CN113458339A - 一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及包括该型芯的模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及及包括该型芯的模具，其包括型芯本体，型芯本体内部中空，在型芯本体内部设有支撑结构，所述的支撑结构为阵列结构，该阵列由多个单元体连接在一起形成。镂空型芯的用砂量和重量小于实心型芯，在相同外部结构和尺寸下，实验发现，镂空型芯的重量相比于实心型芯轻了3Kg，用砂量约为之前的83％。镂空砂型的散热性好于实心型芯，相同浇铸条件下，实验发现，实心型芯升温速率明显高于单元体支撑镂空型芯。在承受同等凝固收缩力情况下，所提单元体支撑镂空型芯比同尺寸桁架结构镂空型芯变形量小。

Description

一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及包括该型芯的模具

技术领域

本发明涉及一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及包括该型芯的模具，属于铸造领域。

背景技术

型芯是铸造时用以形成铸件内部结构，其组成通常为原砂和粘结剂。根据内部是否为镂空结构，可将型芯分为实心结构和镂空结构。目前工厂生产中采用的型芯结构为实心结构，具有用砂量大、排砂量大、型芯内部散热条件差、工人劳动强度高等缺点，尤其是在大型实心型芯的制作中，上述问题尤为突出。镂空结构的型芯可避免上述问题，但是制造过程相对复杂。目前型芯的制作方法多为手工制作或机器制造。手工制作具有精度差、劳动强度高、造型效果差等缺点。机器制造可采用吹芯机和射芯机等设备进行型芯制作，但无法完成镂空结构的型芯制造，只能加工实心结构的型芯。

随着3D打印技术的成熟，镂空型芯的制作成为可能。3DP技术是预先将固化剂与原砂混合好后铺砂，阵列扫描喷头沿设计路径喷粘结剂，粘结剂在固化剂作用下固结。具有不存在热变形，更适合大型砂型制造，可制造形状复杂型。粘接剂和传统铸造粘结剂相同。被广泛应用在砂型制作中。研究表明，相比于传统实心铸造型芯，镂空型芯可以提高冷却效率、减少落砂时间、细化铸件组织、提高铸件性能、控制铸件的应力与变形。此外，镂空还具有减小砂型重量，提高冷却效率和减小型砂用量等优势。镂空砂型可理解为外部由实体表面包裹，内部具有相关支撑结构的砂型。镂空砂型要保证能够有效地约束高温液态金属的成形，要能经受住高温液态金属的作用力，其设计的关键是内部支撑结构和壁厚的确定。

国内外已有关于镂空型芯的研究，但其采用的内部支撑结构多为桁架结构，例如清华大学2018年的上官浩龙开展的基于3D打印的镂空砂型研究中，采用了桁架结构作为内部支撑结构，但该结构的表面以及连接节点处不是圆滑的过渡，存在大量应力集中点，在收到外力时更易出现坍塌和裂纹，导致在铸造铸钢等收缩力大的铸件时容易出现内部支撑的坍塌现象，桁架支撑结构的强度需进一步提高。若为了增加强度，则需要增加壁厚或加粗桁架，则会导致内部散热条件变差，无法发挥镂空型芯散热好的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在不改变铸造型芯原有尺寸的基础上，保障型芯可对抗凝固时收缩力的基础上，提供一种砂型铸造用类似于镂空状的型芯结构。与传统实心型芯相比，降低型芯重量轻，减少用砂量，降低废砂排放量，改善型芯铸造性能。与现有桁架镂空型芯相比，提高型芯的强度。因此，本发明提出一种采用拓扑优化方法所生成单元体作为内部支撑结构的型芯结构，相应的提出其制作方法和模具。在不改变铸造型芯原有尺寸，保障型芯可对抗凝固时收缩力的基础上，提高镂空型芯的强度。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提出了一种砂型铸造用型芯结构，其包括型芯本体，型芯本体内部中空，在型芯本体内部设有支撑结构，所述的支撑结构为阵列结构，该阵列结构由多个单元体组成，每个单元体包括本体，在所述本体的上、下、左、右、前、后六个方向上各设有一个连接节点，相邻连接节点之间通过曲面过渡；相邻单元体之间通过所述的节点相连且位于在外侧的单元体与型芯本体通过节点相连，形成一个整体。

