一种铝合金机匣铸件3D打印型芯自排气系统的制作方法

一种铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统
技术领域
1.本发明是一种铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统，属于铝合金铸造成型技术领域。


背景技术：

2.某型航空发动机进气系统铝合金机匣铸件高度集成了复杂空腔与多条空间走向细长管路，整体壁厚2.5～4mm，其外形局部分布有厚大凸台，机匣铸件还分布叶片，结构异常复杂。这种复杂整体结构从设计上将过去发动机外围的各种管路、油箱等结构集成在整体铝合金机匣中，使发动机结构紧凑，易于实现轻量化，且大大提高了发动机的可靠性与可维护性。这种铝合金机匣属于典型薄壁复杂结构，目前只能采用精密树脂砂型铸造方法实现此类零件的整体成形。铸件的冶金质量、尺寸精度要求很高，制造技术难度很大。对于如此复杂内腔、管路的铸造型芯由于结构复杂，常规模具较难开模，目前只能采用3d打印的方法制备。
3.3d打印的铸造型腔内的气体是影响铸件成形和冶金质量的负面因素。对于这种薄壁复杂的铸件的铸型，由于砂型型腔间隙小且复杂，金属液与铸型、型芯的接触面积大，型芯粘结剂受热分解气体产生的速度快，数量大，粘结剂受热所产生的气体会在型腔中聚集；另外由于反重力浇注的原因，金属液充型速度快，型腔通道截面积小而复杂，如果气体排出速度受到抑制，型腔排气不畅、型腔中气体压力增大导致铝液充型受阻，将形成浇不足缺陷，另外如果熔体包裹气体凝固形成呛气，凝固后铸件会形成空壳或气泡等缺陷。因此，机匣铸件在浇注过程中，型腔内的气体排放对铸件质量的影响更加显著。


