【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冷冻砂型数控成形领域，尤其是涉及冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法与装置。
技术介绍
1、冷冻砂型技术针对传统砂型铸造方法在小批量产品制造上存在生产柔性差、制造周期长、资源浪费多等问题，提出以水来替代型砂中的有机粘接剂，低温环境下通过水的冻结制备冷冻砂坯后，通过基于切削成形原理的数字化无模铸造成形技术实现冷冻砂型的快速成形，其制造过程具有制造柔性高，生产周期短和材料利用率高等特点。
2、冷冻砂型在数控切削加工过程中，为防止砂坯融化而失去强度与表面质量，一般放置冷冻砂坯的加工环境温度低于0℃。但是在加工大型或复杂砂型时，由于冷冻砂型长时间(10h以上)暴露在高于砂型温度且干燥的加工环境中，砂型的已加工表面会出现因大量升华失水而产生的浮砂，极大地影响了后续加工与最终的砂型表面成形质量。冷冻砂型切削加工完成后，砂型表面可能在搬运转移等过程中融化变形，甚至提前溃散失去强度。同时在现场浇注作业时，生产大型铸件所需的冷冻砂型往往通过多块砂型坎合组装成形，在定位和坎合过程极易出现磕碰等动作从而损害砂型表面，进一步减低铸造浇注质量。因此，如何在冷冻砂型数控成形过程及浇注过程中保护、增强增强砂型表面，是目前推广冷冻砂型进入大型化生产至关重要的问题。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术公开了冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法与装置，弥补加工大型冷冻砂型在保护已加工表面的空缺，防止在切削成形过程中冷冻砂型由于浮砂造成的表面精度损失问题，增强冷冻砂型与铁液接触面
2、为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：
3、冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，包括：旋转驱动模组，升降驱动模组，摆动驱动模组，俯仰驱动模组，自动切削模组。
4、进一步地，所述旋转驱动模组为整体机构提供绕垂直方向的转动自由度，包括转接座，蜗轮蜗杆组件，旋转模组减速电机；所述转接座通过螺栓连接在切削机床主轴的下表面；所述蜗轮蜗杆组件中的蜗轮通过螺栓连接固定在转接座上；所述旋转模组减速电机与蜗杆装置相连，为模组的旋转提供动力；蜗杆装置的蜗杆轴承安装在侧边的轴承孔内；所述涡杆通过蜗杆联轴器与旋转模组减速电机相连，旋转模组减速电机将扭矩和转速传递到蜗杆上，蜗杆与涡轮通过齿轮啮合使蜗杆装置沿涡轮运动。
5、进一步地，所述升降驱动模组为机构提供沿垂直方向的移动自由度，包括模组支架，升降模组电机，联轴器，丝杠传动装置；所述模组支架呈l型，支架的水平部搭在蜗杆装置上通过螺栓固定；所述联轴器用于连接升降模组电机与丝杠传动装置，将电机的动力传导给丝杠；所述丝杆传动装置包括固定座，丝杠和滑块；
6、进一步地，所述摆动驱动模组为机构提供左右摆动的转动自由度，包括第一u型支架，第一减速电机，第一轴承，第一传动轴；所述第一u型支架底部有通孔，通过螺栓连接固定在升降驱动模组的滑块上，所述第一轴承嵌套在第一u型支架耳部的轴承孔内，所述第一传动轴从两个第一轴承中穿过并与第一减速电机相连。
7、进一步地，所述俯仰驱动模组为机构提供上下摆动的转动自由度，包括第二u型支架，第二减速电机，第二轴承，第二传动轴，三通道雾化喷头；所述第二u型支架底部设有通孔，通过孔轴配合将第二u型支架固定在摆动驱动模组的第一传动轴上；所述第二轴承嵌套在第二u型支架耳部的轴承孔内，所述第二传动轴从两个第二轴承中穿过并与第二减速电机相连；所述三通道雾化喷头与第二传动轴通过螺纹结构固定连接；
8、进一步地，所述自动切削模组是冷冻砂型数控切削成形的装置基础，通过数控系统控制刀具切削冷冻砂型，包括机床主轴、数控加工系统、铣刀和待切削的冷冻砂型。
9、进一步地，所述蜗轮蜗杆组件中的蜗轮设有沿圆周分布的通孔用于与转接座进行螺栓固定，所述旋转模组减速电机工作时，带动蜗杆装置沿涡轮圆周方向运动。
10、进一步地，所述升降驱动模组的丝杠为梯形螺纹，采用单线且材料为45钢，丝杠参数为公称直径16～25mm，螺距4mm，中径14～20mm，小径12～6mm。所述滑块材料采用铸造铜合金。
11、进一步地，所述第一轴承和第二轴承选用深沟球轴承，为满足轴承寿命要求，优选轴承型号为61901轴承。
12、进一步地，所述减速电机选取标准为(0.2～0.4)mmax>mf+mt，mmax为电机的最大静力矩，mf为导轨摩擦折算至电机的转矩，mt为切削力折算至电机力矩，优选静力矩为mmax＝0.48n·m的步进电机。
