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冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法

申请号 CN202311251222.6 申请日 2023-09-26 公开(公告)号 CN117259670A 公开(公告)日 2023-12-22
申请人 南京航空航天大学; 发明人 杨浩秦; 单忠德; 戴宇峰; 梁校; 黄健;
摘要 本 发明 是一种冷冻 铸造 阻燃剂梯度混合打印镁 合金 铸件精确成形方法。首先对阻燃剂成分进行配比,然后根据所要浇注的典型镁合金铸件结构特点设计梯度砂型中高阻燃剂与低阻燃剂 型砂 层的形状与层厚,同时结合铸件结构在低阻燃剂型砂层中设计保护气体管道。后续通过控制系统喷射 水 粘接剂到所铺设的型砂粉末床上,层层铺设打印,完成梯度砂型的制备。将打印好的梯度砂型进行冻结,浇注前通过预留的通气管道,通入SF6+CO2保护气体,通气一段时间后进行低温浇注,得到镁合金铸件。本发明可以减少阻燃剂的使用,防止与水蒸气反应爆炸,减少生产成本,使冷冻铸造技术在复杂镁合金铸件生产发挥作用,符合绿色铸造的发展要求。
权利要求

1.冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,该方法按以下步骤进行:
步骤1:对阻燃剂的成分进行设计,阻燃剂由酸与菱镁矿砂按一定比例混合而成;照阻燃剂中硼酸与菱镁矿砂占总质量的百分比不同,将其分为高阻燃剂型砂和低阻燃剂型砂;其中面砂预混高阻燃剂,背砂预混低阻燃剂;
步骤2:对高阻燃剂含量层(6)进行设计,不同大小、结构的镁合金铸件对于此层的阻燃剂含量要求不同,综合考虑镁合金熔体的浇注温度、浇注速度、镁合金铸件的壁厚分布,凝固后的铸件收缩产生的压来确定本层阻燃剂含量层与本层厚度,在满足阻燃要求的前提下越薄越好;
步骤3:对低阻燃剂含量层(10)进行设计,要考虑本层对于与高阻燃层的支撑加固效果,同时在该层中设计预留的保护气管路(9),通过冷冻打印镂空结构实现,用以在低温浇注前通入SF6(2)+CO2(5)保护气体;
步骤4:使用混砂器分别制备高、低阻燃剂含量的型砂,并将混合好的型砂使用或液氮预冷至‑40℃~‑25℃;
步骤5:分别将混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂输送进入两个相同结构的下砂装置(16)中,下砂装置(16)将所需种类型砂送入铺砂槽(17)后,铺砂槽(17)旁光电传感器(18)读取所需铺砂位置后控制铺砂槽(17)开合铺设所需型砂。将工作台下移一段距离使用控制铺砂装置铺设一层低阻燃剂含量型砂作为底砂,底砂铺设完毕,铺砂装置返回原始位置;
步骤6:工作台下移一个层厚,铺砂装置将在控制系统的控制下,根据当前层的砂型截面信息按需铺设高、低阻燃剂含量型砂;
步骤7:型砂铺设完后,铺砂装置移动回初始位置,控制系统控制微滴打印喷头(11)根据砂型当前层截面信息按需喷射粘接剂,完成当前层砂型的打印;
步骤8:重复步骤7、步骤8,每当铺砂装置中的储砂量不足以铺设一个层厚的型砂时,铺砂装置回到上砂位置,自混砂料斗中装填型砂;
步骤9:重复步骤9,层层打印,直至最终逐层堆叠完成砂型打印;
步骤10:将打印好的砂型放在低温室内进行二次冻结;
步骤11:清砂获得待浇注砂型;
步骤12:浇注前半小时向冷冻打印预设管路中通入SF6(2)+CO2(5)保护气体,二者体积比1:100,流速根据铸件大小变化,浇注时适当减小流量;
步骤13:向梯度砂型中浇注镁合金液,得到铸件。
2.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤1中阻燃剂由硼酸和菱镁矿粉组成,硼酸与菱镁矿粉的质量比为
1:2.5,与铸件表面直接接触的面砂中硼砂含量为2.6wt.%‑3wt.%,背砂中硼酸含量为
