CN105562623A - 一种水玻璃砂型快速成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水玻璃砂型快速成形方法，属于快速铸造领域。包括：(1)建立待成形的水玻璃砂型的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚；(2)先铺设一层型砂材料，再喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液；(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，形成当前层砂型轮廓；(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。本发明方法解决了微波加热硬化水玻璃砂对模具的高要求，克服了水玻璃砂型表面过热粉化和易吸湿的问题，还克服了现有微喷射粘结快速成形水玻璃砂工艺可行性较差，型砂储存和回收难度大的问题。
Description
技术领域
本发明属于快速铸造领域，更具体地，涉及一种水玻璃砂型(芯)的微喷射粘结增材制造技术。
背景技术
绿色清洁生产是21世纪机器制造工业特别是铸造工业技术发展的趋势。在目前被广泛应用的粘土砂、水玻璃砂和树脂砂等三大砂型铸造中，水玻璃砂型铸造环境友好，是最有可能实现绿色铸造的型砂种类。
水玻璃砂常用的硬化方法有CO2吹气硬化、液态有机酯硬化、加热硬化等三种。在应用较多的CO2硬化水玻璃砂和酯硬化水玻璃砂两种工艺中，CO2硬化水玻璃砂工艺存在以下问题：水玻璃加入量高(其为型砂质量的6％～8％)、旧砂的溃散性差以及回用再生困难。相比之下，酯硬化水玻璃砂的水玻璃加入量较低(其为型砂质量的2.5％～3.5％)，其旧砂的溃散性与回用再生性大大优于CO2硬化的水玻璃砂。但是，酯硬化的水玻璃砂工艺也存在不少缺点：由于残留酯与残留Na2O在循环使用过程中积累影响，循环使用后旧砂的溃散性和回用再生性有恶化趋势。实践和研究表明：降低水玻璃加入量、提高水玻璃粘结效率是克服水玻璃砂旧砂溃散性差、落砂清理困难，旧砂再生回用性差等缺点的最有效方法。然而，当水玻璃加入量低于2.0％时，其旧砂的溃散性和回用再生性接近树脂旧砂。目前，实际生产应用中还不能实现水玻璃加入量小于2.0％。
加热硬化水玻璃砂是较早被发现的水玻璃砂硬化方法之一，它可以充分发挥水玻璃的粘结效率，具有强度高、水玻璃加入量少等优点。普通加热硬化水玻璃砂型(芯)内部不易烘透、型(芯)砂表层又易受过度烘烤而粉化，且热能消耗大、硬化时间长。而微波加热硬化水玻璃砂工艺可克服普通传导式加热水玻璃砂工艺的缺点，具有加热均匀、加热速度快、操控性好、原材料成本低等优势。微波加热硬化水玻璃砂保留了水玻璃砂的优势，又克服了现有CO2硬化水玻璃砂和酯硬化水玻璃砂的缺点。
微波加热硬化水玻璃砂应用的主要难题是：硬化后的水玻璃砂型(芯)具有极强的吸湿性，在空气环境下停放1～2小时的微波硬化水玻璃砂型的硬化强度快速下降。另外，现有模具材料较难满足微波硬化水玻璃砂型的使用要求，因为金属类模具材料不能采用、木模和塑料模等易受热变形。
专利申请号为200810197391.5中国专利申请公开了一种水玻璃砂型或砂芯的微波硬化方法，其先将砂型连同模具放入微波炉中短时间加热(加热时间5秒～20秒)，使其抗压强度大于15KPa(起模强度)后脱模；然后对不带模具的砂型进行二次微波加热(加热时间大于40秒)，使之完全硬化，解决微波硬化水玻璃砂对模具材料的高要求，但该方法存在的问题是：砂型和芯盒的制造周期较长、成本偏高，砂型经第一次微波加热脱模的难易程度受砂型和芯盒结构复杂程度的严格限制。
采用微喷射粘结成形技术实现水玻璃砂型(芯)的无模化快速制造，可显著降低砂型(芯)的生产周期，降低成本，并且便于砂型(芯)的微波加热硬化。公开号为CN104493101A中国专利申请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，其采用水玻璃与型砂混合料作为成形粉末材料，喷射有机酯使水玻璃硬化，该方法存在的主要问题是：水玻璃与型砂混合后，型砂的流动性急剧下降，在工作台表面不能形成完整砂层，工艺难以顺利进行；另外，先成形的砂层中水玻璃固化太慢不能给砂层提供一定的强度，在其上面粉末层在自重产生的压力下，会被压缩，这种现象经逐层放大后会严重影响后面成形层厚的精度。而且，水玻璃砂型成形后需要等待1h-8h，才可以完成固化，其制备效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微喷射粘结快速成形水玻璃砂型(芯)方法，采用一定粒径分布范围的原始型砂为成形的基体材料，以水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液为粘结剂，通过微喷射方式将粘结剂选择性喷射至型砂铺展的砂层中，采用微波加热方式使水玻璃固化型砂而形成层面轮廓，依此方式逐层堆积可快速获得无模化制备的水玻璃砂型。本发明方法无需使用模具，无需型砂与水玻璃混合，不存在水玻璃型砂表面粉化和易吸湿问题，工艺操作性强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)根据待成形的水玻璃砂型的外形轮廓尺寸，建立待成形的水玻璃砂型的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚；
