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文档序号:36175548发布日期:2023-11-25 00:43阅读:50来源:国知局
一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法

1.本发明涉及铸造技术领域,具体为一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法



背景技术:

2.近年来随着世界工业化程度的快步发展,对铸造产业的需求越来越大,传统铸造由于采用树脂或膨润土

煤粉等作为型砂粘结剂,工作环境充斥着灰尘

树脂未完全燃烧造成的废气等,更是产生了大量的工业废物,不仅污染环境,损害工人身体健康,其后期回收处理的成本也不容小觑

3.冷冻铸造是一种绿色铸造技术,利用水作为唯一的粘结剂,造型时粉尘少,浇铸时不产生有害废气,可以有效地解决铸造环境污染严重的问题,符合国家所提出的绿色发展理念

但是在冷冻铸造工艺中,还存在着冷冻铸型的快速解冻而引起冲砂

夹砂缺陷等问题,传统铸造用涂料,绝热性差,铸型溃塌早,高温透气性差,耐温度变化性能不佳,易产生气孔

冷隔等缺陷,使得铸件表面质量不佳,不适用于精密铸件的成型,影响铸件质量,不适合大规模大批量生产



技术实现要素:

4.为解决现有技术存在的问题,本发明的主要目的是提出一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法

5.为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
6.一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法,包括如下步骤:
7.s1.
对铸件结构进行分析

分块,确定需采用的铸型;
8.s2.
填砂;
9.s3.
进行石膏造型和冷冻造型;
10.s4.
配置涂料和粘结剂,喷涂涂料并装配组合得到铸型;
11.s5.
浇铸得到铸件

12.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s1
中,首先对铸件的外型结构进行分析,壁薄

复杂部位采用石膏型,壁厚

简单部位采用冷冻砂型,然后依据外型分块原则进行分块设计;然后对铸件的内腔结构进行分块设计,壁薄

多孔

复杂部位采用石膏型,其余壁厚

简单部位采用冷冻砂型

在本发明中,壁薄部位是指铸件壁的厚度
≤7mm
的部位,壁厚部位是指铸件壁的厚度>
7mm
的部位,复杂部位是指铸件有复杂的回转曲面

复杂的内腔结构或者复杂的镂空点阵结构等部位;简单部位是指铸件外皮的面组成简单

无内腔等部位

13.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s2
中,在模底板上砂箱内安放模型,在砂箱内铺型砂,型砂量取决于模具大小,填砂高度
≥20cm
,简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充;型砂采用二氧化硅砂,加入粘土增加型砂粘合性,型砂中水分含量为
3~5wt%
,粘土含量为
3~10wt%。
14.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s3
中,石膏造型采用基于
sls
的石膏型熔模铸造工艺,石膏造型采用的石膏浆料,按质量百分比计,包括,
26~31wt%
的石膏粉
、14~21wt%
的铝矾土
、16~20wt%
的铝矾土砂
、5~10wt%
的滑石粉
、7~15wt%
的石英粉,
32~35wt%
的水

15.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s3
中,冷冻造型采用液氮渗流气冲造型方法,液氮与型砂的质量比为
0.5~1.0:1
,液氮流速控制在
25-30ml/s。
16.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,分别制备冷冻砂型涂料与石膏型涂料,采用机械喷涂的方法分别将对应的涂料喷涂在冷冻砂型表面与石膏型表面,并在石膏型与冷冻砂型的连接部分涂刷一层粘结剂,进行装配组合得到铸型

17.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,冷冻砂型涂料以水为载体,以云母

滑石粉

空心微珠为耐火骨料,钠基膨润土为悬浮剂,配以羟甲基纤维素的水玻璃为粘结剂

18.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,石膏型涂料以水基涂料为载体,滑石粉为耐火骨料,钠基膨润土为悬浮剂,硅溶胶为粘结剂,添加
op-10
作为活性剂

19.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,喷涂石膏型涂料的厚度为
0.4~0.6mm
,石膏型涂料的喷涂温度为
160~200℃
,喷涂涂料后烘干
10min
,喷涂冷冻砂型涂料的厚度为
0.2~0.5mm
,冷冻砂型涂料的喷涂温度为-20~0℃
,喷涂涂料后烘干
5min。
20.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,粘结剂的组成以质量百分比计,包括,
5~20wt%
的硅酸乙酯
40

