郎晨智，姚 山，童 強(qiáng)，劉文文

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

關(guān)鍵字：增材制造；3D 打??；砂型設(shè)計；砂型鏤空；離心泵殼

增材制造又稱3D 打印，其原理是將CAD 模型切割成不同的層，根據(jù)每一層的輪廓，利用計算機(jī)數(shù)控方法一層層加工，將加工的層依次堆積起來，實現(xiàn)了從計算機(jī)CAD 模型直接成型零件，生產(chǎn)效率得到極大的提高[1,2]。該技術(shù)的另一個優(yōu)點就是造型任意，能實現(xiàn)一些依靠傳統(tǒng)方法無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。因其高效率、無?；?、高柔性的特點，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、醫(yī)療、汽車、模具制造等領(lǐng)域[3,4]。

但是目前關(guān)于砂型優(yōu)化的研究相對較少，現(xiàn)實生產(chǎn)中使用的打印砂型，大部分繼承了傳統(tǒng)翻模砂型的設(shè)計理念，模型為規(guī)則實心結(jié)構(gòu)，未充分發(fā)揮3D 打印無模化、造型任意的技術(shù)優(yōu)勢，造成效率和材料的浪費，這不符合綠色制造和智能制造的發(fā)展要求。本文以一種離心泵體砂型為例，探討一種砂型優(yōu)化設(shè)計思路，通過砂型鏤空設(shè)計實現(xiàn)了砂型的輕量化，提高打印效率，減少材料浪費。鏤空設(shè)計還有利于控制澆注過程中的砂型散熱，為實現(xiàn)鑄件的組織控制和晶粒細(xì)化提供了可能性。設(shè)計還充分發(fā)揮砂型造型任意的優(yōu)勢，進(jìn)行了砂型一體化設(shè)計，能減少組型帶來的尺寸誤差，從而更好保證了尺寸精度要求較高且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。除此之外，針對傳統(tǒng)鑄造砂型排氣不暢的問題，本文提出了隨形氣道的設(shè)計思路，尤其適用于那些砂芯被金屬液完全包覆的場景。對設(shè)計模型進(jìn)行打印和澆注，最終澆注得到內(nèi)腔流道完整，尺寸合理，滿足制造要求的合格鑄件，驗證了設(shè)計方案的可行性。

1 試件結(jié)構(gòu)特點分析

泵體作為離心泵最主要能量轉(zhuǎn)換場所，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，尺寸精度要求高，傳統(tǒng)翻模制造無法保證內(nèi)部流道尺寸，造成泵體傳動效率衰減。本文以一種離心泵殼為例，對其鑄造砂型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。離心泵殼零件尺寸474 mm×355 mm×208 mm，最小壁厚7 mm，如圖1 所示。鑄件要求在0.9 MPa 靜水壓力下穩(wěn)壓10 min，不得有可見滲漏。

圖1 泵體鑄件圖

2 鑄造工藝設(shè)計

澆注系統(tǒng)采用底注式方案，直澆道直徑70 mm，橫澆道為梯形漸變結(jié)構(gòu)，零件薄弱處設(shè)置加工余量，泵殼底部設(shè)置工藝法蘭，泵殼頂部配合面和流道出口處采用明冒口設(shè)計進(jìn)行金屬補縮，如圖2 所示。

圖2 澆注系統(tǒng)

使用Procast 對鑄造過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3 所示，金屬流動平穩(wěn)，未出現(xiàn)金屬液飛濺、卷氣、沖砂等現(xiàn)象。凝固時間和金屬總體收縮情況如圖4 所示，液相在凝固過程中不間斷，實現(xiàn)順序凝固，最后凝固位置位于冒口和澆道位置，縮松集中出現(xiàn)在補縮冒口和內(nèi)澆道位置，設(shè)計方案符合澆注要求。

圖3 充型過程圖

圖4 鑄造方案缺陷分析

3 增材制造砂型優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的造型中，砂型外表面被砂箱所決定[5]，不能隨意對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并且質(zhì)地實心密實，透氣性不佳。3D 打印無?；?、高柔性、造型任意的特點，為砂型的優(yōu)化設(shè)計帶來了可能性。本文主要針對砂型做出砂型輕量化設(shè)計、砂型一體化設(shè)計和隨形氣道設(shè)計。

