，提高了产品开发率。且设计相应的差压铸造设备，通过采用充型能力更强的差压铸造方式取代传统的石膏型铸造方式，极大地提升了金属液对石膏铸型的充型能力，让具有复杂内腔结构与拓扑结构的精密铸件质量得到改善。

上述实施例附图2中的树脂模型36仅仅是一个为了解释本发明而设定的虚拟目标零件，这并不影响本发明实际适用零件的广泛性。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）零件制造模型的数字三维设计与光固化3D打印高含蜡树脂熔模

对零件、浇道和排溢系统进行设计，并使用计算机进行三维数字化建模，接着将建立的数字三维模型导入光固化3D打印机使用高含蜡树脂进行树脂模型的制作；

（2）一次性铸型制作

将上一步骤获得的树脂模型组成树脂模型树作为熔模，或者单独作为熔模，采用石膏或陶瓷浆料来制取一次性铸型；

（3）一次性铸型的差压铸造

将上一步骤得到的一次性铸型去除金属套型底部橡胶底座和侧面的宽胶带后，模型直浇道方向向下倒置于加热炉中加热保温去除树脂，最后随炉冷却至室温取出一次性铸型装入差压铸造设备进行差压铸造。

2.根据权利要求1所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：步骤（1）所述在对零件、浇道和排溢系统进行设计时需要考虑的内容有：

a) 对零件厚壁部位进行抽壳处理以减小3D打印时树脂固化的收缩，提高尺寸精度；抽壳后内腔设计拓扑支撑进行加强，并设计连通抽壳腔体的工艺孔，以便在打印完成后排泄未固化的树脂液；

b) 零件的内腔中不允许设置支撑结构：因此，在设计时首先确定零件3D打印的放置方位，使得零件内腔各个面与成形方向的夹角小于设置支撑的临界角度；另外，零件内腔与任意外表面有通路相连，用于导流出内腔中未固化的树脂；

c) 完成上述设计以后，必须进行满足3D打印要求的支撑设计

将建立的数字三维模型导入相关的光固化3D打印机使用高含蜡树脂进行树脂原型的制作；光固化3D打印完成时获得具备浇道和排溢系统以及支撑的含复杂内腔结构的零件树脂模型；经去除支撑、封堵多余的工艺孔、打磨的后续处理后获得用于制作一次性铸型的树脂模型，采用高含蜡树脂制作模型的原因是为了在后续的一次性铸型制作时能彻底去除树脂模型、减少熔模去除后的残余灰分。

3.根据权利要求1所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：步骤（2）所述采用浆料来制取一次性铸型的方法是：

首先将金属套型的顶盖取掉，将与金属套型的升液管内径适配的耐火陶瓷管插入升液管内，并且一起插入到橡胶底座的定位孔中并浇入熔融的石蜡进行熔合固定；然后在石蜡凝固前，将熔模的直浇道插入耐火陶瓷管内未凝固的石蜡中进行固定；待石蜡凝固并固定好熔模后，盖上金属套型盖，用宽胶带缠绕金属套型两侧，封住两侧的孔；

将一次性铸型的浆料制备好，快速灌注到金属套型中，待浆料完全浸透模型后继续灌注到即将溢出；将灌注浆料的金属套型置于真空环境中除气30-60秒；室温干燥环境放置8-12小时进行预固化获得与树脂模型对应的石膏模型。

4.根据权利要求1所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：步骤（3）所述一次性铸型的差压精密铸造设备，包括上下对称设置的U型上压力罐与下压力罐，上压力罐内设有金属套型，金属套型内设有一次性铸型，下压力罐内设有坩埚，坩埚外侧周围绕有加热感应线圈，所述一次性铸型下方通过管道连通坩埚里的金属液，上压力罐与下压力罐之间设有中隔板与定位板，上压力罐与下压力罐通过螺栓固定连接，上压力罐与下压力罐连通外侧的真空泵与氮气储罐，上压力罐与下压力罐外侧设有控制设备；

上压力罐上安置有观察窗，上压力罐上安装有检测感应端伸至罐体内部的压力传感器一，所述的金属套型与金属套型盖相配合，顶部两侧用螺钉将二者固定；金属套型安装于隔热垫块之上，金属套型浇道管外径与隔热垫块的中间通孔孔径相配合；金属套型外部绕有冷却水管一；金属套型浇道管外部靠近隔热垫块内侧嵌有冷却水管二，所述的金属套型盖上安装有温度传感器一；

所述管道包括金属套型浇道管与升液管，所述金属套型浇道管设置在金属套型下方，所述升液管顶部有沉孔与金属套型浇道管配合用于辅助定位，升液管底部穿过中隔板与定位板向下延伸至金属液的底部；升液管由管体部分与顶端法兰部分组成，所述管体部分向下延伸至金属液的底部；顶端法兰部分安装于中隔板与定位板之间；

