CN113579161B - 大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法 - Google Patents

大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，包括冷冻砂型低温数控成形和超低温过冷控性两个环节，根据铸件特点，选用粒径呈正态分布的型砂颗粒与纯水混合，填充模具置于‑20℃冷冻环境下获得强度最优的冷冻砂坯；通过对冷冻砂坯在‑5℃到‑10℃的低温环境下进行数字化加工成形获得待组装砂型，将分块砂型放置于‑30℃到‑50℃的超过冷环境中进行微观组织性能调控，获得高强度冷冻砂型；最终在冰冻环境下浇注，铸件抗拉强度显著升高。该方法环保绿色，对实现冷冻砂型的高精高效制造和铸件精确凝固成形具有重要意义。

Description

大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法
技术领域
本发明涉及一种能够实现冷冻砂型高精高效制造技术领域尤其涉及大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法。
背景技术
传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排放多等突出问题。超过80%的铸件产品是由砂型铸造完成的，铸造行业总体存在生产环境差、劳动强度大、制造效率低、质量难以控制、环境污染大、面临无工可用等问题，铸造行业亟待转型升级，实现智能绿色发展。国防军工、航空航天、汽车船舶、轨道交通等支柱产业及关键领域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战。因此，开发数字化绿色铸造新技术、新工艺和新装备，减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续发展迫在眉睫。
针对上述问题，提出了一种大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法。实现了冷冻砂型的高精高效、数字化绿色铸造。高温环境下砂型自然溃散直接回收利用，绿色环保。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了本发明提出了一种大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，包括冷冻砂型低温数控成形和超低温过冷控性两个环节。该方法采用纯水作为粘结剂，不使用有机树脂，避免铸型浇注发气量大，大大提高了铸件质量。纯水来源广泛，价格低廉，废砂回收方便，符合现代绿色制造理念。
一种大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，该方法适用于大型复杂铸造零件的小批量生产和快速开发试制过程，采用冷冻砂型低温数控成形和超低温过冷控性协作加工制成。
具体实施步骤为：
S1、选用粒径呈正态分布的型砂颗粒与纯水按比例混合，填充模具置于-20℃冷冻环境下，得到抗压强度（～2MPa）和抗拉强度（～1MPa）最优的冷冻砂坯。
S2、通过优化数字化无模成形机加工工艺参数，包括切削刀具进给速度、主轴转速、切削深度和切削宽度，实现冷冻砂型的高精快速制造，其中冷冻砂型数控成形温度在-5℃到-10℃。
S3、将数字化成形后的冷冻砂坯置于超过冷环境-30℃到-50℃中，根据砂坯体积静置30分钟以上，进一步降低砂坯温度，提高金属熔体的凝固速度；凝固速率越大其晶粒形核温度越高，结晶过冷度越大。
S4、在冷冻环境下，对砂型/芯单元进行整体组装，并且在冷冻或常温环境下浇入熔融金属液，金属液冷却成形，冷冻砂型吸热自动融化落砂，得到铸件，型砂回收利用。
进一步的，所述质量分数为1%～10%纯水和原砂颗粒进行预先混合。
进一步的，所述低温成形环境和超过冷环境采用通入干冰或液氮的方式并通过控制系统进行温度控制。
进一步的， 冷冻砂型加工工艺参数：切削刀具进给速度100 mm/s、主轴转速4000r/min，切削深度4 mm，切削宽度12.8 mm。
本发明的有益效果：
（1）该大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法采用水或溶液作为粘接剂，来源广泛，价格低廉，不使用有机树脂和其他粘接剂，可避免浇注中发气量大、废砂回收再利用困难的问题。
（2）冷冻砂型低温成形与超过冷控性协同制造工艺方法相结合，使得冷冻砂坯在金属液浇铸过程中，相较于湿型粘土砂型和树脂砂型可以对高温熔体产生很大过冷度。因此，金属液凝固断面处的温度梯度很大，生产的铸件晶粒细小，晶粒取向趋于一致，铸件力学性能优越。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
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1所示，本实施例的大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，包括冷冻砂型低温数控成形和超低温过冷控性两个环节。通过对冷冻砂坯进行数字化加工成形获得待组装砂型，将分块砂型放入-30℃到-50℃进行性能调控，获得高强度冷冻砂型。
具体包括以下步骤：
S1、选用粒径呈正态分布的型砂颗粒与1%～10%质量分数的纯水均匀混合，填充模具置于-20℃冷冻环境下，得到抗压强度（～2MPa）和抗拉强度（～1MPa）最优的冷冻砂坯。
S2、通过优化数字化无模成形机工艺参数：切削刀具进给速度100 mm/s、主轴转速4000 r/min，切削深度4 mm，切削宽度12.8 mm，实现冷冻砂型的高精快速制造，其中冷冻砂型数控成形温度在-5℃到-10℃。
S3、将数字化成形后的冷冻砂坯置于超过冷环境-30℃到-50℃中，静置数分钟至数小时不等的时间，进一步降低砂坯温度，提高金属熔体的凝固速度。凝固速率越大其晶粒形核温度越高，结晶过冷度越大。
S4、在冷冻环境下，对砂型/芯单元进行整体组装，并且在冷冻或常温环境下浇入熔融金属液，金属液冷却成形，冷冻砂型吸热自动融化落砂，得到铸件，型砂回收利用。
本实施例的冷冻铸造试样抗拉强度提高约11.2%，断裂延伸率提高约26%。
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 (3)

1.大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，其特征在于：采用冷冻砂型低温数控成形和超低温过冷控性协作加工操作，包括以下步骤：
S1、选用粒径呈正态分布的型砂颗粒与纯水按比例混合，填充模具置于-20℃冷冻环境下，得到抗压强度小于等于2MPa和抗拉强度小于等于1MPa的冷冻砂坯；
S2、通过优化数字化无模成形机加工工艺参数，包括切削刀具进给速度、主轴转速、切削深度和切削宽度，实现冷冻砂型的高精快速制造，其中冷冻砂型数控成形温度在-5℃到-10℃；
S3、将数字化成形后的冷冻砂坯置于超过冷环境-30℃到-50℃中，根据砂坯体积静置30分钟以上，进一步降低砂坯温度，提高金属熔体的凝固速度；凝固速率越大其晶粒形核温度越高，结晶过冷度越大；
S4、在冷冻环境下，对砂型进行整体组装，并且在冷冻或常温环境下浇入熔融金属液，金属液冷却成形，冷冻砂型吸热自动融化落砂，得到铸件，型砂回收利用。
2.根据权利要求1所述的大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，其特征在于：所述低温成形环境和超过冷环境采用通入干冰或液氮的方式并通过控制系统进行温度控制。
3.根据权利要求1所述的大型复杂冷冻砂型低温成形及超过冷控性协同制造方法，其特征在于： 冷冻砂型加工工艺参数：切削刀具进给速度100 mm/s、主轴转速4000 r/min，切削深度4 mm，切削宽度12.8 mm。
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