[发明专利]一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法

说明书

本发明属于砂型铸造领域，公开一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法。该方法将原砂与粘土粘结剂均匀混合，制成型砂并放置到砂箱中进行紧实，制成粘土砂坯，然后置于‑15℃—‑40℃的低温环境中充分冷冻，在粘土砂的强度和表面硬度达到指标后制成待用砂坯。由零件模型生成加工程序，驱动无模成形机对冷冻砂坯进行切削并组装砂型，然后在常温或低温环境下对砂型进行浇铸。粘土砂型冷冻后，透气性好，减少了金属液凝固过程中的气孔缺陷；砂型抗压(拉)强度高，表面硬度高，适用于无模切削成形；冷冻粘土砂无模制造工艺较传统手工造型效率高，砂型精度高；同时因浇铸时高温金属液熔体过冷度高，金属凝固过程中温度梯度大，金属铸件组织致密，力学性能好。

技术领域

本发明属于砂型铸造技术领域，具体涉及一种冷冻粘土砂的无模 铸造成形方法。

背景技术

无模铸造成形技术主要包括基于选择性激光烧结(SLS)或微滴 喷射的砂型增材制造技术和基于砂型切削的减材制造技术。本文主要 涉及的冷冻粘土砂无模铸造成形方法是针对粘土砂砂坯的切削技术。

基于砂型切削技术的无模铸造成形方法是使用CAD驱动砂型数 控加工系统对砂坯进行直接切削成形。其较传统手工翻模造型成形效 率高，制作成本低，工作环境好，砂型精度高(采用该方法制备的砂 型/芯尺寸精度提高到了CT6-7级，表面粗糙度达到3.2-6.3um)。可 以实现复杂铸型的整体净成形，制造出任意复杂形状的砂型，不需要 预留拔模斜度，极大地减少了人工干预。

目前基于砂型切削的无模铸造成形技术的应用范围主要包括树 脂砂、水玻璃砂、覆膜砂的切削加工，这是因为这三种砂型的抗压强 度和表面硬度较高，适用于铣刀的直接切削加工。未经过冷冻处理的 粘土砂的抗压、抗拉强度和表面硬度较低，湿型粘土砂抗拉强度仅为 0.03MPa，抗压强度仅为0.05MPa-0.3MPa左右，表面硬度仅为 45g/mm²左右，不适合进行直接切削加工的无模成形方法。湿型粘土 砂经过低温固化处理后，在-20℃左右抗拉强度可超过1.8MPa，抗压 强度可超过2.7MPa，表面硬度超过75g/mm²；在-30℃左右抗拉强度 可超过2.1MPa，抗压强度可超过3.0MPa，表面硬度超过80g/mm², 完全满足无模铸造技术对砂型本身性能的要求。

目前，得益于粘土砂所用的膨润土价格低廉，砂型制作环境较制 备树脂砂型好，高温溃散性比树脂砂优良等多方面优势，粘土砂造型 在砂型铸造领域的使用量超过70％。但由于粘土砂的抗拉(压)强度 和表面硬度较低，严重限制了基于砂型切削的无模铸造成形技术在粘 土砂造型领域的发展与推广，因此也大大增加了粘土砂手工造型的难 度与劳动强度。一种冷冻粘土砂的无模铸造成形方法为适用于粘土砂 铸造的各类金属铸件的制造提供了一种更加快速、更加完善的途径。 在保证粘土砂的低成本和高溃散性性能的同时也适用于基于砂型切 削的无模铸造成形技术，提高了粘土砂型腔的表面表面精度，使粘土砂造型省去必须使用木模、金属模的限制，极大地简化粘土砂的造型 难度。

发明内容

针对目前粘土砂在砂型铸造中的使用量非常大(超过70％)，但 自身抗拉(压)强度和表面硬度较低，不适用于直接切削砂型的无模 铸造成形技术的问题，本发明提出一种冷冻粘土砂切削成形方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

步骤一：将占纯净水质量百分数的20.0％-50.0％的膨润土、凹凸 棒土或海藻土等粘土粉末预先与纯净水经过胶体磨充分混合制备胶 体，然后将占型砂质量分数的5％-12％混合好的粘土粘接剂与型砂材 料(型砂材料可为石英砂或非石英砂，包括陶粒砂、宝珠砂、铬铁矿 砂、锆英砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂或橄榄石砂中的一种或任意几 种砂的复合)用混砂机进行充分搅拌混合，然后将混合好的散砂置于 砂箱中紧实后放入温度范围为-15℃到-40℃的低温环境中进行冷冻 固化；