CN113020545B - 一种激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置，涉及铸造技术领域。该激光烧结砂芯的二次固化方法包括以下步骤：将砂芯初坯和加热装置均埋入支撑材料中，并将加热装置布置于砂芯初坯的周围，砂芯初坯通过激光烧结工艺制成；控制加热装置加热，加热装置产生的热量通过支撑材料传递至砂芯初坯的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品。本发明提供的激光烧结砂芯的二次固化方法，制得的砂芯成品的表层的强度得到提升，满足搬运和装配的强度要求，并能承受金属液填充过程中的高温和冲击力；砂芯成品的芯部具有一定的透气性，保证金属液填充过程中产生的气体及时排出，减少产品铸件的气孔缺陷，提高合格率。

Description

一种激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置。

背景技术

选择性激光烧结快速成型技术是一种将粉末材料通过激光直接烧结成各种实体形状的一种新型铸造技术。覆膜砂是用于选择性激光烧结快速成型技术的常用材料之一，覆膜砂表面被酚醛树脂等各种添加材料包覆。当激光束扫描覆膜砂表面时，表面的覆膜砂吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的。通过激光加热酚醛树脂使其受热熔化后冷却固化，从而使覆膜砂粘结形成砂芯。这种新型成型技术不需要模具，适用于新产品开发，缩短开发周期。用激光烧结覆膜砂制作砂芯的典型工艺过程如下：零件三维造型及数据输入设备→筛砂→铺砂→烧结成型→取件→清砂→二次固化→砂芯修整。

激光烧结的砂芯初坯强度很低，需要通过二次加热固化来提升强度。现有技术中砂芯二次固化的方法是将激光烧结得到的具有基础强度的砂芯初坯，放到加热箱中，埋入支撑材料中，通过长时间的加热，使得树脂充分填充到砂芯间隙中，增大砂粒间的粘结面积，最终获得高强度的砂芯成品，满足搬运和承受高温金属液的要求。但是利用这种方法固化后的砂芯成品孔隙率和透气性大大下降。如图1所示，砂芯初坯100ˊ在经过上述方法二次固化后得到的砂芯成品200ˊ从表层到芯部都变得非常紧密。这导致排气性能大大下降，在金属液浇注成型的过程中，气体不能及时排出，导致产品铸件的气孔缺陷很多，废品率较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置，通过该激光烧结砂芯的二次固化方法得到的砂芯成品既能够满足使用强度，又具有一定的透气性，提高了产品铸件的质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光烧结砂芯的二次固化方法，其包括以下步骤：

将砂芯初坯和加热装置均埋入支撑材料中，并将加热装置布置于所述砂芯初坯的周围，所述砂芯初坯通过激光烧结工艺制成；

控制加热装置加热，所述加热装置产生的热量通过所述支撑材料传递至所述砂芯初坯的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品。

可选地，控制加热装置进行间断性加热一次的步骤包括：

所述加热装置以设定功率开始加热；

当所述砂芯初坯的表层的温度达到设定温度时停止加热，并持续所述设定时间。

可选地，在所述控制所述加热装置加热，所述加热装置产生的热量通过所述支撑材料传递至所述砂芯初坯的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品的步骤之后，还包括：

取出所述砂芯成品，并对所述砂芯成品进行解剖，测量所述砂芯成品的表层的强度和芯部的透气性；

判断所述砂芯成品的表层的强度和芯部的透气性二者是否都满足要求，若二者都满足要求，则完成二次固化；若二者中任意一个不满足要求，则调整所述设定功率、所述设定温度、所述设定时间和所述设定次数中的一个或多个，并重复所述将砂芯初坯和加热装置均埋入支撑材料中，并将所述加热装置布置于所述砂芯初坯的周围的步骤。

可选地，所述设定温度为200℃～220℃。

可选地，所述设定时间为5min～10min。

可选地，所述设定次数为10次～15次。

一种激光烧结砂芯的二次固化装置，应用于以上任一项所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其包括加热箱、加热装置和支撑材料，所述支撑材料置于所述加热箱内，砂芯初坯和所述加热装置均埋入所述支撑材料中，所述加热装置布置于所述砂芯初坯的周围。

可选地，所述加热装置包括多个电热棒，多个所述电热棒均匀布置于所述砂芯初坯的周围，每个所述电热棒均与所述砂芯初坯间隔设置。

可选地，所述支撑材料为石墨粉或铜颗粒。

可选地，所述激光烧结砂芯的二次固化装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述砂芯初坯的表层，用于测量所述砂芯初坯的表层温度。

