專利名稱：砂模分層形成法和用它生產(chǎn)鑄件的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及砂模的形成，通過重復地形成涂有熱固性樹脂的薄層砂層并使它固化成預先規(guī)定的形狀這種方法而形成的三維砂型。
由于鑄件是通過將熔融金屬澆入鑄模形成的，所以鑄件的生產(chǎn)是從制作一個產(chǎn)品鑄模的倒模開始的。根據(jù)材料的不同，鑄模大體上可分為金屬鑄模和砂模(砂型鑄模)。雖然金屬鑄模耐用，但價格貴，因此常常用來生產(chǎn)大量的同一產(chǎn)品(成批生產(chǎn))。另一方面，砂模則用來生產(chǎn)數(shù)量相對而言較少的產(chǎn)品，如試制件和具有復雜內(nèi)形成外形的產(chǎn)品。也就是說，由于砂模不貴，并且鑄造以后砂模就毀掉，而后產(chǎn)品再取出來，所以鑄件不必直接從砂模中取出。具有復雜形狀的鑄件因而是能夠生產(chǎn)的。此外，有內(nèi)部輪廓的鑄件也可用叫做“砂型芯”的鑄模制造。
迄今，為了制造這種砂模，首先要用NC(數(shù)控機床)等加工它的倒模(主要由木料、樹脂或金屬制成)，然后型砂倒進模框內(nèi)做成砂模。但是用這種傳統(tǒng)的砂模成形法在設計砂模的倒模時要考慮出模斜度。尤其由于砂模的倒模必須分成兩部分時，決定分界面(分型面)應當放在何處的砂箱分界線設計和基于每個分離件撥出方向的出模斜度設計都必須完成。因此，開發(fā)設計這些模子需要很多時間。
在試制件生產(chǎn)時不希望花費很多時間。于是提出一種快速的試樣成形法，直接從三維CAD(計算機輔助設計)數(shù)據(jù)設計試樣?；谝环N思想，即一個三維物體是由具有0.2mm的小厚度的二維片層疊加起來的，這一快速試樣成形法用構(gòu)成并疊加這些截面形狀層而形成一個三維物體。
例如，美國專利4,247,508披露了一種使用激光的試樣形成方法。就是說，可以熱熔的塑料顆粒組成-薄層，該層希望凝固的部分用激光束掃描并固化而形成一個二維結(jié)構(gòu)。重復這一操作就可得到一個三維物體。采用這種方法可以直接構(gòu)成試樣。
該現(xiàn)有技術(shù)還教導應用涂上塑料的砂?？梢灾苯有纬傻鼓２⑶疫€可以得到成形砂模。在該現(xiàn)有技術(shù)中還有一段記載，其中建議在激光束掃描時采用掩模。
由于這種方法直接得到成形模型，因此不必考慮上述的分型面，出模斜度等問題。所以從成形模型的CAD數(shù)據(jù)可以相對容易地構(gòu)成具有各種形狀的砂模。
然而，上述現(xiàn)有技術(shù)基本上打算用于試制件的生產(chǎn)而沒有考慮批量生產(chǎn)。特別是該技術(shù)在單件二維結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時要化很多時間使激光束掃描要凝固的整個區(qū)域。因此，用這一現(xiàn)有技術(shù)來生產(chǎn)批量生產(chǎn)時用的大量砂模是不現(xiàn)實的。
當應用快速試樣形成法做成砂模時，該砂模不再有任何無用部分和多余的厚度，而且做出來的鑄件上也沒有鑄造毛邊，因為在形成砂模時沒有必要考慮砂箱分界線和出模斜度。因此，可以認為，鑄件后處理的效率可以提高，而且如果砂?？梢愿咝实匦纬?，則用砂模進行鑄造的批量生產(chǎn)也可以實現(xiàn)高效率。
如果根據(jù)上述的現(xiàn)有技術(shù)用激光束的照射使殼型砂硬化，則會出現(xiàn)一個問題，即固化的砂層是翹曲的。就是說，構(gòu)成片層形的砂層通常是極薄的，厚度在0.1至0.5mm之間，所以固化的片層在大多數(shù)情況下是翹曲的，就好像因為砂粒之間的樹脂受到壓縮而使砂粒邊緣向上擠似的。
如果存在這種翹曲，那么下一層砂就不能疊上去，或者下一層的片層會移動或扭曲。其結(jié)果；出現(xiàn)了另一問題，即砂模的成形精度惡化了。
此外，在上述的相關(guān)技術(shù)中，在生產(chǎn)掩模時需要在掩模中有與砂型芯相應的孤立的島區(qū)。這時要一支撐以使島區(qū)固定在掩模內(nèi)。該支撐不能用切開鑄件成截面形狀層的辦法從二維截面形狀層的計算中得到而必須單獨設計，因此在現(xiàn)有技術(shù)中，設計師先要審查島區(qū)的存在，再設計它的支撐。
本發(fā)明的一個目的要提供一種適合于批量生產(chǎn)的砂模層疊成形方法。
本發(fā)明的要解決上述問題的另一目的是提供一種用疊層組成砂模的方法，該方法能在形成片層時不會出現(xiàn)翹曲。
本發(fā)明還有一個目的是提供的形成掩模的方法，該方法能自動設計支撐。
在本發(fā)明中，漫射激光束穿過覆蓋的掩模照射到薄砂層上。因此，樹脂復模砂一次就能凝結(jié)從而處理一層的時間可以大大縮短。從而供批量生產(chǎn)的砂模也能高效率地制造。此外，由于漫射激光束透過覆蓋的掩模照射，所以激光束能以相對均勻的能量密度照射到掩模下的砂層上。因此，確定形狀的物體的截面平面形狀可以做得很準。就是說，如果使用細的激光聚束，受照射區(qū)的形狀像凹槽，因而其截面平面形狀不整齊而用漫射激光束就能防止這種情況。
有型芯時，覆蓋的掩模需要有一個孤立島，因而必須有支承該島的支撐。根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)，通過改變在每層的支撐的位置就可在砂模中制出用于支撐的小孔。該小孔做得很細以致熔融金屬進不去。由于該孔在鑄時起通氣孔的作用，因此型芯和通氣孔同時形成。
按照本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，型砂由絕熱掩模上方的熱源加熱。該熱源很容易用加熱器或其他類似元件做成，加熱器價格不貴而且容易做到在寬廣的溫度范圍內(nèi)均勻加熱。所以，可以做尺寸大些的砂模。
按照本發(fā)明的又一種結(jié)構(gòu)，面積相對大的熱源被分割成獨立的熱源元件并放在絕熱掩模上方加熱露面的砂層。由于熱源按這種方式分割只有事先規(guī)定的區(qū)域可被加熱。因為每一分割的熱源元件加熱區(qū)域小，因而可實現(xiàn)均勻加熱。
按照本發(fā)明再一種結(jié)構(gòu)，上述分離的熱源元件可以單獨地開或關(guān)以加熱砂層被分割的各塊面積。因此會防止用于未露面的方塊的熱源元件產(chǎn)生熱，從而實現(xiàn)了總節(jié)能。此外，絕熱掩模受熱少，也延長了掩模的使用壽命。
根據(jù)本發(fā)明還有一種結(jié)構(gòu)，采用了多工位系統(tǒng)。因此，用一套掩?？梢宰鲈S多砂模，從而能高效地成批生產(chǎn)砂模。
按照本發(fā)明又一種結(jié)構(gòu)，在砂層形成過程中，第一層鋪貼到開頭就做好的墊座上。
當樹脂復模砂被固化時，大多數(shù)情況下樹脂由于固化而受到壓縮。這種壓縮使固化的砂層產(chǎn)生翹曲。因此砂模成形精度降低了。
根據(jù)本發(fā)明的這一結(jié)構(gòu)，在墊座上鋪上第一層砂。這樣，第一層砂就附著到該墊座上。墊座的強度可以阻止砂層發(fā)生翹曲。由于第一層沒有翹曲，所以它上面形成的每一層同樣不會發(fā)生翹曲。因此可以做出沒有翹曲的高精度砂模。
根據(jù)本發(fā)明再有一種結(jié)構(gòu)，構(gòu)成砂模所采用的是二種不同的砂，它們的顆粒尺寸分布曲線至少有兩個峰值并且具有不同的顆粒直徑。
當應用這樣直徑不同的砂時，小直徑砂粒進入較大顆粒直徑砂子之間的空隙內(nèi)，從而提高了砂的容積密度。當型砂的容積密度高時，能抑制因樹脂受壓縮而造成的翹曲，從而可以做成無翹曲的高準確性的砂模。
根據(jù)本發(fā)明再一結(jié)構(gòu)，上述砂層成形步驟中，先噴撒顆粒直徑較大的砂粒再撒小顆粒直徑的砂粒以形成單層砂層。