所述坩埚其内部盛有金属液，底部被安置于下压力罐底部的底部固定支架所固定；顶部被安置于上压力罐与下压力罐之间的顶部固定支架所固定，坩埚外侧周围绕有加热感应线圈，加热感应线圈四周和坩埚顶部都有隔热填料；下压力罐上安装有检测坩埚底部温度的温度传感器二用于控制坩埚内熔炼温度，且真空泵与下压力罐相连的管道上安装有压力传感器二用于控制浇注压力；

所述的控制设备与整个设备各控制部件相连，联结加热控制器控制，温度传感器，压力传感器，电磁阀、真空泵；自动控制按序操作驱动不同电器元件工作，并实时监测装置内部的温度和压力变化。

5.根据权利要求4所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：所述的中隔板与定位板上皆设有阶梯孔，中隔板上设置的阶梯孔孔径与升液管管部外径和顶端法兰部分外径相配合；定位板上设置的阶梯孔孔径与升液管顶端法兰部分外径和密封环外径相配合；中隔板与定位板采取耐火隔热材料制作。

6.根据权利要求4所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：定位板上设有密封环，环绕金属套型的浇道管与升液管顶部衔接部位；其外径与定位板阶梯孔孔径相配合，内径与金属套型的浇道管外径和升液管管体部分外径相配合，防止气体泄露与金属液外渗。

7.根据权利要求4所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：冷却水在冷却水管一与冷却水管二内从下至上不断流动，冷却水为去离子水；冷却水管一的冷却速率比冷却水管二快。

8.根据权利要求4所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：所述差压精密铸造设备的工艺流程，其步骤具体如下：

1) 拆卸紧固螺栓，打开上压力罐，将按配方称量好的原材料放入下压力罐的坩埚内，或者将已熔炼好的金属液倒入坩埚内，盖上隔热填料，将中隔板，升液管，定位板，密封环依次固定安装；

2) 将内嵌有冷却水管的隔热垫块安置于定位板上，通孔部位与定位板上阶梯孔同轴对齐；

3) 打开加热感应线圈，使坩埚内金属液保持在预设温度值，保持熔融状态；

4) 将制作好的一次性铸型预热到100-250℃，将金属套型浇道管穿过隔热垫块通孔，并与下部的升液管定位安装好；

5) 盖上上压力罐，并安装紧固螺栓，保证罐体整体紧固密封；

6) 在需要保护气氛的场合，打开储气罐电磁阀并使真空泵工作，控制罐体进气和排气电磁阀的开合，将惰性气体充入罐体内部，对罐内空气进行置换，结合储气罐减压阀流量计与时间的累积值计算出惰性气体充入量的估计值，待充入气体量为罐体容积的10倍以上时，视为装置内部气体置换完毕，待充气量达到预设值时，关闭已打开的电磁阀，在气体置换过程中，上下罐体压力差需控制在一定范围之内： 0≤（P_上-P_下）≤0.01MPa，其中P_上是指上罐体压力，P_下是指下罐体压力；

7) 在气体置换过程中观察和检测装置罐体的气密性，检查各设备是否正常工作；

8) 控制电磁阀开合，让储气罐向下罐体内部充入气体，使下罐体压力相对上罐体压力是正压差，在此压差下驱动液面上升完成铸件的充型，这个时间和压力差等于铸件工艺设计的充型时间和充型压力，以使铸件充型速度稳定，使复杂结构的铸型细节不受金属液冲刷破坏，完成该过程后，控制电磁阀阀口全开，让下罐体内迅速充入气体以使压差达到保压压力，达到保压压力后关闭电磁阀使下罐体保压，

9) 在压差达到保压压力时，打开循环水系统，铸型被冷却不断带走热量，铸件在保压压力下凝固，持续一段时间；

10) 保压过程结束，控制电磁阀使得上、下罐体间气体互通，压差逐渐消失，升液管内部余留金属液回流至坩埚；

11) 待设备温度降低到安全温度范围内后，打开电磁阀和抽气泵，使罐压恢复常压，拆卸紧固螺栓，打开差压铸造设备，取出一次性铸型；

12) 打开金属套型盖，取出并清理石膏或陶瓷铸型，获得内含的铸件。

9.根据权利要求8所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：在差压精密铸造设备的工艺流程里，将一次性铸型预热的目的在于减缓铸型对浇入金属的激冷作用，保证充型能力、减少铸件缺陷同时提高铸型寿命。

10.根据权利要求8所述的基于光固化打印和铸型差压浇注的金属铸造方法，其特征在于：在差压精密铸造设备的工艺流程里，差压铸造所能达到的压差范围依据上下罐压力容器标准而定，压差最大达到1MPa以上，即保压压力最大达到1MPa以上，具体实施时应依据一次性铸型的强度和铸造工艺而不同，通常0.4~0.6MPa。

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