本發(fā)明屬于砂型3d打印與一體化壓鑄技術(shù)交叉領(lǐng)域，具體涉及一種空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、一體化壓鑄技術(shù)，是指通過將原本設(shè)計中需要組裝的多個獨立的零部件重新設(shè)計，使用超大型(一般≥6?000t)壓鑄機一次壓鑄成形,直接獲得完整零部件，并實現(xiàn)原有功能的技術(shù)，但本質(zhì)上依然屬于壓力鑄造，附加超高真空和超大尺寸。2020年特斯拉將一體化壓鑄技術(shù)用于model?y后地板生產(chǎn)上將其原80個沖壓焊接零件集成為一個部件，使其實現(xiàn)減重10％，成本下降40％，倍受關(guān)注。一體化壓鑄技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，可以提高航天器的整體強度和精度，降低制造成本，提高產(chǎn)品性能和可靠性。

2、在各種鑄造方法中，砂型鑄造應(yīng)用最為廣泛，可適合于不同合金、不同結(jié)構(gòu)和尺寸鑄件的鑄造，響應(yīng)快速。砂型鑄造以砂粒為主體，加入粘結(jié)劑和其他添加劑，形成具有一定流動性的型砂。在鑄件的模樣周圍填充型砂，并可在沖擊、振動等外力作用下可以成形出復(fù)雜的鑄型。目前，在我國航空航天、軌道交通等領(lǐng)域中，同樣面臨著產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，品種多，周期短的局面，既有適合于低壓法鑄造的大輪廓尺寸零件，也有適合于調(diào)壓法鑄造的薄壁零件，同時也有適合于差壓法鑄造的壁厚差異很大的厚壁零件，而我國現(xiàn)有的低壓、差壓及調(diào)壓相關(guān)反重力鑄造裝備功能較單一，壓差控制精度低，無法滿足不同產(chǎn)品的研制及試生產(chǎn)任務(wù)。

3、空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法與裝置，快速響應(yīng)空天飛行器復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計迭代需求，一體化壓鑄技術(shù)的適用范圍，實現(xiàn)復(fù)雜薄壁空天飛行器伺服艙體一體化快速成形，通過多材料組合式芯模對金屬充型、凝固過程精準(zhǔn)調(diào)控，獲得性能優(yōu)異的空天飛行器艙體，推動航空空天行業(yè)快速發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明公開了為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法與裝置。該方法與裝置適用于大型薄壁回轉(zhuǎn)體鑄件的一體化快速成形，有利于提高空天飛行器伺服艙體的成形效率、柔性化制造能力和力學(xué)性能。

2、空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法，具體實施步驟為：

3、步驟(1)根據(jù)鑄件特點選擇合適鑄造型砂種類，采用數(shù)控加工中心或砂型3d打印設(shè)備制造多材料復(fù)合芯模。

4、步驟(2)將切削或打印的砂型/芯在芯模底座上坎合組裝，通過合模鎖緊機構(gòu)驅(qū)動伺服艙金屬模具與砂型芯模配合，形成整套壓鑄模具。

5、步驟(3)開啟制冷裝置或加熱裝置，實現(xiàn)外部金屬模具與內(nèi)部砂型芯模溫度達到熱平衡。

6、步驟(4)從進料斗加入待熔煉金屬，經(jīng)過高溫熔煉裝置和活塞桿使得熔融金屬液進入壓鑄模具保持一定壓力和溫度。

7、步驟(5)調(diào)節(jié)制冷裝置和加熱裝置的溫度，使得金屬模具與砂型芯模局部具有差異化的溫度；同時，通過調(diào)壓裝置控制模具內(nèi)部流道壓差，主動調(diào)控鑄件的凝固過程。

8、步驟(6)待金屬充型完成后，驅(qū)動合模鎖緊機構(gòu)向兩側(cè)運動，取出芯模底座上的砂型和鑄件。

9、步驟(7)冷凍砂芯模可直接回收利用(回收率≥90％以上)，樹脂砂芯模經(jīng)過振動、破碎、磁選和烘干等流程可直接回收再利用，實現(xiàn)一體化壓鑄全流程綠色低碳環(huán)保。

10、進一步地，所述型砂材料為鑄造用石英砂或非石英砂，如鋯英砂、鉻鐵礦砂和橄欖石砂中的一種或多種，其導(dǎo)熱系數(shù)與比熱不同，制造出形性可控的芯模。

11、進一步地，所述多材料復(fù)合芯?？梢允菢渲靶秃屠鋬錾靶椭械囊环N或多種。在靠近澆口以及澆道附近處模溫過高，急需降溫散熱；而模具末端會模溫過低，溶體流動性下降，造成鑄件冷隔、注射不滿等缺陷，急需升溫加熱。通過常溫樹脂砂芯與低溫冷凍砂芯的組合使用，可以實現(xiàn)一體化壓鑄模具動態(tài)熱平衡。