當將顆粒直徑不同的不同種砂同時撒上時，小顆粒直徑的砂就會聚集在砂層底部，從而可能降低容積密度(特別是在砂層頂面)。在撒上大直徑砂粒后再撒小直徑砂?？墒剐≈睆筋w粒進入大直徑砂粒間的空隙中，因而有效地提高砂模的容積密度。
根據(jù)本發(fā)明還有一結(jié)構(gòu)，在砂層形成步驟中，砂子用振蕩器進行振動而壓縮形成砂層。按這種辦法對砂層進行振動，可有效地提高砂層容積密度。
根據(jù)本發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，在砂層形成工步中，撒上的砂層厚度比要求的多1-10％，然后用平板從上壓縮。砂層的容積密度用這種方法也可得到有效的提高。
根據(jù)本發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，當掩模板內(nèi)有島區(qū)時，在掩模設計時，在包圍島區(qū)的空間中按預定間隔自動布置平行支撐，以生產(chǎn)掩模。在本發(fā)明中，支撐以預定間隔的平行線地布置，因此，支撐的布置容易實現(xiàn)自動化。支撐的平行線間距設置成能完全支承住島區(qū)。當提供的支撐平行于島區(qū)的輪廓線時，如果它們彼此接觸，那么它們就合二為一了。相反，大多數(shù)情況下標準島區(qū)形狀用XY座標系表示且平行于X軸和Y軸。否則，最好使平行線大體上與XY座標系傾斜45°。
按照本發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，在島區(qū)周圍空間內(nèi)按預定間距布置呈網(wǎng)絡形的支撐。由于該支撐按網(wǎng)絡形式布置的，能很容易使它自動布置。通過預定好間距，支撐的強度是足夠的。
根據(jù)末發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，提出一種步驟，可根據(jù)島區(qū)與支撐的連接情況使自動布置的支撐位置改變。
這樣，在支撐自動布置好之后，按照它的連接情況可改變支撐的位置。例如，布置在框形中的多余支撐應去掉，按規(guī)定間距的支撐支承不了的島區(qū)應增加支撐，支承在島區(qū)一端的支撐應改變位置。這些過程都是自動執(zhí)行的，因而掩模形狀內(nèi)支撐的最佳布置可以自動實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，在上述支撐自動布置步驟中，相鄰層掩模中的支撐位置不相同。
當相鄰層中的支撐位置一樣時，則由支撐產(chǎn)生模具的空間是連續(xù)的，因而鑄件的一部分在該空間中形成。通過改變相鄰層支撐的位置，模具中由支撐所形成的空間可以做成預定的形狀，使金屬液進不了該空間，從而防止鑄件形狀發(fā)生改變。
根據(jù)本發(fā)明的還有一種結(jié)構(gòu)，在上述支撐自動布置工步中，至少在用于相鄰各層掩模中的支撐位置做得不相同。
例如，當采用網(wǎng)絡形式的支撐時，如果只有兩層的支撐方式不同，則就會產(chǎn)生共同的部分，從而形成鑄件的空間。相鄰三層的支撐方式不同，則相鄰二層的共同部分就不會連續(xù)到第三層，因而消除了上述的問題。
按照本發(fā)明的再一種結(jié)構(gòu)，在上述支撐自動布置步驟中，由封閉的輪廓線判斷島區(qū)，一根連到同一輪廓線的支撐因多余而去掉。
因而，與環(huán)形島區(qū)內(nèi)部相連的多余支撐可以去掉。
根據(jù)本發(fā)明的再一結(jié)構(gòu)，在上述優(yōu)化修改工步中，島區(qū)的穩(wěn)定性從島區(qū)中心位置及支撐與該島區(qū)的連接位置來判斷，據(jù)這一穩(wěn)定性的判斷結(jié)果修改支撐的連接情況。
當島區(qū)只有一端受支撐的支承，該島區(qū)是不穩(wěn)定的。于是更改支撐，使它的支承通過島區(qū)的中心，從而使掩模穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的再有一種結(jié)構(gòu)，提供的加工掩模的方法，是基于其中設置支撐的掩模的形狀用激光加工金屬片完成的。通過用激光加工金屬片，如鐵片做成掩模，能容易地做成預定的掩模形狀。
每層砂層的預定范圍都是用這樣形成得到的掩模被固化的，重復這一過程就組成一個砂模。此外，這樣組成的砂模應用于鑄造時，能很容易制造以坯料三維形狀數(shù)據(jù)為基礎的鑄件。
特別是按照這一方法，先收集從坯料的三維數(shù)據(jù)到鑄件的成形數(shù)據(jù)，就能容易對設計作修改。由于砂模是砂層堆積而成，所以砂模構(gòu)成所需處理的數(shù)據(jù)基本上是容易處理的二維形狀的數(shù)據(jù)。此外，也不用考慮砂模成型時的拔模斜度及分型面問題，這樣的砂模容易制作。
因此，根據(jù)本發(fā)明，掩模的形成、砂模的形成和鑄件的生產(chǎn)都能高效地完成。
按照本發(fā)明生產(chǎn)鑄件的方法，其特征在于鑄件生產(chǎn)所應用的砂模是用上述方法成型的。
如上所述，由于這樣得到的鑄模是直接成型，所以，沒有拔模斜度和分型面。因而容易從產(chǎn)品形狀的CAD數(shù)據(jù)完成砂模的設計。再有，這樣得到的砂型所制造的鑄件不比需要的厚，后處理容易，實現(xiàn)了材料的有效利用。
附圖的簡單說明以下關(guān)于附圖的說明會使本發(fā)明的目的和優(yōu)點變得清楚起來，其中

圖1示出本發(fā)明第一實施例的總與置圖；圖2是第一實施例的工作時序圖；圖3(A)和3(B)示出激光照射源的實例；圖4(A)，(4B)，(4C)和4(D)是掩模的實例；圖5是釔鋁石榴石激光器用的掩模的實例；圖6示出一個撒砂機的實例，圖7(A)和7(B)顯示本發(fā)明第一實施例與現(xiàn)有技術(shù)樹脂固化狀態(tài)的對比；圖8是本發(fā)明第一實施例與現(xiàn)有技術(shù)加工步驟的對比圖；圖9是多工位的設備配置圖10是采用多工位操作的時序圖；圖11是本發(fā)明第二實施例設備配置圖；圖12是第二實施例熱源的結(jié)構(gòu)圖；圖13是第二實施例輸送機構(gòu)示意圖；圖14是本發(fā)明的第三實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖15是第三實施例分塊示意圖；圖16是第三實施例工作程序圖；圖17是顯示第三實施例加熱狀態(tài)的示意圖；圖18是第三實施例工藝操作程序圖；圖19(A)，19(B)和19(C)顯示墊座形狀及凝固在墊座上的砂層；圖20是與本發(fā)明第五實施例相應的砂粒直徑分布曲線示意圖；圖21示出兩種砂是如何噴撒的；圖22示出兩種不同的噴撒機的示意圖；圖23是本發(fā)明第六實施例中振蕩器進行振動的側(cè)圖；圖24是平板壓縮砂子的例圖；圖25是本發(fā)明第七實施例掩模生產(chǎn)過程示意圖；圖26是支撐形狀創(chuàng)作過程方框圖；圖27是斜向支撐配置圖；圖28是采用兩種不同斜向支撐方式時的組合圖形；圖29是采用兩種不同網(wǎng)絡支撐方式時的組合圖形；圖30是采用三種不同的網(wǎng)絡支撐方式時的組合圖形；圖31解釋了掩模的重復標號M和支撐方式的標號N；圖32解釋了支撐的間距和寬圖；圖33是支撐以第一圖形布置的示意圖；圖34是支撐以第N圖形布置的示意圖；圖35說明支撐的多余部分；圖36說明支撐的分割；圖37是多余支撐的例圖；圖38示出需要增加支撐的位置；
