古良，馬亮，吳昊，李鑫

陜西黃河集團(tuán)有限公司鑄造分公司 陜西西安 710043

1 序言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，不但鑄件的結(jié)構(gòu)與型面愈發(fā)復(fù)雜多變，而且要求更短的生產(chǎn)周期，這些問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)的企業(yè)是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。3D打印快速成形技術(shù)以其“速度快、精度高”等特點(diǎn)，使得生產(chǎn)更加快捷、過(guò)程更加可控、時(shí)間和資源的浪費(fèi)更少、效益更高，進(jìn)而提高鑄件質(zhì)量，縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文通過(guò)3D打印技術(shù)和低壓鑄造相結(jié)合，采用反重力澆注的方式，同時(shí)增加充型壓力和結(jié)晶壓力，以及在厚大部位增加激冷措施等，保證了鑄造質(zhì)量，快速生產(chǎn)出合格艙門(mén)鑄件。

2 零件分析

艙門(mén)零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件重120kg，材料為ZL114A，外形尺寸為1456mm×736mm×199mm。該鑄件尺寸較大，型面多變，尺寸精度要求CT10級(jí)，內(nèi)部質(zhì)量要求Ⅱ類，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用HB 5480—1991《高強(qiáng)度鋁合金優(yōu)質(zhì)鑄件》，100%X射線檢測(cè)，且要求首件于15天內(nèi)交付。該鑄件壁厚為5～60mm，局部壁厚突然增厚，且存在鑄件兩端等多個(gè)部位（見(jiàn)圖2），中間隔板壁厚為5mm，兩端4個(gè)角處壁厚為60mm。

圖1 艙門(mén)零件結(jié)構(gòu)

圖2 艙門(mén)鑄件

3 工藝分析

由于該鑄件為受力結(jié)構(gòu)，屬于Ⅱ類鑄件，因此不允許存在裂紋、氣孔、縮孔、縮松及夾渣等鑄造缺陷。常規(guī)重力澆注，充型過(guò)程易卷氣、夾渣[1]。由于該鑄件為曲面結(jié)構(gòu)，平面高低落差為460mm，且大范圍冒口的使用，會(huì)導(dǎo)致部分冒口高度較高，消耗金屬量增加，總的澆注鋁液重量在460kg左右，造成鑄件出品率降低，成本增加。由于該鑄件結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，因此局部位置僅靠冒口不能完全解決鑄件縮松問(wèn)題，澆注質(zhì)量無(wú)法保證。

4 鑄造工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化為低壓澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)采用底注充型，使鑄件充型更加平穩(wěn)[2]，鋁液通過(guò)中間過(guò)道輸送到鑄件各個(gè)部位，減少因鋁液沖擊型腔飛濺而引起的氧化夾渣[3]。直澆道直徑為80mm，橫澆道尺寸為（80mm/90mm）×60m，內(nèi)澆道小端尺寸為60mm×(20mm/40mm)，斜度5°，過(guò)道高度為90mm/100mm×60mm。對(duì)于熱節(jié)較大的鑄件上部，采用厚度15～25mm的鋼質(zhì)冷鐵激冷，使鑄件形成從上到下的順序凝固，最后凝固的為熱節(jié)最大的橫澆道[4]。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及冷鐵分布如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及冷鐵分布

由于鑄件曲面結(jié)構(gòu)及型面變化復(fù)雜，因此在采用常規(guī)木制模樣生產(chǎn)時(shí)，鑄件尺寸不易保證，尤其對(duì)于型腔內(nèi)表面的尺寸精度影響較大，且單獨(dú)制作模樣工期就需要35天，總工期預(yù)計(jì)只有60天，因此交貨期無(wú)法滿足客戶要求。通過(guò)對(duì)成本、質(zhì)量、工期的綜合分析，最后確定該鑄件采用3D打印砂芯的方式進(jìn)行生產(chǎn)。使用UG三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)鑄件進(jìn)行澆注系統(tǒng)及砂芯設(shè)計(jì)，并在軟件中進(jìn)行優(yōu)化，主要針對(duì)零件、鑄件、澆注系統(tǒng)、冷鐵計(jì)及砂芯進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

