陳 龍，王立春，郭亮，王世琴，薛正軍

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立柱是立式五軸加工中心的主要零部件。圖1為立柱結(jié)構(gòu)圖，材質(zhì)為HT300，鑄件重1 189 kg.此類立柱鑄件結(jié)構(gòu)為三角形，并且鑄件上、下面均有要求較高的部件工作面，鑄件鑄造頂面有主要加工面，且加工精度高，要求加工面不允許有夾砂、氣孔、夾渣、縮松等質(zhì)量問題。前期通過工藝改進(jìn)，其他缺陷得到了很好的控制，但是頂面滑道座處渣氣孔，砂眼、組織疏松問題依然存在，廢品率90%以上。為此主要從鑄造工藝方面進(jìn)行了改進(jìn)，取得了很好的效果，廢品率降到5%.

圖1 立柱結(jié)構(gòu)圖

此立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用傳統(tǒng)的造型方式無法實(shí)現(xiàn)造型，所以只能采用3D 打印設(shè)備，使用增材制造技術(shù)將三維立體模型直接通過3D 打印的方式制作出來，選擇性噴射粘結(jié)用樹脂的操作，就實(shí)現(xiàn)了極為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的制作。與傳統(tǒng)鑄造相比3D 打印砂芯不需要考慮模具制造問題，可以成型復(fù)雜的砂芯結(jié)構(gòu)，因此很容易實(shí)現(xiàn)修改后的工藝，通過3D 打印的工藝手段實(shí)現(xiàn)型與芯進(jìn)行重組優(yōu)化。

1 原工藝及鑄件質(zhì)量問題分析

1.1 原鑄造工藝方案

原工藝如圖2 所示，原方案中澆注系統(tǒng)在小端，從導(dǎo)軌側(cè)面充型，3D 芯子可以直接打印帶出澆注系統(tǒng)，高精滑動(dòng)座朝上，導(dǎo)軌面為分型面。

圖2 立柱原工藝方案

1.2 原工藝方案的主要缺點(diǎn)

原鑄造工藝存在的問題：1）頂面滑動(dòng)座容易出現(xiàn)夾渣、夾砂、氣孔等鑄造缺陷；2）內(nèi)澆道在導(dǎo)軌側(cè)面，容易沖砂；3）澆注后期頂流容易在內(nèi)澆口處進(jìn)入熔渣，造成內(nèi)澆口處夾渣缺陷；4）側(cè)沖充型時(shí)容易卷氣，造成鑄件氣孔缺陷；5）內(nèi)澆道在小頭，鐵水流動(dòng)最遠(yuǎn)距離長(zhǎng)，造成最遠(yuǎn)處溫度較低，鐵液的流動(dòng)性變差，不利于鐵液中的氣體和非金屬夾雜物等上浮，易形成渣氣孔等鑄造缺陷。

對(duì)原工藝生產(chǎn)的鑄件表面進(jìn)行PT 檢查發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀渣氣孔缺陷，如圖3 所示。

圖3 立柱原工藝方案主要缺陷圖

1.3 原工藝方案模擬分析

對(duì)原工藝進(jìn)行MAGMA 軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)：將澆注溫度設(shè)置為1 370 ℃，充型結(jié)束時(shí)，頂面澆注遠(yuǎn)端滑動(dòng)座處溫度場(chǎng)為1 304 ℃，溫度場(chǎng)較低，對(duì)鐵液的流動(dòng)性有影響，不利于鐵液中含有的氣體和非金屬夾雜物的上浮，易導(dǎo)致鑄件渣氣孔，如圖4 所示。

圖4 立柱原工藝充型溫度場(chǎng)

對(duì)充型過程中的粒子流進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)粒子前期流動(dòng)紊亂，內(nèi)澆口進(jìn)流鐵水有渦旋狀，容易造成渣氣孔，如圖5 所示。

圖5 原工藝方案粒子流充型模擬

2 工藝優(yōu)化后方案

依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合MAGMA 軟件模擬結(jié)果，需要優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改變型腔內(nèi)鐵水流速和流動(dòng)方向，使型腔內(nèi)鐵水平穩(wěn)上升，縮短鐵水最大流動(dòng)距離，澆注溫度為1 370 ℃時(shí)，確保鑄型內(nèi)鐵液整體溫度場(chǎng)均勻，保證滑道座頂面充型結(jié)束時(shí)，整體溫度場(chǎng)較高，以確保頂面渣氣孔上浮。

2.1 改進(jìn)鑄造工藝方案

為了縮短鐵水最大流動(dòng)的距離，優(yōu)化澆注系統(tǒng)。優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)如圖6 所示。具體修改方案：1）澆注方案為導(dǎo)軌朝下，將原澆注系統(tǒng)由側(cè)沖形式改為底返形式，將內(nèi)澆道位置改為另一端，距離滑道座最近；2）將直澆道和橫澆道置于大端，確保鑄型內(nèi)鐵液整體溫度場(chǎng)較為均勻；3）修改澆注系統(tǒng)比例，降低內(nèi)澆口流速，防止沖砂；4）鑄件頂部設(shè)計(jì)兩個(gè)鴨嘴冒口，保證鑄件補(bǔ)縮量的同時(shí)，利于鑄件集渣排氣。

圖6 立柱鑄造工藝改進(jìn)后示意圖

2.2 改進(jìn)工藝方案模擬分析

修改工藝后，同條件下，將澆注溫度設(shè)置為1 370 ℃，對(duì)模型澆注過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果如圖7 所示。充型結(jié)束時(shí)，立柱頂面滑動(dòng)座位置的溫度場(chǎng)為1 330 ℃，頂面滑道座處溫度，較原工藝提高了26 ℃.

表1 澆注系統(tǒng)比例對(duì)照表

圖7 立柱改進(jìn)工藝溫度場(chǎng)模擬

對(duì)改進(jìn)后工藝方案進(jìn)行粒子流充型模擬分析，模擬結(jié)果如圖8 所示。分析發(fā)現(xiàn)粒子進(jìn)流前期，無明顯飛濺紊流狀態(tài)，流動(dòng)較原工藝有所改進(jìn)。

圖8 改進(jìn)工藝方案沖型模擬

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

全部砂芯通過3D 打印設(shè)備進(jìn)行打印造型，打印后清理散砂，流涂烘干。按照順序，分別將砂芯組合在一起即形成鑄件完整型腔，周圍用樹脂砂填埋緊實(shí)，進(jìn)行澆注，澆注溫度1 370 ℃～1 390 ℃，澆注時(shí)間35 s～50 s，澆注過程正常。生產(chǎn)驗(yàn)證5 件，鑄件頂面干凈，無缺陷，PT 后未發(fā)現(xiàn)缺陷。后投入批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）對(duì)立柱類頂面結(jié)構(gòu)有重要滑動(dòng)座，不允許鑄件表面有夾砂、氣孔、夾渣、縮松等質(zhì)量問題的鑄鐵件，在澆注過程中要保證滑動(dòng)座頂面溫度場(chǎng)，一般低于1 320 ℃；

2）計(jì)算機(jī)虛擬工藝設(shè)計(jì)結(jié)合3D 打印技術(shù)，可便捷鑄造研發(fā)，減少新產(chǎn)品開發(fā)以及新工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高首件設(shè)計(jì)成功率，降低生產(chǎn)驗(yàn)證成本。