[发明专利]一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及包括该型芯的模具

说明书

本发明公开了一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及及包括该型芯的模具，其包括型芯本体，型芯本体内部中空，在型芯本体内部设有支撑结构，所述的支撑结构为阵列结构，该阵列由多个单元体连接在一起形成。镂空型芯的用砂量和重量小于实心型芯，在相同外部结构和尺寸下，实验发现，镂空型芯的重量相比于实心型芯轻了3Kg，用砂量约为之前的83％。镂空砂型的散热性好于实心型芯，相同浇铸条件下，实验发现，实心型芯升温速率明显高于单元体支撑镂空型芯。在承受同等凝固收缩力情况下，所提单元体支撑镂空型芯比同尺寸桁架结构镂空型芯变形量小。

技术领域

本发明涉及一种砂型铸造用型芯结构、制作方法及包括该型芯的模具，属于铸造领域。

背景技术

型芯是铸造时用以形成铸件内部结构，其组成通常为原砂和粘结剂。根据内部是否为镂空结构，可将型芯分为实心结构和镂空结构。目前工厂生产中采用的型芯结构为实心结构，具有用砂量大、排砂量大、型芯内部散热条件差、工人劳动强度高等缺点，尤其是在大型实心型芯的制作中，上述问题尤为突出。镂空结构的型芯可避免上述问题，但是制造过程相对复杂。目前型芯的制作方法多为手工制作或机器制造。手工制作具有精度差、劳动强度高、造型效果差等缺点。机器制造可采用吹芯机和射芯机等设备进行型芯制作，但无法完成镂空结构的型芯制造，只能加工实心结构的型芯。

随着3D打印技术的成熟，镂空型芯的制作成为可能。3DP技术是预先将固化剂与原砂混合好后铺砂，阵列扫描喷头沿设计路径喷粘结剂，粘结剂在固化剂作用下固结。具有不存在热变形，更适合大型砂型制造，可制造形状复杂型。粘接剂和传统铸造粘结剂相同。被广泛应用在砂型制作中。研究表明，相比于传统实心铸造型芯，镂空型芯可以提高冷却效率、减少落砂时间、细化铸件组织、提高铸件性能、控制铸件的应力与变形。此外，镂空还具有减小砂型重量，提高冷却效率和减小型砂用量等优势。镂空砂型可理解为外部由实体表面包裹，内部具有相关支撑结构的砂型。镂空砂型要保证能够有效地约束高温液态金属的成形，要能经受住高温液态金属的作用力，其设计的关键是内部支撑结构和壁厚的确定。

国内外已有关于镂空型芯的研究，但其采用的内部支撑结构多为桁架结构，例如清华大学2018年的上官浩龙开展的基于3D打印的镂空砂型研究中，采用了桁架结构作为内部支撑结构，但该结构的表面以及连接节点处不是圆滑的过渡，存在大量应力集中点，在收到外力时更易出现坍塌和裂纹，导致在铸造铸钢等收缩力大的铸件时容易出现内部支撑的坍塌现象，桁架支撑结构的强度需进一步提高。若为了增加强度，则需要增加壁厚或加粗桁架，则会导致内部散热条件变差，无法发挥镂空型芯散热好的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在不改变铸造型芯原有尺寸的基础上，保障型芯可对抗凝固时收缩力的基础上，提供一种砂型铸造用类似于镂空状的型芯结构。与传统实心型芯相比，降低型芯重量轻，减少用砂量，降低废砂排放量，改善型芯铸造性能。与现有桁架镂空型芯相比，提高型芯的强度。因此，本发明提出一种采用拓扑优化方法所生成单元体作为内部支撑结构的型芯结构，相应的提出其制作方法和模具。在不改变铸造型芯原有尺寸，保障型芯可对抗凝固时收缩力的基础上，提高镂空型芯的强度。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提出了一种砂型铸造用型芯结构，其包括型芯本体，型芯本体内部中空，在型芯本体内部设有支撑结构，所述的支撑结构为阵列结构，该阵列结构由多个单元体组成，每个单元体包括本体，在所述本体的上、下、左、右、前、后六个方向上各设有一个连接节点，相邻连接节点之间通过曲面过渡；相邻单元体之间通过所述的节点相连且位于在外侧的单元体与型芯本体通过节点相连，形成一个整体。

作为进一步的技术方案，所述的单元体为实心结构。

作为进一步的技术方案，所述的型芯本体与单元体一体成型。

作为进一步的技术方案，所述的型芯本体与单元体通过3DP打印一体成型。