一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法技术

本发明专利技术属于砂型铸造领域，公开一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法。该方法将原砂与粘土粘结剂均匀混合，制成型砂并放置到砂箱中进行紧实，制成粘土砂坯，然后置于‑15℃—‑40℃的低温环境中充分冷冻，在粘土砂的强度和表面硬度达到指标后制成待用砂坯。由零件模型生成加工程序，驱动无模成形机对冷冻砂坯进行切削并组装砂型，然后在常温或低温环境下对砂型进行浇铸。粘土砂型冷冻后，透气性好，减少了金属液凝固过程中的气孔缺陷；砂型抗压(拉)强度高，表面硬度高，适用于无模切削成形；冷冻粘土砂无模制造工艺较传统手工造型效率高，砂型精度高；同时因浇铸时高温金属液熔体过冷度高，金属凝固过程中温度梯度大，金属铸件组织致密，力学性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法
本专利技术属于砂型铸造
，具体涉及一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法。
技术介绍
无模铸造成形技术主要包括基于选择性激光烧结(SLS)或微滴喷射的砂型增材制造技术和基于砂型切削的减材制造技术。本文主要涉及的冷冻粘土砂无模铸造成形方法是针对粘土砂砂坯的切削技术。基于砂型切削技术的无模铸造成形方法是使用CAD驱动砂型数控加工系统对砂坯进行直接切削成形。其较传统手工翻模造型成形效率高，制作成本低，工作环境好，砂型精度高(采用该方法制备的砂型/芯尺寸精度提高到了CT6-7级，表面粗糙度达到3.2-6.3um)。可以实现复杂铸型的整体净成形，制造出任意复杂形状的砂型，不需要预留拔模斜度，极大地减少了人工干预。目前基于砂型切削的无模铸造成形技术的应用范围主要包括树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂的切削加工，这是因为这三种砂型的抗压强度和表面硬度较高，适用于铣刀的直接切削加工。未经过冷冻处理的粘土砂的抗压、抗拉强度和表面硬度较低，湿型粘土砂抗拉强度仅为0.03MPa，抗压强度仅为0.05MPa-0.3MPa左右，表面硬度仅为45g/mm2左右，不适合进行直接切削加工的无模成形方法。湿型粘土砂经过低温固化处理后，在-20℃左右抗拉强度可超过1.8MPa，抗压强度可超过2.7MPa，表面硬度超过75g/mm2；在-30℃左右抗拉强度可超过2.1MPa，抗压强度可超过3.0MPa，表面硬度超过80g/mm2,完全满足无模铸造技术对砂型本身性能的要求。目前，得益于粘土砂所用的膨润土价格低廉，砂型制作环境较制备树脂砂型好，高温溃散性比树脂砂优良等多方面优势，粘土砂造型在砂型铸造领域的使用量超过70％。但由于粘土砂的抗拉(压)强度和表面硬度较低，严重限制了基于砂型切削的无模铸造成形技术在粘土砂造型领域的发展与推广，因此也大大增加了粘土砂手工造型的难度与劳动强度。一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法为适用于粘土砂铸造的各类金属铸件的制造提供了一种更加快速、更加完善的途径。在保证粘土砂的低成本和高溃散性性能的同时也适用于基于砂型切削的无模铸造成形技术，提高了粘土砂型腔的表面表面精度，使粘土砂造型省去必须使用木模、金属模的限制，极大地简化粘土砂的造型难度。
技术实现思路
针对目前粘土砂在砂型铸造中的使用量非常大(超过70％)，但自身抗拉(压)强度和表面硬度较低，不适用于直接切削砂型的无模铸造成形技术的问题，本专利技术提出一种冷冻粘土砂切削成形方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：步骤一：将占纯净水质量百分数的20.0％-50.0％的膨润土、凹凸棒土或海藻土等粘土粉末预先与纯净水经过胶体磨充分混合制备胶体，然后将占型砂质量分数的5％-12％混合好的粘土粘接剂与型砂材料(型砂材料可为石英砂或非石英砂，包括陶粒砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂或橄榄石砂中的一种或任意几种砂的复合)用混砂机进行充分搅拌混合，然后将混合好的散砂置于砂箱中紧实后放入温度范围为-15℃到-40℃的低温环境中进行冷冻固化；步骤二：待粘土砂的表面和芯部的温度全部降到-15℃到-40℃范围内时(砂型强度和表面硬度均能达到切削要求)，取出冷冻好的粘土砂坯，将其置于无模加工平台的低温成形室中(一般保证冷冻温度为-5℃到-10℃)并进行准确定位；步骤三：根据需要铸造的金属零件形状，用CAD反求需要切削的砂型的型腔模型，然后编制加工程序代码，输入到无模铸造成形机的控制系统中。步骤四：在无模铸造精密成形机的低温环境下，通过切削刀具将砂坯切削出所需砂型/芯单元；步骤五：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，随后金属液冷却成形；采用上述技术方案，有以下优点：粘土砂冷冻后可以有效克服粘土砂由于自身强度低，表面硬度差导致的不适合采用基于切削技术的砂型无模铸造成形技术的缺点，粘土砂冷冻后(冷冻温度-20℃左右)的抗拉强度可超过1.8MPa，抗压强度可超过3MPa左右，表面硬度可达75g/mm2以上。