圖39是如何增加支撐的(局部)示意圖；圖40是如何增加支撐的(總體)示意圖；圖41說明U形島區(qū)的支撐示意圖；圖42說明不穩(wěn)定島區(qū)；圖43是判斷不穩(wěn)定島區(qū)的示意圖；圖44說明支撐位置的存儲；圖45是相鄰方式的支撐重疊檢查過程的程序方框圖；圖46說明顯示的掩模形狀的依次翻頁功能；圖47說明支撐形狀消去功能；圖48說明支撐形狀增加功能；圖49是整個系統(tǒng)的配置圖；圖50是說明計算機功能的示意圖；圖51是激光加工操作的示意圖；圖52是從砂模制造到鑄造的步驟示意圖。
實施例的說明從下根據(jù)附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作說明〔第一實施例〕〔構(gòu)造〕圖1示出本發(fā)明第一實施例的總體設備配置。激光振蕩器12發(fā)出作為熱源的激光束并且有許多種激光振蕩器如二氧化碳氣體激光器、釔鋁石榴石激光器(釔、鋁、柘榴石)等可被使用。從激光振蕩器12發(fā)出的激光束經(jīng)過柔性光學纖維管(flexible optical figure)14通到漫射激光輻射源16。該漫射激光輻射源16上有預置的透鏡，使過來的激光束漫射成預定的寬帶輻射型漫射激光束，從而放射漫射激光束。
漫射激光輻射源16裝夾在XY座標自記器18上。該XY座標自記器18有固定的X軸導軌18a一對和一根沿X軸導軌18a滑動的Y軸導軌18b，漫射激光輻射源16又沿著X軸導軌18b移動，這樣，它就能在X-Y平面上自由運動。
在X-Y座標自記器18下方有砂層升運機20。該砂層升運機20具有一開口的頂部和可作垂直運動的底板。在底板頂面有一個裝樹脂復模砂(砂模制作時用)的容器。砂層升運機20的上方布置著一對導軌22，導軌22上可移動地裝有撒砂器24和壓砂輥26。
撒砂器24是個漏斗形容器，它的底部有一開口，將裝在其中的樹脂復模砂撒向下方的砂層升運機20的容器內(nèi)。壓砂輥26是圓柱形的，移動時會產(chǎn)生滾動，使裝在砂層升運機20的容器內(nèi)砂面展平。
撒砂器24與壓砂輥26用連接板28連接起來，因而靠可動圓柱30而可沿導軌22一起運動，在本實例中，導軌22沿Y軸方向延伸，因而撒砂器24和壓砂輥26通過圓柱30的運動而沿Y軸向來回移動。此外，在連接板28的前方，有一可折卸的掩模固定板32，它能沿導軌22移動。
導軌22從XY座標自記器18圖面這一邊的Y軸導軌18下邊伸出。掩模托座34布置在上述導軌延伸段的右側(cè)而掩模堆放座36布置在該延伸段的左側(cè)。在上述的掩模托座34和掩模堆放座36的上方，設置掩模轉(zhuǎn)運裝置40，該掩橫轉(zhuǎn)運裝置40用于將掩橫38從掩模托座34轉(zhuǎn)移到掩堆放座36；并由掩模夾持部分40a，提升部分40b，及移動部分40c組成，該夾持部分40a用于夾住掩模38，該提升部分40b用于把掩模夾持部分40a垂直向上提升，而移動部分40c用于把提升部分40b沿X軸方向移動。推放、托住在掩模托座34上的掩模38可以裝在導軌22上的掩模固定板32中，并由掩模移動機構(gòu)40從掩模固定板32堆放到掩模堆放座36上。掩模固定板32托住掩模38，使掩模留在預定位置并且使向下發(fā)射光輝束穿過掩模38的孔。掩模夾持部分40a是由吸盤、電磁鐵等構(gòu)成。
換言之，掩模夾持部分40a由提升部分40b從掩模托座34上方向下伸到支托的掩模38的上方然后將掩模38吸住。當掩模夾持部分40a往上運動后，由移動部分40c將掩模38定位在導軌22延伸部分上放著的掩模固定板32的上方。這時，提升部分40b使掩模38下移，并在掩模固定板32上方放開掩模38接著被固定板32托住。用同樣的操作，導軌22上掩模固定板32中的掩模38照樣可裝在掩模堆放座36上。
此外，掩模固定板32的夾緊機構(gòu)裝在連接板28的前端，連接板28用于使導軌22上的撒砂器24和壓砂輥連接起來。于是，當連接板向著這一邊移動時該機構(gòu)夾住掩模固定板32，當它往后移動時拉掩模及其固定板32，而當它再往這一邊運動時就放開掩模固定板32，從而掩模38能沿Y軸方向在導軌22上移動。
控制器42控制著激光振蕩器12、XY座標自記器18、砂層升運機20、活動圓柱30以及掩模移動裝置等的操作。
〔操作〕以下說明本設備的操作。當用本設備制作砂模時，首先從砂模的CAD數(shù)據(jù)可得到許多斷面形狀，并且制備許多與這些斷面形狀相應的掩模38。撒砂器24中裝有涂塑的樹脂復模砂，當受到激光束照射時塑料便融化了。掩模38由掩模移動裝置40裝入導軌22伸出部分上的掩模固定板32上，可動圓柱30把撒砂器24及壓砂輥26推向這一邊，而連接板28夾緊托住掩模38的掩模固定板32。此后，可動圓柱30再把撒砂器24，壓砂輥26及掩模38拉回來。這時，撒砂器24把砂子撒入砂層升運機20的容器中。底板的位置定在砂層升運機20的頂部，以便能裝一層砂。
當撒砂器24和壓砂輥26往回運動時，掩模38處于提供砂子的砂層升運機20的上方。掩模38與砂頂?shù)拈g距調(diào)整到幾毫米。
以上的第一階段操作完成后，反復進行圖3所示的操作。就是說，當砂層升運機20內(nèi)裝上一層砂并且掩模38位于該砂層升運機20的上方時，通過XY座標自記器18把漫射激光輻射源16移動到掩模38的上方并發(fā)射激光束到掩模38上。
因此，砂層露出部分上的樹脂受熱固化，于是這部分硬化了。在這一實例中，激光照射時，漫射激光輻射源16來回通過掩模38好幾次使激光束均勻地照射到掩模38整個面積上。
當激光用這種方式進行照射后，拉動可動圓柱38使掩模38與撒砂器24及壓砂輥26一起向這一邊移動。當砂層升運機20的底板向下移一層砂層的厚度，同時掩模固定板32中的掩模38由掩模移動裝置40送到掩模堆積座36上，再把掩模托座34上的下一塊掩模38裝到掩模固定板32上，進行掩模交換操作。
如上所述的撒一層砂以形成一層砂，將掩模放到該砂層上方、照射激光束的操作重復進行就構(gòu)成一個三維結(jié)構(gòu)的砂模。這樣做成的砂模用于進行鑄造。
〔漫射激光照射源〕如圖3(A)所示的固定式漫射激光輻射源16可用作漫射激光輻射源16。在該實例中，漫射激光輻射源16有一個凹透鏡16a，使從二氧化碳氣體激光器或其他類似的激光器中射出的高輸出激光束的光點直徑擴大到幾十厘米并照射到掩模38上。因此，激光的照射是在漫射激光輻射源16固定的條件下完成的。當應用這樣的漫射激光輻射源16時，XY座標自記器18可以只沿X軸向運動就能全面掃描，而漫射激光輻射源16則可固定在Y軸導軌18b上。
如圖3(B)所示，漫射激光輻射源16可以沿X和Y二個方向掃描。就是說，在此實例中，漫射激光輻射源16使射束直徑為0.2mm到幾毫米的激光束的光點直徑擴大到幾十毫米，并且輻射出擴大了的激光光束。因此它不能使激光束照射整個掩模表面，于是靠XY座標自記器18的運動才能掃描掩模整個面積，完成照射。
圖3(A)和3(B)中任何一種漫射激光輻射源，其激光輻射能的能量調(diào)節(jié)到能使02.mm的樹脂復模砂上的樹脂固化。
〔掩?！逞谀?8是用耐磨的板料做的。它能遮住激光，其上的孔為了使一部分砂凝固。例如，當應用的是二氧化碳氣體激光器或釔鋁石榴石激光器時就采用有切口的銅片或鐵片。掩模38能很容易用數(shù)控激光機床加工。由于放射的激光束的能量密度較低，只能凝固一層(0.2mm)的熱固性樹脂復模砂，因此，用金屬片作掩模38就夠耐用了。
根據(jù)缺口形狀不同，掩模38上的切口部分可以與其他部分區(qū)分開。例如，要做一個如圖4(A)所示的方形量器的砂模；其底部的掩模38只是個如圖4(B)所示的框形邊框38a。雖然這種情況沒有什么問題，但是底部以上部分的掩模38則需要在其中央有一方形小島38b。這時，該島38b必須用支撐38c與周邊部分相連。