12、進一步地，所述砂型3d打印工藝采用不同樹脂含量(2wt.％～4wt.％)和固化劑含量(1wt.‰～5wt.‰)，制備的砂型強度和硬度滿足不同壓力鑄造工況。

13、進一步地，所述冷凍砂型采用噴涂工藝在其表面覆上均勻強化涂料，確保冷凍砂芯能夠能承受高溫金屬液壓力的同時起到密封的作用。所述涂料可以是環(huán)氧樹脂、水基或醇基涂料。

14、空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，包括：一體化壓鑄機架，芯模底座，熔煉澆注系統(tǒng)，模具坎合組裝系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)和調(diào)壓裝置。所述芯模底座位于所述一體化壓鑄機架上，所述熔煉澆注系統(tǒng)包括澆注平臺支架，高溫熔煉裝置，進料斗，滾珠絲杠機構(gòu)和活塞桿。所述澆注平臺支架通過所述滾珠絲杠機構(gòu)連接至所述一體化壓鑄機架上。所述模具坎合組裝系統(tǒng)由合模鎖緊機構(gòu)、壓鑄金屬鑄型和砂型芯模組成。所述液壓缸驅(qū)動兩側(cè)壓鑄金屬鑄型相向運動，與砂型芯模完成坎合組裝。所述溫控系統(tǒng)可實現(xiàn)制冷和加熱雙循環(huán)，其安裝位置位于所述壓鑄金屬鑄型內(nèi)腔室。所述制冷系統(tǒng)由制冷裝置、氣泵和低溫氣體輸送管路組成，加熱系統(tǒng)通過熱電阻絲實現(xiàn)。

15、進一步地，所述熔煉澆注系統(tǒng)通過控制所述活塞桿的運動速度間接控制所述高溫金屬液充型的速度場和壓力場，以極高的速度在極短時間內(nèi)填充到型腔中，并在壓力下結(jié)晶凝固而獲得鑄件。

16、進一步地，所述高溫金屬熔體充填速度為40～60m/s，薄壁部位為80～100m/s，保壓時間設(shè)置為15～20s。

17、進一步地，所述模具坎合組裝系統(tǒng)需進行密封效果測試，具體參數(shù)：抽真空時間1.5s，平均真空度為93kpa，最高為99.5kpa，表示模具密封結(jié)構(gòu)效果良好，能夠滿足高真空壓鑄需求的真實度。

18、進一步地，所述制冷裝置通過精準(zhǔn)控制低溫氣體溫度(-5℃～-40℃)達到調(diào)控冷凍砂型的強度、硬度和透氣性等指標(biāo)。所述低溫氣體可以是低溫氮氣、二氧化碳和冷風(fēng)中的一種或多種。

19、進一步地，所述調(diào)壓裝置的壓力設(shè)置為-0.01mpa～-0.03mpa，通過局部的壓力差實現(xiàn)金屬液的定向流動與凝固，實現(xiàn)對壁厚不均勻鑄件的凝固過程進行精準(zhǔn)調(diào)控，鑄件實現(xiàn)逐層凝固，提升鑄件整體力學(xué)性能。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、1、本發(fā)明通過“金屬型+砂型”組合式模具實現(xiàn)空天飛行器鑄件的一體化壓鑄成形；通過常溫樹脂砂芯與低溫冷凍砂芯的組合使用，可以實現(xiàn)一體化壓鑄模具溫度動態(tài)熱平衡。該方法能夠精準(zhǔn)調(diào)控鑄件的凝固進程，提升鑄件整體力學(xué)性能。

22、2、本發(fā)明將砂型3d打印技術(shù)融合到一體化壓鑄成形方法上，縮短空天飛行器輕合金艙體技術(shù)開發(fā)周期，減少艙體鑄件缺陷，提升工藝出品率與穩(wěn)定性。

23、3、本發(fā)明降低一體化壓鑄技術(shù)的模具成本和提高復(fù)雜模具制造精度，尤其是解決高性能、大型特大型、復(fù)雜空天飛行器鑄件的大批量快速精確成形問題。

技術(shù)特征：

1.空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法，其特征在于，所述型砂材料為鑄造用石英砂或非石英砂，如鋯英砂、鉻鐵礦砂和橄欖石砂中的一種或多種，其導(dǎo)熱系數(shù)與比熱不同，制造出形性可控的砂型芯模所述多材料復(fù)合芯模是樹脂砂型和冷凍砂型中的一種或多種；通過常溫樹脂砂芯與低溫冷凍砂芯的組合使用，實現(xiàn)一體化壓鑄模具動態(tài)熱平衡。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法，其特征在于，所述砂型3d打印工藝采用的樹脂含量2wt.%?～4?wt.%和固化劑含量1wt.‰?～5?wt.‰，制備的砂型強度和硬度滿足不同壓力鑄造工況。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法，其特征在于，所述冷凍砂型采用噴涂工藝在其表面覆上均勻強化涂料；所述強化涂料是環(huán)氧樹脂、水基或醇基涂料。

