馬亮，古良，李鑫，沈達(dá)維

陜西黃河集團(tuán)鑄造分公司 陜西西安 710000

1 序言

Z L205A合金是一種傳統(tǒng)的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金，具有非常好的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐蝕性，因此在武器制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，經(jīng)常被用于鑄造大型結(jié)構(gòu)件和受力構(gòu)件，用于代替某些鍛件，降低產(chǎn)品重量，減少生產(chǎn)周期。但由于該合金為鋁銅系合金，結(jié)晶溫度范圍寬，以粥狀方式凝固，鑄造性能不良，流動(dòng)性較差，在結(jié)晶時(shí)補(bǔ)縮不良而易產(chǎn)生疏松、氣孔、澆不足及針孔等鑄造缺陷[1]。由于大多ZL205A鑄件多用作受力結(jié)構(gòu)件，所以導(dǎo)致該類鑄件結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，壁厚不均勻，給鑄造生產(chǎn)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。適合的短距離補(bǔ)縮的工藝經(jīng)常由于受模具結(jié)構(gòu)和分型的影響，導(dǎo)致工藝不能完全實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行舍棄，進(jìn)而造成鑄件易產(chǎn)生鑄造缺陷。

鋁合金鑄件生產(chǎn)方式主要采用傳統(tǒng)鑄造模式進(jìn)行生產(chǎn)[2]，傳統(tǒng)砂芯鑄造的工藝流程為：工藝設(shè)計(jì)→模具生產(chǎn)（木模、塑料模、金屬模）→混砂→造型制芯→熔煉→澆注→清理。木模制芯適用于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單及精度不高的零件制造，塑料模、金屬模制芯適用于批量較大及精度較高的零件制造，但成本太高，且不適合研制階段及小批量產(chǎn)品的制造。隨著信息化制造的發(fā)展，以及3D打印的工業(yè)化實(shí)現(xiàn)，讓困擾鑄件生產(chǎn)的諸多問題得到解決。但由于3D打印的成本過(guò)高，現(xiàn)階段不適用于大批量生產(chǎn)，只是應(yīng)用于小批量復(fù)雜鑄件及部分鑄件的工藝試制生產(chǎn)。3D打印砂型的生產(chǎn)流程[3]主要是：首先，鑄造企業(yè)根據(jù)三維零件模型，由鑄造工藝師直接對(duì)三維零件模型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)出三維鑄件模型及其澆注系統(tǒng)；其次，優(yōu)化完成后，鑄造工藝師將利用三維鑄件模型及澆注系統(tǒng)做出三維砂芯模型并應(yīng)用3D打印機(jī)直接打印出砂芯；最后，打印好的砂芯由傳送設(shè)備直接運(yùn)轉(zhuǎn)至砂芯打磨工位，經(jīng)人工檢驗(yàn)、修整、噴涂及烘干后進(jìn)行組芯合箱，然后進(jìn)行澆注。

組芯前的所有工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化等工作都在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成，節(jié)省了反復(fù)工藝試驗(yàn)及修改模型的時(shí)間，因此工作效率較以往的紙面工藝有了質(zhì)的飛躍，而且減少了人為因素的干擾，出錯(cuò)率可顯著降低。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

框架鑄件重量約為270kg，材料為鑄造鋁合金ZL205A，按GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》中Ⅱ類鑄件驗(yàn)收，尺寸精度滿足GB/T 6414—2017《鑄件 尺寸公差、幾何公差與機(jī)械加工余量》規(guī)定的的DCTG10級(jí)要求。鑄件輪廓尺寸為長(zhǎng)1322mm、寬786mm、高672mm，鑄件最薄處6mm，最厚處62mm。鑄件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型面多變，如圖1、圖2所示。該框架鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔體類結(jié)構(gòu)較多，有15個(gè)內(nèi)腔，又采用高強(qiáng)度ZL205A鋁合金材料，雖然力學(xué)性能好，但鑄造性能差，合金收縮應(yīng)力大，在凝固收縮階段極易產(chǎn)生裂紋及縮松缺陷，使鑄件整體生產(chǎn)難度增大。

圖1 成品零件

圖2 鑄件

該鑄件要求生產(chǎn)周期為30天，且產(chǎn)品質(zhì)量要求極高，部分區(qū)域質(zhì)量按GB/T 9438—2013中的Ⅰ類鑄件驗(yàn)收，按照現(xiàn)有工藝及生產(chǎn)能力，很難在預(yù)期時(shí)間內(nèi)完成交付，且產(chǎn)品質(zhì)量也很難達(dá)到要求。

3 結(jié)構(gòu)分析

1）該鑄件屬于大型復(fù)雜鑄件，鑄件內(nèi)部有多個(gè)腔體，每個(gè)腔體有多層薄壁隔板，因此鑄造分型復(fù)雜。若采用先木模后鑄造的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，木模制造非常困難，且生產(chǎn)周期最少需要3個(gè)月。另外，在制作過(guò)程中，一旦模型尺寸出現(xiàn)誤差，鑄件尺寸則不合格。