40~65wt%
的硅溶胶
sw-30

28~29wt%
的无水酒精,
1~2wt%
的水

21.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s5
中,浇铸采用电磁充型的方式,通过电泵将金属液输送到浇铸口,使金属液缓缓流入冷冻砂型与石膏型组合的铸型中,待金属液冷却后,取出铸件

22.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s5
中,取出铸件后分别对冷冻砂型与石膏型进行清理,清理冷冻砂型采用冲水落砂的方式,清理石膏型则先浸泡再进行冲水清洗

23.本发明的有益效果如下:
24.本发明提出一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法,铸件的壁薄

复杂部位等精密部位采用石膏型铸造的方法,其余部位采用冷冻砂型铸造的方法,石膏型弥补冷冻砂型中精密部位型砂易溃散的缺陷,有利于浇铸后精密部位的冷却成型;将石膏型与冷冻砂型进行装配组合,得到性能优良且尺寸精度高的铸型,冷却速率快

造型时间短,能满足复杂精密铸件的生产需要,更有利于提高铸件的精密程度

附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图

26.图1为本发明冷冻砂型与石膏型分解示意图

27.1-冷冻砂型,
2-石膏型

28.本发明目的的实现

功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明

具体实施方式
29.下面将结合实施例中的技术方案进行清楚

完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例

基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围

30.根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
31.如图1所示,一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法,包括如下步骤:
32.s1.
对铸件结构进行分析

分块,确定需采用的铸型;
33.s2.
填砂;
34.s3.
进行石膏造型和冷冻造型;
35.s4.
配置涂料和粘结剂,喷涂涂料并装配组合得到铸型;
36.s5.
浇铸得到铸件

37.优选的,所述步骤
s1
中,首先对铸件的外型结构进行分析,壁薄

复杂部位采用石膏型2,壁厚

简单部位采用冷冻砂型1,然后依据外型分块原则进行分块设计,外型分块原则为:第一,壁厚部位尽量全部放入冷冻砂型1中成型,薄壁

复杂部位应尽量放入石膏型2内部;第二,冷冻砂型1和石膏型2的分型面尽量选取在铸件最大截面处;第三,尽量减少分型面的数目;第四,分型面尽量选取平面,如果特殊的需要通过曲面分型,该曲面应尽量避开重要承力面;然后对铸件的内腔结构进行分块设计,壁薄

多孔

复杂部位采用石膏型2,其余壁厚

简单部位采用冷冻砂型1;内腔分块原则为:第一,应注意要利于简化分块型芯的结构;第二,方便芯模设计制造并采用冷冻成型芯制造;第三,芯块拼接面积尽量小;第四,分块面尽量避免在型芯圆弧面上

在本发明中,壁薄部位是指铸件壁的厚度
≤7mm
的部位,壁厚部位是指铸件壁的厚度>
7mm
的部位,复杂部位是指铸件有复杂的回转曲面

复杂的内腔结构或者复杂的镂空点阵结构等部位;简单部位是指铸件外皮的面组成简单

无内腔等部位

38.优选的,所述步骤
s2
中,在模底板上砂箱内安放模型,在砂箱内铺型砂,型砂量取决于模具大小,填砂高度
≥20cm
,简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充;型砂采用二氧化硅砂,加入粘土增加型砂粘合性,型砂中水分含量为
3~5wt%
,粘土含量为
3~10wt%。
39.优选的,所述步骤
s3
中,石膏造型采用基于
sls
的石膏型熔模铸造工艺,首先根据
sls
烧结的要求,将铸件转换成
cad
模型,对模型进行收缩量补偿

余量添加等处理,然后将其转为烧结设备所用的
stl
格式,最后输出加工代码,用烧结设备进行
sls
烧结及后处理,得到
sls
蜡模,在
sls
蜡模上添加合适的浇冒口,组装并固定于灌浆用的砂箱平板上,真空下将石膏浆料灌入,浆料凝结

干燥后,经熔模

烘干

焙烧,成为石膏型
。cad
模型处理特征在于,
收缩量补偿

余量添加等,可根据试验效果和查阅铸造手册来综合考虑;
stl
精度取
0.03~0.09mm
较合适

切片层厚设定为
0.3mm
,高度方向补偿
0.2mm。
激光扫描间距为
0.2 mm
,水平方向采用交叉扫描路径
。sls
烧结及后处理特征在于,烧结环境温度约
25℃
,激光能量为最大激光功率
40w