技术实现要素：

4.本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统，其目的是针对某型航空发动机进气系统铝合金机匣铸件的3d打印铸件型芯，通过在铸件型芯内部设置排气通道，使铸件型芯受热时粘结剂所发气体能顺畅排出型腔以外，减小金属液充型阻力，保证铸件浇注成形完整、无呛火等缺陷。
5.对于常规结构铸件的3d打印型芯，一般不需要在型芯内部设置排气通道，由于本发明所针对的航空发动机机匣铸件结构型芯型腔间隙小、型腔复杂，浇注时铝液充型阻力大，因排气不畅经常产生呛火、夹裹气泡、二层皮等缺陷而合格率低，因此，需要在铸造型芯内部设置排气通道。
6.为此，在确定本发明技术方案之前，由于缺乏成熟的现有技术作为借鉴，需要进行大量的研究和试验工作。其中，3d打印铸造型芯的排气通道的设计需要考虑其走向要有利于型芯气体顺畅排出，细长管路型芯排气通道一般是沿着管路走向，复杂型芯排气通道要兼顾与铝液接触的各个型面，使粘结剂所发气体尽可能快速排出，排气通道要尽可能与大气联通。低压铸造中，由于金属液体是反重力自下而上充型，所以砂型排气通道也要尽可能自下而上，与金属液充型方向一致，保证铸件型腔中气体充分迅速排出，最大限度减小金属
液充型阻力，使气体不被金属液包裹，保证铸件完整充型，组织致密。
7.在试验研究的基础上，本发明技术方案的内容如下：
8.该种铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统，所述铝合金机匣铸件是一种大型、复杂薄壁结构，其直径为500mm，高为400mm～500mm，壁厚为2.5～4mm，具有多层封闭空腔、复杂管路、空心叶片等复杂结构，其中管路多且复杂细长，最小管径为3mm，管路长度最长可达1200mm，该铝合金机匣铸件的结构包括外封闭空腔1、空心叶片2和内封闭空腔3；
9.该铝合金机匣铸件的铸件型芯包括型芯内侧环4、型芯中环5、型芯外侧环6、空心叶片芯7，型芯内侧环4、型芯外侧环6通过空心叶片芯7连接，铸件浇注时，型芯外侧环6形成铸件的外封闭空腔1，型芯内侧环4形成铸件的内封闭空腔3，型芯中环5形成铸件的内封闭空腔3和外封闭空腔1之间的连接部分，空心叶片芯7形成铸件的空心叶片2内的叶片空腔，另外，在铸件型芯的型芯内侧环4的顶部均布设有12个中空的型芯内侧环工艺凸台15，在铸件型芯的型芯外侧环6的顶部均布设有12个中空的型芯外侧环工艺凸台16，在铸件型芯的型芯外侧环6的外侧面均布设有15个中空的型芯外侧环侧面工艺凸台17，在铸件型芯的型芯内侧环4的底部均布设有8个中空的型芯内侧环底部工艺凸台18，上述所有中空的工艺凸台在铸造过程中均与大气环境连通，便于气体顺利排出；
10.本发明所述的铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统的特征在于：
11.为了使3d打印成型的铸件型芯粘结剂高温分解时所产生气体顺畅排出，在型芯内侧环4的内部沿型芯内侧环4的圆周方向设置2条内侧排气通道，其中一条内侧排气通道设置在型芯内侧环4的上部，称为型芯内侧环上部排气通道8并与型芯内侧环工艺凸台15联通，另一条内侧排气通道设置在型芯内侧环4的下部，称为型芯内侧环下部排气通道11并与型芯内侧环底部工艺凸台18联通；
12.在型芯外侧环6的内部沿型芯外侧环6的圆周方向设置2条外侧排气通道，其中一条外侧排气通道设置在型芯外侧环6的上部，称为型芯外侧环上部排气通道9并与型芯外侧环工艺凸台16联通，另一条外侧排气通道设置在型芯内侧环6的中部，称为型芯外侧环6中部排气通道10并与型芯外侧环侧面工艺凸台17联通。
13.所述排气通道的直径为3～4mm。
14.液体金属浇注充型时，型腔中的气体压力主要来源于:
15.①
型腔中原有气体在金属液充型时不能顺畅排出压力增加；
16.②
砂型粘结剂树脂在与金属液接触时受热分解产生气体，进入型腔中增加气体压力。
17.型腔中气压增加，金属液充型阻力增加，产生欠铸、呛火、夹裹气泡、二层皮等缺陷。型腔中原有气体靠优化砂型结构、增加砂型组型后型腔的排气孔来保证气体顺畅排出；砂型型芯粘结剂受热分解所产生的气体则可以通过在复杂型芯中设计排气通道，使气体通过渗透进入排气通道，顺畅排至大气中，有效地减小型腔中气压，保证铸件充型完整。
18.本发明技术方案的特点是在铸造型芯内部设计了排气通道，使铸造型芯成为中空结构。排气通道沿着型芯的走向，通过设计的排气道出口最终与外界大气联通。浇注时，型芯粘结剂分解所产生的气体可渗入排气通道，从排气通道排入外界大气，防止进入型腔聚集，避免型腔压力增大增加金属液充型阻力，导致铸件形成浇不足、呛火等铸造缺陷。
19.在金属液充型时，铸造型芯中的粘结剂遇到金属液受热分解产生大量气体，在无
排气通道情况下，会在型腔中聚集，增加型腔中的压力，形成金属液充型阻力。本发明设计了4条排气通,粘结剂受热所产生的气体会通过渗透进入设计的排气通道中。4条排气通设计走向特点:4组排气通道分布在型芯内侧环4的上部、下部,型芯内侧环6的上部、中部,主要是因为此处与中空的内侧环工艺凸台15、内侧环底部工艺凸台18、外侧环工艺凸台16、外侧环侧面工艺凸台17靠近,排气通道便于与中空的工艺凸台相连接,浇注时气体便于排入大气；排气通道沿着环形型芯圆周方向,也就是沿着型芯路径最长的方向,可使排气通道尽可能经过型芯更多的部位,粘结剂受热产生的气体最大量的渗入排气通道,排出型腔进入大气。金属液充型时,粘结剂受热产生的气体渗入排气通道,并通过型芯专属排气工艺凸台处的排气道出口见图5排入大气。由于此排气通道无金属液进入、且通过分型面联通大气，所以排气通畅。它不仅可排出粘结剂受热分解所产生的气体，还可有助于部分型腔中原有气体可通过渗透进入此排气通道排入大气，所以能有效地解决复杂薄壁铸型中排气问题，减小金属液充型时阻力，使铸件充型完整、避免产生浇不足、呛气、卷入气泡、二层皮等铸造缺陷。使铸件成形完整、组织致密。
附图说明
20.图1为本发明所述的机匣铸件典型结构示意图；
21.图2为本发明所述的机匣铸件的铸造型芯结构示意图；其中a为总轮廓图，b为纵向截面图，c为横向截面图；
22.图3为本发明所述的机匣铸件的铸造型芯排气通道纵向截面示意图；
23.图4为本发明所述的机匣铸件的铸造型芯排气通道横向截面示意图；
24.图5为本发明所述的机匣铸件的铸造型芯工艺凸台。
具体实施方式
25.以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
26.参见附图1～5所示，本发明所述铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统所针对的铝合金机匣铸件的直径为500mm，高为400mm～500mm，壁厚为2.5～4mm，该铝合金机匣铸件的结构包括外封闭空腔1、空心叶片2和内封闭空腔3；
27.该铝合金机匣铸件的铸件型芯包括型芯内侧环4、型芯中环5、型芯外侧环6、空心叶片芯7，型芯内侧环4、型芯外侧环6通过空心叶片芯7连接，铸件浇注时，型芯外侧环6形成铸件的外封闭空腔1，型芯内侧环4形成铸件的内封闭空腔3，型芯中环5形成铸件的内封闭空腔3和外封闭空腔1之间的连接部分，空心叶片芯7形成铸件的空心叶片2内的叶片空腔，另外，在铸件型芯的型芯内侧环4的顶部均布设有12个中空的型芯内侧环工艺凸台15，在铸件型芯的型芯外侧环6的顶部均布设有12个中空的型芯外侧环工艺凸台16，在铸件型芯的型芯外侧环6的外侧面均布设有15个中空的型芯外侧环侧面工艺凸台17，在铸件型芯的型芯内侧环4的底部均布设有8个中空的型芯内侧环底部工艺凸台18，上述所有中空的工艺凸台在铸造过程中均与大气环境连通，便于气体顺利排出；
28.本发明所述的铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统在型芯内侧环4的内部沿型芯内侧环4的圆周方向设置2条内侧排气通道，其中一条内侧排气通道设置在型芯内侧环4的上部，称为型芯内侧环上部排气通道8并与型芯内侧环工艺凸台15联通，另一条内侧排气
通道设置在型芯内侧环4的下部，称为型芯内侧环下部排气通道11并与型芯内侧环底部工艺凸台18联通；
29.在型芯外侧环6的内部沿型芯外侧环6的圆周方向设置2条外侧排气通道，其中一条外侧排气通道设置在型芯外侧环6的上部，称为型芯外侧环上部排气通道9并与型芯外侧环工艺凸台16联通，另一条外侧排气通道设置在型芯内侧环6的中部，称为型芯外侧环6中部排气通道10并与型芯外侧环侧面工艺凸台17联通。所述排气通道的直径为3mm。
30.本发明的该实施例中，在复杂树脂砂型芯中设计排气通道，在砂型3d打印过程中，排气通道会被打出，形成于型芯中。在浇注过程中，型芯在与高温铝液接触时，粘结剂高温分解产生的大量气体会沿着设计好的排气通道排出，使砂型型腔中排气通畅，减少铝液充型阻力，充型完整且不会形成卷气缺陷，使铸件成形完整、组织致密。

