[發明專利]一種復雜形狀金屬部件快速制造方法

有效

• 申請號: 202110295096.9
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113059117B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 王廷利;王曉原;楊化林;王憲倫
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B22C7/00
• 分類號: B22C7/00;B22C9/22;B22D23/00;B33Y10/00
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 袁曉玲

本發明屬于成形制造技術領域，涉及一種復雜形狀金屬部件快速制造方法。繪制鑄型的三維CAD模型，模型由鑄型空腔區域、鑄型內壁及鑄型填充成型區域等三部分組成，并對其進行處理，獲得鑄型內壁的殼體切向增材成形的加工曲線、鑄型空腔(鑄件對應位置)各層的體積大小和位置、鑄型填充區域各層的體積大小和位置等信息。通過輪廓曲面殼體切向增材成形方法快速制備鑄型內壁殼體，通過將保溫材料快速填充到鑄型填充區域實現鑄型的快速制備；在鑄型制備過程中，根據鑄型空腔體積和位置信息注入相應體積的金屬液，并通過溫度調控裝置調節鑄型底部的溫度，以保障金屬液的充型和凝固質量，實現復雜形狀金屬部件的快速制備。

技術領域

本發明屬于成形制造技術領域，涉及一種復雜形狀金屬部件快速制造方法。

背景技術

復雜形狀金屬部件的制備主要通過減材制造、等材制造、增材制造等方法實現。減材制造主要基于車、銑、磨、鉆等機加工方法，在制造過程中，材料逐步減小，形狀、尺寸等指標要求逐步實現，加工刀具緊貼材料表面，刀具加工面運動路徑所形成的曲面即為材料的成形曲面。其加工精度較高，但是加工周期較長，且若形狀及結構過于復雜則難以加工。等材制造，主要基于鑄造、鍛造、粉末冶金等熱加工方法，制造過程中材料總量基本保持不變，形狀發生改變。其中鑄造在原理上可以實現任意復雜形狀，并且具有生產效率高、選材廣泛等優點。但是生產時需要模具，而模具一般需要通過減材加工方法制備。增材制造（也稱3D打印），一般是基于“分層切片、逐層累加”原理，將一個形狀復雜的三維幾何實體，分割成一層層具有簡單輪廓的薄層切片，先將最底層切片的形狀制作出來，然后自下而上將切片逐層加工并疊加累積起來，即可制造出復雜形狀的三維實體零件。但是若用其制備金屬部件，存在成本較高、性能控制難度大、生產效率與尺寸精度矛盾等問題。

綜上所述，幾種常見方法在制備金屬部件時，各有優點和局限。若能綜合利用取長補短，實現高效率、高精度、高性能、低成本制備金屬部件，將具有良好的競爭優勢和發展潛力。

發明內容

針對現有成形制造技術的不足，本發明提供一種新的實現復雜形狀金屬部件快速制備的方法。通過輪廓曲面殼體切向增材制造（即擠出口沿產品輪廓曲面切向方向進行輪廓殼體增材制造）的方法制備鑄型內壁殼體，通過快速填充保溫材料的方法制備鑄型保溫區域，在制備鑄型過程中注入金屬液，通過溫度調控裝置調節鑄型底部的溫度以保障金屬液的充型和凝固質量。

本發明的技術方案包括以下步驟：

步驟1：應用三維造型軟件，繪制出金屬部件產品的三維CAD模型，并基于金屬部件模型繪制對應鑄型的三維CAD模型，鑄型的三維CAD模型由三部分組成：鑄型空腔、鑄型內壁及鑄型填充區域，鑄型空腔是在后續步驟中需要注入金屬液并最終獲得金屬部件的區域，鑄型內壁是在后續步驟中采用殼體切向增材制造方法制備，鑄型填充區域是在后續步驟中通過快速填充方法制備；

步驟2：對鑄型的三維CAD模型進行處理，獲得鑄型內壁的殼體切向增材制造的加工曲線，擠出口側面與鑄型內壁曲面相切，各層加工曲線所成形的輪廓面與鑄型內壁曲面相一致，并獲得鑄型空腔各層的體積大小和位置、鑄型填充區域各層區域的體積大小和位置信息；

步驟3：在工作臺的工作平面下安裝具有加熱和冷卻功能的溫度調控裝置，在制備鑄型和金屬液充型及凝固過程中，根據工藝的需要調節溫度；

步驟4：根據鑄型內壁的加工曲線信息，調節多軸成形裝置各軸的運動，將殼體成形材料通過擠出口擠出并與前一層材料粘結，擠出口向前移動并持續擠出殼體成形材料，殼體成形材料成形后逐漸固化，使得殼體具有一定的強度，直至完成一層殼的成形；

步驟5：根據鑄型填充區域各層需進行填充的體積大小，將相應體積的低導熱率保溫材料快速填充到該區域，噴射粘結劑進行粘結固化，形成保溫效果良好的鑄型；

步驟6：將溫度調控裝置進行加熱升溫，保障后續步驟金屬液剛注入鑄型空腔時溫度不降至過低，避免產生冷隔、過冷、澆不足鑄造缺陷；