本发明的有益效果：

本发明提供的激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置，激光烧结砂芯的二次固化方法通过加热装置对砂芯初坯进行间断性加热设定次数，使得制得的砂芯成品的表层和芯部达到两种不同的状态。由于加热装置间断性加热，在热量传递至砂芯初坯的芯部之前及时停止加热，加热装置的热量只能传递至砂芯初坯的表层，使砂芯成品的表层的强度得到提升，满足搬运和装配的强度要求，并能承受金属液填充过程中的高温和冲击力；而砂芯初坯的芯部在二次固化时基本没有再次固化，使得砂芯成品的芯部具有一定的透气性，保证金属液填充过程中树脂挥发等产生的气体的排气通道尽量顺畅，可以及时排出，减少产品铸件的气孔缺陷，提高产品铸件的合格率。

附图说明

图1是现有技术中激光烧结砂芯二次固化前后砂芯状态示意图；

图2是本发明实施例提供的激光烧结砂芯二次固化装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光烧结砂芯二次固化前后砂芯状态示意图；

图4是本发明实施例提供的激光烧结砂芯二次固化方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的控制加热装置间断性加热一次的流程图。

图中：

100ˊ、砂芯初坯；200ˊ、砂芯成品；

100、砂芯初坯；200、砂芯成品；

1、加热箱；2、电热棒；3、支撑材料。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

激光烧结的砂芯初坯强度很低，需要通过二次加热固化来提升强度。通过二次加热，树脂填充更充分，砂粒之间的粘结面积增大，从而砂芯成品的强度得到大幅提升；但是砂芯成品整体的孔隙率也大幅下降，带来的问题是砂芯成品的透气性变得很差。而在产品铸件的生产过程中，由于树脂挥发、水分的蒸发以及各种化学反应等都会产生大量的气体，当这些气体不能有效排出，气压逐渐高到一定程度时就会侵入金属液，通常伴随着金属液的凝固会留在产品铸件内部，这种缺陷通常会导致产品铸件报废。

为了使砂芯二次固化后的强度能够满足搬运和装配的要求，且能承受金属液填充过程中的高温和冲击力；同时保持较高的透气性，保证金属液填充过程中树脂挥发等产生的气体的排气通道尽量顺畅，可以及时排出，减少产品铸件的气孔缺陷，提高产品铸件的合格率。本实施例提供了一种激光烧结砂芯的二次固化装置和应用该二次固化装置对激光烧结砂芯的二次固化方法，根据满足砂芯成品功能需要的原则，将砂芯成品处理成表层与芯部两种不同状态。高强度的表层满足了对砂芯成品强度的需要，同时芯部透气性高，满足了砂芯成品透气性的要求。

如图2和图3所示，本实施例提供的激光烧结砂芯的二次固化装置，包括加热箱1、加热装置和支撑材料3，支撑材料3置于加热箱1内，砂芯初坯100和加热装置均埋入支撑材料3中，加热装置布置于砂芯初坯100的周围。在本实施例中，为提高能源利用率，选择与砂芯初坯100的尺寸相匹配的加热箱1。由于砂芯初坯100的强度很低，为防止加热过程中，砂芯初坯100塌陷，二次固化时需要用支撑材料3预埋固定好。

控制加热装置间断性地对砂芯初坯100加热，加热装置产生的热量通过支撑材料3只传递至砂芯初坯100的表层，在本实施例中当砂芯初坯100的表层达到设定温度时，认定为加热装置的热量已经传递至砂芯初坯100的表层。可以理解的是，在该设定温度下，砂芯初坯100的表层能够有效固化，且不足以使砂芯初坯100的芯部固化；通过设定次数的循环加热，使得砂芯成品200的表层的强度达到提升，而砂芯成品200的芯部的透气性不会降低。优选地，激光烧结砂芯的二次固化装置还包括温度传感器，温度传感器设置于砂芯初坯100的表层，用于测量砂芯初坯100的表层温度。在本实施例中，温度传感器为热电偶。

为了保证砂芯初坯100的各个表面均能均匀受热，且热量不会传递至砂芯初坯100的芯部。加热装置包括多个电热棒2，多个电热棒2均匀布置于砂芯初坯100的周围，每个电热棒2均与砂芯初坯100间隔设置。在本实施例中，砂芯初坯100的形状为规则的长方体，对应长方体的每个表面均设置一个电热棒2，电热棒2的长度和与其对应的表面的长度相适配。电热棒2与砂芯初坯100的间隔距离不作限定，可根据电热棒2的加热功率、支撑材料3和砂芯初坯100的导热速率以及砂芯初坯100的表面面积等因素综合考虑设定。

