一種內(nèi)燃機機架的3d打印無模鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，包括砂芯制造及組芯造型；砂芯制造包括規(guī)定機架3D打印砂芯制造過程中的分芯工藝，砂芯結(jié)構(gòu)、吊運結(jié)構(gòu)、裝卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其模擬檢驗，組芯造型包括組芯平臺的預備、下芯組芯方法和埋箱操作方法；以目前使用3D打印方法生產(chǎn)的一種機架為例進行介紹：該機架澆注方向是以缸口面向下，地腳面朝上澆注；澆注系統(tǒng)由機架缸口面?zhèn)冗呥M流，每一缸分別布置一道內(nèi)澆口在分芯面上，橫澆道與內(nèi)澆道之間放置一片過濾網(wǎng)；在機架頂端地腳面上放置液態(tài)冒口進行補縮和出氣，同時在機架軸承座頂部引氣道出氣。本發(fā)明的有益效果是：節(jié)省了模具制作費用，大幅縮短了生產(chǎn)驗證周期，操作簡便。
【專利說明】
一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)應用于鑄件生產(chǎn)中的內(nèi)燃機機架鑄造工藝，具體的涉及一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，屬于工業(yè)鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機機體主架(以下簡稱“機架”)是機車、船舶、汽車、陸用發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)動機主要零部件，用于支撐曲軸連桿機構(gòu)運動并保持其相互位置的正確性。根據(jù)汽缸排列形式常見類型有V型機及直列機兩種，其結(jié)構(gòu)包括氣缸體、曲軸箱、加強筋、冷卻水套、潤滑油道等，形狀結(jié)構(gòu)復雜，尺寸精度要求高。同時由于需要長期在高壓、高負荷環(huán)境下工作，對內(nèi)部缺陷控制要求較高，一般要經(jīng)過嚴格UT/RT及滲漏測試，一直以來都被列為鑄造行業(yè)最具技術(shù)含量與難度的產(chǎn)品之一。在該類鑄件的造型方法上，目前普遍使用模具與樹脂自硬砂進行鑄型的制作:模具分外模與芯盒，前者用于造外型皮，后者用于制內(nèi)腔芯，通過將內(nèi)腔芯下入外型皮并合箱，形成完整鑄型。為了控制鑄造尺寸精度及穩(wěn)定性，主機架的外模及芯盒一般都以金屬模具為主，這種模具制作成本高昂，制作周期長，模具結(jié)構(gòu)變更及維修難度大。同時為滿足內(nèi)腔砂芯局部復雜結(jié)構(gòu)的起模及撤料，有時需要將內(nèi)腔芯進一步拆分，砂芯數(shù)量增多，致使鑄件披縫清理難度及尺寸精度控制難度增大。這使得機架產(chǎn)品在進行試驗件或小批量件鑄造時，會增加鑄造成本與生產(chǎn)周期。
[0003]隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，目前通過3DP打印機可實現(xiàn)鑄造用砂芯的打印制作，所得砂芯尺寸精度尚，砂芯強度好。這種砂芯制造方法無需考慮傳統(tǒng)工藝的起模和撤料冋題，減少了工藝分芯數(shù)量，使披縫清理難度及尺寸控制難度降低。
[0004]為此，如何提供一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，代替模具制芯造型來進行機架類鑄件的鑄造生產(chǎn)，是本發(fā)明研究的目的所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，實現(xiàn)機架類產(chǎn)品的無模鑄造，以達到節(jié)約模具制造成本，縮短鑄造周期的目的，非常適合于機架產(chǎn)品試驗件或小批量件的鑄造，是一種高效、綠色、環(huán)保的鑄造生產(chǎn)工藝。
