CN104493101A - 一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法 - Google Patents

一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法，属于砂型/芯成型技术领域。本发明首先建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并导入控制器中，记录离散层层数n；用混料装置将型/芯砂与水玻璃混合均匀；用铺料装置将包覆水玻璃的型/芯砂平铺于升降工作台；滴液装置按照提取的第一层离散层面运行轨迹滴下复合有机酯，待第一层离散层面完成后，升降工作台下行，依次完成后续离散层面的滴液工序，固化1h-8h，取出型芯。本发明能够缩短砂型/芯的制造周期，提高其成型精度及性能，还能提高旧砂重复利用率，降低生产成本。

Description

一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法
技术领域
本发明涉及砂型/芯成型技术领域，更具体地说，涉及一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法，该方法尤其适用于以有机酯固化水玻璃的砂型/芯的快速成型。
背景技术
水玻璃砂是21世纪铸造工业最有可能实现绿色铸造生产的型砂。然而，目前不同的水玻璃砂硬化工艺存在各自的不足。例如，普通硬化水玻璃砂存在能耗大，劳动强度高，且砂型/芯内外烘烤程度不均等问题；CO2吹气硬化水玻璃砂存在溃散性差，旧砂再生困难，硬化过程不稳定等缺陷；粉末硬化水玻璃砂存在水玻璃加入量较高，溃散性能不佳，且粉末污染严重的不足；而传统微波加热硬化水玻璃砂对模具材料的要求则较高。
中国专利申请号99101176.7公开了一种酯固化水玻璃型砂混合料及真空转换硬化法，该申请案型砂混合料中水玻璃加入量为原砂重量的2.0％～5.5％，专用有机酯加入量为原砂重量的0.1％～2.2％，专用有机快酯加入量为原砂、水玻璃、专用有机酯加入总量的0％～50％。该申请案与树脂砂铸件相比，铸件生产成本降低20％左右；与CO2-水玻璃砂硬化工艺相比，联合硬化工艺水玻璃加入量减少40％～60％，型砂高温残留强度降低40％～60％。然而，该申请案的再生砂中有机酯残留量高，而且随着再生次数的增加，残留有机酯量逐渐增加，导致高模数水玻璃旧砂的可使用时间变短。在极端条件下，混好的自硬砂瞬间硬化成一盘散砂，不具备粘结能力。为保证必要的可使用时间，生产上只能采用模数小于2.0的水玻璃。然而，使用极低模数水玻璃，其自硬砂的硬化速度很慢，这使得砂型/芯的制造周期过长。
此外，传统的水玻璃砂型/芯的制备均不可缺少零件模型及砂型/芯模具，这使得新产品的设计制造周期较长，成本偏高。砂型/芯快速成型方法省去了制造所需的模具，且可缩短零件的设计制造周期，降低开发成本，在新产品开发中有广泛应用。
中国专利公布号CN 102343415 B、CN 103567352 A、CN 103551492 A等公开了采用激光烧结制备砂型/芯的方法。然而，树脂做粘结剂制备的砂型/芯存在发气量较大，在浇铸过程中散发有毒气体，对环境造成危害等问题。中国专利公布号CN 104001862 A公开了一种水溶型芯的快速成形***及成形方法，该申请案采用喷嘴逐层向铺好的芯砂混合料喷射无机盐溶液微滴，在一定温度下蒸发溶液中的水分使无机盐结晶得到最终的无机盐砂芯。对于带有复杂内腔或弯曲孔道的铸件来说，该申请案制备得到的型芯易于除芯，所以该申请案主要用于型芯的制备，但由于无机盐粘结剂砂芯存在吸湿问题，导致其并不适用于砂型的制备。
中国专利公布号CN 103600039 A和CN 103586410 A公开了型砂喷射固化增材的制造设备与方法。其首先获取铸型的每层的层面详细信息并确定出控制信息，然后根据当前层面信息选择喷头沿当前层扫描路径进行不同材料和目数的型砂(或者冷铁材料)精准喷射，同时利用喷射装置将粘结剂和固化剂精准地逐层喷射。该方法可实现不同部位砂型材料的差异化制造，但也存在一些问题，如：
1)难以实现粘结剂或固化剂粘度较高砂型的制造：对于粘度较大的粘结剂或固化剂，喷嘴喷射后，由于铺展动力学特性较差，粘结剂和固化剂最终集中在砂粒顶部，这样砂粒下部及周围缺少粘结剂或固化剂，砂粒与砂粒之间粘结桥较少，成型的砂型强度较低；
