本发明涉及一种多孔砂坯的制备方法，具体地，涉及一种适合于无模砂型铸造技术的多孔砂坯的制备方法。
背景技术：
铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，也是现代机械制造工业的基础工艺之一,是现有制造业的重要组成部分。其中，砂型铸造作为传统的铸造工艺，具有原材料丰富、生产工艺简单、应用合金种类广泛等特点，目前世界上约70％的铸件都由该方法获得。而砂型和砂芯的制备是砂型铸造生产中的一个重要组成部分，砂型/砂芯质量的好坏直接影响最终铸件的几何尺寸、表面质量和冶金性能。传统的砂型/砂芯铸造主要采用木模造型，首先必须把模样制造出来，再根据模样进行砂箱翻砂来制造砂型/砂芯，最后浇注得到铸件。其砂型/砂芯的制造依赖模样或芯盒，成本高，周期长，难以满足单件小批量零件的快速制造和新产品试制，且其尺寸精度及表面质量也都难以满足现代航空航天、国防及汽车等重点行业关键铸件的要求。
近年来，随着数控加工技术的迅速发展，国内也已广泛普及应用，除了对传统金属零件的加工之外，目前德国、美国等工业发达国家已将数控铣削加工技术直接应用于砂型/砂芯的制造，其无需制作木模、模样等，具有制造周期短、成本低、砂型/砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状铸件等优点，尤其是采用该方法制备的砂型/砂芯尺寸精度提高到了ct6-7级，表面粗糙度达到3.2-6.3um(微米)，可实现复杂铸件的整体近净成形，在单件、小批量复杂铸件的制造和新产品的试制方面具有更好的发展前景。目前，欧美等工业国家已经将其列为重点发展的产品试制技术，是对传统砂型铸造技术的一项重大变革，尤其在目前现代航空航天、国防军工及汽车等领域用铸件形状结构呈现出整体化、薄壁化和复杂化的趋势下，发展砂型/砂芯数控铣削加工技术将有更广阔的应用前景和工程应用价值。
目前，应用于数控铣削加工用的砂坯大部分还是直接沿用原有传统砂型/砂芯的制备方法，少数针对砂型/砂芯数控铣削加工的特点开发出的砂坯制备方法也由于树脂含量高导致发气量大，且气体无法排出而无法应用于缺陷倾向较高的轻合金铸造领域。而现在无模砂型/砂芯的铣削加工技术国内外研究的思路大都围绕在优化砂坯树脂、固化剂配方及在加工完成的砂型上钻气孔等方面展开，这些方面是获得低发气量型砂与型砂排气的重要手段。但实际上，受制于钻头特性，钻头无法做到又细又长，还是无法解决大尺寸、厚壁型砂的排气问题；且钻气孔依赖手工操作，劳动强度大，质量稳定性不高，往往因为工人力度控制问题而使高溃散性的型砂在钻孔过程中发生整体垮塌。本发明从研究适用于无模砂型/砂芯铸造技术的专用多孔砂坯制备的角度出发，转变思路，在型砂数控加工之前，通过改变砂坯的制作过程，使砂坯在型砂加工完成后自动具有的排气属性，且气孔尺寸均匀，分布规律可控，从而提高无模砂型/砂芯铸造技术应用可行性。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种适合于无模砂型铸造技术的多孔砂坯的制备方法，其能够具有可制备实心块状砂坯及环状空心砂坯等多种形式的砂坯，气孔尺寸均匀、分布可控，气孔不受壁厚、结构的影响，砂坯制孔与砂坯成形一次完成，提升生产效率以及制孔不依赖人工操作，降低生产强度的特点，具有良好的排气效果，从而提升铸件质量。
根据本发明的一个方面，提供一种适合于无模砂型铸造技术的多孔砂坯的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，制砂准备，将原砂进行筛分后得到所需的目数的原砂；
步骤二，在制备好的模坯外用相应直径的钻头以间隔35mm至70mm的排列密度钻制孔直至型腔内部贯通；
步骤三，将直径φ1mm至φ8mm范围内的气孔针从步骤二中钻制的孔中插入型腔，并可靠固定；
步骤四，将上述原砂与一定比例的树脂、固化剂以比例混合在一起，搅拌均匀，然后倒入模坯，并采用机械加压成形或真空及机械加压制成砂坯；
步骤五，在砂块固化时间为1/3至2/3之间将上述气孔针从模坯外一一拔出；
步骤六，待砂块完全固化打开模坯；
步骤七，将固化的砂坯放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至175-200℃，保温45-60min后，再升温至650-700℃，恒温15min，随炉冷却，从而得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
优选地，所述多孔砂坯分为实心块状砂坯或环形中空砂坯。
优选地，所述实心块状砂坯采用沿单一轴方向的一维、沿两个轴方向的二维或沿三个轴方向的三维方向制孔；环形中空砂坯采用轴向方向制孔或径向方向制孔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：制备出的多孔砂坯可应用于实心块状砂坯及环状空心砂坯等多种形式的砂坯；气孔尺寸均匀、分布可控；气孔不受壁厚、结构的影响；砂坯制孔与砂坯成形一次完成，提升生产效率；制孔不依赖人工操作，降低生产强度；本发明适合于无模砂型铸造技术使用的铸造砂型/砂芯，尤其适合于结构复杂、具有厚壁等特殊结构的砂型/砂芯，在航空航天、武器装备、汽车及船舶等装备结构复杂的高端领域表现出极大的优势。本发明制备方法简便；尤其适合于大尺寸、厚壁结构的多孔砂型/砂芯。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明适合于无模砂型铸造技术的多孔砂坯的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制砂准备，将原砂进行筛分后得到所需的目数的原砂；