5.空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，其特征在于，包括一體化壓鑄機架（1），芯模底座（2），熔煉澆注系統(tǒng)，模具坎合組裝系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)和調(diào)壓裝置（10）；所述芯模底座（2）位于所述一體化壓鑄機架（1）上，所述熔煉澆注系統(tǒng)位于模具坎合組裝系統(tǒng)的上方，包括澆注平臺支架（4）、高溫熔煉裝置（5）、進料斗（6）、滾珠絲杠機構(gòu)（7）和活塞桿（8）；高溫熔煉裝置（5）設(shè)置在所述澆注平臺支架（4）上，高溫熔煉裝置（5）的頂部設(shè)有進料斗（6）；澆注平臺支架（4）的后側(cè)與滾珠絲杠機構(gòu)（7）連接；活塞桿（8）在高溫熔煉裝置（5）腔室內(nèi)部，將溶化后的高溫金屬液推進砂型模具中；所述澆注平臺支架（4）通過所述滾珠絲杠機構(gòu)（7）連接至所述一體化壓鑄機架（1）上；所述模具坎合組裝系統(tǒng)由合模鎖緊機構(gòu)（9）、壓鑄金屬鑄型（3）和砂型芯模組成；所述液壓缸驅(qū)動兩側(cè)壓鑄金屬鑄型（3）相向運動，與砂型芯模完成坎合組裝；所述溫控系統(tǒng)可實現(xiàn)制冷和加熱雙循環(huán)，其安裝位置位于所述壓鑄金屬鑄型（3）的內(nèi)腔室；所述制冷系統(tǒng)由制冷裝置（11）、氣泵（12）和低溫氣體輸送管路（14）組成，加熱系統(tǒng)通過熱電阻絲（13）實現(xiàn)；壓鑄金屬鑄型（3）內(nèi)設(shè)有伺服艙金屬模具（15）；伺服艙金屬模具（15）內(nèi)設(shè)有伺服艙芯模（17）；伺服艙金屬模具（15）上設(shè)有冷風(fēng)通道（16）。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，其特征在于，所述高溫金屬熔體充填速度為40～60?m/s，薄壁部位為80～100m/s，保壓時間設(shè)置為15～20s。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，其特征在于，所述模具坎合組裝系統(tǒng)需進行密封效果測試，具體參數(shù)：抽真空時間1.5?s，平均真空度為93kpa，最高為99.5?kpa，表示模具密封結(jié)構(gòu)效果良好，能夠滿足高真空壓鑄需求的真實度。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，其特征在于，所述制冷裝置通過精準(zhǔn)控制低溫氣體溫度-5℃～-40℃；所述低溫氣體采用是低溫氮氣、二氧化碳和冷風(fēng)中的一種或多種。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形裝置，其特征在于，所述調(diào)壓裝置（4）的壓力設(shè)置為-0.01mpa～-0.03mpa，實現(xiàn)對壁厚不均勻鑄件的凝固過程進行精準(zhǔn)調(diào)控，鑄件實現(xiàn)逐層凝固，提升鑄件整體力學(xué)性能。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法與裝置，屬于砂型3D打印技術(shù)與一體化壓鑄技術(shù)交叉領(lǐng)域。該方法首先采用數(shù)控加工中心或砂型3D打印設(shè)備制造多材料復(fù)合芯模，然后將切削或打印的砂型/芯在芯模底座上坎合組裝，通過合模鎖緊機構(gòu)驅(qū)動伺服艙金屬模具與砂型芯模配合，形成整套壓鑄模具。其次，高溫熔煉輕質(zhì)合金（鎂、鋁、鈦等），通過控制活塞桿的運動速度間接控制高溫金屬液充型的速度場和壓力場，在壓力下結(jié)晶凝固而獲得高質(zhì)量鑄件。創(chuàng)新提出的“金屬型+砂型”組合式壓鑄模具可以快速實現(xiàn)模具溫度動態(tài)熱平衡。本發(fā)明的空天飛行器快速響應(yīng)功能復(fù)合鑄型成形方法與裝置，推動輕質(zhì)高強合金鑄造工藝創(chuàng)新綠色發(fā)展。

技術(shù)研發(fā)人員：楊浩秦,施建培,單忠德,閆丹丹
受保護的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8