冷冻砂型增材制造短流程成形方法与装置

1.本发明涉及铸造技术领域砂型的造型工艺，尤其涉及冷冻砂型增材制造快速均衡制冷与短流程清砂方法与装置。


背景技术：

2.冷冻铸造作为一种绿色铸造工艺，型砂重复利用率高，铸造过程无污染，获得的铸件组织性能优异，是一种具有良好发展潜力的绿色制造技术。冷冻铸造的生产工艺主要有造型、冷冻和浇铸三道工序，其中前两道工序的精度决定了浇铸铸件的成形效果。目前，冷冻铸造的铸型制造多采用手工翻砂造型的方法，利用混合了一定比例水的型砂和模具进行手工翻砂获取铸型，主要用于制造形状简单的铸型，而对于形状复杂的铸型，一方面造型所需模具制造周期长，生产成本高，另一方面冷冻造型困难，且容易造成冷冻砂型尺寸精度低等问题。
3.冷冻砂型的冷冻方法通常采用液氮制冷或冰箱制冷的方式，利用热传导的原理进行砂型冷冻造型，通过液氮或冰箱的低温环境与砂型界面换热逐步实现砂型的冷冻固化，由于传热制冷速度慢导致砂型冻结固化所需时间长，特别是长时间的干燥制冷能源消耗巨大，可持续性不强。同时砂型表面容易丢失水分造成砂型表面精度不高，严重影响砂型的质量，阻碍冷冻砂型的工程化应用。
4.目前常用的砂型打印在打印完成后需要静置一段时间待打印件强度满足要求后再手动取出铸型，之后清理成形室及铸型中的余砂，清砂过程一般通过人工清理，费时费力，响应速度慢，制冷效率低，同时砂型打印的实时排砂问题也亟需改善，防止冷冻温度传输造成砂型表面粘砂问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明公开了本发明提出了冷冻砂型增材制造短流程成形方法与装置，该装置主要解决冷冻砂型造型工艺流程长、能源消耗大、尺寸精度低、排砂困难的问题。
6.本发明中的冷冻砂型增材制造短流程成形装置包括：铺砂盒、涡旋制冷器、打印装置、托板、回收箱、机架、电机、开关板、挡流板、过滤筛网、风扇、调控板、隔板和导轨机构，其特征在于：所述机架上安装有倒立放置的电机，通过皮带与机架中心的螺纹丝杠连接，控制托板的上下移动；所述设备上方有并排放置的铺砂盒、涡旋制冷器和打印装置，用于实现冷冻砂型增材制造过程制冷和盖砂（防止冷凝）的工艺过程。
7.所述导轨机构在设备两侧均匀放置，保证铺砂盒、涡旋制冷器和打印装置的往复运动；所述隔板连接两个导轨机构，用于保证整体装置的平稳性；所述挡流板、过滤筛网、调控板和托板构成冷冻砂型的成形室，用于进行型砂的铺设和冷冻成形；所述回收箱在成形室的一侧，用于回收成形室打印过程中多余铺设的型砂；所述开关板位于成形室的下方，可以实现冷冻室内冷冻砂型以外余砂的实时快速清理。
8.作为本方案的进一步地设计，所述挡流板、过滤筛网、调控板、托板为密封连接，确保成形室内的温度均衡。
9.作为本方案的进一步地设计，成形室前后面及侧面安装有风扇，与外接的循环制冷泵连接，为成形室提供低温环境。
10.作为本方案的进一步地设计，过滤筛网与风扇接触的三个面有均匀分布的粗网孔（粗网孔的孔径约为60μm~120μm），确保冷气均匀输送到成形室，粗网孔中心部位为一层固定超细筛网（细筛网的孔径约为20μm~80μm），用来保证成形室的型砂不外漏。
11.作为本方案的进一步地设计，开关板在装置前后两侧对称安装，用于实现成形区域下部余砂的实时快速清理。
12.本发明还提供了冷冻砂型增材制造短流程成形方法，包括如下步骤：s1：根据铸件类型选择合适的型砂和打印灰度，对铸型几何模型进行分层切片处理，确定每层的二维切片信息；s2：将型砂放入铺砂盒中，在托板上铺底砂，之后根据计算机设置的每层铺砂厚度进行单层砂铺设，初始运动方向为回收箱向隔板方向，返程方向为隔板至回收箱方向；s3：单向铺砂完成后在返程方向运动时开启打印装置、涡旋制冷器和液氮循环槽，进行打印成形和制冷，同时铺设下一层的型砂覆盖打印层；s4：打印完一层后托板按照计算机设置的层厚信息向下移动一个层厚的距离，同时打印装置返回隔板一侧起点位置继续进行打印和盖砂作业；s5：打印过程中液氮循环槽和涡旋制冷器一直保持开启状态直到打印完成；s6：打印完成后托板下降至开关板区域，打开两侧开关板，未成形区域余砂会在重力作用下流出，待下部分的余砂清理完成后托板上升清理冷冻砂型上部分的余砂；s7：取出冷冻砂型运送至砂型储存室，清理工作台。