步骤二，在制备好的模坯外用相应直径的钻头以间隔35mm至70mm的排列密度钻制孔直至型腔内部贯通；
步骤三，将直径φ1mm至φ8mm范围内的气孔针从步骤二中钻制的孔中插入型腔，并可靠固定；
步骤四，将上述原砂与一定比例的树脂、固化剂以比例混合在一起，搅拌均匀，然后倒入模坯，并采用机械加压成形或真空及机械加压制成砂坯；
步骤五，在砂块固化时间为1/3至2/3之间将上述气孔针从模坯外一一拔出；
步骤六，待砂块完全固化打开模坯；
步骤七，将固化的砂坯放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至175-200℃，保温45-60min后，再升温至650-700℃，恒温15min，随炉冷却，从而得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
所述多孔砂坯分为实心块状砂坯或环形中空砂坯，这样气孔尺寸均匀、分布可控。
实心块状砂坯采用沿单一轴方向的一维、沿两个轴方向的二维或沿三个轴方向的三维方向制孔；环形中空砂坯采用轴向方向制孔或径向方向制孔，这样砂坯制孔与砂坯成形一次完成，提升生产效率；制孔不依赖人工操作，降低生产强度。
本发明的工作原理如下：在模坯上预设直径范围为φ1mm至φ8mm气针的办法，在多种状态的砂坯上自由的实现一维、二维、三维、轴向及径向的制孔方向，从而实现排列密度在35mm至70mm之间均匀可控的多孔砂坯制造办法，均匀的气孔孔径和排列密度可保证铸件及型砂在浇注过程中排气通畅，从而保证铸造安全性提升铸件质量；开模后放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至175-200℃，保温45-60min后，再升温至650-700℃，恒温15min，随炉冷却，最终得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
综上所述，本发明从研究适用于无模砂型/砂芯铸造技术的专用多孔砂坯制备的角度出发，转变思路，在型砂数控加工之前，通过改变砂坯的制作过程，使砂坯在型砂加工完成后自动具有的排气属性，且气孔尺寸均匀，分布规律可控，解决了传统在砂坯生产完成后手工钻制气孔无法应用于大尺寸、厚壁砂坯及劳动强度大、质量稳定性不高容易破坏砂坯表面质量等缺陷，从而提高无模砂型/砂芯铸造技术应用可行性的一种可行有效的方法。
实施例1
一、制砂准备，将原砂进行筛分后得到70-140目数的原砂；
二、在制备好的实心块状模坯外用φ4mm的钻头50mm间隔的排列密度分别沿x轴方向、y轴方向和z轴方向钻制孔直至型腔内部贯通；
三、将直径4mm的气孔针从上述钻制的孔中插入型腔，并可靠固定；
四、将上述原砂与2％的树脂、固化剂以比例混合在一起，搅拌均匀，然后倒入模坯，并采用机械加压成形；
五、在砂块固化时间1/2时将上述气孔针从模坯外一一拔出；
六、待砂块完全固化打开模坯；
七、将固化的砂坯放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至200℃，保温55min后，再升温至680℃(摄氏度)，恒温15min(分)，随炉冷却，从而得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
实施例2
一、制砂准备，将原砂进行筛分后得到70-140目数的原砂；
二、在制备好的环形空心模坯外用φ(直径)3mm的钻头35mm间隔的排列密度分别沿轴向和径向钻制孔直至型腔中心芯棒贯通；
三、将直径1mm(毫米)的气孔针从上述钻制的孔中插入型腔，并可靠固定；
四、将上述原砂与2％(百分号)的树脂、固化剂以比例混合在一起，搅拌均匀，然后倒入模坯，并采用真空及机械加压制成砂坯；
五、在砂块固化时间2/3时将上述气孔针从模坯外一一拔出；
六、待砂块完全固化打开模坯；
七、将固化的砂坯放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至175℃，保温45min后，再升温至650℃，恒温15min，随炉冷却，从而得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
实施例3
一、制砂准备，将原砂进行筛分后得到70-140目数的原砂；
二、在制备好的实心块状模坯外用φ5mm的钻头70mm间隔的排列密度分别沿x轴方向、y轴方向和z轴方向钻制孔直至型腔内部贯通；
三、将直径8mm的气孔针从上述钻制的孔中插入型腔，并可靠固定；
四、将上述原砂与2％的树脂、固化剂以比例混合在一起，搅拌均匀，然后倒入模坯，并采用机械加压成形；
五、在砂块固化时间1/3时将上述气孔针从模坯外一一拔出；
六、待砂块完全固化打开模坯；
七、将固化的砂坯放入到烘干箱中进行烘干处理，先温度升至190℃，保温60min后，再升温至700℃(摄氏度)，恒温15min(分)，随炉冷却，从而得到适用于无模砂型铸造技术的多孔砂坯。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。