(2)先铺设一层型砂材料，再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，
所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液；
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓；
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。
以上发明构思中，每一层水玻璃砂的固化采用微波加热方式实现，微波加热方式可使砂层受热均匀，能快速、高效的使砂层中的水玻璃匀速固化，防止产生内应力而使已粘结砂层发生翘起变形。
在实际工程实践中，微波加热的功率为300W～2000W，微波加热装置置于工作台正上方，当其下降至工作台表面时，可对工作台进行密封，防止微波泄漏，对每一层型砂材料以及喷射在该层型砂材料上的粘结剂进行微波固化时间为1s～4s。待步骤(5)完成后，也就是当完成最后一层的成形后，微波加热的加热时间为30s～60s。加热完成后，微波加热装置回位，可直接从工作台中取出水玻璃砂型(芯)。
进一步的，步骤(2)中，所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的1％～4％。限定加入的聚乙烯醇的量，即不影响水玻璃砂强度又可防止微波硬化过程中水玻璃脱水粉化和后期放置过程中水玻璃砂型吸湿。
进一步的，步骤(2)中，所述粘结剂的粘度小于10mPa·s。
进一步的，步骤(2)中，所述粘结剂的表面张力为40mN/m～70mN/m。
进一步的，所述粘结剂一次的喷射体积为对应的当前砂层空隙体积的10％～50％。
进一步的，步骤(2)中，所述喷头的扫描速度为0.5m/s～2m/s。
进一步的，步骤(2)中，所述型砂材料包括擦洗硅砂、宝珠砂以及锆英砂中的一种或者多种。所述型砂材料为普通铸造用型砂，譬如擦洗硅砂、宝珠砂、锆英砂等等，型砂材料不与任何粘结剂或固化剂预混，可便于储存和回收利用，并能防止大幅降低流动性，以免影响铺粉质量。
进一步的，步骤(2)中，所述型砂材料粒径范围为70目～240目。
进一步的，步骤(1)中设定成形层厚为0.1mm～0.3mm。
进一步的，步骤(2)中，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.1m/s～0.5m/s。
以上对微波加热方式、微波功率、微波加热时间、粘结剂粘度、表面张力、喷头的扫描速度、型砂材料粒径、成形层厚以及铺粉速度的限定，可以保证成形的水玻璃砂型(芯)具有最佳的性能。
本发明中，水玻璃砂型也称为水玻璃砂芯。
本发明中的微喷射粘结快速成形水玻璃砂型(芯)方法基于离散堆积成形思想，首先建立砂型的三维实体模型，根据砂型的结构特点确定成形方向和分层厚度，然后将三维模型按层厚进行离散分层并转换为加工控制代码，成形工作台先沿垂直方向下降一个层厚高度，铺粉装置将经过筛粒的型砂铺设在工作台表面，喷头在砂层表面按当前层面轮廓信息选择性喷射水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液，在工作台正上方的微波发射装置下降并对工作台密封，发射微波对工作台表面的砂层进行加热1秒～4秒使水玻璃砂固化，微波装置回位，工作台同时下降一个层厚高度，如此往复直至砂型(芯)堆积完成。该方法可快速成形任意复杂形状的水玻璃砂型(芯)，采用微波加热硬化方式可使砂层受热均匀，不易发生翘起变形，很好的解决了微波硬化水玻璃砂型(芯)的模具材料限制问题，且使用的型砂未添加任何化学试剂，便于储存和回收利用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明将微喷射分层粘结技术和微波加热硬化技术结合在一起，以型砂材料和粘结剂为原料，型砂不与液体试剂混合，具有良好的流动性，能保证砂层的致密度和表面平整度。水玻璃溶液中加入聚乙烯醇形成粘结剂，可有效降低水玻璃砂型(芯)在常温下的吸湿能力，聚乙烯醇也作为粘结剂可有效减小水玻璃砂型(芯)表面粉化现象。每一层水玻璃砂都通过微波加热方式硬化，可快速使型砂固结而具有一定的抗压强度，也可提高Z轴分层精度。
采用微喷射分层粘结成形水玻璃砂型(芯)，降低了复杂砂型(芯)的制造难度，大幅提高了新铸件产品的成形效率。采用微波加热硬化水玻璃砂，可大幅降低水玻璃加入量，并能提高水玻璃砂硬化速率。采用微喷射粘结快速成形技术与微波加热技术相结合，克服了现有微波硬化水玻璃砂(芯)对模具材料的高要求以及表面粉化和易吸湿问题，还克服了现有微喷射粘结快速成形水玻璃砂工艺可行性较差，型砂与水玻璃混合后储存和回收难度大的问题。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图；
图2(a)是本发明实施例中水玻璃砂芯外形结构示意图。
图2(b)是本发明实施例中水玻璃砂型成形方向示意图。
图3是本发明实施例中齿轮砂型的齿轮原型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明方法的工艺流程图，由图可知，其包括如下主要的步骤：
(1)根据待成形的水玻璃砂型(芯)的外形轮廓尺寸，在计算机中建立待成形的水玻璃砂型(芯)的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚为0.1mm～0.3mm。
