数字化无模铸造岛的制作方法与工艺

本发明涉及铸造技术领域，更具体地涉及一种无模铸造工艺中各工序智能装备的系统集成。

背景技术：
铸造是最重要成形工艺之一，是国民经济基础产业。从汽车、机床到航空航天、国防军工及日常生活均需铸件，汽车铸件超过24％，机床、液压泵阀和通用机械铸件重占65～80%。我国铸件产量连续12年世界第一，3万多家铸造厂200多万人从业，2013年超过4000万吨，年产值过5000亿元。但我国传统铸造工艺落后，劳动强度大、周期长、成本高、铸件精度低。尤其汽车缸体缸盖、航空发动机、大型船用曲轴、螺旋桨等急需的铸件尺寸大、形状复杂、壁厚悬殊、铸型制作难度大，需用十几套乃至几十套模具翻制，尺寸精度难保证，甚至一些好的结构设计无法造型，成为国防军工、航空航天、重大装备等重大工程开发和创新技术瓶颈。近几年迅速发展起来的快速制造技术因其能较好地解决传统铸造技术所带来的各种问题，尤其在发动机缸体、缸盖等复杂铸件的快速制造方面优势最明显，已得到广泛应用。其中应用最多的是无模铸型快速制造技术，该技术省去了模具制造环节，对砂块进行直接加工，制造周期大幅度减小，不仅使分型面的选择具有更大的灵活性，更易实现造型方案多样化，从而大幅度提高复杂铸件的精度，减轻毛坯重量，缩短新产品的开发周期，降低开发成本，是新产品试制的最优解决方案。但该技术在砂块加工过程中需要切削掉大量型砂，造成型砂浪费和延长加工时间，减缓了行业的推广应用。因此急需将砂型切削技术与新型快速预成型技术有机结合，以减少砂型切削带来的型砂浪费，并进一步缩短铸型制造周期。另外，由于受到铸造技术及铸造装备等方面技术落后的限制，我国在大型复杂铸件的铸造数字化智能化方面与发达国家差距更大，大多数企业铸件生产流程中只有造型工序基本上实现自动化，制芯工序部分实现半自动化，其它工序更多是依靠手工操作；过程数据基本由人工采集，没有形成系统化、智能化，生产效率低下，产品质量不受控，造成铸件的废品率高达10%以上。为此，急需要开发出基于无模铸型快速制造技术的砂型挤压及切削成形设备、下芯及组芯机械手或者自动化物流小车等智能装置的系统集成，以实现大型复杂铸件铸造生产中造型、制芯、组型/芯、熔炼、合箱浇注等整个过程环节的数字化和智能化，进而使得铸件精度高、表面质量好，原材料、能源消耗低。

技术实现要素：
本发明旨在提供一种数字化无模铸造岛，该无模铸造岛是基于无模快速成形工艺生产制造铸型的所有智能装备的集成，大型复杂新产品开发时可通过无模铸造岛完成所有无模快速制造工艺的所有工序。通过该无模铸造岛可以解决我国汽车、航空航天等行业关键复杂零部件自主化开发时现有技术的能源消耗高、生产效率低、产品质量差，尺寸精度低、智能化及数字化水平低等瓶颈问题。另外，本发明提供的数字化无模铸造岛还可以解决砂型切削时加工余量大而带来的型砂浪费以及造型周期相对较长等问题。具体地，本发明提供了一种数字化无模铸造岛，包括：砂坯缓存区，设置有砂坯存储架，用于按不同尺寸规格存放代加工的砂坯；砂型柔性挤压预成形区，设置有砂型数字化柔性挤压成形机，用于实现砂型的数字化柔性挤压预成形，得到接近最终砂型的预成形砂型；砂型数字化切削加工区，设置有数字化无模铸造精密成形机，用于将砂坯或者预成形的砂型数控切削加工成最终砂型/芯；砂型喷涂区，设置有自动涂料喷涂设备，用于完成对需要表面喷涂涂料的砂型的涂料自动喷涂；铸型组装区，设置有砂型/芯自动组装设备，用于完成砂型/芯的自动组装，得到最终铸型；物料自动转运系统，设置有自动物料小车，用于实现砂坯、砂型、砂芯的不同区之间的转运；中央控制系统，该系统可与各设备通讯，控制各设备的运行实现各设备协调工作，并监视各设备的状态。