[发明专利]一种复杂形状金属部件快速制造方法

说明书

本发明属于成形制造技术领域，涉及一种复杂形状金属部件快速制造方法。绘制铸型的三维CAD模型，模型由铸型空腔区域、铸型内壁及铸型填充成型区域等三部分组成，并对其进行处理，获得铸型内壁的壳体切向增材成形的加工曲线、铸型空腔(铸件对应位置)各层的体积大小和位置、铸型填充区域各层的体积大小和位置等信息。通过轮廓曲面壳体切向增材成形方法快速制备铸型内壁壳体，通过将保温材料快速填充到铸型填充区域实现铸型的快速制备；在铸型制备过程中，根据铸型空腔体积和位置信息注入相应体积的金属液，并通过温度调控装置调节铸型底部的温度，以保障金属液的充型和凝固质量，实现复杂形状金属部件的快速制备。

技术领域

本发明属于成形制造技术领域，涉及一种复杂形状金属部件快速制造方法。

背景技术

复杂形状金属部件的制备主要通过减材制造、等材制造、增材制造等方法实现。减材制造主要基于车、铣、磨、钻等机加工方法，在制造过程中，材料逐步减小，形状、尺寸等指标要求逐步实现，加工刀具紧贴材料表面，刀具加工面运动路径所形成的曲面即为材料的成形曲面。其加工精度较高，但是加工周期较长，且若形状及结构过于复杂则难以加工。等材制造，主要基于铸造、锻造、粉末冶金等热加工方法，制造过程中材料总量基本保持不变，形状发生改变。其中铸造在原理上可以实现任意复杂形状，并且具有生产效率高、选材广泛等优点。但是生产时需要模具，而模具一般需要通过减材加工方法制备。增材制造（也称3D打印），一般是基于“分层切片、逐层累加”原理，将一个形状复杂的三维几何实体，分割成一层层具有简单轮廓的薄层切片，先将最底层切片的形状制作出来，然后自下而上将切片逐层加工并叠加累积起来，即可制造出复杂形状的三维实体零件。但是若用其制备金属部件，存在成本较高、性能控制难度大、生产效率与尺寸精度矛盾等问题。

综上所述，几种常见方法在制备金属部件时，各有优点和局限。若能综合利用取长补短，实现高效率、高精度、高性能、低成本制备金属部件，将具有良好的竞争优势和发展潜力。

发明内容

针对现有成形制造技术的不足，本发明提供一种新的实现复杂形状金属部件快速制备的方法。通过轮廓曲面壳体切向增材制造（即挤出口沿产品轮廓曲面切向方向进行轮廓壳体增材制造）的方法制备铸型内壁壳体，通过快速填充保温材料的方法制备铸型保温区域，在制备铸型过程中注入金属液，通过温度调控装置调节铸型底部的温度以保障金属液的充型和凝固质量。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：应用三维造型软件，绘制出金属部件产品的三维CAD模型，并基于金属部件模型绘制对应铸型的三维CAD模型，铸型的三维CAD模型由三部分组成：铸型空腔、铸型内壁及铸型填充区域，铸型空腔是在后续步骤中需要注入金属液并最终获得金属部件的区域，铸型内壁是在后续步骤中采用壳体切向增材制造方法制备，铸型填充区域是在后续步骤中通过快速填充方法制备；

步骤2：对铸型的三维CAD模型进行处理，获得铸型内壁的壳体切向增材制造的加工曲线，挤出口侧面与铸型内壁曲面相切，各层加工曲线所成形的轮廓面与铸型内壁曲面相一致，并获得铸型空腔各层的体积大小和位置、铸型填充区域各层区域的体积大小和位置信息；

步骤3：在工作台的工作平面下安装具有加热和冷却功能的温度调控装置，在制备铸型和金属液充型及凝固过程中，根据工艺的需要调节温度；

步骤4：根据铸型内壁的加工曲线信息，调节多轴成形装置各轴的运动，将壳体成形材料通过挤出口挤出并与前一层材料粘结，挤出口向前移动并持续挤出壳体成形材料，壳体成形材料成形后逐渐固化，使得壳体具有一定的强度，直至完成一层壳的成形；

步骤5：根据铸型填充区域各层需进行填充的体积大小，将相应体积的低导热率保温材料快速填充到该区域，喷射粘结剂进行粘结固化，形成保温效果良好的铸型；

步骤6：将温度调控装置进行加热升温，保障后续步骤金属液刚注入铸型空腔时温度不降至过低，避免产生冷隔、过冷、浇不足铸造缺陷；