(2)先铺设一层型砂材料，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.1m/s～0.5m/s。再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液。所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的1％～4％。粘结剂的粘度小于10mPa·s，粘结剂的表面张力为40mN/m～70mN/m，粘结剂一次的喷射体积为对应的当前层型砂材料空隙体积的10％～50％。喷头的扫描速度为0.5m/s～2m/s。型砂材料包括擦洗硅砂、宝珠砂以及锆英砂中的一种或者多种。型砂材料不与任何粘结剂或固化剂预混，可便于储存和回收利用，并能防止大幅降低流动性，以免影响铺粉质量。型砂材料粒径范围为70目～240目。
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓。微波加热的功率为300W～2000W，微波加热装置置于工作台正上方，当其下降至工作台表面时，可对工作台进行密封，防止微波泄漏，对每一层型砂材料以及喷射在该层型砂材料上的粘结剂进行微波固化时间为1s～4s。
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。待步骤(5)完成后，也就是当完成最后一层的成形后，微波加热的加热时间为30s～60s。加热完成后，微波加热装置回位，可直接从工作台中取出水玻璃砂型。
为了更进一步的说明本发明方法，下面以具体的实施例进一步阐述。
实施例1
利用本发明方法成形一个70目～140目宝珠砂芯叶片，叶片高度78.5mm，最大外圈直径为170mm，图2是本发明实施例中水玻璃宝珠砂型芯外形结构示意图。
具体过程如下：
(1)根据待成形的水玻璃砂芯的外形轮廓尺寸，通过pro/E软件建立待成形的水玻璃砂芯的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚为0.18mm。
(2)先铺设一层型砂材料，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.4m/s。再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液。所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的1.5％。粘结剂的粘度为8mPa·s，粘结剂的表面张力为45mN/m，粘结剂一次的喷射体积为对应的当前层型砂材料空隙体积的15％。。喷头的扫描速度为1.5m/s。型砂材料为宝珠砂。型砂材料粒径范围为70目～140目。
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓。微波加热的功率为600W。微波加热装置置于工作台正上方，当其下降至工作台表面时，可对工作台进行密封，防止微波泄漏，对每一层型砂材料以及喷射在该层型砂材料上的粘结剂进行微波固化时间为4s。
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。待步骤(5)完成后，也就是当完成最后一层的成形后，微波加热的加热时间为55s。加热完成后，微波加热装置回位，可直接从工作台中取出水玻璃砂芯。并对其表面进行清理，获得水玻璃宝珠砂芯。
实施例2
利用本发明方法成形一个140目～240目锆英砂芯叶片，叶片高度78.5mm，最大外圈直径为170mm，图2是本发明实施例中水玻璃砂芯外形结构示意图。
具体过程如下：
(1)根据待成形的水玻璃砂芯的外形轮廓尺寸，通过pro/E软件建立待成形的水玻璃砂芯的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚为0.12mm。
(2)先铺设一层型砂材料，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.1m/s。再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液。所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的4％。粘结剂的粘度小于8mPa·s，粘结剂的表面张力为65mN/m，粘结剂一次的喷射体积为对应的当前层型砂材料空隙体积的45％。喷头的扫描速度为0.5m/s。型砂材料为锆英砂。型砂材料粒径范围为140目～240目。
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓。微波加热的功率为1500W。微波加热装置置于工作台正上方，当其下降至工作台表面时，可对工作台进行密封，防止微波泄漏，对每一层型砂材料以及喷射在该层型砂材料上的水玻璃溶液进行微波固化时间为2s。
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。待步骤(5)完成后，也就是当完成最后一层的成形后，微波加热的加热时间为40s。加热完成后，微波加热装置回位，可直接从工作台中取出水玻璃砂芯。并对其表面进行清理，获得水玻璃锆英砂芯。
实施例3
利用本发明方法成形一个直齿圆柱齿轮的砂型，齿轮高度50mm，最大外圈直径为300mm，图3是本发明实施例中直齿圆柱齿轮外形结构示意图。
具体过程如下：