在該實施例中，如圖4(C)及4(D)所示，相鄰截面的掩模中支撐38c的位置彼此不同。因此，支撐38c下面未固化部分沿垂直方向是不連續(xù)的。這一未固化層的厚度很薄寬度很小(例如0.2mm×5mm)，所以即使在砂模中有與此未固化層相應的間隙，鑄造過程中金屬液也不會進入該間隙的。而且還有一個優(yōu)點，即該間隙在鑄造時起通氣孔的作用。
當用釔鋁石榴石激光束作為激光光束時，該釔鋁石榴石激光束穿過石英玻璃，而這時如圖5所示，在石英玻璃襯底38d上會因金屬的蒸敷而形成襯底部分。用這種方法，小島就不一定要用支撐連接。通氣孔不必起支撐作用，因而可以適當?shù)匦纬伞?br> 掩模38的4個角上可以有定位銷，這對傳送和裝配時于掩模的定位有利。此外，在掩模托座34上及掩模推放座36上可以有導向板，圍著掩模用以使掩模定位。在砂層升運機20的適當位置處還可以裝一擋塊，用來規(guī)定掩模38的位置或者可以用多種傳感器以進行準確定位。
〔型砂〕常規(guī)使用的型砂不能直接作為本發(fā)明這一實施例使用的型砂。所謂用于制作鑄鐵件或鋁鑄件殼型樹脂復模砂，通常吹入熱的金屬模中，再燒固，硬化。這種場合應用時采用相對粗糙的砂粒(例如15至30mm)以便排出澆注時產(chǎn)生的氣體。但是本發(fā)明中，必須形成大約0.2mm厚的涂層，而且要使用圓周粒度細到5至10nm的型砂。在本實施例中，通氣孔的形成已如上述。
而且，通常使用石英砂作為樹脂復模砂，其熱膨脹系數(shù)約為60至100。當這種砂用于本實施例時，則在激光照射下砂子膨脹引起熱變形和破碎。低膨脹系數(shù)的砂，如氧化鋯砂及富鋁紅柱石砂(兩者的熱膨脹系數(shù)在30至50之間)，適合本實施例。根據(jù)應用目的不同，可以采用金屬粉末，陶瓷細?；蚱渌牧?。
按鑄造工藝的不同，多種多樣的樹脂被用作用于包覆的樹脂。在本實施例中，明確地分清激光熱輻射區(qū)和非輻射區(qū)的界限，提高尺寸精度尤為重要。最好是固化反應溫度范圍窄和脫殼性良好的砂子。
〔撒砂器〕圖6示出供砂結(jié)構(gòu)，如撒器24。撒砂器24由漏斗形容器24a和裝在它底部開口處的回轉(zhuǎn)葉片24b組成。裝在容器24a中的砂子靠回轉(zhuǎn)葉片24b的轉(zhuǎn)動撒落下來?？刂苹剞D(zhuǎn)葉片24b的轉(zhuǎn)動也就控制了噴撒操作的開啟關(guān)閉和砂的噴撒量。在該撒砂器24的后邊(圖1中的前邊)有一塊括板50，裝在撒砂器24和壓砂輥26中間，并連接到連接板28上。當括板50向圖6的右側(cè)移動時(圖1的后面)，它把撒砂器24噴撒下來的砂層表面括平。而裝在括板50后面的壓砂輥26則壓緊被括板50括平的砂面，使砂層升運機20表面形成一層(0.2mm)砂層。
采用這種方法，本實施例一次運動就能有效地完成砂的噴撒和輾壓，從而高速地形成砂層。并且，如上所述，由于在生成砂層的運動過程中，掩模38被放到砂層上方，因此，加工一層砂層所需的時間極短。
〔本實施例的效果〕由此可見，按照本發(fā)明的這一實施例，由于應用了掩模和漫射激光束，激光束不必進行掃描，即使需要掃描，掃描時間也極短。所以處理一層很快。因此，從整體看制作砂橫所需時間能縮短。由于通過多次使用加工好的掩模，能容易地成批生產(chǎn)砂模。這種砂模極其適合于鑄件的批量生產(chǎn)。
特別是當在現(xiàn)有技術(shù)中不用掩模且使用具有小光點直徑的激光束時，那就必須只能掃描激光照到的那一小部分同時為此目的在每次掃描時必須加以控制。此外，照射所有該照區(qū)域的時間也加長了。
還有，由于現(xiàn)有技術(shù)中采用的是聚束，難以實現(xiàn)能量密謀均勻分布，照到能量的面積是圓形的，因此就如圖7(A)所示，熱固化區(qū)域的形狀像凹槽，其斷面和投影邊界形狀不清晰。但是在本實施例中，掩模與漫射激光束聯(lián)合應用能得到均勻的能量，如圖7(B)所示，熱固化區(qū)的截面和平面形狀都很整齊。
這樣，根據(jù)本實施例能夠高速度地做成砂模，用這種砂?？梢耘可a(chǎn)鑄件，在這方面，按照本發(fā)明這一實施例的方法，在鑄件設計和生產(chǎn)準備上有以下優(yōu)點在現(xiàn)有技術(shù)的鑄造方法中，如圖8左側(cè)中所示，分型面和拔模斜度(S2)、機加工余量(S3)、以及對伸縮尺寸和翹曲變形的考慮(S4)都是為了每件產(chǎn)品性能所要求的產(chǎn)品形狀(S1)而進行的，并進行鑄模的設計和制造(S5)這樣生產(chǎn)的砂模用于鑄造一個產(chǎn)品。
所以，如在S2所示，由于分型面及拔模斜度引起的多余部分(用斜線表示)也生產(chǎn)出來了，如在S2下面的圖形中所示。由于產(chǎn)品不能只用兩件鑄模成型，還要一個木模型芯。用這樣的砂模制造的鑄件比需要的厚度厚，且其形狀與設計產(chǎn)品也不同。然后再加工成設計的產(chǎn)品形狀。因為分型造成的鑄件毛邊留在成品上，故必須削掉。此外，由于機加工余量需要切削加工，因此產(chǎn)品比需要的要厚得多。
但按本實施例，如圖8右側(cè)所示，CAD單元(S11)形成一個具有產(chǎn)品形狀的計算機模型。在此基礎上進行伸縮尺寸和翹曲變形的有限元模型(FEM)分析，在此分析結(jié)果(S12)的基礎上可以求出構(gòu)成砂模的每一截面的形狀，從而確定整個砂模形狀。然后在此斷面形狀基礎上，形成砂模的每一層并獲得一個砂模(S13)，鑄件就是利用該砂模做出來的。
由于設計砂模時，它的截面形狀層可以由具有設計產(chǎn)品形狀的計算機模型一層層疊加而成，所以完全沒有必要考慮分型面和拔模斜度。因此，再為每個截面做掩模，并被用來按上述步驟形成砂模，從而最終的砂模具有設計產(chǎn)品的形狀，而用此砂模制造的鑄件不會像現(xiàn)有技術(shù)中那樣比需要的厚度厚，而是十分接近設計產(chǎn)品的形狀。所以，可以快速地批量生產(chǎn)高精度鑄件。
本實施例在鑄造時也會出現(xiàn)延伸、彎曲等現(xiàn)象。但是，可以用有限元方法或類似方法通過熱彈塑性為學從液體金屬的澆注到冷卻的變形量分析，這樣倒過來計算而獲得最終需要產(chǎn)品的砂模形狀。由于產(chǎn)品形狀不因出模斜度等而改變，因此該計算比較簡單。
〔多工位〕如上所述，根據(jù)本實施例可以有效地進行砂模的生產(chǎn)。當有許多工位時，這種生產(chǎn)的效率就更高了。圖9示出多工位設備配置的實例。如圖所示，漫射激光輻射源16、砂層升運機20等與工位在數(shù)理上是一樣的(本例中為6)。從單個激光振蕩器12射出的激光束經(jīng)激光分配器52分配到6個漫射激光輻射源16(按次序送給)。
掩模放在掩模架54上，此架54下面是掩模托架56。掩模架54把掩模38依次送到掩模托架56上。
掩模托架56橫跨各工位上方布置，每一承托的掩模38處于一個漫射激光輻射源16和對應的砂層升運機20的砂層中間。所以，多工位之間的間距要一樣，而掩模38依次移動這一間距定位在各工位上(一步)。掩模經(jīng)過這六個工位后放回到掩模架54的頂上。
現(xiàn)在說明本設備的操作。起始，第一層掩模位于第一工位上，這時第一工位的砂層升運機20中準備了一層砂。其后，第一工位上的漫射激光輻射源16射出一束激光，照到第一工位的這層砂子上。
然后，第一掩模38靠掩模托架56移動一個工步(間距)而移到第二工位。在第一、第二工位上，激光束進行照射。這樣重復進行直到第一掩模位于第六工位，這時第六掩模38處于第一工位上。這種情況下，如圖10所示，從一至六工位依次完成激光輻射這后，按順序進行以下操作使砂層升運機20下降一層，移動掩模38并進行噴砂。
用這種方法，與工位數(shù)目(本例中有6個工位)相應的砂模只要用一套掩模就可一齊做成。由于激光照射時間短，單個激光振蕩器12的激光束可以按圖所示進行分配。因為本例中漫射激光輻射源16與型砂之間的距離相對較大，所以使用一對透鏡58使通過掩模的激光準確地照射到砂層上。
