[发明专利]一种高精度酯固化水玻璃砂型/芯的快速成型系统及方法

说明书

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/芯的快速成型系统及方法，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系统及成形方法，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/芯的快速成型系统及方法。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：