(1)根据直齿圆柱齿轮性状和成形工艺条件，通过pro/E软件设计并建立齿轮水玻璃砂型的三维实体模型，高度为800mm，长度和宽度为340mm，以Z轴为成形方向，设定成形层厚为0.25mm。
(2)先铺设一层型砂材料，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.3m/s。再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液。所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的3％。粘结剂的粘度小于7mPa·s，粘结剂的表面张力为56mN/m，粘结剂一次的喷射体积为对应的当前层型砂材料空隙体积的30％。喷头的扫描速度为1m/s。型砂材料为锆英砂。型砂材料粒径范围为100目～200目。
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓。微波加热的功率为1000W，微波加热装置置于工作台正上方，当其下降至工作台表面时，可对工作台进行密封，防止微波泄漏，对每一层型砂材料以及喷射在该层型砂材料上的粘结剂进行微波固化时间为3s。
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。待步骤(5)完成后，也就是当完成最后一层的成形后，微波加热的加热时间为30s。加热完成后，微波加热装置回位，可直接从工作台中取出水玻璃砂型。并对其表面进行清理。
本发明中，采用一定粒径分布范围的原始型砂为成形粉末材料，以水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液为粘结剂，通过微喷射方式将粘结剂喷射至原始砂层中，采用微波加热方式使水玻璃失水固化而粘结原始型砂，从而形成层面轮廓，依此方式并逐层堆积成形，获得水玻璃砂型(芯)。微波加热硬化水玻璃砂可使水玻璃的加入量降至1.5％以下。水玻璃加入量大幅降低，则旧砂溃散性能提升，落砂清理难度、回用再生难度则大幅降低。微波加热硬化水玻璃砂工艺可克服普通传导式加热水玻璃砂工艺的缺点，具有加热均匀、加热速度快、操控性好、原材料成本低等优势。微波加热硬化水玻璃砂保留了水玻璃砂的优势，又克服了现有CO2硬化水玻璃砂和酯硬化水玻璃砂的各自缺点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)根据待成形的水玻璃砂型的外形轮廓尺寸，建立待成形的水玻璃砂型的三维实体模型，以Z轴为成形方向，设定成形层厚；
(2)先铺设一层型砂材料，再利用喷头在型砂材料表面喷射粘结剂以形成当前层轮廓图案，
所述粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液；
(3)对当前层轮廓图案进行微波加热，使水玻璃干燥固化进而将型砂材料粘结固化成当前层砂型轮廓；
(4)停止微波加热，工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)重复步骤(2)～(4)直到水玻璃砂型成形。
2.如权利要求1所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述粘结剂中，聚乙烯醇的加入量为水玻璃质量的1％～4％。
3.如权利要求1或2所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述粘结剂的粘度小于10mPa·s。
4.如权利要求3所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述粘结剂的表面张力为40mN/m～70mN/m。
5.如权利要求1所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述粘结剂一次的喷射体积为对应的当前层型砂材料空隙体积的10％～50％。
6.如权利要求1或5所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述喷头的扫描速度为0.5m/s～2m/s。
7.如权利要求1所述的一种水玻璃砂型(芯)快速成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中，微波加热功率为300W～2000W，加热时间为1s～4s。
8.如权利要求1或7所述的一种水玻璃砂型(芯)快速成形方法，其特征在于，最后一层喷射粘结剂完成后，微波加热时间为30s～60s。
9.如权利要求1、6或7所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述型砂材料包括擦洗硅砂、宝珠砂以及锆英砂中的一种或者多种。
10.如权利要求1、2或5所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述型砂材料粒径范围为70目～240目。
11.如权利要求1所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设定成形层厚为0.1mm～0.3mm。
12.如权利要求1、9或11所述的一种水玻璃砂型快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，铺设一层型砂材料时的铺粉速度为0.1m/s～0.5m/s。
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