由于掩模受到激光6次照射，掩模的溫度升高了，因此增加了一臺冷卻沒備60，例如空氣冷卻器。
這樣，大大提高了生產(chǎn)率。
〔第二實施例〕圖11是本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。平板式加熱器70中插入一諸如鎳鉻電熱絲那樣的發(fā)熱元件70a，當外界輸入電流時，整個表面便發(fā)熱。絕熱掩模72與第一實施例中的掩模38幾乎是一樣的。掩模72按預定數(shù)量準備好。掩模上的孔的形狀也是預先規(guī)定的。這種絕熱掩模72具有隔絕加熱器熱量的能力。因此，當絕熱掩模72裝在加熱器70下面時，只有孔下方的砂子受熱。
撒砂器24、壓砂輥26、刮板50、砂層升運機20等的結(jié)構(gòu)與第一實施例中的一樣。一層砂注入砂層升運機20中后，已固定了絕熱掩模72在其上的加熱器70定位在砂層上方。因此，只有絕熱掩模72的孔下方的砂子才會受熱，使其樹脂固化。那樣，按順序更換絕熱掩模72，一層一層砂層被固化，最后形成了砂模。在加熱期間，如果砂子表面接近模模，那么加熱效率更好。但是，建議掩模不要直接接觸砂層，砂層與掩模的間隔最好為0.1至2mm。此外，在每一次固化操作時，絕熱掩模72被裝在加熱器70的下面。絕熱掩模72最好用真空吸附或用電磁鐵貼到加熱器70上。例如，如圖12所示，當在加熱器70的4個角上開掩模吸入孔70b時，則絕熱掩模72可通過掩模吸入孔70b用真空吸住，而絕熱掩模72的附著和分離可通過真空吸附的開閉操作進行控制。
在這一例子中，最好在加熱器70的掩模附著面周圍裝上導向件70C，以便使絕熱掩模72對準加熱器70定位。此外，最好還有定位銷70d。這時，絕熱掩模72上與對應定位銷的位置處開了凹槽。
此外，圖13示出輸送掩模的傳送機器人74。這樣，絕熱掩模72由這種傳送機器人74一個接一個地放到砂層上。同時加熱器產(chǎn)生熱量使砂子加熱。這就是說，用這種傳送機器人74重復以下操作(i)吸起絕熱掩模72，(ii)將該掩模72傳送到砂層上方并定位好，(iii)給加熱器70a通電，(iv)取走絕熱掩模72。這樣砂模34就可被形成。
加熱器控制器76由傳送機器人74控制著加熱器70a的供電，而傳送機器人74還使吸附控制器78控制對絕熱掩模72的吸附。
按照本第二實施例，由于加熱器70被用作砂子的加熱源，該加熱源比激光振蕩器便宜得多。而且，很容易增加加熱器70的面積，因而制造大的砂模也比較方便。特別在如鋁板或銅板的金屬板被放在加熱器70下面的情況下，將金屬板加熱到一定溫度，這樣可使大面積均勻受熱。因而容易制造大的砂模。因為涂在砂粒上的樹脂在300℃左右固化了，所以它能用這種加熱器70有效地得到加熱。
絕熱掩模72采用的絕熱材料有石棉，陶瓷或高熔點金屬(如鐵板)。
此外，在多工位時，布置了多個砂層升運機20和圖13所示的傳送機器人74等，并且一個接一個地輸送絕熱掩模72，則用一套絕熱掩模72就可高效地制造多個砂模。
〔第三實施例〕在本實施例中，如圖14所示，采用了多個單獨的熱發(fā)生器80代替第二實施例中的加熱器70。絕熱掩模72的整個面積被多個單件熱發(fā)生器80所覆蓋。就是說，如圖15所示，絕熱掩模72的一分塊面積用一個熱發(fā)生器加熱，而每個熱發(fā)生器80內(nèi)插入一根高頻電阻加熱絲80a，這樣可以單獨加熱。
當加熱時，如圖16所示，由斷面形狀數(shù)據(jù)決定如何加熱，究竟在每一分塊上是否有成型形狀(與絕熱掩模72的開孔相對應的形狀)并且只對有成形形狀的分塊上單件熱發(fā)生器80中的高頻電阻加熱絲80a通電。從而如圖15中的斜線所示，只有在絕熱掩模72的孔上面的單件熱發(fā)生器80產(chǎn)生熱。因此，如圖17所示，只有孔下的砂層才被有效地加熱。
由于單件熱發(fā)生器產(chǎn)生熱量由這種方式控制，因此沒有不必要的能量損耗。此外，絕熱掩模72受到的是必要的熱量，其使用壽命也因而延長。
同樣在本第三實施例中，用一套絕熱掩模，配備與第一、第二實施例中一樣的多工位，就能做到高效的批量生產(chǎn)。
〔第四實施例〕在本實施例中，利用墊座防止各截面形狀層發(fā)生變形。
如圖18所示，先制造墊座(S11)。墊座的制造是像在現(xiàn)有技術(shù)中做砂模那樣將涂上樹脂的砂(樹脂復模砂)倒入熱的模子內(nèi)，并使樹脂凝固。該墊座的厚度應當足以支承砂模。例如，墊座厚度根據(jù)砂模大小不同可從1cm到5cm。墊座面積應略大于砂模的成型面積。舉例來說，墊座1可以是如圖19(A)所示的矩形板。
墊座1裝在砂層升運機底板上(S12)。該砂層升運機的底板能作垂直運動。正如下面要說到，底板的下移可以在底板上一層層地形成薄薄的砂層(熱固性樹脂復模砂)。
當墊座裝好后，底板向下移動一層的距離，同時撒一層砂在底板上形成第一層砂(S13)。例如在圖19(B)及19(C)中，砂層2形成于墊座1上。
隨后，激光束照射到與砂模斷面形狀相應的一部分砂層2使之固化(S14)。一層組合模形成之后，判斷一下它是否是最后一層(S15)。如果不是，程序又加到S13，繼續(xù)形成以后的多層以完成三維砂模的成型。
根據(jù)本實施例，應用了墊座。該墊座是利用金屬模子做成厚度足夠的所需的形狀。因此，本實施例中的墊座，其表面精度高。
在S13中，墊座上撒了第一層0.1-0.5mm的所需厚度的砂，再射上激光束。座墊與砂層是用同樣材料做的。第一層凝固后粘附在墊座上，由于墊座有足夠的強度，因此第一層不變形，防止了扭曲的發(fā)生。此外，由于下一層是在這一層基礎上形成的，這一層不翹曲，那么下一層也不會歪曲，從而可得到不變形的砂模。
為了直接制造產(chǎn)品，該墊座以后必須拆去。但是，本實施例要做的是砂模，因此不會有因墊座粘附在砂模上而產(chǎn)生的問題，反而提高了砂模的強度。按照不用墊座的方法，被激光束等加熱的第一層的背面可能成型不細，并具有低平面度。與此相反，采用了墊座，利用墊座高的平面度，能形成高平面度的第一層。
〔第五實施例〕為了減少砂料間樹脂的收縮，重要的是要提高砂的容積密度。就是說，若容積密度高，就能阻止樹脂在固化時收縮而引起的砂粒變形。
在本實施例中，如圖20所示，采用的砂子的顆粒尺寸分布曲線不是按標準的正態(tài)分布，而是有兩個峰值。就是說，尺寸的分布對較大顆粒有一個峰值，較小顆粒有另一峰值。
這樣，小顆粒進入大顆粒(較大顆粒)之間的空隙中可以提高容積密度。
較小砂粒的峰值顆粒直徑最好為較大砂粒峰值顆粒直徑的1/2到1/10。例如，當較大顆粒的峰值直徑為50μm而較小顆粒的峰值直徑為10μm時，則容積密度可大大提高。
提高砂的容積密度可減弱在樹脂收縮時發(fā)生變形，因而可得到無翹曲的砂模。此外，在第一實施例中墊座上形成一層有兩種大小砂粒的砂層是有利的。
當容積密度提高時，砂模透氣性降低了。那么，可以在形成分層時在砂模的一部分中形成細溝。例如，上述掩模中支承孤立島區(qū)的橋即適合于此目的。
〔砂子的噴撒〕
按照本實施例，用兩種不同的砂子構(gòu)成一層砂層。但是，當這二種顆粒直徑不同的砂同時噴撒并用壓輥和擋板形成薄層時，則較小顆粒有向?qū)拥拙鄯e的傾向，而較大顆粒傾向于留在頂部。因此，該砂層上面部分的容積密度較低。
所以在本實施例中，如圖21所示，先撒大直徑砂粒后撤直徑較小砂粒。這樣，較小顆粒進入先撒的大顆粒之間的空隙中，從而提高容積密度。
小顆粒直徑的砂的使用量只供充填大直徑顆粒之間的空隙，即大致為大直徑數(shù)量的1/5到1/20。這樣，少量小直徑砂?？梢杂行У靥岣呱皩拥拿芗浴?br> 此外，如圖22所示，設置一臺噴撒較大直徑砂粒的撒砂器24和一臺噴撒小直徑砂粒的撒砂器24。這兩臺設備同時噴撒二種不同的砂粒，該兩種砂的噴撒可平行進行。這樣做可以縮短噴撒所需時間。而壓輥26則滾壓砂層表面。
〔第六實施例〕為了提高砂層的容積密度，最好給予振動和加壓。本實施例就是為此作該項工作的。
