一种轻量化砂型砂芯及其制造方法
技术领域
本发明属于铸造和增材制造的交叉领域，具体涉及一种轻量化砂型砂芯及其制造方法。
背景技术
铸造技术主要有砂型铸造、金属型铸造和特种铸造等，砂型铸造由于其原材料来源广泛、成本低、铸型制造简便以及应用合金种类多等优点，世界上80%的铸件都是采用砂型铸造。对于传统的砂型铸造工艺来说，模样、芯盒等模具的设计制造是非常复杂并且耗时的过程，该过程首先需要根据铸造方案进行模具的设计，然后通过翻模制作砂型和砂芯，之后再将制作好的砂型和砂芯经过组芯、合箱以及浇铸从而完成金属毛坯的制造。
3D打印技术是一种基于分层制造原理的增材制造技术，该技术首先对砂型砂芯的三维CAD模型进行分层切片，获得砂型砂芯每层切片的轮廓信息，然后逐层制造，层层叠加，最终完成砂型砂芯的制造。
目前传统砂型制造工艺制造的砂型砂芯都为实心结构，砂型制造过程中需要消耗大量的型砂和粘接剂。同时铸造过程中会产生大量的废砂、废气，造成环境破坏。
发明内容
针对目前传统砂型制造工艺制造的砂型砂芯存在型砂和粘接剂用量大等问题，本发明提出了一种轻量化砂型砂芯及其制造方法。
一种轻量化砂型砂芯，其特征在于，在所述砂型砂芯内部设有尺寸大小自适应均布的多方向仿生支架式多孔结构，在所述多方向仿生支架式多孔结构的不同方向的一端均设有排砂通道，在所述排砂通道的一端设有排砂口，在所述排砂口处设有活动挡块。
一种轻量化砂型砂芯，作为优选方式，所述多方向仿生支架式多孔结构为阶梯状结构且内部孔洞具有连通性。
一种轻量化砂型砂芯，作为优选方式，所述多方向仿生支架式多孔结构的截面为任意形状。
一种轻量化砂型砂芯，作为优选方式，所述任意形状可以为圆形、多边形。
一种轻量化砂型砂芯，作为优选方式，所述砂型砂芯材料为石英砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英石砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂、耐火熟料砂、橄榄石砂中的一种或多种。
一种轻量化砂型砂芯，作为优选方式，所述砂型砂芯材料为铸造用耐火型砂，常用粒度为70/140目以及100/200目。
本发明提出了一种用于制造轻量化砂型砂芯的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据铸件的几何特征，结合铸造工艺设计出砂型砂芯的三维CAD模型；
步骤2：利用有限元仿真技术模拟铸件的浇铸过程，得到铸件浇铸过程中砂型砂芯的温度场和应力场分布；
步骤3：结合砂型的材料模型利用仿真优化技术对砂型砂芯结构进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化出具有多方向仿生支架式多孔结构，排砂通道，排砂口及活动挡块的轻量化砂型砂芯CAD模型；
步骤4：计算机根据优化后的砂型砂芯CAD模型对其进行分层切片，获得砂型砂芯的分层轮廓；
步骤5：利用3D打印技术制造轻量化砂型砂芯；
步骤6：所述轻量化砂型砂芯制造完成后，通过排砂通道和排砂口取出所述轻量化砂型砂芯中的未打印成形的干砂；
步骤7：采用铸造用耐热胶将活动挡块粘接到排砂口处，封堵排砂口，完成轻量化砂型砂芯的制造。
本发明提出了一种用于制造轻量化砂型砂芯的制造方法，作为优选方式，所述3D打印技术包括选区激光烧结技术、喷墨打印技术、熔融沉积技术。
本发明具有以下优点：
1、根据铸件浇铸过程对砂型砂芯内部进行结构优化，改善了砂型整体的受力状态，确保铸造过程的稳定性和可靠性。
2、减少型砂和粘接剂的使用，增加了砂型的透气性，降低了砂型砂芯制造成本。
3、可实现砂型砂芯一体化成形制造及多材料打印；
4、可实现复杂砂型砂芯的数字化设计及制造一体化，不需要木模、金属模等模具。
附图说明
图1为一种轻量化砂型砂芯的制造方法原理图；
图2为典型铸件三维图；
图3为一种轻量化砂型砂芯三维图；
图4为一种轻量化砂型砂芯二维图；
图5为一种轻量化砂型砂芯内部结构截面图。
图中：1、典型铸件；2、轻量化砂型砂芯；3、多方向仿生支架式多孔结构；4、呈梯度变化的孔洞；5、排砂通道；6、排砂口；7、活动挡块。
具体实施方式
本发明提出了一种轻量化砂型砂芯的实施例，如图3所示。轻量化砂型砂芯2内部设有尺寸大小自适应均布的多方向仿生支架式多孔结构3，该多方向仿生支架式多孔结构3形成了呈梯度变化的孔洞4，在所述多方向仿生支架式多孔结构3的不同方向的一端均设有排砂通道5，在所述排砂通道5的一端设有排砂口6，在所述排砂口6处设有活动挡块7。所述多方向仿生支架式多孔结构1为阶梯状结构且内部孔洞具有连通性。多孔结构3的截面为任意形状，本实施例的多孔结构3的截面为圆形。本实施例的轻量化砂型砂芯2的型砂材料为石英砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英石砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂、耐火熟料砂、橄榄石砂中的一种或多种。型砂的常用粒度为70/140目以及100/200目。
如图1所示，一种轻量化砂型砂芯的实施例的制备方法包括了以下步骤：
步骤1：根据铸件的几何特征，结合铸造工艺进行浇冒口设计，获得铸件所需砂型砂芯的三维CAD模型；
步骤2：利用有限元仿真技术对砂型砂芯进行网格划分，结合Procast软件进行铸件的浇铸过程模拟，得到铸件浇铸过程中砂型砂芯的温度场和应力场分布；
步骤3：结合砂型的材料模型，将Procast计算的砂型砂芯温度场和应力场数据导入Hypermesh软件中，采用仿真优化技术对砂型砂芯结构进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化，得出具有尺寸大小自适应均布的多方向仿生支架式多孔结构，排砂通道，排砂口及活动挡块的轻量化砂型砂芯CAD模型，优化的目标为减少砂型材料，优化的约束条件为砂型砂芯在浇铸过程中的最大应力控制在砂型砂芯可承受的极限应力的70%-80%范围内；
步骤4：计算机根据优化后的砂型砂芯CAD模型对其进行分层切片，获得砂型砂芯的分层轮廓，根据所采用的3D打印技术将分层轮廓生成扫描路径或打印图案；
步骤5：利用3D打印技术制造轻量化砂型砂芯；
步骤6：所述轻量化砂型砂芯制造完成后，利用真空吸砂器通过排砂通道和排砂口取出所述轻量化砂型砂芯中的未打印成形的干砂；
步骤7：采用铸造用耐热胶将活动挡块粘接到排砂口处，封堵排砂口，完成轻量化砂型砂芯的制造。
本实施例中采用的3D打印技术包括选区激光烧结技术、喷墨打印技术、熔融沉积技术。