13、进一步地，所述联轴器的选型由公称转矩决定，公称转矩不大于600n·mm时选取紧箍夹壳联轴器。
14、进一步地，所述三通道雾化喷头有三个接头，接口a接压缩空气，接口b接水，接口c接有机粘接剂如呋喃树脂或酚醛树脂等。
15、进一步地，冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法，该方法包括如下步骤：
16、步骤1：通过ug、mastercam等软件分别得到冷冻砂型切削加工g代码以及喷头运动g代码；
17、步骤2：以刀具移动时间5～10h为间隔，在对应的冷冻砂型切削加工g代码处植入雾化喷头运动g代码，形成冷冻砂型数控加工表面定向沉积再制造g代码，输入数控系统准备加工砂型；
18、步骤3：数控机床执行冷冻砂型切削加工g代码，经过长时间切削加工后可以观察到冷冻砂型表面因干燥失水产生了大量浮砂；
19、步骤4：经过设定时长的数控加工后，数控机床执行喷头运动g代码，启动定向沉积再制造装置。三通道雾化喷头中的接头a和接头b打开，喷出雾化水，沿设定路径对冷冻砂型加工表面进行定向定量水沉积固化，将散砂重新冻结固化成一定厚度的冷冻砂层；
20、步骤5：重复步骤3～步骤4，直到冷冻砂型切削加工过程结束，清除冷冻砂型型腔及表面上所有冷冻砂屑；
21、步骤6：三通道雾化喷头中接头a和接头c开启，对冷冻砂型外表面喷射雾化树脂，在砂型表面上定向定量沉积形成一定厚度的树脂保护砂层；
22、进一步地，表面定向沉积再制造装置通过4个驱动模组的相互配合，其上安装的三通道雾化喷头具有4个自由度，主要通过控制雾化喷头距离砂型表面高度、俯仰角度、摆动角度以及与绕主轴轴线的旋转角度控制雾化沉积效果。
23、进一步地，在所述步骤3进入步骤4后，数控机床从控制自动切削模组的主轴运动切换至控制喷头运动，两套运动系统独立运行防止互相干涉。
24、本专利技术的有益效果：
25、1、减少浮砂，提高加工表面质量。本专利技术通过数控编程控制具有高自由度的喷头，均匀定向地对冷冻砂型表面进行水雾化，防止因冷冻砂型在长时间加工造成表面干燥失水产生大量浮砂，减少切削废砂的产生，从而提高切削表面质量。
26、2、增强表面强度，提高浇注件精度。在切削加工结束后，通过本专利技术为砂型加工区域提供树脂雾化环境，对冷冻砂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，包括旋转驱动模组，摆动驱动模组和俯仰驱动模组；俯仰驱动模组与摆动驱动模组连接；升降驱动模组位于所述旋转驱动模组旁，旋转驱动模组与数控机床连接；驱动模组包括转接座（1），蜗轮蜗杆组件和旋转模组减速电机（4）；蜗轮蜗杆组件包括涡轮（2）和蜗杆装置（3）；蜗杆装置（3）侧边有两个轴承孔，蜗杆轴承（28）安装在轴承孔内；涡杆（29）通过蜗杆联轴器（27）与旋转模组减速电机（4）相连，旋转模组减速电机（4）将扭矩和转速传递到蜗杆（29）上，蜗杆（29）与涡轮（2）通过齿轮啮合使蜗杆装置沿涡轮（2）运动；所述转接座（1）通过螺栓连接在切削机床主轴（23）的下表面；所述蜗轮蜗杆组件中的蜗轮（2）通过螺栓连接固定在转接座（1）上；所述旋转模组减速电机（4）与蜗杆装置（3）相连，为模组的旋转提供动力； 铣刀（24）与涡轮（2）连接配合；升降驱动模组，包括模组支架（5），升降模组电机（6），联轴器（8）和丝杠传动装置；所述丝杆传动装置包括固定座（7），丝杠（10）和滑块（9）；所述模组支架（5）呈L型，模组支架（5）的水平部搭在蜗杆装置（3）上
2.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，摆动驱动模组包括第一U型支架（12），第一减速电机（11），第一轴承（14）和第一传动轴（13）；所述第一U型支架（12）的底部有通孔，且后侧通过螺栓连接固定在滑块（9）上，所述第一轴承（14）嵌套在第一U型支架（12）耳部的轴承孔内，所述第一传动轴（13）从两个第一轴承（14）中穿过并与第一减速电机（11）相连；其中俯仰驱动模组包括第二U型支架（15），第二减速电机（22），第二轴承（16），第二传动轴（17）和三通道雾化喷头（21）；所述第二U型支架（15）的底部设有通孔，通过孔轴配合将第二U型支架（15）固定在摆动驱动模组的第一传动轴上（13）；所述第二轴承（16）嵌套在第二U型支架（15）耳部的轴承孔内，所述第二传动轴（17）从两个第二轴承（16）中穿过并与第二减速电机（22）相连；所述三通道雾化喷头（21）与第二传动轴（17）通过螺纹结构固定连接。
3.根据权利要求3所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于：所述三通道雾化喷头（21）有三个接头，接口A（20）接压缩空气，接口B（18）接水，接口C（19）接有机粘接剂。