圖23示出利用振動的例子。如圖所示，振蕩器90布置在壓砂輥26之前，對要受壓砂輥26滾壓的砂子進行振動。壓砂輥和振蕩器一起移動以提高砂層的容積密度。一種靠馬達轉(zhuǎn)動產(chǎn)生幾十赫茨振動頻率的振蕩器或能產(chǎn)生高頻振動的超聲傳感器可作此用。
此外，圖24示出一種通過壓縮提高砂層密實度的實例。如圖所示，平板92壓向砂層2，以提高砂層2的密集度。這塊平板用馬達或液壓系統(tǒng)垂直驅(qū)動。當壓縮壓力達到預定值。平板的下移運動就停止。
最好經(jīng)過振動形成砂層后再進行壓縮。此外，本實施例還可與第四、第五實施例結(jié)合起來。
根據(jù)本實施例，砂層容積密度必定可以提高。因此，由于減少砂在固化過程中的翹曲，所以可以獲得一種幾乎沒有歪扭的砂模。
〔第七實施例〕本實施例的特征在于用于形成掩模的支撐是自動進行設計的。
〔總體工序〕首先參看圖25說明形成掩模的整個過程。在生產(chǎn)鑄件時會產(chǎn)生收縮，對此收縮量作補充的鑄件的尺寸附加量要加到鑄造物(坯料)的三維造型上，以修正坯料的三維形狀。這就是說，由于鑄件生產(chǎn)時處于高溫，所以常溫下坯料的三維形狀要修正到高溫生產(chǎn)的要求的形狀。這一補償工序由常規(guī)的三整體成型系統(tǒng)的鑄件尺寸功能自動完成的。這時考慮了對翹曲的補償。
在這一修正了的三維坯料形狀的基礎上，三維系統(tǒng)對鑄造坯料所需砂模外形進行設計。由該設計得到的厚度比來自坯料形狀的預定值大，進行該設計也很容易(模擬砂模形狀)。這時考慮了砂模與產(chǎn)品的差異。
以后，這一修正的坯料形狀當作砂模的設計外部形狀。該坯料形狀的倒型就是砂模的外形，而砂模形狀的反面就是掩模的形狀。所以，掩模的形狀就是坯料的形狀，并且可以直接把該坯料的修正形狀當作該設計。
由于掩模形狀是這樣得到的，所以把這樣得到的掩模形狀按與砂層厚度0.1至0.3mm相當?shù)拈g距分層可得到許多二維數(shù)據(jù)(二維截面數(shù)據(jù))。
雖然掩模是用這樣獲得的二維數(shù)據(jù)制造的，但是在這樣得到的掩模形狀中還可能有一個與砂型芯相應的小島形狀需要考慮。該島外形周圍是空的，因而會掉砂。因而需要有支承該島的支撐。在本實施例中，正如下面所述，這些支撐是自動設計的。
掩模外形用上述方法可求得，而每個掩模外周線形狀的數(shù)據(jù)被自動采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制碼(NC codes)。根據(jù)這些數(shù)字控制碼，用激光加工鐵板得到掩模。
利用這樣得到的掩?？芍圃焐澳?，再用此砂模制造鑄件。
在現(xiàn)有技術(shù)的砂模制造過程中，即使已經(jīng)有產(chǎn)品的三維形狀，但是制作外模的拔模斜度、內(nèi)腔造型用的芯模及鑄模的分型等都需要設計。所以，需要非常復雜的三維造型。此外，三維形狀不能像一維數(shù)據(jù)那樣得到，因此更改設計要從頭開始。
按照本實施例，形成砂模的模子由二維形狀的鐵板組成，且只有必要部分才用激光束照射。不需要考慮型芯形狀、拔模斜度、分型面等問題。因此，形成砂模的掩模形狀是把鑄造尺寸增量加到坯料形狀上以后得到的形狀，它通過極簡單的設計就能得到。由于坯料形狀與掩模形狀有聯(lián)系。所以三維形狀很容易轉(zhuǎn)化成一維形狀數(shù)據(jù)，設計更改也容易了。
〔支撐形狀自動設計程序〕支撐形狀如果安排得當就變成鑄造時的除氣方式，其存在是可取的。但是，如果安排不當，就會有損于澆注的坯料的形狀，要是有多個支撐則在掩模機加工時切削邊數(shù)量很大，機加工和激光切割都要化太多時間，使掩模制品成本提高。
所以，成形支撐的條件如下(i)它們應當不損坯坯料的外形。
(ii)每塊掩模應有足夠強度。
(iii)支撐數(shù)目應當最少。
(iv)它們必須有效地起通氣孔作用。
在本實施例中，如圖26所示，按以下步驟設計支撐形狀。
按預定程序從掩模形狀中抽出島的形狀，基于預定規(guī)則形成的支撐自動地布置在繞此島形的空間上。
由于是在預定條件下自動生成支撐的，并非總是最佳布置，所以在預定條件上形成的這些支撐應作重新布置，比方說用自動優(yōu)化工序。
雖然以這樣方法完成支撐的自動優(yōu)化，但在最后階段設計師要用人工對支撐作檢查和修改。有這種情況，在特殊條件下支撐必須用人工方法加強或增加。
于是通過有效地增加支撐得到掩模形狀。由于每塊掩模形式的產(chǎn)生基本上是自動完成的，設計師的負擔大大減輕了。從作為收集的數(shù)據(jù)貯存的坯料三維形狀求得的二維斷面形狀可以自動地形成支撐，所以因設計更改而作修改是容易的。
〔支撐形狀自動設計方法〕當支撐與坯料形狀相交時，其形狀被損害。就是說，當支撐與坯料形狀相交時，二者在相交位置合二為一，同時使坯料的形狀在相交位置處被損害。同時，正規(guī)的坯料在X和Y方向有多條輪廓線。因此，支撐的方式在坯料形狀設計坐標系中總是由成45°角的斜向平行線構(gòu)成。這樣能使支撐避免與坯料端部相交，而坯料也避免由于支撐寬度而變寬。如果支撐是獨立的，則液體金屬流不進支撐的截面，支撐卻起通氣孔的作用，同時支撐也不會對坯料的形狀有不利的影響。
例如，當坯料形狀內(nèi)的島是矩形時，如圖27所示，支撐就在45°方向自動布置，并且只在空白區(qū)的支撐被選用。
根據(jù)坯料形狀不同，45°方向可能不是最好的方向。方向角作為參數(shù)，可以代入任何數(shù)，而且支撐間的間隔(間距)也是可變的。
如果各相應層的掩模中的支撐按同一位置排列，則這些支撐會連接而成連續(xù)的支撐，從而變成鑄件的一部分。這樣，支撐的結(jié)構(gòu)必須改變(移動)。
例如，當支撐方式都沿一個方向時，如圖28所示，則各層圖形的安放要改變。在該圖中，實線所示圖形是這一層的支撐圖形，而虛線所示圖形則是相鄰層的。按照這種方法，二種不同的圖形交替使用，圖形的設計都是極簡單的。但是，當島區(qū)及空白區(qū)都很大，用這種方法時整個掩模的強度可能不夠了。
因此，當島區(qū)及空白區(qū)都大時，最好設計成網(wǎng)絡形。當準備了二種不同的網(wǎng)絡圖形并交替使用，如圖29所示，會產(chǎn)生公共部分并成為鑄件的一部分。那么，如圖30所示，當準備了三種不同圖形(本例中有a，b，c三種)，應用的順序為a，b，c，a，……這樣防止公共部分的形成。在圖30中，圖形a用實線表示，圖形b用虛線表示，圖形c用點劃線表示。
〔圖形確定〕這種支撐的布置方法隨不同的鑄造零件而不同。所以最好使各層支撐圖形交替布置。在本實例中，通過對下列參數(shù)的規(guī)定決定支撐的布置。
(i)支撐圖形標號N應當采用的支撐圖形數(shù)目由參數(shù)N確定。上例中N數(shù)為2或3。
(ii)掩模重復出現(xiàn)標號M同一圖形重復使用的次數(shù)由參數(shù)M確定。它指定布置在相同位置上的支撐的數(shù)目并能控制通氣孔的大小。
參數(shù)M與N都示于圖31上。這樣，支撐圖形的M號用于第一種形狀，支撐圖形的下一個M號用于第二種形狀并一直用到第N種形狀。
(iii)傾斜角G雖然G是個不起作用的值(defanlt)并設定45°，但它可變?yōu)槿我舛葦?shù)。
(iv)間距如圖32所示，間距1表示支撐在-45°方向上的間距，而間距2表示支撐在45°方向上的間距，而間距2表示支撐在45°方向上的間距。設間距1及2為0，則在這兩個方向上沒有支撐。雖然支撐的傾斜可由G而改變，但兩個方向上的支撐總是成直角互相交叉。若G＝60，且間距1的支撐傾角為-60°，則間距2的支撐傾角為30°。
(v)支撐寬度W支撐寬度由參數(shù)W確定。