3.1 砂型輕量化設(shè)計

砂型輕量化設(shè)計的目的是減少非必要、無功能區(qū)域，需要合理設(shè)計砂型輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。設(shè)計的主要流程為：根據(jù)鑄造方案，設(shè)計砂型外觀輪廓；計算滿足鑄造要求的最小壁厚，鏤空砂型；對殼體砂型進(jìn)行支撐優(yōu)化。過程如圖5 所示。

圖5 設(shè)計流程圖

1）砂型外輪廓設(shè)計

在實際的鑄造中，為了砂型翻制便利，模具一般置于砂箱中，砂箱決定著砂型外輪廓，大部分砂型區(qū)域為無功能區(qū)。對于傳統(tǒng)鑄造所使用的水玻璃砂而言，材料價格便宜，回收利用率高，但是增材制造所需樹脂砂材料成本較高，且回收難度較大。因此，為減少材料使用，首先要對砂型外部輪廓進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程是基于鑄件的最大投影橫截面，對多余的無功能區(qū)進(jìn)行去除。圖6 分別為大連某鑄造廠采用800 mm×450 mm×500 mm 砂箱翻制所得砂型和輪廓優(yōu)化后的砂型。

圖6 鑄造砂型圖

2）砂型鏤空設(shè)計

傳統(tǒng)翻模過程中為保證砂型強(qiáng)度和砂型金屬液接觸面質(zhì)量，需要對砂型壓實，這種緊實的結(jié)構(gòu)有可能對鑄造造成不利影響：首先砂型對金屬液難以進(jìn)行高效散熱，不僅造成鑄件的冷卻效率低下，甚至可能因為砂型長時間熱量積累而造成鑄件缺陷；實心密實結(jié)構(gòu)還影響砂型透氣性，導(dǎo)致排氣不暢，可能造成氣孔、嗆火等鑄造缺陷。對砂型進(jìn)行鏤空設(shè)計可提高冷卻效率，避免排氣不暢，細(xì)化晶粒組織，并且能顯著減少材料利用。

為保證鏤空砂型能有效約束澆注過程中金屬液，保證金屬液凝固，鏤空砂型的殼厚確定是鏤空設(shè)計中的關(guān)鍵。由于砂型的密度遠(yuǎn)小于金屬液密度，所以在鑄造澆注過程中，砂型受到的作用力主要來自金屬液靜壓力。

使用UG 軟件對砂型進(jìn)行受力模擬仿真，計算條件如表1 所示。應(yīng)力-單元模擬結(jié)果如圖7 所示，砂型最大受力為1.092 MPa，最小受力應(yīng)力為0.002 MPa.

表1 UG 模擬條件設(shè)置

圖7 UG 模擬應(yīng)力-單元圖

本文3D 打印所選用覆膜寶珠砂來自大連三本鑄造有限公司，粒度100～250 目，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%.經(jīng)實驗，其常溫抗拉強(qiáng)度能達(dá)到2.5 MPa 以上。依照模擬分析結(jié)果，結(jié)合清華大學(xué)上官浩龍[6]的砂型壁厚設(shè)計方法，計算砂型所需的最小壁厚為12 mm.圖8 為經(jīng)過內(nèi)部鏤空之后的砂型。

圖8 內(nèi)部鏤空砂型

3）砂型支撐優(yōu)化

打印后的砂型需要加熱爐固化，進(jìn)一步提高砂型強(qiáng)度。對文中所采用的覆膜寶珠砂進(jìn)行熱差分析，其DSC 曲線如圖9 所示[7]，在91 ℃和151 ℃出現(xiàn)吸熱和放熱峰，分別對應(yīng)樹脂的融化溫度和固化溫度，證明砂型后處理固化的加熱初期，存在軟化變形的可能性。

圖9 覆膜寶珠砂DSC 曲線

為盡量減少殼型變形塌陷，需要對其進(jìn)行合理的支撐設(shè)計。本文對設(shè)計的殼形進(jìn)行變形試驗分析，研究支撐間距與砂型變形之間的關(guān)系。設(shè)計支撐間距50 mm～160 mm，砂型主要受力為自重力，通過模擬分析得知，在重力作用下，變形最大區(qū)域在中心位置，并隨著支撐間距的增加，變形越嚴(yán)重。

