无模铸造

本书提出了无模铸造方法，给出了无模铸造的定义及成形原理。论述了无模铸造技术的背景、现状及发展趋势，无模铸造复合成形制造方法、算法及特点。总结了无模铸造数字化设计与数值模拟、铸型剖分与坎合组装、工艺数据库、型砂材料与复合铸型、自适应切削工艺等关键工艺技术。列举了砂型柔性挤压成形机、数字化无模铸造精密成形机、砂型切削打印一体化成形机、砂型/砂芯及铸件检测系统、砂型/砂芯柔性组装机械手和熔铸一体化成形机等复杂金属件复合成形关键设备，以及复杂铸件无模铸造复合成形应用案例。

单忠德，工学博士，研究员、博士生导师。现任机械科学研究总院副院长、优选成形技术与装备国家重点实验室主任，荣获国家科学技术进步奖一等奖（靠前完成人）、中国机械工业科学技术奖特等奖、第十八届中国专利金奖、何梁何利青年科学与技术创新奖、国家杰出青年科学基金等科研奖励。

前言
第1章引言1
1.1铸造行业背景1
1.2传统有模铸造技术2
1.2.1基于木模、金属模的传统铸型制造技术2
1.2.2传统有模铸型制造技术的优缺点4
1.3直接铸型快速制造技术发展现状5
1.3.1基于激光的选区烧结成形技术5
1.3.2基于微滴喷射的砂型/砂芯增材制造技术8
1.3.3挤压-切削一体化无模铸造复合成形技术10
1.4无模铸造技术的发展趋势12
第2章无模铸造复合成形制造13
2.1无模铸造成形技术的方法及原理14
2.2复杂砂型无模铸造复合成形算法及评价数学模型16
2.2.1基于随机增量算法的型腔位置求解方法16
2.2.2数字化挤压砂型优化目标数学建模18
2.2.3无模铸造复合成形多轴联动加工成形数学建模18
2.2.4无模铸造多轴联动加工方法20
2.2.5无模铸造成形过程路径优化数学模型25
2.3无模铸造技术的特点及优越性28
2.3.1无模铸造技术的特点28
2.3.2无模铸造技术的优越性29
第3章无模铸造数字化设计与数值模拟31
3.1铸件/铸型一体化数值模拟31
3.2铸造模拟仿真与工艺优化32
3.2.1传动箱壳体的铸造模拟仿真及工艺优化设计方法33
3.2.2铝合金横梁的铸造模拟仿真及工艺优化设计方法34
3.3复杂铸型无模铸造评价方法37
3.3.1复合铸型成形方式选择与加工效率评价37
3.3.2复合铸型复杂度评价38
3.4复杂铸件剖分39
3.4.1铸型的剖分原则39
3.4.2铸型剖分实例分析40
3.5铸型坎合组装技术42
3.5.1砂型坎合组装方式结构设计42
3.5.2砂型坎合组装方式有限元分析44
3.5.3砂型坎合组装方式实验研究47
3.5.4复合铸型坎合组装原则49
第4章无模铸造复合成形型砂材料及其配方50
4.1型砂热物性性能及型砂抗拉强度实验50
4.1.1型砂热物性性能实验50
4.1.2型砂抗拉强度实验52
4.2型砂切削机理及性能58
4.2.1型砂切削机理58
4.2.2型砂切削性能62
4.2.3型砂目数对刀具磨损的影响62
4.3型砂铸造工艺性能63
4.3.1碱性酚醛树脂砂铸造工艺性能64
4.3.2呋喃树脂砂铸造工艺性能65
4.3.3覆膜砂铸造工艺性能66
4.3.4水玻璃砂铸造工艺性能67
4.4多材质自适应复合铸型工艺69
4.4.1铸型材料对铸铁件温度场、金相组织及力学性能的影响69
4.4.2不同造型材料对铸铁件尺寸精度的影响74
第5章无模铸造复合成形工艺75
5.1加工参数对加工精度、切削力及切削温度的影响75
5.1.1加工参数对加工精度的影响75
5.1.2加工参数对切削力的影响78
5.1.3加工参数对切削温度的影响83
5.2砂型加工切削工艺参数优化85
5.2.1基于高加工精度的工艺参数优化85
5.2.2基于低切削力的工艺参数优化86
5.2.3薄壁砂型加工切削工艺参数优化88
5.3自适应加工及切削/打印一体化工艺91
5.3.1自适应加工原理91
5.3.2砂型高速高精自适应加工模糊控制91
5.3.3砂型切削/打印一体化工艺92
第6章复杂金属件复合成形成套关键设备94
6.1砂型数字化柔性挤压成形机94
6.1.1柔性挤压成形机的数字化阵列触头95
6.1.2砂型数字化挤压成形机控制系统96
6.1.3砂型数字化柔性挤压成形机100
6.2数字化无模铸造精密成形机102
6.2.1主体结构设计与优化102
6.2.2运动系统轻量化设计与优化104
6.2.3成形机专用五轴头结构设计与优化106
6.2.4多喷嘴随动排砂及吸尘、防尘系统开发107
6.2.5无模铸造砂型切削专用刀具109
6.2.6无模铸造精密成形机专用软件系统113
6.2.7系列化无模铸造精密成形机117
6.3砂型切削/打印一体化成形机118
6.3.1主体结构设计119
6.3.2数控系统119
6.4砂型/砂芯及铸件检测系统122
6.4.1砂型/砂芯智能检测系统122
6.4.2铸件智能检测系统123
6.5砂型/砂芯柔性组装机械手126
6.6熔铸一体化成形机127
6.6.1熔铸一体化成形设备结构设计127
6.6.2熔铸一体化成形设备控制系统开发128
6.6.3熔铸一体化成形机技术参数129
第7章复杂铸件无模铸造复合成形应用案例131
7.1典型案例131
7.1.1缸体类零件的无模铸造131
7.1.2缸盖类零件的无模铸造140
7.1.3复杂薄壁壳体件的无模铸造148
7.1.4工艺品金属件的无模铸造152
7.1.5新工艺的快速验证155
7.2应用领域161
7.2.1汽车、舰船发动机关键零部件161
7.2.2轨道交通、水利电力领域关键零部件167
7.2.3农机装备等关键零件170
7.2.4模具、机床等行业关键零部件177
参考文献183