技术特征：
1.一种铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统，所述铝合金机匣铸件的直径为500mm，高为400mm～500mm，壁厚为2.5～4mm，该铝合金机匣铸件的结构包括外封闭空腔(1)、空心叶片(2)和内封闭空腔(3)；该铝合金机匣铸件的铸件型芯包括型芯内侧环(4)、型芯中环(5)、型芯外侧环(6)、空心叶片芯(7)，型芯内侧环(4)、型芯外侧环(6)通过空心叶片芯(7)连接，铸件浇注时，型芯外侧环(6)形成铸件的外封闭空腔(1)，型芯内侧环(4)形成铸件的内封闭空腔(3)，型芯中环(5)形成铸件的内封闭空腔(3)和外封闭空腔(1)之间的连接部分，空心叶片芯(7)形成铸件的空心叶片(2)内的叶片空腔，另外，在铸件型芯的型芯内侧环(4)的顶部均布设有12个中空的型芯内侧环工艺凸台(15)，在铸件型芯的型芯外侧环(6)的顶部均布设有12个中空的型芯外侧环工艺凸台(16)，在铸件型芯的型芯外侧环(6)的外侧面均布设有15个中空的型芯外侧环侧面工艺凸台(17)，在铸件型芯的型芯内侧环(4)的底部均布设有8个中空的型芯内侧环底部工艺凸台(18)，上述所有中空的工艺凸台在铸造过程中均与大气环境连通，便于气体顺利排出；本发明所述的铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统的特征在于：在型芯内侧环(4)的内部沿型芯内侧环(4)的圆周方向设置2条内侧排气通道，其中一条内侧排气通道设置在型芯内侧环(4)的上部，称为型芯内侧环上部排气通道(8)并与型芯内侧环工艺凸台(15)联通，另一条内侧排气通道设置在型芯内侧环(4)的下部，称为型芯内侧环下部排气通道(11)并与型芯内侧环底部工艺凸台(18)联通；在型芯外侧环(6)的内部沿型芯外侧环(6)的圆周方向设置2条外侧排气通道，其中一条外侧排气通道设置在型芯外侧环(6)的上部，称为型芯外侧环上部排气通道(9)并与型芯外侧环工艺凸台(16)联通，另一条外侧排气通道设置在型芯内侧环(6)的中部，称为型芯外侧环(6)中部排气通道(10)并与型芯外侧环侧面工艺凸台(17)联通。2.根据权利要求1所述的铝合金机匣铸件3d打印型芯自排气系统，其特征在于：所述排气通道的直径为3～4mm。

技术总结
本发明是一种铝合金机匣铸件3D打印型芯自排气系统，针对航空发动机进气系统铝合金机匣的铸件具有多层封闭空腔、复杂管路、空心叶片等复杂结构，通过在铸件型芯内部设置排气通道，使铸件型芯受热时粘结剂所发气体能顺畅排出型腔以外，减小金属液充型阻力，保证铸件浇注成形完整、无呛火等缺陷。无呛火等缺陷。无呛火等缺陷。


技术研发人员：周永江 洪润洲 左强 张喆
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8