無木模砂型製造方法
2023-05-31 15:24:51
專利名稱：無木模砂型製造方法
技術領域：
本發明涉及一種砂型製造方法，尤其涉及一種不使用木模來製造砂型的方法。
背景技術：
鑄造工業中，採用砂型澆鑄熔化的高溫液態金屬以獲得合格的鑄件是主要的工藝方法；採用陶瓷型則是次要的工藝方法，前者約佔70％；後者僅佔30％。因而砂型的製造工藝(俗稱翻砂)是工業界，特別是金屬成形加工界極為關注的工藝方法。砂型鑄造廣泛應用於汽車工、工具機工業、重型機器、航空工業、電機及氣輪機、燃氣機、造船等極為重要的工業領域。如何設計和製造性能優良的砂型(發氣量小，耐火度高，強度、潰散性和透氣性好，成本低廉等)一直是學術界和工業界進行研究的課題。
上世紀80年代中期研製出快速原型(RP-Rapid Prototyping)技術，該技術將成形件(如砂型、非金屬和金屬零件等具有功能的三維實體)進行分層離散(在計算機中，採用專用數據處理軟體完成)，獲得材料微滴組裝(堆積)模型，通過專用設備(RP等設備)，根據已獲得的堆積模型，在計算機控制下堆積材料微滴而成形。
砂粒(如水洗砂、擦洗砂等)是離散的固體顆粒狀物質，其平均直徑為70～400μm。如將粘結劑(如樹脂等)和催化劑(又稱固化劑)裹覆砂粒，則隨著粘結劑與固化劑固化反應，粘結劑逐漸強化而將各砂粒固結在一起而形成固態的結構——三維實體。如圖1所示，砂粒外表面被粘結劑和固化劑所裹覆，隨著自硬反應的進行，裹覆層強度提高形成足以連接兩粒砂的連接膜，從而使整個砂粘連接起來。
如不採用固化劑(催化劑)僅用粘結劑(如膠，樹脂等)，交聯反應地粘結砂粒則強度很低，無法獲得澆鑄鋼(鐵)水所需的機械強度和耐熱強度。但被粘結的三維結構可作為所設計零件的原型，即快速原型使用，這就是美國麻省理工學院(MIT)機械系教授Dr.Sachs的專利——3DP，其成形的材料、原理與目的均與本發明不同(1)3DP使用粉末材料，顆粒細小，其直徑約為Φ≈10～20μm；本發明材料為砂粒，顆粒比較粗大為型砂，Φ≈100～200μm；(2)3DP粉末通過粘結劑粘在一起，成形件不具備抵抗高溫液態金屬的衝擊力，無耐火度可言；本發明砂粒(型砂)通過固化劑與粘結劑的縮和/聚合反應而被牢固地粘結、固化在一起而形成鑄型，可以承受鋼水的衝刷，具有很高的強度和很好的耐火度；(3)3DP製造三維原型，此原型可作為設計檢驗的模型，或進一步加工成機器零件和生物製品；本發明在於製造可直接用於鑄件生產(澆鑄)的砂型。
傳統的自硬樹脂砂工藝通過自硬過程固化砂粒，製造鑄型，如圖2所示。
自硬樹脂砂是通過木模來獲得砂型的尺寸，形狀和精度，因而首先需根據鑄件圖設計木模，再通過加工，裝配和檢驗等工序獲得與鑄件相對應的木模。
將型砂與粘結劑和固化劑在攪拌機中充分混合均勻，使混合均勻的尚未固化的型砂很方便地注入置於砂箱中之木模的四周，經充砂，填實等工序便形成以木模為依託的型腔。經充分地固化膠聯後翻轉砂箱，取出木模便獲得所要求砂型的主要部分——型腔，再下芯和澆冒口安裝、合箱等便成為可供澆鑄的鑄型。
此類自硬樹脂砂工藝在生產中已應用了許多年，是當代精密砂型鑄造的主要工藝方法。