前    言高质量复杂铸件是航空航天、动力机械等高端装备的重要支撑。传统砂型铸造需要木模、金属模等模具的成形工艺，存在工序多、流程长、形性精确控制难、资源浪费、质量稳定性差等世界性难题，无法满足多品种、小批量、短周期、高精度、高性能的迫切要求，亟须新的铸造成形方法及装备。为此，在国家自然科学基金、国家973计划、国家科技支撑计划、国家04重大专项等项目支持下，提出了一种无须刚性模具的无模铸造精密成形方法。历经10年，突破了复杂铸件高效率、高性能、高精度无模成形关键技术，取得了工艺方法、复合铸型、系统装备三个方面创新。提出了砂型/芯曲面柔性挤压近成形、切削净成形的无模铸造精密成形方法，开发了复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形技术、切削净成形技术及其复合成形工艺，研究出了形性可控的复合铸型技术及其型砂材料，研制出了复杂铸件无模成形数字化柔性挤压、切削成形系列装备。实现了复杂铸件无模化、高精度、高效率制造。制造周期缩短50%以上，成本降低30%以上。发动机缸体缸盖铸件废品率从5%～10%降至2%～4%，减重10%～20%。铸件精度提高了2～3个等级，可达CT8。本书从无模铸造工艺方法、复合铸型及型砂材料、软件系统及装备等方面，系统总结了无模铸造技术的最新科研成果及典型应用案例。全书以大量实验数据为依据，以广西玉柴机器股份有限公司、一汽铸造有限公司、第一拖拉机股份有限公司等企业典型案例，对无模铸造关键技术及装备进行了论述与总结，推动铸造行业向数字化、绿色化和智能化方向发展。本书由单忠德著。在本书编写过程中，得到了刘丰、战丽、梁清延、李锋军、边庆月、李克锐、任永新、张敏等的帮助，刘丽敏、李艳征、张帅、张飞、孙福臻、侯明鹏、董晓丽、徐继福、顾兆现、兰盾、郭智、赵洪锋、张密兰、陈少凯、宋祥宇、李杰、周梁坚、杨永泉、邵星海等整理了资料，广西玉柴机器股份有限公司、一汽铸造有限公司、第一拖拉机股份有限公司等企业提供了典型案例，在此向上述个人与单位表示深切谢意！本书适合从事铸造生产的技术人员使用，也可供高等院校相关专业师生以及科研院所的科研人员学习参考。由于时间仓促和水平有限，书中内容不恰当之处敬请读者批评和指正。单忠德