確定了該參數(shù)后，第一支撐變成如圖33所示，在圖形中，負方向的支撐從左下端點起以間距1一個接一個地排過去，而正方向的支撐從右下端點起以間距2一個接一個地排過去。第二個圖形是這樣的，支撐與左下端點的的最近間距為1/N，支撐與左下端點的最近間距為2/N。對于如圖34所示的第N個圖形，負方向支撐以間距1/N離開左下端點布置，正方向支撐以間距2/N離開右下端點布置。
〔優(yōu)化支撐布置的方法〕按上述參數(shù)布置支撐才是有用的支撐布置。為此需要有刪除多余部分、增加必要部分的工序。本實施例制定了自動優(yōu)化處理工序。通常，用本方法作的布置是有效布置。但是，有特殊情況，這種方法應當更換。那時，設計師可以檢查和修改方法的內(nèi)容。
〔自動優(yōu)化工序〕(i)自動刪除多余部分當按上述辦法自動布置支撐并且內(nèi)部有空間部分，總是要布置支撐的。然后需要刪除多余的支撐。當掩模形狀如釁35所示時，有一45°方向布置的支撐，出現(xiàn)了連接同一形狀的多余部分。圖上空心段是多余的而實心段是必要的。
如圖36所示，將截面形狀部分(掩模)去掉后，斜直線的支撐形狀被分成幾段。為把必要段和多余段區(qū)分開，在每段上標上哪條回路與本段相交的標記(每一剖面形狀的周線被認為是一條回路)。各剖面形狀的回路從圖的左外側(cè)起依次編號。圖形的外周線記作逆時針回路，內(nèi)周線標為順時針回路。
因此，圖35左下方的支撐與回路2有4個交點，是多余的。只與回路4和回路7有交點的支撐段也是多余的。這樣，當支撐與同一回路有4個交點時，就能斷定該支撐是多余的，因此，一條支撐的必要性由檢查其標記值來判定的。
如果一支撐有5個或更多的交點，如圖37所示，則該支撐是跨過一個圖形的邊緣了。由于這種支撐不理想，因而認為它是多余的。
(ii)自動增加支撐支撐按指定的間距均勻布置。與支撐不相交的島區(qū)就沒有支撐。因此必須給定加上支撐。
首先按順序檢查一對順時針和反時針的回路，與支撐無交點的一對就被選上。無孔圖形也就沒有順時針回路。當一個圖形內(nèi)有許多單獨的孔，則一個逆時針回路有許多順時針回路。這些回路也被看成和上面那對一樣。
按照這種方法，圖38形狀中左側(cè)區(qū)域內(nèi)的島區(qū)被選上，應當明白，用虛線表示的支撐對島區(qū)是必要的。
通過這種檢查，把選上的一對畫上兩極框。就是說，如圖39所示，畫一方形包圍該島區(qū)。再配上一個通過該方形中心的45°支撐。
這樣得到的支撐形狀段由于刪去剖面形狀段而被分成幾小段，并給小段的交點標上指明與哪條回路相交的標記。
以后，只有其上標有逆時針回路標記的小段才被選中并命名為必要支撐段。這樣得到的支撐段加上去，以便得到圖40所示的必要支撐形狀。
當選上了只有逆時針回路標記的小段時，那末圖41所示的U形島區(qū)的內(nèi)支撐段也選上了。并且如果支撐段只與逆時針回路有交點的，那是選不中的。
(iv)不穩(wěn)定段的刪除和支撐的增強根據(jù)支撐的連續(xù)位置，連接支撐的島區(qū)可能是不穩(wěn)定的。例如，如圖42所示，當支撐只連接細長島區(qū)的一端時，該島區(qū)的支撐是不穩(wěn)定的。
圖43示出這種情況的支撐。如圖所示，先畫兩極框，在其中再畫比它小的框，并由這二個框構(gòu)成4個角，即區(qū)1至區(qū)4。
要判斷島區(qū)與支撐的交點屬于上述四區(qū)中哪個區(qū)的，如果各交點均屬于同一區(qū)，則斷定該島區(qū)支撐是不穩(wěn)定的。若一個交點屬于二個區(qū)，則判定它屬于二區(qū)中的一個區(qū)。
如果用這種方法斷定島區(qū)是不穩(wěn)定的，則一根通過兩極框中心的支撐自動增加到島區(qū)上。U形島區(qū)的處理方法和前述相同。
(v)在增加和加強支撐時檢查相鄰圖形的重疊當如上所述增加和加強支撐時，就得到一個不同于原始支撐圖形的支撐圖形。那時，必須防止新圖形中的支撐與相鄰層內(nèi)的支撐重疊。
如圖44所示，XY座標系旋轉(zhuǎn)45°得到X’Y’座標系，相鄰二層的支撐中心線在X’Y’座標系中的位置要貯存。
當增加新支撐時，檢查它是否與相鄰層內(nèi)貯存的支撐重疊。
例如，圖45能判斷窨在新支撐的寬度內(nèi)有無貯存的支撐。如果有，則重復地使支撐在寬度方向正反向移動距離a(例如1至2mm)直到?jīng)]有重疊為止。所以支撐位置與相鄰層的支撐重疊的情況得到改變。
〔支撐形狀的檢查和人工修改功能〕上述自動優(yōu)化處理可得到一個幾乎最佳的支撐形狀。但是如有必要，對這一最佳支撐開狀進行檢查并作人工修改是有益的。為此目的，本實施例扔有檢查和人工修改功能。
(i)掩模形狀檢查功能(依次翻閱功能)首先，能顯示每個掩模的形狀。如圖46所示，掩模形狀可以往前或往后傳送來顯示。因此，設計師可以挨個檢查掩?！，F(xiàn)在顯示的掩模的編號也顯示在熒光屏上(掩模的現(xiàn)行編號及掩掩的總號)。
(編號指定與顯示功能)此外，指定編號就能顯示掩模。檢查時檢索需作修改的掩模形狀，找到后即可知道詳細情況并作修改。
(已作修改掩模形狀的檢查功能)
當用在以后說明的掩模形狀修改功能完成修改操作并進行形狀修改時，掩模形狀在完成以后再作重新核算并再次顯示。因此，已修改的掩模形狀還能進行檢查。
(ii)支撐形狀修改功能(支撐形狀消去功能)要消去任何支撐，可用定位點把該支撐圍起來。就是說，如圖47所示，用定位點圍住預定的范圍，將其中存在的支撐去掉。本圖用了7個定位點1至7確定一個幾乎圓形的范圍。
當一個隨意的掩模形狀按上述被顯示時，順次輸入定位點就可完成這一處理。在指定了預定范圍后，消除指令可把指定的支撐消除。支撐可依次指定以便消除。最好用鼠標給出這一指令。
(支撐形狀增加功能)這是在任意空間位置上增加支撐的功能。例如，如圖48所示，定位點1至4所圍住的區(qū)域只要標明這些定位點即可指定為支撐。在這種情況下，移動掩模形狀的計算機操作是自動執(zhí)行的。給定二個定位點即可增加一根有規(guī)定寬度的支撐。
〔系統(tǒng)的總體設備配置〕鑄件制造系統(tǒng)的總體設備配置示于圖49。如圖所示，該系統(tǒng)由計算機110，激光機112，砂模制造設備114及澆注機116組成。
計算機110收集所需數(shù)目的掩模圖形，以便由坯料的三維形狀求出坯料的斷面形狀。激光機112則基于獲得的掩模形狀加工鐵板，得到掩模。砂模制造設備114則利用這樣得到的掩模，重復地將激光束照射到塑料復模砂的預定部位上，以獲得一層砂模，把砂模層一層層疊合組成砂模。這樣得到的砂模提供給澆注機116，在澆注機中金屬液注入砂模中，然后金屬液被冷卻和凝固，撤去砂橫就得到鑄件制品。
〔掩模形狀設計〕上述的計算機110用于建立掩模形狀。如圖50中的功能塊圖所示，計算機由輸入設備120，處理機122和輸出設備124組成。處理機122內(nèi)有鑄件尺寸增量和變形補償單元122a；二維截面成形單元122b和支撐設計單元122c。
輸入設備120接收坯料的三維形狀數(shù)據(jù)并接受上述參數(shù)的指令和人工操作的輸入。輸出設備124將這樣得到的掩模形狀作為數(shù)據(jù)輸出。輸出設備124包括顯示器和打印機。
處理機122完成如上所述的鑄造尺寸增量及變件的補償運算；產(chǎn)生二維截面數(shù)據(jù)，設計支撐。
〔掩模加工〕如圖51所示，激光機112先獲取掩模形狀的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)一件一件加工掩模。就是說，激光機發(fā)射激光束照到鐵片上的按掩模形狀的輪廓線部分以切割鐵板；激光機依次接收每時掩模的數(shù)據(jù)并加工每塊鐵板，以備好一套掩模(供一個砂模使用)。
〔砂模制作與澆注〕砂模制造設備114由壓砂機，掩模裝配機和激光照射機組成。該壓砂機用于單獨砂層的層壓，掩模裝配機把掩模順次裝到壓砂機上，激光照射機向每層砂層發(fā)射激光束。