圖10 受力變形模擬結(jié)果

為探究最佳支撐間距，按照不同加熱工藝將砂型分為兩組，模擬實際加熱情況。加熱使用設(shè)備為吳江亞泰烘箱制造廠生產(chǎn)的遠(yuǎn)紅外快速節(jié)能干燥箱，型號為8H1Y-1，工作溫度0 ℃～400 ℃，溫度分辨率1 ℃，控溫靈敏度±2 ℃，加熱功率1.5 kW，加熱時間2 h，圖11 為砂型加熱示意圖。

圖11 砂型加熱示意圖

第一組砂型直接進(jìn)爐加熱，總體變形結(jié)果如圖12 所示。隨后對砂型進(jìn)行三維掃描分析，結(jié)果如圖13 所示：當(dāng)支撐間距在160 mm～110 mm 之間，頂面均塌陷至放置平臺高度；當(dāng)支撐間距小于110 mm，軟化變形趨勢與模擬結(jié)果基本吻合，隨著間距的減小，變形程度逐漸減弱。支撐間距L=70 mm，砂型最大變形1.55 mm，支撐間距L=50 mm 的砂型表面尺寸誤差在±0.1 mm 以內(nèi)，滿足使用要求。

圖12 第一組實驗砂型總體變形圖

圖13 第一組實驗掃描結(jié)果圖

第二組砂型使用火焰加熱使其快速固化，采用熱像儀檢測，觀察砂面溫度快速達(dá)到250 ℃，結(jié)合DSC 曲線可知，該溫度下，覆膜寶珠砂建立初始強(qiáng)度，砂型表面青褐色后進(jìn)爐，總體變形結(jié)果如圖14所示。隨后對最終砂型進(jìn)行掃描分析，掃描結(jié)果如圖15 顯示：隨著砂型支撐間距的變小，砂型變形程度逐漸減弱，當(dāng)支撐間距為L=140 mm 時砂型出現(xiàn)少量變形，補充變形值。當(dāng)支撐間距L=120 mm 時砂型表面尺寸誤差在±0.1 mm 以內(nèi)，滿足使用要求。當(dāng)支撐L 小于120 mm 時，砂型變形均在±0.1 mm以內(nèi)。

圖14 第二組實驗砂型總體變形圖

圖15 第二組實驗掃描結(jié)果圖

兩種加熱方式的支撐間隔與最大變形量實驗結(jié)果如圖16 所示，第二組整體變形量小于第一組?；鹧骖A(yù)加熱有助于減少砂型塌陷，其原理是火焰加熱會使酚醛樹脂迅速跨越軟化點，產(chǎn)生縮聚反應(yīng)，生成難以軟化的熱固性樹脂，宏觀表現(xiàn)為在砂型表面形成全包覆的堅硬外殼，抑制內(nèi)部砂粒因樹脂軟化導(dǎo)致的流動。

圖16 最大變形量曲線圖

根據(jù)實驗結(jié)果，選擇支撐間距120 mm，配合火焰烘烤預(yù)處理后進(jìn)爐固化，爐溫180 ℃，加熱2 h.最終優(yōu)化后的砂型如圖17.

圖17 最終優(yōu)化砂型

最終優(yōu)化后的砂型體積Vfin為32.9 L，輪廓優(yōu)化后的砂型體積Vbet為77.28 L，輪廓未優(yōu)化的砂型體積Vini為138.2 L.相比輪廓優(yōu)化砂型的材料節(jié)約率為（Vbet-Vfin）/Vfin=57.4%，輪廓未優(yōu)化砂型的材料節(jié)約率為（Vini-Vfin）/Vfin=76.2%.

