專利名稱：一種無模鑄型的數字化快速制造方法
技術領域：
本發明涉及一種普通砂型鑄造用的鑄型制造方法，特別涉及一種數字化驅動的快速制造 鑄型的方法，屬于鑄造，數控切削技術領域。
背景技術：
鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一，是機械工業重要的基礎工藝。鑄造行業是國 民經濟發展的重要基礎產業，是汽車、石化、鋼鐵、電力、造船、紡織、裝備制造等支柱產 業的基礎，是制造業的重要組成部份，其中，鑄型加工是鑄造生產中重要的組成部分，鑄型 的作用主要是成形，其質量的好壞直接影響最終鑄件的性能。隨著市場全球化以及競爭的不 斷加劇，產品更新換代的速度不斷加快，新產品的開發、研制、生產周期短、批量小、更新 快成為制造業的必然趨勢。那么如何在短時間內低成本的制造出精度高、合理的鑄型則成為 鑄造工作者研究的熱點和重點問題之一。于是鑄型的生產方法發生了顯著變化。在普通的砂 型制造中，從傳統的有模鑄型生產發展到無模鑄型是鑄造生產中的一次重大變革。有模鑄型生產需要工藝轉換，周期長，成本高，.且存在精度損失，難以制造出高精度、 表面質量好的鑄型，不能小批量大型鑄型的生產要求。目前的無模鑄型制造工藝是將快速成 形工藝與傳統的樹脂砂工藝相結合，該工藝雖突破了傳統鑄型制造工藝的許多障礙，使設計、 制造的約束條件大大減少，但仍存在著很多缺點。目前典型的CAD直接鑄型工藝主要有PCM (Patternless Casting Modeling)無模鑄型制造工藝、SLS (Selective Laser Sintering)選擇性激 光燒結工藝、3D-P (3-Dimensional Printing)工藝、DSPC直接殼型制造(Direct Shell Production Casting)工藝和德國Generis公司的GS工藝(Generis Sand)。快速成形技術是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱，其基本過程是首先設計出所需零件的計算機三維模型(數字模型、CAD模型)，然后根據工藝要求，按照一定的規律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向將其按一定厚度進行離散(習慣稱為分層)，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，自動生成數控代碼；最后由成形機成形一系列層片并自動將它們聯接起來，得到一個三維物理實體。快速成形之名稱是從英文RP (Rapid Prototyping)演變過來的，其英文詞意為快速原型。PCM工藝正是將RP理論引進到樹脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描噴射固化工藝，實現了無模型鑄型的快速制造。該工藝對樹脂砂的用量較大，粘結劑成份高，進而導致加工精度不高，且加工獲得的鑄型透氣性差，不適合于對透氣性要求高的大型鑄件的制造。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面，并刮平， 用高強度的C02激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面，材料粉末在高強度的激光照射下被 燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分連接。當一層截面燒結完后，鋪上新 的一層材料粉末，有選擇地燒結下層截面。受成形設備成形空間和成形速度的限制，只適合 于制造中小件，且對于單件小批量生產來說，成本高。該工藝產生有毒氣體，污染環境。3D-P (3-Dimensional Printing)工藝是采用逐點噴灑粘接劑來粘接粉末材料的方法制造原型。DSPC (Direct Shell Production Casting)工藝的造型的表面質量較高，但是對于大中型鑄件 的生產來說，需要價格高昂，體積龐大的加熱設備。GS(Generis sand)工藝路線是將砂粒鋪平之后，先用多通道噴頭向砂床均勻噴灑樹脂， 然后由一個噴頭依據輪廓路徑噴射催化劑，催化劑遇樹脂后發生膠聯反應，使鑄型層層固化 堆積成形。此工藝清砂困難，需特殊處理工序，影響砂型的精度和表面質量。總之，在現有技術中，對單件小批量生產的大型鑄件來說，基于快速成形的無模鑄型制 造技術，設備成本高，產品開發成本高，不能滿足客戶的總體需求。發明內容本發明的目的在于提供一種快速制造鑄型的方法，該方法省去模具制造環節，提高了零 件交貨期，節省了原材料，降低了鑄件厚度，提高了鑄型的加工精度。解決了制約鑄造行業 敏捷化、高精度化的技術瓶頸。本發明提供的快速制造鑄型方法，其步驟主要包括a) 根據鑄件工藝圖，利用三維CAD造型軟件構建零件三維實體模型；b) 利用鑄造模擬仿真軟件，建立澆注系統，模擬鑄造工藝過程并評定優化，根據模擬的結果分析，如果合理則執行步驟c,不合理返回到步驟a; C)型砂配制和砂塊制作；d) 編制加工程序，輸入數控砂型數控機床；e) 砂坯置于工作臺上，由砂型數控機床加工出所需的鑄型、砂芯；f) 清理及檢測鑄型；g) 下芯、鑄型裝配；h) 澆鑄。采用本發明方法加工鑄型，具有數字化、精密化、柔性化、綠色化等特點。其技術效具體敘述如下(1) 在計算機三維造型及鑄造模擬仿真的基礎上，利用數控機床直接切削加工出鑄型， 最后組型就可直接澆注。該方法實現了鑄型設計、加工及澆鑄的一體化，簡化工藝，縮短了 加工時間，能夠與鑄造生產實現無縫連接。(2) 數控機床可以加工各種各樣的空間曲面，以及各種細小結構，能夠在型砂砂坯上直 接加工出復雜、精細的內部型腔結構，實現精密鑄造。(3) 該方法省去模具制造過程，大大縮短鑄型加工周期，產品開發和上市時間。為單件、 小批量、大型鑄件的制造提供了一種全新的加工方法。(4) 該方法的整個加工過程是在封閉的環境中進行的，無廢氣或粉塵污染，解決了傳統鑄型加工車間廢氣、粉塵污染嚴重的問題，而且使用該方法切削產生的廢料可以二次利用， 作為下批鑄型的制造原料，節約了原材料。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 圖1為現有技術中無模鑄型制造方法的分類圖2為本發明的無模鑄型的快速制造工藝流程圖。
