CN113894250A - 复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构及熔模铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，包括：上环形浇道、下环形浇道、随形浇道、铸壳、直浇道，多个随形浇道连接在上环形浇道、下环形浇道之间，随形浇道的型腔分别与上环形浇道、下环形浇道的型腔相连通；随形浇道与铸壳相连接，随形浇道的型腔与铸壳的型腔相连通；上环形浇道通过上环形内浇道连接直浇道，上环形浇道、直浇道的型腔分别连通上环形内浇道的型腔；下环形浇道通过下环形内浇道连接直浇道，下环形浇道、直浇道的型腔分别连通下环形内浇道的型腔。本发明还公开了一种复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法。本发明能够控制复杂空间曲线形状部件在制模、铸造成型、热处理过程中所产生的复杂变形。

Description

复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构及熔模铸造方法
技术领域
本发明属于熔模铸造技术领域，具体涉及一种复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构及熔模铸造方法。
背景技术
目前，3D打印广泛应用于模具制作领域，3D打印模具缩短了整个产品开发周期。
CN202011014308.3公开了一种基于3D打印技术的模具制造工艺，包括如下步骤：建立模型：通过三维建模软件对目标零件进行CAD铸造工艺的优化设计，建立目标零件的三维模型；结构分析：利用3D打印机将步骤S1绘制完成的三维模型图纸打印成型，得到所需模具的三维物理实体，并对打印出的三维物理实体模型进行结构分析，分析结构合理性；采用3D打印技术将电脑中设计好的模具结构与型腔一体打印，相比于传统的模具成型方法，省去了成型过程，能够大大缩短模具成型的时间。
CN202110464520.8公开了一种分瓣转轮的铸造方法，通过合理的设置冒口、冷铁、补贴等措施解决叶片与下环形成的曲线热节补缩问题，采用实体外模模具形成下环外轮廓，叶片组及下环内部轮廓结构采用3D打印成型技术打印为整体砂芯，以保证叶片型线成型困难问题；最终保证生产出符合标准精度要求的分瓣转轮铸件，显著提高分瓣转轮铸件的铸造质量。
CN202011463937.4公开了一种快速制造汽车用自动变速器壳体铸造工艺，包括如下步骤：(1)确定汽车用自动变速器壳体的结构；(2)设计浇铸系统，并开设浇铸工艺孔，通过数值模拟软件进行工艺仿真；(3)根据浇铸系统设计打印砂型，并进行砂型的3D打印；(4)对砂型进行硬化处理；(5)流涂涂料并进行烘干；(6)将砂型表面修磨平整后按照设计的砂型进行合型，合型后对铸件进行低压浇铸。通过对砂型进行强化处理,可得到铸造模具要求的强度、尺寸精度和表面粗糙度，达到收缩小，硬度高，抗冲击，韧性好的特点。
熔模铸造通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。熔模铸造生产的第一个工序就是制造熔模，熔模是用来形成耐火型壳中型腔的模型，所以熔模铸造能够获得尺寸精度和表面光洁度高的铸件。熔模的组装是把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要有两种方法：焊接法，用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。机械组装法，在大量生产小型熔模铸件时，已广泛采有机械组装法组合模组，采用此种模组可使模组组合和效率大大提高，工作条件也得到了改善。
如图1所示，是现有技术中上导轨的结构示意图；如图2所示，是现有技术中下导轨的结构示意图。
上导轨、下导轨属于铸钢件，轮廓尺寸分别为上导轨：305×239×
182mm，下导轨：325×123×132mm，材料为RZG35CrMo-C.H540-Ⅱ
/WJ478-95，主要壁厚均为8mm，上导轨毛重4.43公斤，下导轨毛重2.32公斤。上导轨、下导轨属于复杂空间曲线形状，两种铸件均为按右旋螺旋线分布的空间曲线形板类铸件，通常采用熔模铸造制备。