作为进一步的技术方案，所述的单元体为实心结构。

作为进一步的技术方案，所述的型芯本体与单元体一体成型。

作为进一步的技术方案，所述的型芯本体与单元体通过3DP打印一体成型。

作为进一步的技术方案，所述阵列结构为一个三维阵列，即在X轴、Y轴、Z轴方向上均设有单元体，相邻单元体之间连接在一起形成了三维阵列。

作为进一步的技术方案，所述的曲面为TPMS曲面。

作为进一步的技术方案，型芯本体的壁厚的最小值满足下列公式计算值：

h_min为壁厚，S为壳型最小的横截面积，l_min为壳型横截面积上最小的周长。

第二方面，本发明还提供了一种砂型铸造用型芯结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1

根据浇铸件的需求，设计型芯外部尺寸，确定镂空砂型内部结构，并完成三维建模工作；

步骤2

选择型芯制造所需的原砂种类和粘结剂材料，例如可选择陶粒砂和呋喃树脂作为原材料进行打印；

步骤3

根据设计好的结构和选择的原材料，确定3D打印机尺寸和型号，选择3DP打印工艺进行打印；

步骤4

经过铺砂、粘结剂固化和层层打印等工序，完成型芯的3D打印工作；

步骤5

将型芯从打印机中取出，进行清砂工作，并检查打印尺寸是否正确。

第三方面，本发明还提出了一种砂型铸造模具，采用前面所述的砂型铸造用型芯结构。

第四方面，本发明还提出了一种砂型铸造模具，采用前面所述的方法制作。

本发明的有益效果：

本发明所提出的单元体支撑镂空型芯相比于现有桁架结构和完全中空的型芯结构具有用砂量相似但抗压强度更高的优点，在承受同等凝固收缩力情况下，所提单元体支撑镂空型芯比同尺寸桁架结构镂空型芯变形量小。原因是桁架结构的表面不是圆滑的过渡，存在大量应力集中点，在收到外力时更易出现坍塌和裂纹，而单元体结构表面为曲面，因此比较圆滑，应力集中点少，可以承受更高的外力，因此强度高。与实心型芯相比所提单元体支撑用砂量更少且强度可以满足浇铸使用。单元体支撑镂空型芯散热面积大于实心型芯，升温速率低于实心型芯。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1(a)、图1(b)为上模结构示意图；

图2(a)、图2(b)为下模结构示意图；

图3(a)、图3(b)为型芯外部结构示意图；

图4用于型芯内部支撑的单元体阵列；

图5为实心的型芯结构；

图6为无支撑镂空型芯；

图7为桁架支撑镂空型芯；

图8为单元体支撑镂空型芯；

图9为浇铸实验示意图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

本发明针对现有技术中的型芯结构存在的技术问题，提出了一种砂型铸造用类似于镂空状的型芯结构，其外部尺寸和传统实心型芯一致，区别在于，本实施例提出的型芯为空心结构，同时在其内部设有一种支撑结构，内部支撑结构由单元体阵列构成。

本实施例中所设计镂空型芯可通过3DP打印技术制作，可通过实验验证所设计型芯的性能。

其中，所述型芯外部尺寸和形貌与实心型芯的尺寸和形貌保持一致。

所述内部支撑结构，由单元体阵列构成，例如图4所示，在图4的左侧的示意图是单个单元体的结构示意图，在本实施例中，该单元体近似于菱形，其包括本体，在所述本体的上、下、左、右、前、后六个方向上各设有一个连接节点，相邻连接节点之间通过曲面过渡，本实施例中公开的曲面是TPMS曲面，即相邻连接节点之间通过TPMS曲面过渡；相邻单元体之间通过所述的节点相连且位于在外侧的单元体与型芯本体通过节点相连，形成一个整体。在本实施例的图4的右侧为单元体阵列，该阵列包括六个单元体结构，六个单元体结构分两排三列，相邻的单元体连接在一起形成一个阵列。此外，本申请提出的单元体阵列为一个三维阵列，即在X轴、Y轴、Z轴方向上均设有单元体，相邻单元体之间连接在一起形成了三维阵列。

现有的型芯中有一些型芯内部支撑结构通常选择so l idworks等三维建模工具，设计成桁架等结构。而本实施例提出的型芯内部支撑结构由单元体构成，单元体的结构采用MATLAB编写了的基于拓扑优化方法的支撑结构生成算法，并且基于该算法生成了单元。可生成不同孔隙率的单元结构，当这些结构单元阵列以后，会表现出较好的力学性能，可用于中空砂型内部的支撑。在同等受力情况下，单元体结构相比于桁架结构，变形量更小，强度更高。

所述壳型壁厚确定的方法：厚度的最小值需满足下列公式计算值：

其中，h_min为壁厚，S为壳型最小的横截面积，与熔融金属浇注后对内腔表面的静压力和壳型随温度变化的抗拉强度有关，l_min为壳型横截面积上最小的周长。壳型壁厚的最大值h_max根据实际需要确定，但厚度越大，用砂量也越大，冷却速度会越慢。因此，壁厚的确定只要满足h_min<h<h_max即可。