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
[0007]—種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，包括砂芯制造和組芯造型，其中，砂芯制造包括規(guī)定機架3D打印砂芯制造過程中的分芯工藝，砂芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計、吊運結(jié)構(gòu)的設(shè)計和裝卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及模擬檢驗，所述的分芯工藝為:在完成鑄造工藝后，繪制一工藝部件整體尺寸為10mm的長方體，將鑄件、澆冒系統(tǒng)整體包裹并分別進行求差，可得到一個整體的鑄型，再將鑄型拆分成符合打印尺寸的砂芯;所述工藝以每一缸為單位，采用垂直分芯方法從軸承座中心分芯，將砂芯分成數(shù)量等于缸數(shù)加二的砂芯，所得砂芯不分外型皮與內(nèi)腔芯；
[0008]所述的砂芯結(jié)構(gòu)設(shè)計為:分芯完成后，首先使用掏空和削減方法對砂芯局部厚大部位進行減重優(yōu)化，同時增加砂芯拐角及尖角處過渡圓角，所述的砂芯結(jié)構(gòu)上不得存在飛邊、薄皮的薄弱砂芯結(jié)構(gòu)，所述的砂芯在頂部分芯面上需設(shè)計兩個定位字母扣，對于局部清理及流涂困難的部位，可設(shè)計粘芯結(jié)構(gòu)處理；
[0009]所述的吊運結(jié)構(gòu)設(shè)計為:通過對砂芯設(shè)置吊柄，實現(xiàn)砂芯的吊運、流涂翻轉(zhuǎn)過程，所述的吊柄設(shè)置于砂芯重心或過重心處，使用吊帶環(huán)套吊柄起吊；吊柄設(shè)計計算公式F =
1.2*#a*b*c，其中:F是根據(jù)砂芯重量G及吊運方向長度L計算出的最大剪切力，a、b是吊柄截面的長寬尺寸，c是吊柄數(shù)量，τ是打印砂芯的剪切應力，1.2為安全系數(shù);所述的吊柄按工作性質(zhì)分別設(shè)置水平吊柄與垂直吊柄；
[0010]所述的裝卡結(jié)構(gòu)制造:是在所述的砂芯上設(shè)置裝卡槽，所述的裝卡槽在砂芯兩側(cè)設(shè)置，所述的裝卡槽結(jié)構(gòu)包括Φ 30螺桿槽與螺母緊固槽，呈上下錯位分布；
[0011 ]所述的模擬檢驗為:砂芯制造完成后，通過計算機CAE模擬分析對每塊砂芯進行應力分析，確定砂芯應力集中部位并進行強度評估，確認所制造的砂芯外圍吃砂量及吊柄穩(wěn)定性；
[0012]組芯造型是規(guī)定機架所有3D打印砂芯形成鑄型的全過程，包括以下內(nèi)容:①組芯平臺的預備:預備一個組芯平臺，所述的組芯平臺上設(shè)置簡易定位臺進行下芯定位;②下芯組芯方法:根據(jù)砂芯編號順序進行下芯，先下中間芯最后下邊芯，下芯過程首先使用吊帶環(huán)套水平吊柄將砂芯水平放置，再吊運垂直吊柄將砂芯垂直起吊后依次下芯，中間芯全部下完后，使用壓縮空氣將內(nèi)腔的散砂及雜質(zhì)全部吹出，然后下最后兩塊邊芯，每下一塊芯子，需檢驗定位是否干涉，相鄰砂芯配合面是否平齊;確認所述的下芯到位后，使用螺桿將砂芯卡緊，最后在直澆道與冒口處粘接瓷管與冒口套；
[0013]③埋箱操作方法:待下芯全部完成后，使用與組芯平臺相同大小的砂箱中圈及上蓋將所有砂芯圍套，并使用卡子將砂箱與平臺整體裝卡，上蓋頂平面需與直澆道頂部平齊，然后使用樹脂砂將砂箱填滿，待樹脂砂硬化后，座水口即可澆注;最后等到冷卻至打箱溫度后進行打箱，即得到所需鑄件。