由圖2之流程可清楚看出，由於對於木模的需要，使該工藝喪失了寶貴的「柔性」，即使生產一個鑄件，也需要設計製造一個木模，而木模的設計製造常需佔用許多時間。特別對大型鑄件，木模的設計製造周期長，往往木模製造佔用1～2個月時間；造型(用木模和型砂完成可供澆鑄的砂型之過程)則需5～10天時間；澆鑄4個小時(包括一定的輔助工作)；清砂2-3天。可見木模的設計和製造佔用了生產周期的絕大部分。對小批量、單件、多品種的鑄造生產，特別是重型機械生產，木模製造是制約生產發展的主要因素。在大批量鑄件生產的試製階段(如汽車缸體，缸蓋等鑄件大批量生產的試製階段)，由於產品尚未定型，更改結構和尺寸是極為普遍的，此時木模對試製的制約也是十分明顯的，木模往往成為產品研發速度的限制因素之一。現代產品生產，生命周期不斷縮短，批量越來越小，品種花色種類要求迅速跟上市場需求變化，甚至出現像汽車這種大型消費品的個性化需求。鑄件生產的柔性化要求已成為工業界普遍追求的目標，省略木模，直接由鑄型CAD模型獲得鑄型，已正是為適應學術界、工業界和市場需求的發明。
發明內容
本發明將基於離散/堆積成形原理的快速原型(RP-RapidPrototyping)方法與型砂自硬固化原理相結合提出一種新的砂型製造原理和方法，根據鑄型CAD模型，無需木模，選擇性地將砂粒通過縮和/聚會反應固化連接，直接形成鑄型，為砂型的製造自動與CAD/CAE和信息技術相集成開創一條新路。
為了實現上述目的，本發明涉及一種無木模砂型製造方法，該方法包括以下步驟利用計算機構建出所要製造的砂型的CAD模型；通過多個噴頭沿著由砂型的CAD模型所規定的掃描路徑分別噴射出砂粒、粘結劑以及固化劑，從而形成一層固化的砂層；並且通過多個噴頭根據所述砂型的CAD模型以上述方式不斷形成砂層，直到將多層砂層堆積形成最終的砂型。
可選的是，首先將砂粒和粘結劑混合，然後通過不同噴頭來噴射砂粒-粘結劑混合物以及固化劑。
或者，可以無需進行預先混合，分別通過不同噴頭噴射砂粒、粘結劑和固化劑。
另外，可以根據粘結劑與固化劑粘度與滲透性的差異，從而同時或者依次通過不同噴頭噴射粘結劑和固化劑。
另外，噴射固化劑可以是連續進行的或者離散進行的。
圖1為砂粘連接示意圖，顯示出由粘結劑和固化劑粘接在一起的兩粒砂子；圖2為用於精密砂型鑄造的自硬樹脂砂造型工藝的流程圖；圖3為微滴受控組裝過程與自硬固化過程相結合的示意圖；圖4為膠聯固化組裝(堆積)的製造示意圖；並且圖5為幹砂直接自硬固化的示意圖。
具體實施例方式
無木模鑄型製造工藝(PCM-Patternless Casting Manufacturing)將快速原型(RP)原理的微滴受控組裝(堆積)過程與固化劑與粘結劑的自硬強化過程結合起來，形成砂粒的受控選擇性自硬固化之獨特工藝方法，如圖3所示上圖中，微粒即RP原理中的微滴，它是表面均勻裹覆了粘結劑(樹脂)的砂粒(型砂)，當催化劑噴射到此種型砂之上後，即刻發生固化作用而互相連接在一起。隨著催化劑噴頭的掃描，噴射催化劑，所到之處即固化，如此便可完成一個層面上的選擇性固化。在其上再鋪一層型砂，重複上面的步驟直至完成複雜的三維實體——鑄型之型腔和型芯。鑄型成形過程見圖4所示圖4左圖中，1為砂層，其中的砂粒雖然裹覆了粘結劑，但如沒有催化劑的固化作用，它們仍無法互相連接在一起，無法完成微粒組裝過程，因而無法形成三維結構。催化劑3通過噴頭4噴出。採用RP的數據處理系統(生成噴射的路徑)和數控掃描系統，適時地啟動噴頭沿計算機中生成的路徑進行催化劑噴射，可使催化劑3沿規定的路徑，按要求的數量，連續或離散地噴射。路徑以外的砂層不被噴射，這就是選擇性噴射。在被噴射了催化劑(固化劑)的路徑上，發生固化反應，立刻固化粘結，從而使微粒「組裝」在一起進行堆積成形過程。正是離散/堆積過程與固化過程的結合，才完成一層鑄型之製造，如此過程反覆進行，即層層固化就形成一個鑄型。圖4右圖為所完成鑄型型腔之1/4。
上述過程可清楚地看出，木模的設計、加工等過程已完全地省去，充砂造型過程由鋪砂、噴射催化劑的自動化過程所代替，大大提高鑄型製造的柔性和自動化程度。