当然，在其他实施例中，电热棒2的长度和形状均不作限定，可根据砂芯初坯100的长度和形状选择与其长度和形状相适配的电热棒2，灵活摆放，以保证砂芯初坯100的各个表面均匀受热。如果该二次固化装置仅针对固定长度和固定形状的砂芯初坯100进行二次固化，可以将电热棒2在加热箱1中的位置固定，这样节省了调整电热棒2位置的时间，提高了生产效率。

为了满足用于支撑砂芯初坯100的支撑材料3在加热后不易与砂芯初坯100粘连，且具有较高的热导率，能起到迅速导热的要求。优选地，支撑材料3为石墨粉或铜颗粒。

在加热装置对砂芯初坯100二次加热的过程中，每次砂芯初坯100的表层的温度达到设定温度时，则停止加热并持续设定时间；如此循环设定次数后完成二次固化。如此间断性地对砂芯初坯100进行加热，使得电热棒2间断性地通过石墨粉或铜颗粒向砂芯初坯100的表层传递，以达到加热固化砂芯初坯100的表层，同时使得芯部尽量少受热量影响的目的。

如图4所示，本实施例提供的激光烧结砂芯的二次固化方法，包括以下步骤：

S10、将砂芯初坯100和加热装置均埋入支撑材料3中，并将加热装置布置于砂芯初坯100的周围，砂芯初坯100通过激光烧结工艺制成。

根据砂芯初坯100的尺寸选择与其相适配的加热箱1，将支撑材料3放入加热箱1中，然后将砂芯初坯100埋入支撑材料3中，并使砂芯初坯100位于加热箱1中支撑材料3的中心位置。然后按照设定的间隔距离将多个电热棒2均匀布置于砂芯初坯100的周围，以保证砂芯初坯100均匀受热。

S20、控制加热装置加热，加热装置产生的热量通过支撑材料3传递至砂芯初坯100的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品200。

在开始加热之前，将加热装置的加热参数设定好，加热参数包括电热棒2的设定功率、停止加热时砂芯初坯100的设定温度和每次停止加热后持续的设定时间以及间断性加热设定次数。优选地，设定次数为10次～15次，具体可根据实际情况设定。

如图5所示，控制加热装置间断性加热一次的步骤包括：

S21、加热装置以设定功率开始加热。

在本实施例中，电热棒2的设定功率不作限定，本领域技术人员可根据实际情况进行设定。

S22、当砂芯初坯100的表层的温度达到设定温度时停止加热，并持续设定时间。

多个电热棒2按照设定功率对砂芯初坯100进行加热，每个电热棒2的设定功率可根据与其对应的砂芯初坯100的表面面积设定，面积大的表面对应的电热棒2的设定功率较高，面积小的表面对应的电热棒2的设定功率较低，电热棒2产生的热量通过支撑材料3传递至砂芯初坯100的表层，当热电偶检测到砂芯初坯100的各个表面的平均温度达到设定温度时，多个电热棒2均断电，停止加热，以防止热量继续传递至砂芯初坯100的芯部。在本实施例中，设定温度为200℃～220℃。需要说明的是，在本实施例中，加热装置的热量通过支撑材料3传递至砂芯初坯100的表层的判断标准是测试砂芯初坯100的表层温度，当砂芯初坯100的表层温度达到设定温度时，即认为加热装置的热量已传递至砂芯初坯100的表层。当然，在其他实施例中，也可以通过其他方式判断，比如，根据加热装置的设定功率、支撑材料的热导率和加热装置与砂芯初坯100的间隔距离计算加热装置的热量传递至砂芯初坯100的表层的加热时间，达到该加热时间后停止加热。

为了达到仅加热固化砂芯初坯100的表层，芯部尽量少受热量影响的目的，控制电热棒2间断性地通过支撑材料3向砂芯初坯100的表层传热，以使砂芯成品200的表层的强度达到要求。在本实施例中，设定时间为5min～10min。具体可根据二次固化的具体环境等其他因素综合考虑设定。

在控制加热装置加热，加热装置产生的热量通过支撑材料3传递至砂芯初坯100的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品200的步骤之后，还包括：

S30、取出砂芯成品200，并对砂芯成品200进行解剖，测量砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性。

由于不同产品铸件的砂芯初坯100的形状和尺寸均不相同，无法以一个标准的加热参数对不同产品铸件的砂芯初坯100进行二次固化，因此对于不同形状和尺寸的产品铸件的砂芯成品200需要进行解剖验证，以保证砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性均满足要求。

S40、判断砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性二者是否都满足要求，若二者都满足要求，则完成二次固化；若二者中任意一个不满足要求，则调整设定功率、设定温度、设定时间和设定次数中的一个或多个，再重复步骤S10，直至砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性均满足要求。