在熔模铸造生产中，由于受结构和工艺方法的影响，两种铸件在生产过程中在3个阶段会产生变形，即：制模过程中的变形、浇注过程中的变形和热处理过程中的变形。变形分别发生在螺旋线的径向(上导轨：R140±0.2和高度180尺寸，下导轨：R166±0.2和高度72尺寸方向)，致使部分加工面出现黑皮，或皮厚不均匀，不符合产品图样尺寸要求。现有技术没能完全解决变形问题，合格率仅在30％左右，只能通过多次校正的方法来改善产品形变，造成生产成本高、生产效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构及熔模铸造方法，能够控制复杂空间曲线形状部件在制模、铸造成型、热处理过程中所产生的复杂变形。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，包括：上环形浇道、下环形浇道、随形浇道、铸壳、直浇道，多个随形浇道连接在上环形浇道、下环形浇道之间，随形浇道的型腔分别与上环形浇道、下环形浇道的型腔相连通；随形浇道与铸壳相连接，随形浇道的型腔与铸壳的型腔相连通；上环形浇道通过上环形内浇道连接直浇道，上环形浇道、直浇道的型腔分别连通上环形内浇道的型腔；下环形浇道通过下环形内浇道连接直浇道，下环形浇道、直浇道的型腔分别连通下环形内浇道的型腔。
进一步，铸壳的型腔用于浇铸复杂空间曲线形状部件。
进一步，上环形浇道、下环形浇道互相平行，随形浇道分布在上环形浇道、下环形浇道内侧，随形浇道的外壁与上环形浇道、下环形浇道的内侧壁相连接。
进一步，铸壳的型腔空间最大位置处与上环形浇道之间设置有冒口。
进一步，直浇道的上部设置有浇口杯。
复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，包括：
根据铸件的结构特点、铸造方式、热处理过程，铸模采用笼式结构的防变形熔模结构，通过制模、制壳、焙烧制得防变形熔模结构；
在防变形熔模结构内浇铸复杂空间曲线形状部件，铸件、防变形熔模结构以整体进行热处理，热处理后采用机械的方式分散去除铸模，制得复杂空间曲线形状部件。
优选的，防变形熔模结构包括：上环形浇道、下环形浇道、随形浇道、铸壳、直浇道，多个随形浇道连接在上环形浇道、下环形浇道之间，随形浇道的型腔分别与上环形浇道、下环形浇道的型腔相连通；随形浇道与铸壳相连接，随形浇道的型腔与铸壳的型腔相连通；上环形浇道通过上环形内浇道连接直浇道，上环形浇道、直浇道的型腔分别连通上环形内浇道的型腔；下环形浇道通过下环形内浇道连接直浇道，下环形浇道、直浇道的型腔分别连通下环形内浇道的型腔。
优选的，在浇注时，钢液通过浇口杯、直浇道、下环形内浇道进入下环形浇道，随着型壳内钢液的上升，钢液从铸壳下部的随形浇道进入铸壳，钢液充满铸壳后再进入铸壳上部的随形浇道、上环形内浇道、上环形浇道，当钢液充满直浇道后停止浇铸，浇铸温度控制在1560～1580℃。
优选的，进行热处理前，去掉上部浇口杯，按立式位置摆放；正火热处理保温温度为900±10℃；调质热处理包括：淬火热处理、回火热处理，淬火热处理的保温温度为870±10℃，回火热处理的保温温度为620±10℃。
优选的，铸壳的型腔为与复杂空间曲线形状部件的形状相适应，防变形熔模结构采用3D打印制模技术进行整体制模，材料为PS粉，制模材料的收缩率1.2-1.3％，脱蜡采用水浴脱蜡或蒸汽脱蜡，型壳焙烧使用连续式隧道窑进行焙烧；采用机械的方式分散去除防变形熔模结构以及与复杂空间曲线形状部件相连接的金属部件。
本发明技术效果包括：
本发明能够控制复杂空间曲线形状部件在制模、铸造成型、热处理过程中所产生的复杂变形。
1、整体笼式结构采用笼式结构，解决了铸件在制模、铸造成型(制壳、浇注、冷却)过程的变形。
总结多次攻关的经验，本发明采用熔模铸造工艺，铸模设计成整体笼式结构，采用3D打印技术对铸模采用的整体笼式结构进行制模，利于防止铸件在制模、铸造成型过程、热处理过程中发生的变形，解决了铸件的变形问题，取消了铸件校正工序，从而降低生产成本，大大提高生产效率。
2、防变形熔模结构、复杂空间曲线形状部件以整体进行热处理，热处理后采用机械的方式分散去除浇道，解决热处理过程的变形。
附图说明
图1是现有技术中上导轨的结构示意图；