1wt.%。阻燃剂含量由型腔内向外逐级递少。
3.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤2中浇注铸件直径越大,浇注温度越高,高阻燃剂含量层的厚度增大。
4.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤3中低阻燃剂含量层中需设计保护气管路,管路在浇注前通入SF6+CO2保护气体,二者体积比为1:100,保护气体流量约为1‑10L/min。
5.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤5中混合好后的型砂分别输送进两个下砂装置中,下砂装置将不同种类砂送入铺砂槽后由光电传感器对铺设位置进行定位,定位到准确位置后控制铺砂槽开合铺设阻燃剂型砂,实现高、低阻燃剂型砂的梯度打印。
6.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤7中采用微滴喷射水粘接剂制造砂型时,砂型中较高含量的硼砂会对打印喷头产生腐蚀作用,通过在打印喷头上加装保护壳或贴有保护膜延长打印喷头的使用寿命。
7.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤12中浇注过程时将SF6+CO2保护气体的流速降低到0.5L/min,等所有步骤结束后再关闭气瓶调压结束通气。
8.根据权利要求1所述的一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其特征在于,所述步骤13中为减少表层镁合金液与空气接触产生剧烈反应,通过在冷冻砂型上部加盖树脂浇冒口,隔绝大部分空气与表面的接触。

说明书全文

冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及冷冻铸造砂增材制造成形领域,尤其是涉及一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法。

背景技术

[0002] 随着航天航空工业的发展,对构件轻量化的要求越来越高。镁合金构件的应用也越来越广泛,且构件结构趋于大型化和复杂化。为了满足铸件的性能及尺寸要求,航天大型镁合金铸件多采用砂型铸造成形。
[0003] 采用砂型铸造镁合金时,浇注过程中砂型易放出大量成分复杂的有害气体,易与镁合金发生化反应引起燃烧。目前现有的研究还未能彻底解决镁合金砂型铸造中的燃烧问题,铸造过程阻燃问题已成为制约高性能镁合金铸件生产的关键技术瓶颈及安全隐患。
[0004] 同时,在传统铸造行业中,木模/金属模翻模制备砂型制造周期长、尺寸精度低、污染排放大,难以满足航空航天、国防军工等复杂薄壁、高端铸件的快速响应需求。冷冻砂型增材制造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,提出以的冻结来替代型砂中的硬化剂,以逐层堆积材料的方式制造产品原型,其制造过程柔性高,生产周期短,材料利用率高。
[0005] 传统铸造工艺中,镁合金砂型为均质材料和结构,多采用向型砂中添加固定成分比例的阻燃剂解决镁合金浇注过程中的燃烧问题,但由于冷冻砂型层层制备的工艺特点,固定阻燃剂成分比例的型砂并不能满足铸件各部位的不同的阻燃需要,同时制造过程中采用固定阻燃剂成分比例的型砂将提高镁合金砂型制备过程中阻燃剂的使用量,高温镁合金熔体遇水容易反应爆炸,增大生产成本,不利于实现砂型的绿色化生产。

发明内容

[0006] 为解决上述现有问题,本发明提供了一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,能够解决冷冻砂型镁合金浇注过程中的燃烧氧化问题,得到合格的镁合金铸件,同时降低砂型铸造的铸造成本。