在本实施例中，如果解剖后测出的砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性均满足要求，则完成该砂芯初坯100的二次固化，并记录该砂芯初坯100二次固化的加热参数，以后对于同一产品铸件的砂芯初坯100可以使用该加热参数直接进行二次固化，根据该加热参数二次固化后无需再解剖验证，可以实现量产。

对于不满足要求的，则根据测出的数据值对加热参数进行调整后继续上述步骤，直至解剖后测出的砂芯成品200的表层的强度和芯部的透气性均满足要求。

本实施例提供的激光烧结砂芯的二次固化方法及固化装置，通过加热装置对砂芯初坯100进行间断性加热设定次数，加热装置产生的热量通过支撑材料3传递至砂芯初坯100的表层，由于加热装置间断性加热，在热量传递至砂芯初坯100的芯部之前及时停止加热，因此加热装置的热量只能传递至砂芯初坯100的表层，使得制得的砂芯成品200的表层和芯部达到两种不同的状态，砂芯成品200的表层的强度得到提升，满足搬运和装配的强度要求，并能承受金属液填充过程中的高温和冲击力；而砂芯成品200的芯部在二次固化时基本没有再次固化，使得砂芯成品200的芯部具有一定的透气性，保证金属液填充过程中树脂挥发等产生的气体的排气通道尽量顺畅，气体可以及时排出，减少产品铸件的气孔缺陷，提高产品铸件的合格率。

如图3所示，砂芯初坯100应用本实施例提供的激光烧结砂芯的二次固化装置和二次固化方法得到的二次固化后的砂芯成品200的表层强度得到提升，芯部具有一定的透气性，将高温熔化的金属液注入该砂芯成品200，得到的产品铸件气孔缺陷少，废品率低。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，包括以下步骤：

将砂芯初坯(100)和加热装置均埋入支撑材料(3)中，并将所述加热装置布置于所述砂芯初坯(100)的周围，所述砂芯初坯(100)通过激光烧结工艺制成；

控制所述加热装置加热，所述加热装置产生的热量通过所述支撑材料(3)传递至所述砂芯初坯(100)的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品(200)。

2.根据权利要求1所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，控制加热装置间断性加热一次的步骤包括：

所述加热装置以设定功率开始加热；

当所述砂芯初坯(100)的表层的温度达到设定温度时停止加热，并持续所述设定时间。

3.根据权利要求2所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，在所述控制所述加热装置加热，所述加热装置产生的热量通过所述支撑材料(3)传递至所述砂芯初坯(100)的表层时停止加热，并持续设定时间，如此间断性加热设定次数，制得砂芯成品(200)的步骤之后，还包括：

取出所述砂芯成品(200)，并对所述砂芯成品(200)进行解剖，测量所述砂芯成品(200)的表层的强度和芯部的透气性；

判断所述砂芯成品(200)的表层的强度和芯部的透气性二者是否都满足要求，若二者都满足要求，则完成二次固化；若二者中任意一个不满足要求，则调整所述设定功率、所述设定温度、所述设定时间和所述设定次数中的一个或多个，并重复所述将砂芯初坯(100)和加热装置均埋入支撑材料(3)中，并将所述加热装置布置于所述砂芯初坯(100)的周围的步骤。

4.根据权利要求2所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，所述设定温度为200℃～220℃。

5.根据权利要求1所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，所述设定时间为5min～10min。

6.根据权利要求1所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，所述设定次数为10次～15次。

7.一种激光烧结砂芯的二次固化装置，应用于如权利要求1-6任一项所述的激光烧结砂芯的二次固化方法，其特征在于，包括加热箱(1)、加热装置和支撑材料(3)，所述支撑材料(3)置于所述加热箱(1)内，砂芯初坯(100)和所述加热装置均埋入所述支撑材料(3)中，所述加热装置布置于所述砂芯初坯(100)的周围。

8.根据权利要求7所述的激光烧结砂芯的二次固化装置，其特征在于，所述加热装置包括多个电热棒(2)，多个所述电热棒(2)均匀布置于所述砂芯初坯(100)的周围，每个所述电热棒(2)均与所述砂芯初坯(100)间隔设置。

9.根据权利要求7所述的激光烧结砂芯的二次固化装置，其特征在于，所述支撑材料(3)为石墨粉或铜颗粒。

10.根据权利要求7所述的激光烧结砂芯的二次固化装置，其特征在于，所述激光烧结砂芯的二次固化装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述砂芯初坯(100)的表层，用于测量所述砂芯初坯(100)的表层温度。

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