进一步地，还包括砂型打磨区，设置有砂型自动打磨设备，用于对喷涂完涂料的砂型表面进行自动打磨，使涂料表面光滑。进一步地，还包括砂型切削打印区，设置有砂型切削打印一体化设备，用于根据被加工砂型/芯复杂程度选择砂型/芯数控切削加工成形或者砂型/芯喷墨打印成形。进一步地，还包括砂型3D打印区，设置有砂型喷墨打印设备和砂型激光烧结设备，用于复杂砂型芯的3D打印成形。进一步地，还包括原砂缓存区，用于存放原砂。进一步地，还包括铸型缓存区，用于存放加工好待浇注的铸型。进一步地，所述自动物料小车可以是AGV自动小车，小车上装有机械手臂，可以实现砂坯、砂型、砂芯的自动搬运。进一步地，所述砂型柔性挤压成形机和数字化无模铸造精密成形机可以采用同一三维CAD模型驱动分别生成不同程序，实现砂型挤压预成形和切削加工终成形的匹配。进一步地，所述自动涂料喷涂设备，可以采用工业机器人末端夹持喷枪自动进行涂料喷涂。进一步地，所述砂型/芯自动组装设备，包括组装平台和工业机器人，工业机器人通过专用夹具夹持砂型和砂芯在组装平台上进行铸型组装。进一步地，所述砂型/芯自动组装设备包括砂型尺寸精度自动检测装置，用于铸型组装过程中的砂型/芯的组装精度自动检测。根据本发明的技术方案，采用该数字化无模铸造岛上的自动化设备可以完成所有无模快速制造工艺的所有工序，生产效率可得到大幅度提高，铸件质量和尺寸精度可以得到有效控制，同时可实现整条无模铸造生产线的智能化和数字化。另外，根据本发明的技术方案，由于本发明是基于无模快速成形技术，即砂型通过挤压切削加工成形，或者砂型是3D打印成形，由此解决了砂型切削时加工余量大而带来的型砂浪费以及造型周期相对较长等问题。附图说明构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1示出了本发明的数字化无模铸造岛的布置示意图；图2示出了本发明的数字化无模铸造岛的流程图。具体实施例以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。本发明的数字化无模铸造岛的自动化设备主要包括：（1）砂型数字化柔性挤压成形机、（2）数字化无模铸造精密成形机、（3）砂型切削打印一体化设备、（4）砂型喷墨打印设备、（5）砂型激光烧结设备、（6）自动物料小车、（7）自动涂料喷涂设备、（8）砂型砂芯自动组装设备、（9）砂型打磨设备。（1）砂型数字化柔性挤压成形机，其主要作用是对混制好的型砂进行挤压预成形，以获得最终砂型的预成形砂型。具体为根据铸件铸造工艺方案配制出相应型砂后，砂型数字化柔性挤压成形机在三维CAD模型驱动下进行砂坯的挤压预成形。（2）数字化无模铸造精密成形机，其主要作用是在三维CAD模型驱动下将砂型毛坯快速、精准切削加工成所需砂型和砂芯。（3）砂型切削打印一体化设备，其主要作用是在三维CAD模型驱动下用以将混制好的型砂通过打印或切削成所需砂型和砂芯。（4）砂型喷墨打印设备，用于复杂砂型/芯的3D打印成形。（5）砂型激光烧结设备，用于复杂砂型/芯的3D打印成形。（6）自动物料小车，其主要作用是将砂坯、砂型和砂芯准确输送至下一工序的待加工工位或工作台位。（7）自动涂料喷涂设备，其主要作用是对需要表面喷涂涂料的砂型进行自动喷涂。（8）砂型/砂芯自动组装设备，包括工业机器人和砂型尺寸精度自动检测装置，其主要作用是工业机器人通过专用夹具夹持砂型和砂芯在组装平台上进行铸型组装。