圖5顯示了另一類固化方式——幹砂直接固化，即用兩個裝在RP掃描系統上的噴頭1和2，前者噴射粘結劑，後者噴射固化劑(催化劑)。噴頭的安裝使兩股被噴出的射流匯集在掃描路徑上(某一移動點上)，該處的砂粒被粘結劑和固化劑所覆蓋和包裹，由於粘結劑與固化劑的縮和/聚合反應將掃描路徑上的砂粒固化在一起。該固化方式的特點在於取消了砂粒預先裹覆粘結劑的混砂過程，直接用幹砂造型；此外需特殊性能的粘結劑必須具有良好的噴射黏度和裹覆性能，燃燒時的發氣量小。對於此種方式又可細分為「同時匯集」、「先後匯集」以及「重複掃描匯集」三種掃描方式，如圖5所示圖5-a中，噴頭1為粘結劑噴頭，噴頭2為固化劑噴頭。在控制軟體控制下，該兩噴頭同時按指令沿掃描路徑噴射，在掃描路徑中，即刻發生固化反應，即「同時匯集」掃描方式。
顯然，掃描機構應保證噴頭1和噴頭2的速度相等，即Vx＝Vx′Vy＝Vy′為保證掃描軌跡的光順性和等寬，噴頭1和噴頭2中心之連線(即兩射流束的中心連線)N-N應適時與掃描路徑垂直。當掃描路徑方向改變時，中心連線方向也隨之改變，如從N-N變為N′-N′，顯然噴頭除了X、Y方向運動外，還應有旋轉運動。
圖5-b中，噴頭中心連線N-N始終保持在與掃描路徑相切的方向上。此種方式優點在於噴射之射流與砂層面垂直。對砂粒的固化來說，先接受粘結劑/固化劑(噴頭1在掃描路徑前進方向的前端)，後接受固化劑/粘結劑(噴頭2在掃描路徑前進方向的後端)，這就是「先後匯集」掃描方式。
為了省略噴頭的旋轉運動(使數據系統簡化)，可先啟動噴頭1(關閉噴頭2)，按掃描路徑掃描(圖5-b)；然後再啟動噴頭2，關閉噴頭1，按與噴頭1相同的路徑或略加修改的路徑(考慮到粘結劑與固化劑粘度與滲透性的差異，掃描路徑略有不同)重複掃描一次。當兩次掃描完成後，即沿掃描路徑發生固化，這就是「重複匯集」掃描方式。
對於本領域技術人員來說可以有其他的優點和改進。因此，本發明在其廣義的方面不限於此處所示和所描述的細節和代表性實施方案。因此，可以在不脫離本發明如所附權利要求和其等同方案所限定的精神或範圍的情況下對本發明作出各種改進。
權利要求
1.一種無木模砂型製造方法，該方法包括以下步驟利用計算機構建出所要製造的砂型的CAD模型；通過多個噴頭沿著由砂型的CAD模型所規定的掃描路徑分別噴射出砂粒、粘結劑以及固化劑，從而形成一層固化砂型；並且通過多個噴頭根據所述砂型的CAD模型以上述方式不斷重複形成砂型層，直到將多層砂層堆積形成最終的砂型。
2.如權利要求1所述的無木模砂型製造方法，其中將砂粒和粘結劑混合在一起，然後通過一個噴頭噴射出。
3.如權利要求1所述的無木模砂型製造方法，其中噴射砂粒、粘結劑和固化劑是利用各個噴頭依次噴射出。
4.如權利要求1所述的無木模砂型製造方法，其中首先噴射出砂粒，然後通過兩個噴頭同時噴射粘結劑和固化劑。
5.如權利要求1至4中任一項所述的無木模砂型製造方法，其中噴射固化劑是連續進行的。
6.如權利要求1至4中任一項所述的無木模砂型製造方法，其中噴射固化劑是離散進行的。
全文摘要
本發明將基於離散/堆積成形原理的快速原型(RP－Rapid Prototyping)方法與型砂自硬固化原理相結合提出一種新的砂型製造原理和方法，根據鑄型CAD模型，無需木模，選擇性地將砂粒通過縮和/聚會反應固化連接，直接形成鑄型，為砂型的製造自動化與CAD/CAE和信息技術相集成開創一條新路。
文檔編號B22C9/00GK1593811SQ03157060
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月12日 優先權日2003年9月12日
發明者顏永年, 郭戈, 楊偉東, 唐果林, 林峰, 張人佶, 盧清萍, 吳任東, 顏旭濤 申請人:北京殷華雷射快速成形與模具技術有限公司