3.2 一體化砂芯和隨形氣道

泵殼砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)砂芯翻制，需要對砂芯進(jìn)行分塊后逐個翻制，最后粘合成為一個完整的砂型，組合過程會對鑄件的精度和表面質(zhì)量造成一定影響，而黏結(jié)劑又會帶來額外的鑄造發(fā)氣，可能造成鑄件缺陷[8]。此外，在澆注過程中，砂芯的可能浮動造成鑄件內(nèi)腔尺寸精度丟失。發(fā)揮3D 打印能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成復(fù)雜形狀零件的優(yōu)勢，如圖18 所示，本文將關(guān)鍵砂芯（螺旋流道砂芯）與砂型底板一體化設(shè)計并打印，避免型芯組合時帶來的人為誤差，保證砂型精度。

圖18 一體化砂型砂芯

鑄造砂型排氣系統(tǒng)設(shè)計，是保證鑄造工藝的重要一環(huán)[9]，排氣不暢將造成鑄造嗆火、鑄件氣孔甚至冷隔等缺陷。對于復(fù)雜鑄件而言，由于砂型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排氣設(shè)計難度較大，傳統(tǒng)翻模砂型在填砂過程中會預(yù)埋排氣繩作為排氣通道，搗實砂型可能會造成排氣通道中斷。以泵殼砂型為例，流道砂芯被金屬完全包覆，傳統(tǒng)翻模砂型很難保證排氣通道的連續(xù)性，造成排氣不暢。利用3D 打印可以在砂型內(nèi)部設(shè)計連貫的排氣通道，進(jìn)行有效排氣。如圖19 所示為直接打印的隨形氣道。

圖19 隨形氣道

4 鑄造試制

使用大連理工大學(xué)自研設(shè)備進(jìn)行砂型打印，設(shè)備型號為PIRP-1000[10]，打印材料為上文所述的覆膜寶珠砂，該類型覆膜砂顆粒形狀規(guī)則、純度高、表面樹脂均勻，具有良好的成型性能。打印完成的砂型清理完畢后，火焰槍烘烤使其表面快速固化，之后在180 ℃下進(jìn)爐加熱2 h，并隨爐冷卻至室溫。對鑄件關(guān)鍵位置進(jìn)行尺寸檢測，砂型的尺寸精度在±0.6 mm 以內(nèi)，滿足鑄造使用要求。

鑄件材料QT500-7，澆注溫度1 430 ℃，澆注時間15 s，澆注過程保證金屬液流速均勻。澆注完成后鑄件隨砂型冷卻24 h，開箱并清除鑄件落砂，最后做拋丸處理。鑄件實物如圖20 所示，表面光滑，無裂紋、粘砂、夾雜。使用掃描儀進(jìn)行三維掃描對比分析，結(jié)果表明鑄件精度達(dá)到CT9 級。泵體在0.9 MPa靜水壓力下穩(wěn)壓10 min，未觀察到可見滲漏。產(chǎn)品符合客戶要求。

圖20 鑄件實物

5 結(jié)論

1）砂型結(jié)合3D 打印增材制造技術(shù)，能充分發(fā)揮該技術(shù)無?；⑸a(chǎn)效率高、生產(chǎn)形狀任意的特點，能實現(xiàn)鑄造砂型的任意分型，相比傳統(tǒng)翻模鑄造而言，能節(jié)約成本，提高效率，也為產(chǎn)品實驗階段的方案調(diào)整提供了便利。

2）砂型的薄壁鏤空設(shè)計，能實現(xiàn)砂型的輕量化。對鏤空砂型添加合適的支撐，能有效避免后處理過程中的砂型塌陷變形。結(jié)合兩種優(yōu)化措施設(shè)計的砂型，能在滿足砂型鑄造條件的同時，減少材料浪費，提高砂型制造效率，符合綠色生產(chǎn)的發(fā)展要求。砂型的輕量化設(shè)計還有助于控制砂型的散熱，為實現(xiàn)鑄件組織控制和晶粒細(xì)化提供了可能性。

3）砂型的隨形氣道設(shè)計，發(fā)揮了3D 打印生產(chǎn)高柔性、制造不受零件結(jié)構(gòu)限制的特點，能實現(xiàn)砂型在鑄造過程中的良好排氣，避免了鑄件的氣孔，冷隔等鑄造缺陷。

4）砂型的一體化設(shè)計，避免了多塊砂型組型帶來的精度丟失，防止在鑄造過程中可能出現(xiàn)漂芯現(xiàn)象，能有效保證精度要求較高或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品的制造。