2)难以成型性能随时间显著变化的砂型：对于部分型砂来说，固化过程中型砂的强度随时间显著变化，如固化初期强度较低，随后急剧增大，一段时间后强度又开始下降。对于此类型砂若采用喷射固化增材制造，存在先固化的型砂强度已开始下降而砂型的喷射成型还未结束的问题；
3)难以保证砂型精度：由于砂粒及铁粉通过喷嘴喷射到工作台，砂粒以自由落体方式落到工作台面，最终形成连续的“小山峰”，因此，逐层制造的厚度精度不高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于解决以下问题：1)现有水玻璃砂型/芯需采用模具成型，且酯固化水玻璃砂随着回收次数增加，旧砂回收难度大；2)现有砂型/芯喷射固化增材制造方法制造精度不高；3)对于粘结剂或固化剂粘度较高的砂型/芯、性能随时间显著变化的砂型/芯的制备效果不佳；提供了一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法。采用本发明提供的技术方案，能够缩短砂型/芯的制造周期，提高其成型精度及性能，还能提高旧砂重复利用率，降低生产成本。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其步骤为：
步骤一、建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并将该运行轨迹文件由数据接口导入滴液装置的控制器中，记录离散层层数n；
步骤二、用混料装置将型/芯砂与水玻璃混合均匀；
步骤三、用铺料装置将步骤二包覆水玻璃的型/芯砂平铺于升降工作台；
步骤四、滴液装置按照提取的第一层离散层面运行轨迹滴下复合有机酯，待第一层离散层面完成后，升降工作台下行0.1mm～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
步骤五、步骤四工序完成后，待砂型/芯固化1h-8h，取出型芯。
更进一步地，步骤四所述的复合有机酯包括快酯和慢酯，所述的快酯为甘油单醋酸酯、乙二醇单醋酸酯、丙烯碳酸酯、二甘醇单醋酸酯或四者任意组合的混合物，所述的慢酯为二甘醇二醋酸酯、甘油二醋酸酯或两者混合物。
更进一步地，第i层离散层面滴加的复合有机酯中慢酯s与快酯f的比例关系为：s/(s+f)＝(i-1)/(n-1)。
更进一步地，所述的复合有机酯加入量为型砂总量的1％～2％。
更进一步地，步骤二所用水玻璃模数为1.5～2.5。
更进一步地，步骤二中所用型/芯砂为石英砂、莫来石砂、橄榄石砂或三者任意组合的混合物，上述型/芯砂的粒度为70/140目。
本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，包括箱体、混料装置、配液仓、滴液装置、铺料装置、升降工作台和控制器，所述的混料装置、配液仓分别设置于箱体内的两侧上部，混料装置的底部设有出料口，该出料口的下方设有受料台，所述的铺料装置设置在受料台和出料口之间；所述的配液仓通过输液管与滴液装置相连，该滴液装置挂载在移动导轨上，滴液装置受控制器控制沿移动导轨滑动，所述的移动导轨与固定导轨相连，该移动导轨也受控制器控制沿固定导轨滑动；所述固定导轨的两端分别固定在箱体的前后内壁；所述工作腔设置在滴液装置的下方，该工作腔内设置有升降工作台，所述的升降工作台与由电机驱动的活塞相连。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其首先将型/芯砂与水玻璃混合均匀，避免了因水玻璃粘度较高，微滴喷射后水玻璃在砂粒表面铺展效果不佳的问题，提高了砂型/芯性能，采用铺料装置将混合后型/芯砂在升降工作台上逐层铺开，层厚可控，解决了传统型/芯砂从喷头喷出造成砂型精度不高的问题；
(2)本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其逐层滴加不同组分配比的复合有机酯，即先成型部分以慢酯固化，后成型部分以快酯固化，既解决了同组分有机酯固化剂因成型时间不同导致的砂型/芯强度性能随固化时间变化的问题，又缩短了砂型/芯制造周期；
(3)本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，采用低模数水玻璃作为粘结剂，避免有机酯固化水玻璃砂在旧砂反复再生过程中可使用时间逐渐减少的问题，提高了旧砂重复使用率，降低了生产成本；且复合有机酯在低模数水玻璃的弱碱性条件下水解得到了有机酸和醇，进而与水玻璃反应促使水玻璃失水硬化，整个成型过程无需加热，因此有效降低了加工能耗。
附图说明