30%
,烧结完成后,冷却
30~40min
取出

石膏造型采用的石膏浆料,按质量百分比计,包括,
26~31wt%
的石膏粉
、14~21wt%
的铝矾土
、16~20wt%
的铝矾土砂
、5~10wt%
的滑石粉
、7~15wt%
的石英粉,
32~35wt%
的水

40.优选的,所述步骤
s3
中,冷冻造型采用液氮渗流气冲造型方法,具体为打开小气冲阀,通过液氮冲入口向砂箱中冲入液氮,采用保温装置保证冲入液氮温度
≤-130℃
,关闭小气冲阀,静置
3~4min
,使液氮充分渗入型砂缝隙中

液氮与型砂的质量比为
0.5~1.0:1
,液氮流速控制在
25-30ml/s。
液氮冲入可能在小气冲阀中有残余,通过小气冲预紧实可以完全排出

小气冲采用的压缩空气的气压为
5~20mpa
,压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为
100~200mpa/s
,气冲
3~5s
完成小气冲预紧实

大气冲采用的高压空气的气压为
20~30mpa
,高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为
150~250mpa/s
,气冲
5~10s
完成大气冲紧实

41.优选的,所述步骤
s4
中,分别制备冷冻砂型涂料与石膏型涂料,采用机械喷涂的方法分别将对应的涂料喷涂在冷冻砂型1表面与石膏型2表面,并在石膏型2与冷冻砂型1的连接部分涂刷一层粘结剂,进行装配组合得到铸型

42.作为本发明所述的一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法的优选方案,其中:所述步骤
s4
中,冷冻砂型涂料以水为载体,以云母

滑石粉

空心微珠为耐火骨料,钠基膨润土为悬浮剂,配以羟甲基纤维素的水玻璃为粘结剂

以耐火骨料的质量百分比计,所述耐火骨料中含有
25~30wt%
的云母
、10~15wt%
的空心微珠和
60~65wt%
的滑石粉;以耐火骨料为基准,相对于
100
质量份的耐火骨料,该涂料还含有钠基膨润土
14
份,水玻璃
11
份,涂料的载液为水

43.优选的,所述步骤
s4
中,石膏型涂料以水基涂料为载体,滑石粉为耐火骨料,钠基膨润土为悬浮剂,硅溶胶为粘结剂,添加
op-10
作为活性剂

所述耐火骨料为滑石粉,以耐火骨料为基准,相对于
100
质量份的耐火骨料,该涂料还含有钠基膨润土
10
份,硅溶胶5份,
op-10 1
份,涂料的载液为水

44.优选的,所述步骤
s4
中,采用机械喷涂的方式,喷涂误差控制在
±
0.005mm
,喷涂石膏型涂料的厚度为
0.4~0.6mm
,石膏型涂料的喷涂温度为
160~200℃
,喷涂涂料后烘干
10min
,喷涂冷冻砂型涂料的厚度为
0.2~0.5mm
,冷冻砂型涂料的喷涂温度为-20~0℃
,喷涂涂料后烘干
5min。
45.优选的,所述步骤
s4
中,粘结剂的组成以质量百分比计,包括,
5~20wt%
的硅酸乙酯
40

40~65wt%
的硅溶胶
sw-30

28~29wt%
的无水酒精,
1~2wt%
的水

46.优选的,所述步骤
s5
中,浇铸采用电磁充型的方式,通过电泵将金属液输送到浇铸口,使金属液缓缓流入冷冻砂型与石膏型组合的铸型中,待金属液冷却后,取出铸件

金属液为铝液时,浇铸时铝液温度控制在
720~740℃
,电磁泵电流大小为
1400~1600a
,工作时间为
10s
,充型压力为
0.018mpa。
47.优选的,所述步骤
s5
中,取出铸件后分别对冷冻砂型与石膏型进行清理,清理冷冻砂型采用冲水落砂的方式,清理石膏型则先浸泡再进行冲水清洗

冷冻砂型采用水力清砂,
采用分段式多级离心泵,工作压力范围在
2.5~7mpa
,水流量控制在
20~30m
³
/h
,石膏型则先放入清水浸泡
10~20min
,后采用
0.1~0.5mpa
的高压水对残余的石膏浆料进行冲洗

48.以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明

49.实施例150.本实施例提供一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法,包括如下步骤:
51.s1.
对铸件结构进行分析