所述3DP打印技术是预先将固化剂与原砂混合好后铺砂，阵列扫描喷头沿设计路径喷粘结剂，粘结剂在固化剂作用下固结的一种型芯造型方法。

所述实验步骤为：

(1)设计实验用的砂型结构，包括上模、下模和型芯；

(2)设计四种型芯结构，设计实心型芯、无支撑镂空型芯、桁架支撑镂空型芯和单元体支撑镂空型芯，确定壁厚；

(3)采用3DP打印技术制作所设计的砂型；

(4)对比四种型芯结构的用砂量、重量等，设计浇铸实验过程；

(5)开展浇铸实验，测量镂空型芯与实心型芯在浇铸过程中的温度变化。

为了能够清楚地理解本发明的上述特征和优点，通过下面实施例将本发明型芯结构与传统实心型芯结构进行对比。

本实施例中设计砂型结构如图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)所示，分别为上模、下模和型芯外部结构，设计砂型结构最大尺寸为450*400*400mm。

本实施例中用于型芯内部支撑的单元体阵列，如图4所示，该阵列由6个单元体结构组成，每个单元体结构尺寸为15mm*15mm*15mm；且6个单元体分两行、三列分布且上下和左右相邻的单元体结构连接在一起。

本实施例设计四种内部型芯支撑结构，如图5、图6、图7、图8所示，其中图5为实心型芯，图6为无支撑镂空型芯，图7为桁架支撑镂空型芯，图8为单元体支撑镂空型芯，如图2所示。确定镂空型芯的壁厚为60mm。

选择了某公司3D打印设备进行砂型的打印，砂型采用陶粒砂、呋喃树脂和固化剂，打印层厚为0.3mm，砂子目数为70-140，尺寸精度±0.3mm。

打印后对型芯进行测量，实心型芯重量为18kg，无支撑镂空型芯15Kg，桁架支撑镂空型芯15.5Kg，单元体支撑镂空型芯15.5Kg。对比发现，镂空型芯的重量相比于实心型芯轻了3Kg，用砂量约为之前的83％。通过抗压实验发现，单元体支撑镂空型芯相比于另两种型芯，具有更高的抗压强度。因此选择实心型芯和单元体支撑镂空型芯开展实际浇铸实验。

设计浇注实验，选择了实心型芯和单元体支撑镂空型芯作为实验对象，实验过程如图6所示。在型芯的固定位置钻了可放至热电偶的孔，选择的测量点距离表面约1cm左右。热电偶插入到砂型内，但是没有与浇注钢水直接接触。

开展35号铸钢浇注实验，在浇注过程中进行了温度测量。通过热电偶实时测量浇注时型芯测量点的变化，通过温度数据采集仪采集数据并进行记录。实验发现，浇注后35分钟左右，测量到实心型芯测量点最高温686℃，单元体支撑镂空型芯测量点最高温615℃，实心型芯升温速率明显高于单元体支撑镂空型芯。

根据实验结果，所述四种方案中，单元体支撑镂空型芯与其他两种镂空型芯相比用砂量相似且抗压强度更高，在承受同等凝固收缩力情况下，所提单元体支撑镂空型芯比同尺寸桁架结构镂空型芯变形量小，与实心型芯相比用砂量更少且强度可以满足浇铸使用。单元体支撑镂空型芯散热面积大于实心型芯，升温速率低于实心型芯。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种砂型铸造用型芯结构，其特征在于，其包括型芯本体，型芯本体内部中空，在型芯本体内部设有支撑结构，所述的支撑结构为阵列结构，该阵列结构由多个单元体组成，每个单元体包括本体，在所述本体的上、下、左、右、前、后六个方向上各设有一个连接节点，相邻连接节点之间通过曲面过渡；相邻单元体之间通过所述的节点相连且位于在外侧的单元体与型芯本体通过节点相连，形成一个整体。

2.如权利要求1所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述的单元体为实心结构。

3.如权利要求1所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述的型芯本体与支撑结构一体成型。

4.如权利要求3所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述的型芯本体与支撑结构通过3D打印一体成型。

5.如权利要求1所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述型芯本体壁厚的最小值满足下列公式计算值：

h_min为壁厚，S为壳型最小的横截面积，l_min为壳型横截面积上最小的周长。

6.如权利要求1所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述阵列结构为一个三维阵列，即在X轴、Y轴、Z轴方向上均设有单元体，相邻单元体之间连接在一起形成了三维阵列。

7.如权利要求1所述的砂型铸造用型芯结构，其特征在于，所述的曲面为TPMS曲面。

8.如权利要求1-7任一所述的砂型铸造用型芯结构的制作方法，包括以下步骤：

根据浇铸件的需求，设计型芯外部尺寸，确定镂空砂型内部结构，并完成三维建模工作；

选择型芯制造所需的原砂种类和粘结剂材料；

根据设计好的结构和选择的原材料，确定3D打印机尺寸和型号，选择3DP打印工艺进行打印；

经过铺砂、粘结剂固化和层层打印，完成型芯的3D打印工作；

将型芯从打印机中取出，进行清砂工作，并检查打印尺寸是否正确。

9.一种砂型铸造模具，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的砂型铸造用型芯结构。

10.一种砂型铸造模具，其特征在于，其型芯结构采用权利要求9所述的方法制作。

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