[0007] 本发明提出的冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,首先对阻燃剂成分进行配比,然后根据具体镁合金铸件结构特点设计梯度砂型中高阻燃剂与低阻燃剂型砂层的形状与层厚,同时结合铸件结构在低阻燃剂型砂层中设计保护气管道。接下来将两种预先添加高低阻燃剂比例的型砂装入两个相同的铺砂装置中,结合光电传感器准确地铺设高低阻燃剂比例的两种型砂,后续在控制系统的控制下水粘接剂通过喷头喷射到所铺设的型砂上,层层铺设打印,完成梯度砂型的制备。将打印好的梯度砂型进行冻结,浇注前通过预留的通气管道,通入SF6+CO2保护气体,进行浇注,得到铸件。
[0008] 为实现上述目的,本发明的冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金制造方法按一下步骤进行:
[0009] 步骤1:对阻燃剂的成分进行设计,阻燃剂由酸与菱镁矿砂按一定比例混合而成。按照阻燃剂中硼酸与菱镁矿砂占总质量的百分比不同,将其分为高阻燃剂型砂和低阻燃剂型砂。其中面砂预混高阻燃剂,背砂预混低阻燃剂;
[0010] 步骤2:对高阻燃剂含量层进行设计,不同大小、结构的镁合金对于此层的阻燃剂含量要求不同,综合考虑镁合金熔体的浇注温度、浇注速度、镁合金铸件的薄厚分布,后续凝固后的铸件收缩产生的压来确定本层阻燃剂含量层与本层厚度,在满足阻燃要求的前提下越薄越好;
[0011] 步骤3:对低阻燃剂含量层进行设计,要考虑本层对于与高阻燃层的支撑加固效果,同时在该层中设计预留的保护气管路,用以再浇注前通入SF6+CO2保护气体;
[0012] 步骤4:使用混砂器分别制备高、低阻燃剂含量的型砂,并将混合好的型砂使用或液氮的液态流化床预冷至0~‑10℃温度范围;
[0013] 步骤5:分别混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂输送进入两个铺砂机构中,将工作台下移一段距离使用控制铺砂装置铺设一层低阻燃剂含量型砂作为底砂,底砂铺设完毕,铺砂装置返回原始位置
[0014] 步骤6:工作台下移一个层厚,铺砂装置将在控制系统的控制下,根据当前层的砂型截面信息按需铺设高、低阻燃剂含量的型砂;
[0015] 步骤7:型砂铺设完后,铺砂装置移动回初始位置,控制系统控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射水粘接剂,完成当前层砂型的打印;
[0016] 步骤8:重复步骤7、步骤8,每当铺砂装置中的储砂量不足以铺设一个层厚的型砂时,铺砂装置回到上砂位置,自混砂料斗中装填型砂;
[0017] 步骤9:重复步骤9,层层打印,直至最终逐层堆叠完成砂型打印;
[0018] 步骤10:将打印好的砂型放在低温室内进行冻结;
[0019] 步骤11:清砂获得待浇注砂型;
[0020] 步骤12:浇注前半小时向预设管路中通入SF6+CO2保护气体,二者体积比1:100,流速根据铸件大小适当变化,浇注时减小流量;
[0021] 步骤13:向梯度砂型中浇注镁合金液,得到铸件。
[0022] 进一步的,低阻燃剂层可继续降低阻燃剂比例,减少砂型成本,符合绿色铸造发展方向。
[0023] 进一步的,阻燃剂成分硼砂与菱镁矿粉的质量比为1:2.5。
[0024] 进一步的,采用微滴喷射水粘接剂制造砂型时,较高含量的硼砂会对打印喷头产生腐蚀作用,通过在打印喷头上加装保护壳或贴有保护膜延长打印喷头的使用寿命。
[0025] 进一步的,混合好高、低阻燃剂的两种砂分别送入铺砂装置中,铺砂装置包括两个铺砂槽和光电传感器,光电传感器用于定位铺砂位置。
[0026] 进一步的,为减少表层镁合金液与空气接触产生剧烈反应,通过在冷冻砂型上部加盖树脂浇冒口,隔绝大部分空气与表面的接触,延缓反应。
[0027] 高阻燃剂型砂与低阻燃剂型砂中阻燃剂添加量配比如表1。
[0028] 表1型砂阻燃剂添加量
[0029]
[0030] 本发明的有益效果