图2是现有技术中下导轨的结构示意图；
图3是本发明中浇铸上导轨用的防变形熔模结构的立体结构示意图；
图4是本发明中浇铸下导轨用的防变形熔模结构的立体结构示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构及熔模铸造方法，能够控制铸件在制模、铸造成型过程和热处理过程中的复杂变形，是解决复杂熔模铸件在制造过程中变形的可行工艺方法，具体步骤如下：
步骤1：根据铸件的结构特点、铸造方式、热处理过程，铸模采用笼式结构的防变形熔模结构，通过制模、制壳、焙烧制得，防变形熔模结构；
下面以浇铸上导轨、下导轨的防变形熔模结构作为型壳为例，对防变形熔模结构做进一步说明。
由于上导轨、下导轨的形状不同，铸造上导轨、下导轨的防变形熔模结构在主体结构上类似，只是形状上有区别。
如图3所示，是本发明中浇铸上导轨用的防变形熔模结构的立体结构示意图；如图4所示，是本发明中浇铸下导轨用的防变形熔模结构的立体结构示意图。
浇铸上导轨用的防变形熔模结构，其结构包括：上环形浇道1、下环形浇道2、随形浇道3、铸壳4、直浇道5，多个随形浇道3连接在上环形浇道1、下环形浇道2之间，随形浇道3的型腔分别与上环形浇道1、下环形浇道2的型腔相连通；铸壳4分别连接多个随形浇道3，铸壳4的型腔分别与多个随形浇道3的型腔相连通；上环形浇道1通过上环形内浇道6连接直浇道5，下环形浇道2通过下环形内浇道7连接直浇道5，上环形浇道1、直浇道5的型腔分别与上环形内浇道6的型腔相连通；下环形浇道2、直浇道5的型腔分别与下环形内浇道7的型腔相连通。上环形浇道1、下环形浇道2、随形浇道3、铸壳4、直浇道5内部的型腔便于钢液在其中流动。
铸壳4与复杂空间曲线形状部件的形状相适应，内部空间为复杂空间曲线形状部件的形状。多个随形浇道3对铸壳4进行定位和固定，防止铸壳4在浇铸、热处理过程中的变形。
上环形浇道1、下环形浇道2互相平行，随形浇道3分布在上环形浇道1、下环形浇道2内侧，随形浇道3的外壁与上环形浇道1、下环形浇道2的内侧壁相连接。
为了给铸壳4补给金属，在铸壳4的型腔空间最大位置(上导轨方板41)与上环形浇道1之间设置有冒口8，冒口8的型腔是存贮液态金属的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用，而冒口8的主要作用是补缩。为了便于浇铸钢液，直浇道5的上部设置有浇口杯51。
防变形熔模结构采用3D打印制模技术进行整体制模，材料为PS粉，确定合适的收缩率，制模材料的收缩率1.2-1.3％，采用硅溶胶+水玻璃复合型壳制壳工艺，即面层硅溶胶+锆英砂(粉)，过渡层硅溶胶+上店砂(粉)，加固层水玻璃+上店砂(粉)。脱蜡采用水浴脱蜡或蒸汽脱蜡，型壳焙烧使用连续式隧道窑进行焙烧。
步骤2：在防变形熔模结构内浇铸复杂空间曲线形状部件；
在浇注时，钢液通过浇口杯51、直浇道5、下环形内浇道7进入下环形浇道2，随着型壳内钢液的上升，钢液从铸壳4下部的随形浇道3进入铸壳4，钢液充满铸壳4后再进入铸壳4上部的随形浇道3、上环形内浇道6、上环形浇道1，当钢液充满直浇道5后停止浇铸。浇铸温度控制在1560～1580℃。
完成浇注后，在铸件冷却凝固过程中，防变形熔模结构起到拉筋的作用，控制铸件因结构原因收缩变形，充分利用防变形熔模结构的结构特点，减小热应力和收缩应力，从而达到控制铸件成型时的变形。钢液浇注过程平稳、快速、顺畅，利于排气、排渣，减少热应力，利于减小收缩变形。
步骤3：铸件、防变形熔模结构以整体进行热处理，热处理后采用机械的方式分散去除浇道，制得复杂空间曲线形状部件。
进行热处理前，去掉上部浇口杯51，按立式位置摆放。正火热处理保温温度为900±10℃；调质热处理包括：淬火热处理、回火热处理，淬火热处理的保温温度为870±10℃，回火热处理的保温温度为620±10℃。
铸件进行热处理时，无论是进行正火处理还是调质热处理，均和防变形熔模结构以整体进行热处理，可以控制铸件的热应力和收缩应力，防止两种铸件在热处理时加热、冷却过程中产生变形。
采用机械的方式去除型壳(防变形熔模结构)，如使用砂轮机、机械加工等方式，但不能使用气割、刨割等热切割方式，避免产生新的热应力和收缩应力，造成铸件变形。