三项指标均达到无模铸造要求的砂型切削的强度和表面硬度；用无模铸造精密成形机制作出来的粘土砂型表面精度高，可以达到与树脂砂同等的性能指标，尺寸精度CT6-7，表面精度3.2-6.3um。冷冻粘土砂坯在切削过程中仅仅产生微量粉尘(由于冷冻的缘故，不会产生大量扬尘)，并且冷冻粘土砂在浇铸过程中也只产生较少的粉尘污染，相较树脂砂切削过程产生大量粉尘和浇铸过程中产生的大量有害气体，冷冻粘土砂的切削与浇铸过程工作条件较好。浇铸后冷冻粘土砂型溃散性好，落砂简单。湿型粘土砂自身的透气性较差，一般仅为40-80，浇铸过程产生的气体不容易逸出导致铸件产生气孔缺陷。粘土砂冷冻后，由于自由水结冰，体积变大(水结冰密度变小)，使砂粒间的孔隙数和孔隙尺寸变大，砂型透气性增大(根据冷冻温度不同，砂型透气性在-20℃可达110以上)，一定程度上降低了气孔引起的铸造缺陷的产生。冷冻粘土砂在金属液浇的铸过程中，冷冻粘土砂型较一般砂型(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冷冻粘土砂造型流程图具体实施方式本专利技术针对一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法，所选用的铸造用砂根据铸件的不同要求可以是石英砂、非石英砂或几种砂任意比例的混合，目数可以是40/70，50/100，70/140，100/200的任意级配。膨润土等粘土粉末占纯净水质量分数的20.0％-50.0％，粘土粘接剂占型砂的质量分数为5％-12％。将混制好的粘土型砂的放入低温成形砂箱中，在-15℃到-40℃的低温环境使粘土砂坯固化成形，然后将冷冻好的粘土砂坯运输到无模成形机冷冻环境中，通过铣刀直接切削加工成砂型(芯)。本专利技术具体实施步骤如下：步骤一：根据本专利技术工艺要求，选用铸造常用粒度为50/100目或70/100目的任意砂质(石英砂和非石英砂)，粘接剂选用占纯净水质量百分数的20.0％-50.0％的锂基膨润土(钠基膨润土、钙基膨润土、凹凸棒土或海藻土均可)和纯净水均匀混合后的悬浮液，然后将铸造用砂和粘接剂(占铸造用砂质量百分数的5.0％-12.0％)充分混合后置于砂箱中备用；步骤二：将混合后的粘土砂型砂填入到砂箱中，紧实之后刮平砂箱表面，将砂箱置于低于-15℃的低温成形室中，待粘土砂型中的自由水完全冷冻后制成冷冻粘土砂砂坯；步骤三：从砂箱中取出冷冻粘土砂砂坯，将砂坯置于无模成形室的低温环境中并将切削刀具置于切削位置；步骤四：根据零件CAD模型反求砂型模型，根据砂型模型生成加工程序，输入加工设备。由无模加工成形设备直接切削加工所需砂型(芯)；步骤五：冷冻粘土砂砂型(芯)加工完成后，在低温成形室里进行组装待用；步骤六：在常温或低温环境下将高温金属液快速浇入冷冻粘土砂砂型中，金属液进行凝固过程。从以上的描述中，可以看出，本专利技术实现了如下效果：实现粘土砂型(芯)的无模快速成形，省去了粘土砂的制模、拔模过程，并且制作出的砂型尺寸精度高，表面质量好。此方法适用于各种配方的粘土砂型(芯)的制作，通用性好，可实现粘土砂的无模快速成形，节约模具材料和人力成本。以上所述仅为本专利技术的优选实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤一：将适量的膨润土等粘土粉末和纯净水进行充分搅拌混合制成胶体状悬浮液；步骤二：将混合好的适量粘土悬浮液与原砂进行充分搅拌混合制成粘土砂颗粒；步骤三：将混制好的粘土颗粒填充到砂箱中进行紧实，刮平砂箱表面并同时置于低温环境中进行冷冻；步骤四：将所需的零件形状进行CAD反求得到砂型模型并生成切削加工程序代码，对冷冻粘土砂坯进行切削加工；步骤五：将加工好的冷冻粘土砂型和砂芯在低温环境中进行组装；步骤六：将组装好的冷冻粘土砂砂型在常温或低温条件下进行快速浇铸。

【技术特征摘要】
1.一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤一：将适量的膨润土等粘土粉末和纯净水进行充分搅拌混合制成胶体状悬浮液；步骤二：将混合好的适量粘土悬浮液与原砂进行充分搅拌混合制成粘土砂颗粒；步骤三：将混制好的粘土颗粒填充到砂箱中进行紧实，刮平砂箱表面并同时置于低温环境中进行冷冻；步骤四：将所需的零件形状进行CAD反求得到砂型模型并生成切削加工程序代码，对冷冻粘土砂坯进行切削加工；步骤五：将加工好的冷冻粘土砂型和砂芯在低温环境中进行组装；步骤六：将组装好的冷冻粘土砂砂型在常温或低温条件下进行快速浇铸。2.根据权利要求1所述的一种冷冻粘土砂切削成形方法，其特征在于，砂型所用砂质为石英砂或非石英砂，如陶粒砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂、石灰石沙、镁砂、刚玉砂、橄榄砂中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的一种冷冻粘土砂切削成形方法，其特征在于，膨润土等粘土粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，刘丰，杨浩秦，王怡飞，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，机械科学研究总院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11