13.作为本方案的进一步地设计，所述铺砂盒在打印过程中盖砂的目的是为了防止打印层受空气中热量和水蒸气影响。
14.作为本方案的进一步地设计，所述冷冻砂型增材制造短流程成形装置可实现热传导与热对流叠加的制冷效果，有利于复杂冷冻砂型的快速冷冻成形与加工制造。
15.作为本方案的进一步地设计，所述开关板的设置可实现余砂的实时快速清理，缩短冷冻砂型制造工艺流程。
16.本发明的有益效果为：1、相比于传统冷冻砂型手工造型存在的工艺流程长、能源消耗大、造型尺寸精度低等问题，本装置可实现自动化造型，节约了人力成本，同时砂型成形尺寸精度高，节省了原材料的使用量与铸件成品的加工余量。
17.2、本装置解决了利用水作为粘结剂的冷冻砂型增材制造造型工艺中的低温成形问题，通过涡旋制冷器和循环冷风扇利用传热和对流叠加的制冷原理，实现成型区域的快速均衡制冷，增加了制冷效率，同时相比于冷冻砂坯切削造型，为复杂结构冷冻砂型的制造提供了更多的可能。
18.3、本装置可实现打印完成后的短流程实时清砂工艺，缩短了砂型造型工艺流程，节约了砂型后处理时间，节省了能源消耗。
附图说明
19.图1为冷冻砂型增材制造短流程成形装置结构示意图；图2为过滤筛网结构示意图；图3为成形室部分结构示意图；图4为风扇结构示意图；图5为开关板结构示意图；附图标记列表：其中1-铺砂盒，2-涡旋制冷器，3-打印装置，4-托板，5-回收箱，6-机架，7-电机，8-开关板，9-液氮挡流板，10-导轨机构，11-隔板，12-调控板，13-过滤筛网，14-风扇。
实施方式
20.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。
21.如图1-2所示，本发明提供了冷冻砂型增材制造梯度制冷与短流程清砂装置，包括铺砂盒、涡旋制冷器、打印装置、托板、回收箱、机架、电机、开关板、液氮挡流板、过滤筛网、调控板、隔板和导轨机构。所述机架上安装有倒立放置的电机，通过皮带与机架中心的螺纹丝杠连接，控制托板的上下移动。
22.所述设备上方有并排放置的铺砂盒、涡旋制冷器和打印装置，用于实现冷冻砂型增材制造过程制冷和盖砂（防止冷凝）的工艺过程；导轨机构在设备两侧均匀放置，保证铺砂盒、涡旋制冷器和打印装置的往复运动。
23.所述挡流板、过滤筛网、调控板和托板构成冷冻砂型的成形室，用于进行型砂的铺设和冷冻成形；回收箱在成形室的一侧，用于回收成形室打印过程中多余铺设的型砂；开关板位于成形室的下方，可以实现冷冻室内冷冻砂型以外余砂的实时快速清理。
24.所述挡流板、过滤筛网、调控板、托板为密封连接，确保成形室内的温度均衡；成形室前后面及侧面安装有风扇，与外接的循环制冷泵连接，为成形室提供低温环境；过滤筛网与风扇接触的三个面有均匀分布的粗网孔，确保冷气均匀输送到成形室，粗网孔中心部位为一层固定超细筛网，用来保证成形室的型砂不外漏；开关板在装置前后两侧对称安装，用于实现成形区域下部余砂的实时快速清理。
25.另外本实施例还提供了冷冻砂型增材制造短流程成形方法，该方法包括如下步骤：s1：根据铸件类型选择合适的型砂和打印灰度，对铸型几何模型进行分层切片处理，确定每层的二维切片信息，每层铺砂厚度为0.2~0.8mm；s2：将型砂放入铺砂盒中，在托板上铺设1cm~5cm的底砂，之后根据计算机设置的每层铺砂厚度进行单层砂铺设，初始运动方向为回收箱向隔板方向，返程方向为隔板至回收箱方向；s3：单向铺砂完成后在返程方向运动时开启打印装置、涡旋制冷器和风扇，进行打印成形和制冷，打印装置喷射水基粘接剂，涡旋制冷器保持-5℃~-30℃，同时铺设下一层的
型砂覆盖打印层；s4：打印完一层后托板按照计算机设置的层厚信息向下移动一个层厚的距离，同时打印装置返回隔板一侧起点位置继续进行打印和盖砂作业；s5：打印过程中风扇和涡旋制冷器一直保持开启状态直到打印完成；s6：打印完成后托板下降至开关板区域，打开两侧开关板，未成形区域余砂会在重力作用下流出，待下部分的余砂清理完成后托板上升清理冷冻砂型上部分的余砂；s7：取出冷冻砂型运送至砂型储存室，清理工作台。
26.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。