分块:首先对铸件的外型结构进行分析,若铸件外型结构复杂且壁厚程度相差大等,则采用冷冻铸造与石膏型铸造结合的方法成形,即壁薄

复杂部位采用石膏型铸造方法成形,壁厚

简单部位采用冷冻铸造方法成形,然后依据外型分块原则进行分块设计

接着对铸件内腔结构进行分块设计,分块设计也遵循壁薄

多孔

复杂部位采用石膏型铸造方法成形,其余壁厚

简单部位采用冷冻铸造方法成形

52.s2.
填砂:型砂采用二氧化硅砂,加入粘土增加型砂粘合性,型砂中水分保持在
4wt%
,粘土含量为
6.8wt%。
53.s3.
进行石膏造型和冷冻造型:石膏造型采用基于
sls
的石膏型熔模铸造工艺,首先根据
sls
烧结的要求,将铸件转换成
cad
模型,对模型进行收缩量补偿

余量添加

等处理,然后将其转为烧结设备所用的
stl
格式,最后输出加工代码,用烧结设备进行
sls
烧结及后处理,得到
sls
蜡模,在
sls
蜡模上添加合适的浇冒口,组装并固定于灌浆用的砂箱平板上

真空下将石膏浆料灌入,浆料凝结

干燥后,经熔模

烘干

焙烧,成为石膏型壳
。cad
模型处理特征在于,收缩量补偿

余量添加等,可根据试验效果和查阅铸造手册来综合考虑;
stl
精度取
0.06mm
较合适

切片层厚设定为
0.3mm
,高度方向补偿
0.2mm。
激光扫描间距为
0.2 mm
,水平方向采用交叉扫描路径
。sls
烧结及后处理特征在于,烧结环境温度约
25℃
,激光能量为最大激光功率
40w

30%
,烧结完成后,冷却
35min
取出

54.s4.
在工作台上放置沙箱及制作好的冷冻砂型,将制作好的石膏型底部涂刷一层粘结剂,并装配到相应位置完成与冷冻砂型的组合,然后分别使用机械喷涂的方式,将石膏型表面及冷冻砂型表面喷涂对应的涂料

所述冷冻砂型涂料中耐火骨料中的云母含量为
25wt%
,空心微珠的含量为
15wt%
,滑石粉的含量为
60wt%。
所述石膏型涂料中,耐火骨料为滑石粉,以耐火骨料为基准,相对于
100
质量份的耐火骨料,该涂料还含有钠基膨润土
10
份,硅溶胶5份,
op-10 1
份,涂料的载液为水

所述喷涂方式中冷冻砂型涂料的厚度为
0.35mm
,冷冻砂型表面喷涂温度为-10℃
,喷涂涂料后烘干
5min。
所述喷涂方式中石膏型涂料的厚度为
0.45mm
,石膏型表面喷涂温度为
175℃
,喷涂涂料后烘干
10min。
所述粘结剂中硅酸乙酯
40
含量为
15wt%
,硅溶胶
sw-30
含量为
55wt%
,无水酒精含量为
28.5wt%
,水分保持在
1.5wt%。
55.s5.
浇铸采用电磁充型的方式,通过电泵将金属铝液输送到浇铸部位,使金属铝液缓缓流入冷冻砂型与石膏型组合的铸型中,待金属铝液冷却后,取出铸件,然后分别对冷冻砂型与石膏型进行清理,清理时冷冻砂型采用冲水落砂的方式,石膏型则先浸泡再进行冲水清洗

浇铸时所用的金属铝液的温度为
730℃
,电磁泵电流为
1500a
,工作时间为
10s
,充型压力为
0.018mpa。
所述冷冻砂外型的水力清砂的工作压力为
3.5mpa
,水流量为
22m
³
/h。
所述石膏型浸泡时间为
12min
,石膏型冲洗水压为
0.2mpa。
56.采用实施例1所述铸型实现变壁厚的铝合金铸件的浇铸,在铸型型腔内采用喷涂方法,均匀喷涂粘结剂,将金属铝液倒入铸型,金属铝液在铸型中凝固成壳,待外面成壳以后,迅速在冷冻铸型壁厚部位喷射冷却剂,以溶解的方式使冷冻铸型壁厚部位快速溶解溃
散落砂