由于3D打印砂芯的使用，分芯由6個(gè)減少為2個(gè)（見(jiàn)圖4），極大地提高了組芯的精度，保證了鑄件的尺寸精度。

圖4 砂芯

5 低壓澆注工藝

根據(jù)工藝分析，針對(duì)鑄件壁厚變化大的特點(diǎn)，為使鑄件在壓力下充型及凝固，提高鑄件的致密性[5]，減少鑄件內(nèi)部缺陷，澆注過(guò)程分為升液、充型、增壓1、結(jié)殼、增壓2及保壓，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 低壓鑄造澆注工藝參數(shù)

6 生產(chǎn)過(guò)程

1）應(yīng)用3D打印機(jī)直接打印出三維砂芯，3D砂芯變形量小，組芯時(shí)偏差較小，尺寸精度可達(dá)到±0.2mm。生產(chǎn)流程主要有導(dǎo)入、打印、檢查及包裝運(yùn)輸4步，打印完成的砂芯如圖5所示。

圖5 打印完成的砂芯

2）組芯。3D打印砂芯表面粗糙度分布均勻且表面相對(duì)光潔，減少了表面打磨返修的工作量。對(duì)打印好的砂芯進(jìn)行打磨，經(jīng)人工檢測(cè)、安裝冷鐵、修整、噴涂及烘干后進(jìn)行組芯合型，如圖6所示。

圖6 組合后的砂型

3）低壓澆注及清砂。按照編制的低壓工藝參數(shù)進(jìn)行澆注，為防止裂紋及變形，澆注后冷卻16h再進(jìn)行落砂、清砂，最后得到清砂后的鑄件及澆注系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 清砂后的鑄件及澆注系統(tǒng)

4）對(duì)鑄件內(nèi)部進(jìn)行X射線檢測(cè)，并對(duì)外觀尺寸進(jìn)行劃線檢查，結(jié)果均合格。

7 產(chǎn)品檢測(cè)及效益分析

經(jīng)過(guò)檢查和測(cè)量，該鑄件尺寸精度達(dá)到CT10級(jí)，內(nèi)部質(zhì)量符合Ⅱ類鑄件要求，100%X射線檢測(cè)合格，生產(chǎn)周期僅14天。該鑄件分別采用傳統(tǒng)鑄造和信息化鑄造技術(shù)工藝生產(chǎn)總成本統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)鑄造及信息化鑄造技術(shù)工藝生產(chǎn)總成本統(tǒng)計(jì) （萬(wàn)元）

由表2可看出，此次信息化鑄造的成功應(yīng)用，直接節(jié)約成本46%，縮短生產(chǎn)周期76%，同時(shí)在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)澆注系統(tǒng)更為合理，更利于鑄件凝固收縮時(shí)的補(bǔ)縮，進(jìn)一步提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

8 結(jié)束語(yǔ)

1）復(fù)雜型面及壁厚變化較大的鋁合金鑄件，采用低壓澆注工藝可提高其鑄件澆注質(zhì)量，有效解決充型過(guò)程中的卷氣、夾雜等鑄件缺陷。對(duì)于厚大部位可單獨(dú)設(shè)置補(bǔ)縮澆口進(jìn)行補(bǔ)縮，可有效防止厚大部位產(chǎn)生縮松缺陷。

2）在低壓鑄造工藝中應(yīng)用3D打印砂芯，減少了木模制作工序，極大地節(jié)約了人工和材料費(fèi)用，同時(shí)大幅提高了生產(chǎn)效率和鑄件尺寸精度，尤其對(duì)于復(fù)雜型面和澆注系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有力保證，使鑄件補(bǔ)縮及順序凝固更加容易實(shí)現(xiàn)。