技术特征：
1.冷冻砂型增材制造短流程成形方法与装置，包括铺砂盒（1）、涡旋制冷器（2）、低温打印装置（3）、托板（4）、回收箱（5）、机架（6）、电机（7）、开关板（8）、挡流板（9）、过滤筛网（13）、涡轮风扇（14）、调控板（12）、隔板（11）和导轨机构（10），其特征在于：所述机架（6）上安装有倒立放置的电机（7），通过皮带与机架（6）中心的螺纹丝杠连接，控制托板（4）的上下移动；所述设备上方依次并排放置的铺砂盒（1）、涡旋制冷器（2）和打印装置（3），所述导轨机构（10）在设备两侧对称放置，其中铺砂盒（1）、涡旋制冷器（2）和打印装置（3）的底部均与导轨机构（10）连接；其中挡流板（9）、过滤筛网（13）、调控板（12）和托板（4）构成冷冻砂型的成形室，其中挡流板（9）与调控板（12）上下密封连接，过滤筛网（13）在挡流板（9）内部；所述回收箱（5）在成形室的一侧，用于回收成形室打印过程中多余铺设的型砂；所述开关板（8）位于成形室的下方。2.根据权利要求1冷冻砂型增材制造短流程成形装置，其特征在于;所述隔板（11）连接两个导轨机构，用于保证整体装置的平稳性。3.根据权利要求1所述的冷冻砂型增材制造短流程成形装置，其特征在于：挡流板（9）、过滤筛网（13）、调控板（12）、托板（4）为密封连接，确保成形室内的温度均衡，快速制冷与长时保温协同控制。4.根据权利要求1所述的冷冻砂型增材制造短流程成形装置，其特征在于：成形室前后面及侧面安装有涡轮风扇（14），与外接的循环制冷泵连接，为成形室提供低温环境。5.根据权利要求1所述的冷冻砂型增材制造短流程成形装置，其特征在于：过滤筛网（13）与涡轮风扇接触的三个面有均匀分布的粗网孔（粗网孔的孔径约为60μm~120μm），确保冷气均匀输送到成形室，粗网孔中心部位为一层固定超细筛网（细筛网的孔径约为20μm~80μm），用来保证成形室的型砂快速制冷且不外漏。6.根据权利要求1所述的冷冻砂型增材制造短流程成形装置，其特征在于：所述开关板（8）在装置前后两侧对称安装。7.冷冻砂型增材制造短流程成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：s1：根据铸件类型选择合适的型砂和打印灰度，对铸型几何模型进行分层切片处理，确定每层的二维切片信息；s2：将型砂放入铺砂盒（1）中，在托板（4）上铺底砂，之后根据计算机设置的每层铺砂厚度进行单层砂铺设，初始运动方向为：回收箱（5）向隔板（11）方向，返程方向为隔板（11）至回收箱（5）方向；s3：单向铺砂完成后在返程方向运动时开启打印装置（3）、涡旋制冷器（2）和风扇（14），进行打印成形和制冷，同时铺设下一层的型砂覆盖打印层；s4：打印完一层后托板（4）按照计算机设置的层厚信息向下移动一个层厚的距离，同时打印装置返回隔板（11）一侧起点位置继续进行打印和覆盖砂作业；s5：打印过程中涡轮风扇（14）和涡旋制冷器（2）一直保持开启状态直到打印完成；s6：打印完成后托板（4）自动下降至开关板区域，打开两侧开关板（8），未成形区域余砂会在重力作用下流出，待下部分的余砂清理完成后托板（4）上升清理冷冻砂型上部分的余砂，实现短流程实时清砂；s7：取出冷冻砂型运送至砂型储存室，清理打印工作台，完成打印过程。8.根据权利要求7所述的冷冻砂型增材制造短流程成形方法，其特征在于，所述铺砂盒
（1）在打印过程中进行盖砂。

技术总结
本发明涉及冷冻砂型绿色铸造技术领域，提出了一种冷冻砂型增材制造短流程成形方法与装置，主要包括：铺砂盒、涡旋制冷器、打印装置、托板、回收箱、机架、电机、开关板、挡流板、过滤筛网、涡轮风扇、调控板、隔板和导轨机构。该装置及方法利用铺砂、打印和快速均衡制冷装置进行冷冻砂型的造型，通过涡旋制冷器利用热传导原理实现型砂打印面薄层的快速制冷与成形，同时成形室两侧通过涡轮风扇向成形室输送低温气体，利用热对流的原理实现成形室芯部与表面的均衡制冷，进而实现复杂冷冻砂型的快速制造与保存。成形室下方两侧设置自动开关板，利用砂型的重力和流动性实现打印区域的快速清砂，在获得满足尺寸精度要求的冷冻砂型的同时缩短了冷冻砂型制备工艺流程。短了冷冻砂型制备工艺流程。短了冷冻砂型制备工艺流程。


技术研发人员：杨浩秦 单忠德 房鑫亮
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/14