图1为本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法的流程图；
图2为本发明的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***的结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、箱体；2、混料装置；21、出料口；31、配液仓；32、输液管；33、滴液装置；41、移动导轨；42、固定导轨；51、受料台；52、铺料装置；61、已成型离散层；62、混合物料；71、工作腔；72、活塞；73、升降工作台；8、控制器；81、数据接口。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
参看图2，本实施例的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，包括箱体1、混料装置2、配液仓31、滴液装置33、铺料装置52、升降工作台73和控制器8。所述的混料装置2、配液仓31分别设置于箱体1内的两侧上部，其中，混料装置2装有型/芯砂和水玻璃，该混料装置2用于将型/芯砂和水玻璃充分混合。混料装置2的底部设有出料口21，该出料口21的下方设有受料台51，混合均匀的混合物料62从出料口21落到受料台51上。铺料装置52位于出料口21的下方，受料台51的上方，由电机驱动做水平运动。落到受料台51上的混合物料62由铺料装置52平铺于升降工作台73上，铺料装置52每运动一个来回即在已成型离散层61上铺料一层。所述的配液仓31通过输液管32与滴液装置33相连，该滴液装置33挂载在移动导轨41上，滴液装置33受控制器8控制沿移动导轨41滑动，所述的移动导轨41与固定导轨42相连，移动导轨41与固定导轨42相互垂直，该移动导轨41也受控制器8控制沿固定导轨42滑动，控制器8的数据接口81与上位机相连，该控制器8下载上位机生成的砂型/芯的CAD几何实体模型分层离散得到的离散层面滴液装置的运行轨迹文件以控制滴液装置33在水平方向移动，固定导轨42的两端分别固定在箱体1的前后内壁。所述工作腔71设置在滴液装置33的下方，该工作腔71内设置有升降工作台73，所述的升降工作台73与由电机驱动的活塞72相连，活塞72带动升降工作台73在竖直方向上下运动。本实施例的快速成型***结构简单、设计合理且制造成本低，便于推广应用。
参看图1，利用上述快速成型***，本实施例的高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，具体过程为：
(1)建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置33的运行轨迹文件，并将该运行轨迹文件由数据接口81导入滴液装置33的控制器8中，记录离散层层数n。
(2)将100份70/140目石英砂与3份模数为1.5的水玻璃在混料装置2中混合均匀，本实施例先将型/芯砂与水玻璃混合均匀，避免了因水玻璃粘度较高，微滴喷射后水玻璃在砂粒表面铺展效果不佳的问题，便于提高砂型/芯性能。
(3)用铺料装置52将混合均匀的包覆水玻璃的混合物料62平铺于升降工作台73上，本实施例采用铺料装置52将混合后型/芯砂在升降工作台73上逐层铺开，层厚可控，解决了传统型/芯砂从喷头喷出造成砂型精度不高的问题。
(4)由滴液装置33按照上位机生成的第一层离散层面运行轨迹滴下二甘醇二醋酸酯和二甘醇单醋酸酯组成的复合有机酯，复合有机酯总量为型砂的1％，滴液装置33的滴液速率为150滴/min，其喷嘴移动速率为0.8mm/s，且第一层复合有机酯中二甘醇二醋酸酯/(二甘醇二醋酸酯+二甘醇单醋酸酯)为0％；待第一层离散层面完成后，升降台下行一定工作距离，工作距离长度为0.1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，且第i层所滴复合有机酯中二甘醇二醋酸酯/(二甘醇二醋酸酯+二甘醇单醋酸酯)为(i-1)/(n-1)，直至所有离散层面的滴液工序完成。
(5)在滴液工序完成后，待砂型/芯固化2h，取出砂型/芯即可使用。