2）該鑄件壁厚不均勻，相連壁厚之間差異較大，且該合金流動(dòng)性較差，極易在連接部位產(chǎn)生縮松、裂紋等缺陷。

3）該鑄件不僅輪廓尺寸大，內(nèi)腔尺寸也大，因此鑄件在凝固過(guò)程中的收縮與變形很難控制，極易造成內(nèi)腔或壁厚尺寸超差。

4）該鑄件工藝?yán)滂F種類較多（100多塊），且砂芯種類也較多，因此操作工人鑲嵌時(shí)很難區(qū)分冷鐵具體位置。

5）該鑄件由于重量太大，不可能采用人工重力澆注，必須使用低壓鑄造設(shè)備澆注，但該鑄件一方面水平面積太大，在保壓階段抬箱力非常大；另一方面，如果采用木模，會(huì)導(dǎo)致砂芯數(shù)量較多，達(dá)到22個(gè)芯盒，砂芯組合后整體結(jié)構(gòu)比較松散，因此極有可能發(fā)生“跑火”的生產(chǎn)事故，造成設(shè)備無(wú)法使用，損失巨大。

4 鑄造工藝方案制定

根據(jù)上述分析，該鑄件采用低壓鑄造進(jìn)行生產(chǎn)，使鑄件在壓力下充型、凝固，以最大限度減少鑄件充型及凝固過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)[4]。為保證澆注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)符合順序凝固條件，鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)就顯得極為復(fù)雜?，F(xiàn)使用3D打印砂型的快速鑄造工藝進(jìn)行該框架的生產(chǎn)，具體措施如下。

1）為了避免傳統(tǒng)鑄造方法帶來(lái)的困難，決定采用3D打印砂芯進(jìn)行鑄造，由原來(lái)傳統(tǒng)的22個(gè)木模砂芯減少到12個(gè)3D打印砂芯（見圖3），這樣既保證了鑄件的尺寸和質(zhì)量，又減少了因分型面過(guò)多而引起的尺寸超差及生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了鑄件表面質(zhì)量，且70%的鑄件表面由加工面改為不加工面，同時(shí)為后續(xù)機(jī)加工節(jié)約了時(shí)間和成本。

圖3 砂芯組合

2）為保證鑄件各個(gè)部位能夠充分補(bǔ)縮，采用縫隙式澆注方式，12處立柱同時(shí)澆注，且隨鑄件曲面外形進(jìn)行澆注，下底面通有多處內(nèi)澆道，以便補(bǔ)縮[5]，如圖4所示 。

圖4 澆注系統(tǒng)

圖5 砂芯冷鐵編號(hào)圖

3）開展鑄造試驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)定ZL205A鑄件（長(zhǎng)1322mm）在有阻收縮情況下的收縮比例與變形情況。在易變形部位增加工藝防變形拉筋。

4）將每個(gè)砂芯中不同冷鐵槽按冷鐵種類進(jìn)行編號(hào)（圖見5），然后將每種冷鐵分類，在每塊冷鐵模型上刻號(hào)。且冷鐵用對(duì)口箱的方法鑄造，鑄造出來(lái)的冷鐵進(jìn)行打磨，最后進(jìn)行使用。

5）將組合好的砂芯用鐵絲緊固，防止發(fā)生“跑火”事故。

5 結(jié)果分析

1）按上述方案進(jìn)行生產(chǎn)，一次澆注成形，經(jīng)劃線檢查后尺寸全部合格，符合圖樣要求；經(jīng)X射線檢測(cè)，該鑄件內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到了II類鑄件的要求， 如圖6所示。

圖6 鑄件機(jī)加后狀態(tài)

2）傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)與3D打印砂芯信息化鑄造工藝生產(chǎn)成本對(duì)比見表1。

表1 傳統(tǒng)鑄造與3D打印砂芯鑄造生產(chǎn)成本對(duì)比（萬(wàn)元）

由表1可看出，此次工藝革新成功直接為公司節(jié)約成本近10萬(wàn)元，同時(shí)為后續(xù)機(jī)加費(fèi)用節(jié)約成本近3萬(wàn)元，生產(chǎn)周期縮短為1個(gè)月。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)3D打印砂型技術(shù)和低壓鑄造的結(jié)合應(yīng)用，將原來(lái)傳統(tǒng)的22個(gè)木模砂芯減少到12個(gè)3D打印砂芯，不僅保證了鑄件的尺寸，極大地提升了表面和內(nèi)在質(zhì)量，同時(shí)降低了后續(xù)的機(jī)械加工成本。

2）經(jīng)劃線及三坐標(biāo)檢測(cè)，該鑄件符合G B/T 9438—2013中的Ⅱ類鑄件的技術(shù)要求，尺寸精度局部可達(dá)CT9級(jí)，整體滿足CT10級(jí)。經(jīng)X射線檢測(cè)，內(nèi)部質(zhì)量符合圖樣要求。

3）3D打印設(shè)備直接打印出高精度的砂芯，一方面節(jié)省了模型費(fèi)用及制模時(shí)間，另一方面提高了砂芯精度及生產(chǎn)效率，同時(shí)還減少了人力投入，降低了材料損耗。相對(duì)于傳統(tǒng)鑄造模式，3D打印砂芯鑄造模式實(shí)現(xiàn)了無(wú)圖樣、無(wú)污染、減人工，以及信息化、高柔性、快速制造的生產(chǎn)方式。