去除型壳时，应分散去除，即去除一端上部上环形浇道1后，紧接着选择去除另一端下部较远的下环形浇道2，以此类推，达到分散切割热量的目的，避免产生热应力而引起铸件收缩变形。去除型壳后的铸件，轻放在存放区摆放，铸件不能堆积。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，其特征在于，包括：上环形浇道、下环形浇道、随形浇道、铸壳、直浇道，多个随形浇道连接在上环形浇道、下环形浇道之间，随形浇道的型腔分别与上环形浇道、下环形浇道的型腔相连通；随形浇道与铸壳相连接，随形浇道的型腔与铸壳的型腔相连通；上环形浇道通过上环形内浇道连接直浇道，上环形浇道、直浇道的型腔分别连通上环形内浇道的型腔；下环形浇道通过下环形内浇道连接直浇道，下环形浇道、直浇道的型腔分别连通下环形内浇道的型腔。
2.如权利要求1所述的复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，其特征在于，铸壳的型腔用于浇铸复杂空间曲线形状部件。
3.如权利要求1所述的复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，其特征在于，上环形浇道、下环形浇道互相平行，随形浇道分布在上环形浇道、下环形浇道内侧，随形浇道的外壁与上环形浇道、下环形浇道的内侧壁相连接。
4.如权利要求1所述的复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，其特征在于，铸壳的型腔空间最大位置处与上环形浇道之间设置有冒口。
5.如权利要求1所述的复杂空间曲线形状部件的防变形熔模结构，其特征在于，直浇道的上部设置有浇口杯。
6.一种复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，包括：
根据铸件的结构特点、铸造方式、热处理过程，铸模采用笼式结构的防变形熔模结构，通过制模、制壳、焙烧制得防变形熔模结构；
在防变形熔模结构内浇铸复杂空间曲线形状部件，铸件、防变形熔模结构以整体进行热处理，热处理后采用机械的方式分散去除铸模，制得复杂空间曲线形状部件。
7.如权利要求6所述的复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，其特征在于，防变形熔模结构包括：上环形浇道、下环形浇道、随形浇道、铸壳、直浇道，多个随形浇道连接在上环形浇道、下环形浇道之间，随形浇道的型腔分别与上环形浇道、下环形浇道的型腔相连通；随形浇道与铸壳相连接，随形浇道的型腔与铸壳的型腔相连通；上环形浇道通过上环形内浇道连接直浇道，上环形浇道、直浇道的型腔分别连通上环形内浇道的型腔；下环形浇道通过下环形内浇道连接直浇道，下环形浇道、直浇道的型腔分别连通下环形内浇道的型腔。
8.如权利要求6所述的复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，其特征在于，在浇注时，钢液通过浇口杯、直浇道、下环形内浇道进入下环形浇道，随着型壳内钢液的上升，钢液从铸壳下部的随形浇道进入铸壳，钢液充满铸壳后再进入铸壳上部的随形浇道、上环形内浇道、上环形浇道，当钢液充满直浇道后停止浇铸，浇铸温度控制在1560～1580℃。
9.如权利要求6所述的复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，其特征在于，进行热处理前，去掉上部浇口杯，按立式位置摆放；正火热处理保温温度为900±10℃；调质热处理包括：淬火热处理、回火热处理，淬火热处理的保温温度为870±10℃，回火热处理的保温温度为620±10℃。
10.如权利要求6所述的复杂空间曲线形状部件的熔模铸造方法，其特征在于，铸壳的型腔为与复杂空间曲线形状部件的形状相适应，防变形熔模结构采用3D打印制模技术进行整体制模，材料为PS粉，制模材料的收缩率1.2-1.3％，脱蜡采用水浴脱蜡或蒸汽脱蜡，型壳焙烧使用连续式隧道窑进行焙烧；采用机械的方式分散去除防变形熔模结构以及与复杂空间曲线形状部件相连接的金属部件。
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