[0031] 1、本发明在保证镁合金砂型的阻燃效果的前提下,将传统镁合金同阻燃剂成砂型设计成梯度阻燃冷冻砂型,并通过冷冻砂型增材制造柔性铺砂装置进行分区域铺设,可以减少阻燃剂的使用,降低镁合金遇水爆炸的影响,减少生产成本,复合绿色铸造的发展要求。
[0032] 2、本发明在梯度阻燃砂型的基础上,结合增材制造镂空设计与制造一体化技术,在砂型内通入保护气的方法,进一步解决镁合金铸件浇注过程中的燃烧问题,从而提高镁合金铸件的成品质量。附图说明
[0033] 图1为冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法流程图
[0034] 图2为镁合金梯度砂型示意图;
[0035] 图3为通气管路示意图;
[0036] 图4为冷冻砂型梯度打印过程示意图。
[0037] 附图说明:1‑调压;2‑SF6气瓶;3‑气管转接头;4‑气管;5‑CO2气瓶;6‑高阻燃剂含量层型砂;7‑树脂浇冒口;8‑型腔;9‑通气管路;10‑低阻燃剂含量层型砂;11‑微滴打印喷射头;12‑X轴滑;13‑Y轴滑块;14‑连杆;15‑连杆;16‑下砂装置;17‑铺砂槽;18‑光电传感器;19‑打印平台。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0039] 本发明提供一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,如图1所示。
[0040] 对阻燃剂的成分进行设计,将硼酸与菱镁矿砂按表1所示比例混合,将混合好后的阻燃剂加入50‑100目型砂搅拌,并预冷备用;分别混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂分别输送进入两个相同下砂装置16中。下砂装置16可将型砂送入铺砂槽17中,铺砂槽17的光电传感器18定位铺砂位置后控制铺砂槽17开合铺砂。首先将工作台19下移一段距离使用铺砂装置铺设一层低阻燃剂含量型砂作为底砂,底砂铺设完毕,铺砂装置返回原始位置;工作台19下移一个层厚,下砂装置16将在控制系统的控制下,根据当前层的砂型截面信息按需将高、低阻燃剂含量型砂送入铺砂槽17,铺砂槽17的光电传感器定位到铺砂位置后控制铺砂槽开合17将当前所需型砂铺设到指定位置处;型砂铺设完后,铺砂装置移动回初始位置,控制系统控制打印喷头11根据砂型当前层截面信息按需喷射水粘接剂,完成当前层砂型的打印;工作台19下移一个层厚,重复铺设与打印过程,层层铺设打印,获得所需砂型;如图3所示,打印所得铸件型腔8位于砂型中间部位,内层是高阻燃剂型砂6,外层是低阻燃剂型砂10,低阻燃剂型砂中设有通气管路9。将打印好的砂型放在低温室内进行冻结,清除多余型砂,如图2所示。浇注前半小时向预设管路9中通入SF6+CO2保护气体,气体装在气瓶2和气瓶5中,由气瓶上方的调压阀1控制气体流量,气体通过气管转接头3汇合后送入管路9中,在浇注时控制调压阀1减小气体流量。浇注前在砂型上部放置树脂浇冒口7减少铸件表面与空气的接触,向梯度砂型中浇注镁合金液,得到镁合金铸件。
[0041] 实施例1:
[0042] 一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其采用梯度打印的方式实现面砂混合高阻燃剂、背砂混合低阻燃剂,且高、低阻燃剂按照一定比例梯度变化。
[0043] 1)砂型制备:将硼酸与菱镁矿粉的质量比以1:3进行混合后制成阻燃剂,将阻燃剂与型砂按比例混合。其中面砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的2.6wt.%,菱镁矿粉占总质量的6.5wt.%;背砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的1wt.%,菱镁矿粉占总质量的2.5wt.%。