[0014]進一步的，在所述分芯制造工藝中，所述砂芯的主體砂芯包含有鑄件內(nèi)外腔結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冒口及出氣結(jié)構(gòu)，冷鐵和冒口預留槽，所述的砂芯在水平方向排列可形成機架整體鑄型。
[0015]進一步的，在所述的組芯造型方法中，所述的組芯平臺是鑄鐵托盤、鋼板或大出砂芯整體尺寸的砂胎。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:節(jié)省了模具制作費用，大幅縮短了生產(chǎn)驗證周期，操作難度與勞動強度大幅降低，同時提高了鑄件生產(chǎn)的安全性。
【具體實施方式】
[0017]為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0018]本發(fā)明的一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，包括砂芯制造和組芯造型；為便于描述技術(shù)方案，以目前使用3D打印方法生產(chǎn)的一種機架為例進行介紹:該機架澆注方向是以缸口面向下，地腳面朝上澆注;澆注系統(tǒng)由機架缸口面?zhèn)冗呥M流，每一缸分別布置一道內(nèi)澆口在分芯面上，橫澆道與內(nèi)澆道之間放置一片過濾網(wǎng);在機架頂端地腳面上放置液態(tài)冒口進行補縮和出氣，同時在機架軸承座頂部引氣道出氣。該機架需在軸承座、端面加工臍子等熱節(jié)部位鋪設(shè)冷鐵來減少縮松。
[0019]砂芯制造，是規(guī)定機架3D打印砂芯設(shè)計過程中對分芯工藝、砂芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計、吊運結(jié)構(gòu)的設(shè)計、裝卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計及模擬檢驗，包含內(nèi)容如下:
[0020]①分芯工藝:由于3D打印方法無需考慮傳統(tǒng)工藝的起模和撤料問題，在完成鑄造工藝后(鑄造工藝是對鑄造澆注位置、加工量、澆注系統(tǒng)、補縮及出氣的設(shè)計過程)，繪制一大出工藝部件整體尺寸為10mm的長方體，將鑄件、澆冒系統(tǒng)整體包裹并分別進行求差，可得到一個整體的鑄型，再將鑄型拆分成符合打印尺寸的砂芯即可。由于機架每缸結(jié)構(gòu)相對獨立(機架缸口面圓柱形空腔即為氣缸，氣缸向下延伸為曲軸箱，整體為半封閉的腔體)，故以每一缸為單位，采用垂直分芯方法從軸承座中心分芯，將砂芯分成數(shù)量等于缸數(shù)加2的砂芯(多出2塊芯為端頭邊芯)，所得砂芯不分外型皮與內(nèi)腔芯，主體砂芯需包含有鑄件內(nèi)外腔結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冒口及出氣結(jié)構(gòu)，冷鐵和冒口預留槽等，所有砂芯在水平方向排列便形成機架整體鑄型。
[0021]②砂芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計:分芯完成后，首先使用掏空和削減等方法對砂芯局部厚大部位進行減重優(yōu)化，同時增加砂芯拐角及尖角處過渡圓角，砂芯結(jié)構(gòu)上不得存在飛邊、薄皮等薄弱砂芯結(jié)構(gòu)。對于局部清理及流涂困難的部位，可設(shè)計粘芯結(jié)構(gòu)處理(如橫澆道末端集渣包結(jié)構(gòu))。砂芯在頂部分芯面上需設(shè)計2個定位字母扣，以保證下芯過程定位。