如圖52所示，壓砂機上先裝一層砂(S11)，該砂子是塑料復模砂，有預定的直徑并涂有如熱固性塑料的塑性于其四周。此后，把掩模放在這層砂上(S12)。當掩模裝好后從其上方照射激光束(S13)。因此，在掩?？紫碌纳氨┞对诩す馐?，這部分砂就固化了(成整體)。
此后，判斷一下此掩模是否是最后一塊(還有沒有下一塊掩模)(S14)。如果還有下一塊掩模，則程序又回到S11，繼續(xù)進行下一砂層的處理。若在S14時掩模已是最后一塊，則程序結(jié)束。用這樣方法制成砂模。
最后，這樣做好的砂模用于制造鑄件(S15)。
權(quán)利要求
1.一種形成三維形狀砂模的方法，包括以下步驟累積涂覆熱固性樹脂的砂粒以形成薄層砂層；把一塊在預定部位上有開孔的掩模放到上述形成的砂層上；透過放上的掩模使位于掩模開孔下的那部分砂層受熱而后固化；形成該砂模的一層斷面形狀層；以及重復進行這些操作，把這些斷面形狀層堆積以形成三維形狀的砂模。
2.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成法，其特征在于透過掩模的加熱是用漫射激光束穿過掩模射到砂層上，使砂層暴露部分加熱。
3.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于當該掩模中有相應于型芯的島時，則使用這樣一種掩模在所用掩模上由該掩模的其他部分伸出支撐來支承該島，且相鄰砂層的掩模中的支撐位置是不同的。
4.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于穿過該掩模的加熱采用在該掩模上方設置一熱源使砂層的暴露部分加熱。
5.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于熱源具有較大照射范圍并且分成多個熱源元件設置在掩模上方，以加熱砂層的暴露部分。
6.按照權(quán)利要求5中所述的砂模形成方法，其特征在于各分割的熱源元件對著砂層上相應的分割塊能獨立地開或關(guān)，并且在加熱階段只有在絕熱掩模的暴露部分上方的熱源元件才打開。
7.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于在多個工位上形成砂模，并行制作多個砂模，而且該掩模在該多個工位之間可移動，并為該各工位共用。
8.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于第一層砂層形成并粘結(jié)在墊座上，以便在砂層形成時能穩(wěn)定在承托砂層。
9.按照權(quán)利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于至少采用了二種顆粒直徑不同的砂作為用于砂層中的砂。
10.按照權(quán)利要求9中所述的砂模形成方法，其特征在于在砂層形成時，先撒顆粒直徑相對較大的砂，后撒顆粒直徑較小的砂，以形成一層砂層。
11.按照權(quán)利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于在砂層形成的步驟中，由振蕩器產(chǎn)生的振動使砂子受到壓縮，以形成砂層。
12.按照權(quán)利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于在形成砂層的步驟中，鋪撒的砂層厚度比要求的砂層的厚度大1-10％，然后用一塊板從上往下壓。
13.按照權(quán)利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于根據(jù)在布置了支撐后的掩模形狀制造該掩模，支撐布置的步驟如下根據(jù)鑄件的二維截面形狀設定掩模形狀；探測這樣設計的掩模形狀上的由四周空間部分包圍的島區(qū)；以及根據(jù)以預定間距布置的平行線，在包圍該探測的島區(qū)的空間部分內(nèi)自動布置預定間隔的支撐。
14.按照權(quán)利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于根據(jù)布置完支撐后的掩模形狀制造該掩模，支撐布置的步驟如下根據(jù)鑄件的二維截面形狀設定掩模形狀；探測該掩模形狀中被空間部分包圍的島區(qū)；以及在該包圍探測的島區(qū)的空間中根據(jù)預定間距布置的網(wǎng)絡支撐自動布置支撐。
15.按照權(quán)利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于該掩模是在其中支撐布置作修改后的掩模形狀制造的，修改步驟如下根據(jù)鑄件的二維截面形狀設定掩模形狀；探測該掩模形狀中被空間部分包圍的島區(qū)；按預定規(guī)則自動確定支承島區(qū)的支撐的位置布局；以及根據(jù)島區(qū)與支撐的連接狀態(tài)修改自動布置支撐的位置。
16.按照權(quán)利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于在自動布置支撐的步驟中，相鄰層的掩模內(nèi)的支撐位置不同。
17.按照權(quán)利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于在自動布置支撐的步驟中，至少相鄰三層掩模中的支撐位置是不同的。
18.按照權(quán)利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于在自動布置支撐的步驟中，由封閉輪廓線對島區(qū)進行判定，與同一條輪廓線相連的支撐作為多余被去掉。
19.按照權(quán)利要求15所述的砂模形成方法，其特征在于根據(jù)島區(qū)的穩(wěn)定性來修改支撐的位置，該穩(wěn)定性由島區(qū)中心位置及支撐與島區(qū)連接位置來判斷。
20.按照權(quán)利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于激光依據(jù)已經(jīng)布置了支持的掩模形狀加工金屬板以制成該掩模。
21.一種用砂模生產(chǎn)鑄件用的砂模形成方法，包括下列步驟積累一薄層涂覆熱固性樹脂的砂粒形成砂層；把一塊在預定部位有開孔的掩模放到上述形成的砂層上；透過放上的掩模使位于該掩模開孔下的部分砂層受熱而固化；從而形成砂模的一層斷面形狀層；重復進行上述操作，把上述斷面形狀層堆積形成三維形狀的砂模；以及用這樣得到的砂模制造鑄件。
22.一種用于制造三維形狀砂模的裝置，包括一砂層成形裝置，它把一薄層涂以熱固性樹脂的砂鋪設而形成一砂層；一掩模，在其上面的預定位置處有一開孔，并且可改變地布置在形成的砂層上；掩模轉(zhuǎn)向器，用于改變掩模在該砂層上的位置；以及加熱裝置，用于通過布置好的掩模加熱在掩模開孔下方的部分的砂層以使該部分砂層固化。
全文摘要
在一層砂裝入砂層升運機(20)后，掩模(38)定位在該砂層上，漫射激光束從漫射激光輻射源(16)射出。因此，掩模(38)下面預定范圍的砂受到照射而固化。對預定數(shù)目的砂層重復以上操作。固化的部分疊加直接構(gòu)成一個三維砂模。尤其當應用漫射激光束，一次照射就能固化大面積砂層，從而能使砂模成批生產(chǎn)。
文檔編號B23K26/00GK1157761SQ96122900
公開日1997年8月27日 申請日期1996年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月9日
發(fā)明者佐藤弘元, 大冢幸男, 尾崎元亮, 清水益雄, 岡田裕二, 千田善純, 高木宗谷, 小倉克 申請人:豐田自動車株式會社