值得说明的是，本实施例采用模数为1.5的低模数水玻璃作为粘结剂，可避免有机酯固化水玻璃砂在旧砂反复再生过程中可使用时间逐渐减少的问题，提高了旧砂重复使用率，降低了生产成本。而关于使用低模数水玻璃，砂型/芯硬化速度慢的问题，发明人指出：由于本实施例逐层滴加不同组分配比的复合有机酯，对于先成型的部分，主要以慢酯固化，水玻璃与慢酯接触并开始固化反应，本实施例相比于一般的成型方法，对硬化速度的要求较低，因此，不用考虑低模数水玻璃硬化速度慢的问题，有足够长的时间让砂型/芯固化完全；而对于后成型的部分，本实施例考虑到每一离散层固化所需的时间不同(最底层所需时间最长、最上层时间最短)，通过控制每一离散层滴入的有机酯中快酯的比例，逐步增加其固化速度，达到了各离散层固化起始点不同，但到达最终强度的时间终点接近的目的，既解决了同组分有机酯固化剂因成型时间不同导致的砂型/芯强度性能随固化时间变化的问题，又缩短了砂型/芯制造周期。本实施例将复合有机酯在低模数水玻璃的弱碱性条件下水解得到有机酸和醇，进而与水玻璃反应促使水玻璃失水硬化，并通过对滴液速率、喷嘴移动速率的控制，使得整个成型过程无需加热，有效降低了加工能耗。
实施例2
本实施例的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，基本同实施例1，现将其成型过程简述如下：
(1)建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并由数据接口导入滴液装置的控制器中，记录离散层层数n。
(2)将80份70/140目莫来石砂与5份模数为2.5的水玻璃在混料装置中混合均匀。
(3)用铺料装置将混好的包覆水玻璃的型/芯砂平铺于升降工作台。
(4)由滴液装置按照上位机生成的第一层离散层面运行轨迹滴下甘油二醋酸酯和甘油单醋酸酯的复合有机酯，复合有机酯总量为型砂的2％，滴液装置33的滴液速率为200滴/min，其喷嘴移动速率为1.2mm/s，且第一层复合有机酯中甘油二醋酸酯/(甘油二醋酸酯+甘油单醋酸酯)为0％；待第一离散层面完成后，升降工作台下行一定工作距离，工作距离长度在0.5mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，且第i层所滴复合有机酯中甘油二醋酸酯/(甘油二醋酸酯+甘油单醋酸酯)为(i-1)/(n-1)，直至所有离散层面的滴液工序完成。
(5)在滴液工序完成后，待砂型/芯固化8h，取出砂型/芯即可使用。
实施例3
本实施例的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，基本同实施例1，现将其成型过程简述如下：
(1)建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并由数据接口导入滴液装置的控制器中，记录离散层层数n。
(2)将120分70/140目橄榄石砂与4份模数为1.8的水玻璃在混料装置中混合均匀。
(3)用铺料装置将混好的包覆水玻璃的的型/芯砂平铺于升降工作台。
(4)由滴液装置按照上位机生成的第一层离散层面运行轨迹滴下二甘醇二醋酸酯、甘油单醋酸酯和乙二醇单醋酸酯混合而成的复合有机酯，复合有机酯总量为型砂的1.5％，滴液装置33的滴液速率为300滴/min，其喷嘴移动速率为2mm/s，且第一层复合有机酯中二甘醇二醋酸酯/(二甘醇二醋酸酯+甘油单醋酸酯+乙二醇单醋酸酯)为0％；待第一离散层面完成后，升降工作台下行一定工作距离，工作距离长度在0.1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，且第i层所滴复合有机酯中二甘醇二醋酸酯/(二甘醇二醋酸酯+甘油单醋酸酯+乙二醇单醋酸酯)为(i-1)/(n-1)，直至所有离散层面的滴液工序完成。
(5)在滴液工序完成后，待砂型/芯固化6h，取出砂型/芯即可使用。
实施例4
本实施例的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，基本同实施例1，现将其成型过程简述如下：
(1)建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并由数据接口导入滴液装置的控制器中，记录离散层层数n。
(2)将90分70/140目橄榄石砂和莫来石砂的混合砂(橄榄石砂30份、莫来石砂60份)与3份模数为1.6的水玻璃在混料装置中混合均匀。
(3)用铺料装置将混好的包覆水玻璃的的型/芯砂平铺于升降工作台。