砂型尺寸精度自动检测装置对铸型组装过程中的砂型/芯的组装精度进行自动检测。（9）砂型自动打磨设备，其主要作用是对喷涂完成的砂型表面进行自动打磨处理，使涂料表面光滑。参见图1示出的数字化无模铸造岛布局图，本发明所提供的数字化无模铸造岛按区域划分，可分为（Ⅰ）砂坯缓存区、（Ⅱ）砂坯柔性挤压预成形区、（Ⅲ）砂型数字化切削加工区、（Ⅳ）砂型切削打印区、（Ⅴ）砂型3D打印区、（Ⅵ）砂型喷涂区、（Ⅶ）砂型打磨区、（Ⅷ）铸型组装区、（Ⅸ）原砂缓存区、（Ⅹ）铸型缓存区。（Ⅰ）砂坯缓存区，设置有砂坯存储架，用于按不同尺寸规格存放代加工的砂坯；（Ⅱ）砂坯柔性挤压预成形区，主要设备为砂型数字化柔性挤压成形机，用于实现对待加工砂型毛坯的挤压预成形。（Ⅲ）砂型数字化切削加工区，主要设备为数字化无模铸造精密成形机，用以将砂型毛坯快速、精准切削加工成所需砂型和砂芯。（Ⅳ）砂型切削打印区，主要设备为砂型切削打印一体化设备，用以将混制好的型砂通过打印或切削成所需砂型和砂芯。（Ⅴ）砂型3d打印区，主要设备为砂型喷墨打印设备和砂型激光烧结设备，用于完成复杂砂型芯的3d打印成形。（Ⅵ）砂型喷涂区，主要设备为自动涂料喷涂设备，用以对需要表面喷涂涂料的砂型进行自动喷涂。（Ⅶ）砂型打磨区，主要设备为砂型自动打磨设备，用以对喷涂完成的砂型表面进行自动打磨处理，使涂料表面光滑。（Ⅷ）铸型组装区，主要设备为砂型/砂芯自动组装设备，包括工业机器人和砂型尺寸精度自动检测装置，其主要作用是工业机器人通过专用夹具夹持砂型和砂芯在组装平台上进行铸型组装。砂型尺寸精度自动检测装置用以完成铸型组装过程中的砂型/芯的组装精度自动检测。（Ⅸ）原砂缓存区，用以存放原砂。（Ⅹ）铸型缓存区，用于存放加工好待浇注的铸型。参见图2示出的数字化无模铸造岛工艺流程图，本发明的数字化无模铸造岛工艺流程为：在中央控制系统的驱动下，各自动化设备依次按顺序步骤平稳运行，具体如下：（1）铸件铸型在数字化设计完成后,根据其工艺方案配制出相应型砂，然后根据铸型复杂程度确定砂型/芯是挤压切削成形、打印切削成形或者打印烧结成形。（2）砂型/芯挤压切削成形：砂型数字化柔性挤压成形机在三维CAD模型驱动下完成砂型/芯的挤压预成形，然后数字化无模铸造精密成形机在同一三维CAD模型驱动下完成砂型/芯的切削终成形。（3）砂型/芯打印切削成形：通过砂型打印切削一体化设备将混制好的型砂数字化加工成所需砂型/芯。（4）砂型/芯打印烧结成形：通过砂型喷墨打印设备和砂型激光烧结设备将混制好的型砂数字化加工成所需砂型/芯。（5）砂型/芯加工完成后，由自动物料小车（AGV小车）将砂型/芯准确输送至自动涂料喷涂设备，即采用工业机器人末端夹持喷枪自动进行涂料喷涂，完成各砂型/芯的喷涂。（6）砂型/芯喷涂完成后，由自动物料小车将砂型/芯准确输送至砂型自动打磨设备完成各砂型/芯的表面打磨。（7）砂型/芯表面打磨完成后，由自动物料小车将砂型/芯准确输送至铸型组装区，在组装平台上由工业机器人通过专用夹具夹持砂型和砂芯在组装平台上进行铸型组装，直至完成整个铸型的装配。（8）铸型装配完成后，需通过铸型尺寸精度检测系统对铸型组装精度进行自动化检测，并将监测信息及时反馈，以确保得到高尺寸精度铸型。综上所述，本发明具有如下优点：本发明的数字化无模铸造岛采用了多种自动化设备，生产效率高，铸件质量和尺寸精度高，智能化和数字化水平高，同时解决了砂型切削时加工余量大而带来的型砂浪费以及造型周期相对较长等问题。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。