[0044] 2)打印成形:混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂输送进入两个相同铺砂机构中,铺砂机构由光电传感器进行铺砂定位,到达指定位置后控制铺砂槽开合落砂。控制打印喷头喷射水粘接剂完成当前层的打印,打印后砂型含水率占总质量的3wt.%。
[0045] 3)浇注:制得的冷冻砂型放置在室温20℃下进行浇注,浇注温度为650℃,浇注前半小时向低阻燃剂的通气孔持续通入SF6+CO2保护气体,其中二者的体积比为1:100。浇注圆柱棒材的直径为4cm,高度为10cm,高阻燃剂砂层的厚度约为2cm,低阻燃剂砂层厚度约为6cm。在冷冻砂型上部圆柱棒材表面与空气接触处加盖树脂浇冒口,向梯度砂型中浇注镁合金液,和水接触未发生爆炸,得到铸件。
[0046] 实施例2:
[0047] 一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其采用梯度打印的方式实现面砂混合高阻燃剂、背砂混合低阻燃剂,且高、低阻燃剂按照一定比例梯度变化。
[0048] 1)砂型制备:将硼酸与菱镁矿粉的质量比以1:3进行混合后制成阻燃剂,将阻燃剂与型砂按比例混合。其中面砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的2.8wt.%,菱镁矿粉占总质量的7wt.%;背砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的1wt.%,菱镁矿粉占总质量的2.5wt.%。
[0049] 2)打印成形:混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂输送进入两个相同铺砂机构中,铺砂机构由光电传感器进行铺砂定位,到达指定位置后控制铺砂槽开合落砂。控制打印喷头喷射水粘接剂完成当前层的打印,打印后砂型含水率占总质量的4wt.%。
[0050] 3)浇注:制得的冷冻砂型放置在室温20℃下进行浇注,浇注温度为670℃,浇注前半小时向低阻燃剂的通气孔持续通入SF6+CO2保护气体,其中二者的体积比为1:100。浇注圆柱棒材的直径为4cm,高度为10cm,高阻燃剂砂层的厚度约为3cm,低阻燃剂砂层厚度约为5cm。在冷冻砂型上部圆柱棒材表面与空气接触处加盖树脂浇冒口,
[0051] 向梯度砂型中浇注镁合金液,和水接触未发生爆炸,得到铸件。
[0052] 实施例3:
[0053] 一种冷冻铸造阻燃剂梯度混合打印镁合金铸件精确成形方法,其采用梯度打印的方式实现面砂混合高阻燃剂、背砂混合低阻燃剂,且高、低阻燃剂按照一定比例梯度变化。
[0054] 1)砂型制备:将硼酸与菱镁矿粉的质量比以1:3进行混合后制成阻燃剂,将阻燃剂与型砂按比例混合。其中面砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的3wt.%,菱镁矿粉占总质量的7.5wt.%;背砂中硼酸占阻燃剂加型砂总质量的1wt.%,菱镁矿粉占总质量的2.5wt.%。
[0055] 2)打印成形:混合好的高、低阻燃剂含量的两种型砂输送进入两个相同铺砂机构中,铺砂机构由光电传感器进行铺砂定位,到达指定位置后控制铺砂槽开合落砂。控制打印喷头喷射水粘接剂完成当前层的打印,打印后砂型含水率占总量的5wt.%。
[0056] 3)浇注:制得的冷冻砂型放置在室温20℃下进行浇注,浇注温度为690℃,浇注前半小时向低阻燃剂的通气孔持续通入SF6+CO2保护气体,其中二者的体积比为1:100。浇注圆柱棒材的直径为4cm,高度为10cm,高阻燃剂砂层的厚度约为4cm,低阻燃剂砂层厚度约为4cm。在冷冻砂型上部圆柱棒材表面与空气接触处加盖树脂浇冒口,向梯度砂型中浇注镁合金液,和水接触未发生爆炸,得到铸件。
[0057] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。