(4)由滴液装置按照上位机生成的第一层离散层面运行轨迹滴下二甘醇二醋酸酯、甘油二醋酸酯、甘油单醋酸酯、乙二醇单醋酸酯和丙烯碳酸酯混合而成的复合有机酯，复合有机酯总量为型砂的1.5％，滴液装置33的滴液速率为30滴/min，其喷嘴移动速率为0.2mm/s，且第一层复合有机酯中(二甘醇二醋酸酯+甘油二醋酸酯)/复合有机酯为0％；待第一离散层面完成后，升降工作台下行一定工作距离，工作距离长度在0.1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，且第i层所滴复合有机酯中(二甘醇二醋酸酯+甘油二醋酸酯)/复合有机酯为(i-1)/(n-1)，直至所有离散层面的滴液工序完成。
(5)在滴液工序完成后，待砂型/芯固化4h，取出砂型/芯即可使用。
实施例1～4所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***及方法，采用滴液装置33逐层滴加不同配比的复合有机酯成型砂型/芯，避免了砂型/芯制造需要模具而导致产品开发成本过高、开发周期过长的不足，缩短了砂型/芯的制造周期，提高了砂型/芯的成型精度及性能，还能提高旧砂重复利用率，降低生产成本，便于推广应用。

Claims (7)

1.一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其步骤为：
步骤一、建立砂型/芯的CAD几何实体模型，并进行分层离散，生成每个离散层面滴液装置的运行轨迹文件，并将该运行轨迹文件由数据接口导入滴液装置的控制器中，记录离散层层数n；
步骤二、用混料装置将型/芯砂与水玻璃混合均匀；
步骤三、用铺料装置将步骤二包覆水玻璃的型/芯砂平铺于升降工作台；
步骤四、滴液装置按照提取的第一层离散层面运行轨迹滴下复合有机酯，待第一层离散层面完成后，升降工作台下行0.1mm～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
步骤五、步骤四工序完成后，待砂型/芯固化1h-8h，取出型芯。
2.根据权利要求1所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其特征在于：步骤四所述的复合有机酯包括快酯和慢酯，所述的快酯为甘油单醋酸酯、乙二醇单醋酸酯、丙烯碳酸酯、二甘醇单醋酸酯或四者任意组合的混合物，所述的慢酯为二甘醇二醋酸酯、甘油二醋酸酯或两者混合物。
3.根据权利要求2所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其特征在于：第i层离散层面滴加的复合有机酯中慢酯s与快酯f的比例关系为：s/(s+f)＝(i-1)/(n-1)。
4.根据权利要求2或3所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其特征在于：所述的复合有机酯加入量为型砂总量的1％～2％。
5.根据权利要求4所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其特征在于：步骤二所用水玻璃模数为1.5～2.5。
6.根据权利要求5所述的一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型方法，其特征在于：步骤二中所用型/芯砂为石英砂、莫来石砂、橄榄石砂或三者任意组合的混合物，上述型/芯砂的粒度为70/140目。
7.一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型***，其特征在于：包括箱体(1)、混料装置(2)、配液仓(31)、滴液装置(33)、铺料装置(52)、升降工作台(73)和控制器(8)，所述的混料装置(2)、配液仓(31)分别设置于箱体(1)内的两侧上部，混料装置(2)的底部设有出料口(21)，该出料口(21)的下方设有受料台(51)，所述的铺料装置(52)设置在受料台(51)和出料口(21)之间；所述的配液仓(31)通过输液管(32)与滴液装置(33)相连，该滴液装置(33)挂载在移动导轨(41)上，滴液装置(33)受控制器(8)控制沿移动导轨(41)滑动，所述的移动导轨(41)与固定导轨(42)相连，该移动导轨(41)也受控制器(8)控制沿固定导轨(42)滑动；所述固定导轨(42)的两端分别固定在箱体(1)的前后内壁；所述工作腔(71)设置在滴液装置(33)的下方，该工作腔(71)内设置有升降工作台(73)，所述的升降工作台(73)与由电机驱动的活塞(72)相连。
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