57.实施例258.本实施例提供一种冷冻砂型与石膏型结合的铸造方法,包括如下步骤:
59.s1.
对铸件结构进行分析

分块:首先对铸件的外型结构进行分析,若铸件外型结构复杂且壁厚程度相差大等,则采用冷冻铸造与石膏型铸造结合的方法成形,即壁薄

复杂部位采用石膏型铸造方法成形,壁厚

简单部位采用冷冻铸造方法成形,然后依据外型分块原则进行分块设计

接着对铸件内腔结构进行分块设计,分块设计也遵循壁薄

多孔

复杂部位采用石膏型铸造方法成形,其余壁厚

简单部位采用冷冻铸造方法成形

60.s2.
填砂:型砂采用二氧化硅砂,加入粘土增加型砂粘合性,型砂中水分保持在
5wt%
,粘土含量为
5.5wt%。
61.s3.
进行石膏造型和冷冻造型:石膏造型采用基于
sls
的石膏型熔模铸造工艺,首先根据
sls
烧结的要求,将铸件转换成
cad
模型,对模型进行收缩量补偿

余量添加

等处理,然后将其转为烧结设备所用的
stl
格式,最后输出加工代码,用烧结设备进行
sls
烧结及后处理,得到
sls
蜡模,在
sls
蜡模上添加合适的浇冒口,组装并固定于灌浆用的砂箱平板上

真空下将石膏浆料灌入,浆料凝结

干燥后,经熔模

烘干

焙烧,成为石膏型壳
。cad
模型处理特征在于,收缩量补偿

余量添加等,可根据试验效果和查阅铸造手册来综合考虑;
stl
精度取
0.05mm
较合适

切片层厚设定为
0.3mm
,高度方向补偿
0.2mm。
激光扫描间距为
0.2 mm
,水平方向采用交叉扫描路径
。sls
烧结及后处理特征在于,烧结环境温度约
25℃
,激光能量为最大激光功率
40w

30%
,烧结完成后,冷却
30min
取出

62.s4.
在工作台上放置沙箱及制作好的冷冻砂型,将制作好的石膏型底部涂刷一层粘结剂,并装配到相应位置完成与冷冻砂型的组合,然后分别使用机械喷涂的方式,将石膏型表面及冷冻砂型表面喷涂对应的涂料

所述冷冻砂型涂料中耐火骨料中的云母含量为
27wt%
,空心微珠的含量为
10wt%
,滑石粉的含量为
63wt%。
所述石膏型涂料中,耐火骨料为滑石粉,以耐火骨料为基准,相对于
100
质量份的耐火骨料,该涂料还含有钠基膨润土
10
份,硅溶胶5份,
op-10 1
份,涂料的载液为水

所述喷涂方式中冷冻砂型涂料的厚度为
0.35mm
,冷冻砂型表面喷涂温度为-10℃
,喷涂涂料后烘干
5min。
所述喷涂方式中石膏型涂料的厚度为
0.55mm
,石膏型表面喷涂温度为
190℃
,喷涂涂料后烘干
10min。
所述粘结剂中硅酸乙酯
40
含量为
10wt%
,硅溶胶
sw-30
含量为
60wt%
,无水酒精含量为
28wt%
,水分保持在
2wt%。
63.s5.
浇铸采用电磁充型的方式,通过电泵将镁合金液输送到浇铸部位,使镁合金液缓缓流入冷冻砂型与石膏型组合的铸型中,待镁合金液冷却后,取出铸件,然后分别对冷冻砂型与石膏型进行清理,清理时冷冻砂型采用冲水落砂的方式,石膏型则先浸泡再进行冲水清洗

浇铸时所用的镁合金液温度为
700℃
,电磁泵电流为
1600a
,工作时间为
10s
,充型压力为
0.018mpa。
所述冷冻砂外型的水力清砂的工作压力为
5.0mpa
,水流量为
28m
³
/h。
所述石膏型浸泡时间为
20min
,石膏型冲洗水压为
0.4mpa。
64.采用实施例2所述铸型实现镁合金的浇铸,将镁合金液采用离心浇铸方式倒入铸型,镁合金在铸型中凝固成壳

65.采用本发明所述铸造方法浇铸时,铸件的壁薄

复杂部位等精密部位采用石膏型铸造的方法,其余部位采用冷冻砂型铸造的方法,石膏型弥补冷冻砂型中精密部位型砂易溃散的缺陷,有利于浇铸后精密部位的冷却成型;将石膏型与冷冻砂型进行装配组合,得到
性能优良且尺寸精度高的铸型,冷却速率快

造型时间短,能满足复杂精密铸件的生产需要,更有利于提高铸件的精密程度

66.以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书内容所作的等效结构变换,或直接
/
间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内

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