[0022]③吊運結(jié)構(gòu)設(shè)計:由于3D打印砂芯無法預埋芯鼻，故對砂芯吊運方法需慎重考慮。通過對砂芯設(shè)計吊柄，可實現(xiàn)砂芯的吊運、流涂翻轉(zhuǎn)過程。吊柄設(shè)置于砂芯重心或過重心處，使用吊帶環(huán)套吊柄起吊，可實現(xiàn)砂芯平穩(wěn)吊運。吊柄設(shè)計計算公式F= 1.2*T*a*b*c(F是根據(jù)砂芯重量G及吊運方向長度L計算出的最大剪切力;a、b是吊柄截面的長寬尺寸;c是吊柄數(shù)量;τ是打印砂芯的剪切應力，可由實驗測得;1.2為安全系數(shù))。機架砂芯吊柄分水平吊柄與垂直吊柄，前者用于砂芯的起吊、運輸及流涂翻轉(zhuǎn)，后者用于砂芯的垂直下芯過程吊運。
[0023]④裝卡結(jié)構(gòu)設(shè)計:為保證砂芯下芯后在水平方向上貼合，以減小鑄件長度方向上的尺寸偏差，需要在砂芯上設(shè)置裝卡槽。裝卡槽在砂芯兩側(cè)設(shè)計，結(jié)構(gòu)包括Φ 30螺桿槽與螺母緊固槽，呈上下錯位分布，以實現(xiàn)砂芯的兩兩裝卡。最終通過Φ30螺桿與配套墊片裝卡緊固可實現(xiàn)砂芯的整體裝卡。
[0024]⑤模擬檢驗為:砂芯所有結(jié)構(gòu)制造完成后，需通過計算機CAE模擬分析對每塊砂芯進行應力分析，確定砂芯應力集中部位并進行強度評估，確認所設(shè)計砂芯的外圍吃砂量及吊柄不得存在吊運風險。所述組芯造型方法，是規(guī)定機架所有3D打印砂芯形成鑄型的全過程，包括組芯平臺的預備、下芯組芯方法、埋箱操作方法。具體包含內(nèi)容如下:
[0025]①組芯平臺的預備:為保證所有砂芯在下芯過程中獲得一個水平的下芯基準，首先要預備一個平整度較高的組芯平臺(該平臺可以是鑄鐵托盤、鋼板或大出砂芯整體尺寸的砂胎)。為提高下芯準確度，組芯平臺上還可制作簡易定位臺進行下芯定位。
[0026]②下芯組芯方法:根據(jù)砂芯編號順序進行下芯，先下中間芯最后下邊芯。下芯過程首先使用吊帶環(huán)套水平吊柄將砂芯水平放置，再吊運垂直吊柄將砂芯垂直起吊后依次下芯，中間芯全部下完后，使用壓縮空氣將內(nèi)腔的散砂及雜質(zhì)全部吹出，然后下最后2塊邊芯，每下一塊芯子，需檢驗定位是否干涉，相鄰砂芯配合面是否平齊。確認下芯到位后，使用螺桿將砂芯卡緊。最后在直澆道與冒口處粘接瓷管與冒口套。
[0027]③埋箱操作方法:下芯全部完成后，使用與組芯平臺相同大小的砂箱中圈及上蓋將所有砂芯圍套，并使用卡子將砂箱與平臺整體裝卡，上蓋頂平面需與直澆道頂部平齊。然后使用樹脂砂將砂箱填滿，待樹脂砂硬化后，座水口即可澆注。最后等到冷卻至打箱溫度后進行打箱，即可得到所需鑄件。
[0028]本發(fā)明通過發(fā)明內(nèi)燃機機架的3D打印鑄造方法，可實現(xiàn)機架類產(chǎn)品的無模鑄造，以達到節(jié)約模具制造成本，縮短鑄造周期的目的，非常適合于機架產(chǎn)品試驗件或小批量件的鑄造。此方法的發(fā)明，將實現(xiàn)3D打印技術(shù)在高端鑄件生產(chǎn)領(lǐng)域的應用，形成該類鑄件的高效、綠色、環(huán)保的鑄造生產(chǎn)模式
[0029]以上對本申請所提供的技術(shù)方案進行了詳細介紹，本文中應用了實施例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本申請的限制。
【主權(quán)項】