4.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，所述蜗轮蜗杆组件中的蜗轮（2）设有沿圆周分布的通孔用于与转接座（1）进行螺栓固定，所述旋转模组减速电机（4）工作时，带动蜗杆装置沿涡轮圆周方向运动。
5.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，所述升降驱动模组的丝杠（10）为梯形螺纹，采用单线且材料为45钢，丝杠参数为公称直径16～25 mm，螺距4 mm，中径14 ～20mm，小径12～16 mm；所述滑块（9）材料采用铸造铜合金。
6.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，所述第一轴承（14）和第二轴承（16）选用深沟球轴承。
7.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，所述联轴器（8）的选型由公称转矩决定，公称转矩不大于600N·mm时选取紧箍夹壳联轴器。
8.冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法，其特征在于，基于如权利要求1-8任一项所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置实现，该方法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法，其特征在于，表面定向沉积再制造装置通过4个驱动模组的相互配合，其上安装的三通道雾化喷头具有4个自由度，主要通过控制雾化喷头距离砂型表面高度、俯仰角度、摆动角度以及与绕主轴轴线的旋转角度控制雾化沉积效果。
10.根据权利要求8所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造方法，其特征在于，其中在所述步骤3进入步骤4后，数控机床从控制自动切削模组的主轴运动切换至控制喷头运动，两套运动系统独立运行防止互相干涉。
...【技术特征摘要】
1.冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，包括旋转驱动模组，摆动驱动模组和俯仰驱动模组；俯仰驱动模组与摆动驱动模组连接；升降驱动模组位于所述旋转驱动模组旁，旋转驱动模组与数控机床连接；驱动模组包括转接座（1），蜗轮蜗杆组件和旋转模组减速电机（4）；蜗轮蜗杆组件包括涡轮（2）和蜗杆装置（3）；蜗杆装置（3）侧边有两个轴承孔，蜗杆轴承（28）安装在轴承孔内；涡杆（29）通过蜗杆联轴器（27）与旋转模组减速电机（4）相连，旋转模组减速电机（4）将扭矩和转速传递到蜗杆（29）上，蜗杆（29）与涡轮（2）通过齿轮啮合使蜗杆装置沿涡轮（2）运动；所述转接座（1）通过螺栓连接在切削机床主轴（23）的下表面；所述蜗轮蜗杆组件中的蜗轮（2）通过螺栓连接固定在转接座（1）上；所述旋转模组减速电机（4）与蜗杆装置（3）相连，为模组的旋转提供动力； 铣刀（24）与涡轮（2）连接配合；升降驱动模组，包括模组支架（5），升降模组电机（6），联轴器（8）和丝杠传动装置；所述丝杆传动装置包括固定座（7），丝杠（10）和滑块（9）；所述模组支架（5）呈l型，模组支架（5）的水平部搭在蜗杆装置（3）上并通过螺栓固定；所述联轴器（8）用于连接升降模组电机（6）与丝杠传动装置，将电机的动力传导给丝杠（10）；摆动驱动模组设置在所述滑块（9）上。
2.根据权利要求1所述的冷冻砂型表面定向定量原位沉积再制造装置，其特征在于，摆动驱动模组包括第一u型支架（12），第一减速电机（11），第一轴承（14）和第一传动轴（13）；所述第一u型支架（12）的底部有通孔，且后侧通过螺栓连接固定在滑块（9）上，所述第一轴承（14）嵌套在第一u型支架（12）耳部的轴承孔内，所述第一传动轴（13）从两个第一轴承（14）中穿过并与第一减速电机（11）相连；其中俯仰驱动模组包括第二u型支架（15），第二减速电机（22），第二轴承（16），第二传动轴（17）和三通道雾化喷头（21）；所述第二u型支架（15）的底部设有通孔，通过孔轴配合将第二u型支架（15）固定在摆动驱动模组的第一传动轴上（13）；所述第二轴承（16）嵌套在第二u型支架（15）耳部的轴承孔内，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，刘亲将，闫丹丹，罗磊，梁校，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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