具體實施方式
下面通過兩個實施例對本發明做詳細的說明，但不作為對本發明的限定。 實施例一利用本發明制造一個20X20X30mra的立方體鑄型型腔。(1) 利用計算機建立20X20X30mm的立方體；(2) 根據零件的大小，確定砂坯尺寸，并利用鑄造模擬仿真軟件，建立該澆鑄系統方 案，確定分為上、下兩個砂坯，無需砂芯；(3) 采用原砂粒度為50/80和100/200的水洗砂按照1: 2的比例混合，固化劑加入量 占樹脂50%，樹脂加入量占水洗砂的1.5%，混制型砂是應先加固化劑；(4) 根據所要加工的輪廓，編制數控程序，切削出的鑄型深度為15mm,其加工的工藝 參數為進給量F是100mm/min,銑刀的轉速為640r/mim(5) 驅動數控機床進刀，加工所需的輪廓形狀，本實施例中，需加工兩個同樣的鑄型 的型腔，深度為15咖；(6) 清理及檢測鑄型；(7) 組型，形成所需鑄型；(8)澆注，形成鑄件。 實施例二利用本發明制造一個60X60X40mm長方體，在60X60mm的面上是一個直徑 為30mm的通孔。(1) 利用三維造型軟件建立60X60X40mm的立方體，并打直徑為30mm的通孔；(2) 根據零件的大小，確定砂坯尺寸，并在鑄造模擬仿真軟件里建立該澆鑄系統方案， 確定分為上、下兩個砂坯，無需砂芯；(3) 采用原砂粒度為30/50的陶瓷粉和50/80的水洗砂按照3: 1的比例混合，固化劑 加入量占樹脂50%，樹脂加入量占水洗砂的3%;(4) 根據所要加工的輪廓，編制數控程序，加工的工藝參數是進給量F是80mm/min, 銑刀的轉速為640r/min;(5) 驅動數控機床進刀，加工所需的輪廓形狀，本實施例中，需加工兩個同樣的鑄型 的型腔，深度為20mm;(6) 清理及檢測鑄型；(7) 組型，形成需鑄型；(8) 澆注，形成鑄件。
權利要求
1. 一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，包括如下步驟a)根據鑄件工藝圖，利用三維CAD造型軟件構建零件三維實體模型；b)利用鑄造模擬仿真軟件，建立澆注系統，模擬鑄造工藝過程并評定優化，根據模擬的結果分析，如果合理則執行步驟c，不合理返回到步驟a；c)型砂配制和砂塊制作；d)編制加工程序，輸入數控砂型數控機床；e)砂坯置于工作臺上，由砂型數控機床加工出所需的鑄型、砂芯；f)清理及檢測鑄型；g)下芯、鑄型裝配；h)澆鑄。
2、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述型砂砂坯由原砂、粘結劑、固化劑及添加劑所組成，粘結劑、固化劑及添加劑的比例范圍分別為粘結劑加入量占原砂的1%-3%，固化劑占樹脂重量的20%—60%，添加劑占樹脂重量的 0.1%-5%。
3、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述原砂是 石英質砂或非石英質砂。
4、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述粘結劑 根據所配的原砂特性，可以是粘土、水玻璃、樹脂。
5、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述固化劑 根據所配的原砂性能和所用粘結劑類型，可以是烏洛托品、氯化銨、三乙胺、二甲基乙胺、 磷酸。
6、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述添加劑 根據所配制的型砂、粘結劑、固化劑的種類，可以是淀粉、木屑、膨潤土、氧化鐵粉、硼 砂、尿素。
7、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述型砂砂 坯是根據所需成型鑄件的性能要求，采用不同比例配制，如需制造鑄鐵件，采用的比例為 粘結劑加入量占原砂的1.5%，固化劑占樹脂重量的40%，氧化鐵粉占樹脂重量的4%。
8、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，所述鑄型加 工由計算機自動控制加工的路徑。
9、 根據權利要求1所述的一種無模鑄型的數字化快速制造方法，其特征在于，澆鑄系統的 設計與優化采用鑄造模擬仿真軟件來實現。
全文摘要
本發明公開了一種普通砂型鑄造用的鑄型制造方法，屬于一種數字化驅動的快速制造鑄型的技術。它的工藝步驟是建模、建立澆鑄系統，模擬鑄造工藝過程并評定優化；根據鑄件性能要求，混制一定比例的型砂，制成砂坯；根據加工型腔的形狀，編制程序代碼，輸入到砂型數控機床；鑄型和型芯的加工；清理及檢測鑄型；下芯，鑄型裝配；澆注，形成鑄件。本發明采用了鑄造與和切削加工技術有機結合起來，是一種全新的鑄型生產方法。采用數控切削技術，直接加工復雜大型鑄型，既省去了模具制造環節，又提高了鑄型的加工精度，使鑄件的厚度降低、剛性提高、重量減輕，且該方法具有節約材料、降低能源消耗的綠色化優點。
文檔編號G05B19/4093GK101259526SQ20071014283
公開日2008年9月10日 申請日期2007年7月31日 優先權日2007年7月31日
發明者單忠德, 麗 戰, 董曉麗 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心