1.一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，其特征在于:包括砂芯制造和組芯造型，其中，砂芯制造包括規(guī)定機架3D打印砂芯制造過程中的分芯工藝，砂芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計、吊運結(jié)構(gòu)的設(shè)計和裝卡結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及模擬檢驗， 所述的分芯工藝為:在完成鑄造工藝后，繪制一工藝部件整體尺寸為10mm的長方體，將鑄件、澆冒系統(tǒng)整體包裹并分別進行求差，可得到一個整體的鑄型，再將鑄型拆分成符合打印尺寸的砂芯;所述工藝以每一缸為單位，采用垂直分芯方法從軸承座中心分芯，將砂芯分成數(shù)量等于缸數(shù)加二的砂芯，所得砂芯不分外型皮與內(nèi)腔芯； 所述的砂芯結(jié)構(gòu)設(shè)計為:分芯完成后，首先使用掏空和削減方法對砂芯局部厚大部位進行減重優(yōu)化，同時增加砂芯拐角及尖角處過渡圓角，所述的砂芯結(jié)構(gòu)上不得存在飛邊、薄皮的薄弱砂芯結(jié)構(gòu)，所述的砂芯在頂部分芯面上需設(shè)計兩個定位字母扣，對于局部清理及流涂困難的部位，可設(shè)計粘芯結(jié)構(gòu)處理； 所述的吊運結(jié)構(gòu)設(shè)計為:通過對砂芯設(shè)置吊柄，實現(xiàn)砂芯的吊運、流涂翻轉(zhuǎn)過程，所述的吊柄設(shè)置于砂芯重心或過重心處，使用吊帶環(huán)套吊柄起吊；吊柄設(shè)計計算公式F=1.2*T*a*b*c，其中:F是根據(jù)砂芯重量G及吊運方向長度L計算出的最大剪切力，a、b是吊柄截面的長寬尺寸，c是吊柄數(shù)量，τ是打印砂芯的剪切應力，1.2為安全系數(shù);所述的吊柄按工作性質(zhì)分別設(shè)置水平吊柄與垂直吊柄； 所述的裝卡結(jié)構(gòu)制造:是在所述的砂芯上設(shè)置裝卡槽，所述的裝卡槽在砂芯兩側(cè)設(shè)置，所述的裝卡槽結(jié)構(gòu)包括Φ30螺桿槽與螺母緊固槽，呈上下錯位分布； 所述的模擬檢驗為:砂芯制造完成后，通過計算機CAE模擬分析對每塊砂芯進行應力分析，確定砂芯應力集中部位并進行強度評估，確認所制造的砂芯外圍吃砂量及吊柄穩(wěn)定性；組芯造型是規(guī)定機架所有3D打印砂芯形成鑄型的全過程，包括以下內(nèi)容:①組芯平臺的預備:預備一個組芯平臺，所述的組芯平臺上設(shè)置簡易定位臺進行下芯定位;②下芯組芯方法:根據(jù)砂芯編號順序進行下芯，先下中間芯最后下邊芯，下芯過程首先使用吊帶環(huán)套水平吊柄將砂芯水平放置，再吊運垂直吊柄將砂芯垂直起吊后依次下芯，中間芯全部下完后，使用壓縮空氣將內(nèi)腔的散砂及雜質(zhì)全部吹出，然后下最后兩塊邊芯，每下一塊芯子，需檢驗定位是否干涉，相鄰砂芯配合面是否平齊;確認所述的下芯到位后，使用螺桿將砂芯卡緊，最后在直澆道與冒口處粘接瓷管與冒口套； ③埋箱操作方法:待下芯全部完成后，使用與組芯平臺相同大小的砂箱中圈及上蓋將所有砂芯圍套，并使用卡子將砂箱與平臺整體裝卡，上蓋頂平面需與直澆道頂部平齊，然后使用樹脂砂將砂箱填滿，待樹脂砂硬化后，座水口即可澆注;最后等到冷卻至打箱溫度后進行打箱，即得到所需鑄件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，其特征在于:在所述分芯工藝中，所述砂芯的主體砂芯包含有鑄件內(nèi)外腔結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冒口及出氣結(jié)構(gòu)，冷鐵和冒口預留槽，所述的砂芯在水平方向排列可形成機架整體鑄型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機機架的3D打印無模鑄造方法，其特征在于:在所述的組芯造型方法中，所述的組芯平臺是鑄鐵托盤、鋼板或大出砂芯整體尺寸的砂胎。
【文檔編號】B22C9/22GK105834374SQ201610072173
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】杜文強, 孟慶文, 苗潤青
【申請人】寧夏共享模具有限公司