何紹付，謝 懿，林 翰，張智鋮，李翔光，楊明軍

砂型鑄造具有成本低、生產(chǎn)周期短、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶等重要領(lǐng)域。隨著科技的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)﹁T件的成型質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法+重力澆注工藝所生產(chǎn)的鋁合金鑄件難以保證鑄件的成型質(zhì)量，從而導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本較高，且鑄件合格率和生產(chǎn)效率較低。近年來，國內(nèi)砂型鑄造逐漸開始大面積采用模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法來提高鋁合金鑄件成型質(zhì)量。澆注模擬仿真技術(shù)能夠提前預(yù)測鑄件可能產(chǎn)生的缺陷和模擬鑄件凝固過程，以便技術(shù)人員及時(shí)做出工藝調(diào)整，在很大程度上確保了鑄件澆注前的工藝設(shè)計(jì)合理性。相比于傳統(tǒng)的重力澆注，低/差壓澆注制得的鑄件組織致密度更高，鑄件針孔、縮孔、疏松等質(zhì)量缺陷較少。因此，采用模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法在很大程度上降低了鑄件報(bào)廢率，提高了鑄件成型質(zhì)量，對企業(yè)降本增效起到了關(guān)鍵性作用。

雖然模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法確實(shí)對砂型鑄造起到了很大改善作用，但是傳統(tǒng)手工造型質(zhì)量極其不穩(wěn)定，導(dǎo)致砂型尺寸精度及砂型質(zhì)量或多或少存在不足，甚至在生產(chǎn)某些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜鑄件時(shí)，可能存在無法造型等困難。隨著3DP砂型打印技術(shù)的快速發(fā)展，此類問題得到了有效解決。

在成型箱尺寸允許條件下，3DP砂型打印技術(shù)基本可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的砂型打印，其成型原理大致是通過采用多通道噴頭將樹脂噴射到平整的砂層上，然后通過樹脂與固化劑發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，從而使固化層堆積成砂型。本文使用的3DP砂型打印設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的最大砂型尺寸為2000mm×1000mm×1000mm，打印所用時(shí)間約14h。

鑄件尺寸偏差是鑄件報(bào)廢率較高的關(guān)鍵因素之一，特別是在砂型鑄造行業(yè)，鑄件成型尺寸往往難以把控，而傳統(tǒng)的劃線技術(shù)方法存在人為誤差，且某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位難以實(shí)現(xiàn)人工劃線，導(dǎo)致鑄件的尺寸測量不夠精準(zhǔn)，對鑄件工藝的調(diào)整造成了很大困擾。三維掃描設(shè)備（SCANTECH）的應(yīng)用在很大程度有效解決了該問題，三維掃描設(shè)備（SCANTECH）的結(jié)構(gòu)由掃描儀+主機(jī)構(gòu)成，通過在鑄件表面及型腔部位粘貼高反光標(biāo)記點(diǎn)，然后由掃描儀發(fā)出激光識別鑄件，以此構(gòu)建鑄件三維模型。本文使用的三維掃描設(shè)備測量精度可達(dá)到0.01mm，掃描過程只需一人即可完成，設(shè)備的裝卸和使用十分簡便，掃描效率較高。

先進(jìn)鑄造設(shè)備的應(yīng)用確實(shí)使鑄件的成型質(zhì)量得到了提升，但在生產(chǎn)某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件時(shí)仍會產(chǎn)生疏松、縮孔等鑄造缺陷，分析其主要原因是鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理和鑄件凝固過程控制不當(dāng)所引起。由于異形結(jié)構(gòu)鑄件的結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，鑄件外形不規(guī)則，鑄件壁厚不均勻，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)鑄件澆注系統(tǒng)時(shí)存在澆道設(shè)計(jì)困難，且鑄件在充型過程中金屬液的充型質(zhì)量不夠平穩(wěn)。此外，因異形結(jié)構(gòu)鑄件的各部位厚度大多不一致，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的冷鐵在鑄件凝固過程中難以建立凝固溫度梯度，使鑄件的凝固順序較為混亂。因此，本文以材料為ZL114A的框架鑄件為研究對象，結(jié)合NovaFlow&Solid仿真軟件、3DP砂型打印設(shè)備、三維掃描設(shè)備及低壓澆注設(shè)備，重點(diǎn)探究鑄件澆注系統(tǒng)和冷鐵設(shè)計(jì)工藝對異形結(jié)構(gòu)鑄件成型質(zhì)量的影響，為類似結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供一定的參考意見。

1 工藝設(shè)計(jì)分析

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的對象為結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的框架鑄件，其中框架鑄件外形類似于梯形框架結(jié)構(gòu)，并且在各面上均分布著大量通孔，通孔尺寸有40mm×40mm、95mm×105mm、150mm×98mm及277mm×109mm四種形狀，通孔之間最小間距為20mm，最大間距為85mm；在鑄件型腔中存在四根形狀一致的連接筋，連接筋的厚度為30mm，形狀類似于“L”結(jié)構(gòu)，連接筋用于連接鑄件斜面和底面；在鑄件斜面上分布著尺寸為90mm×90mm×40mm的9個(gè)三角形凸臺，9個(gè)凸臺可分為三組，一組凸臺中有三個(gè)形狀大小均一致的凸臺，三個(gè)凸臺分別位于鑄件斜面上中下三個(gè)位置，其中兩組凸臺的側(cè)面分別與鑄件兩端框面在同一水平面上，另一組凸臺位于鑄件斜面中部位置；此外，在框架鑄件的背面還存在直徑為φ180mm的圓形凸臺，圓形凸臺的高度為25mm，并且凸臺中心為通孔結(jié)構(gòu)，其通孔直徑為φ95mm；框架鑄件的最薄處尺寸為4mm，最厚部位尺寸為270mm，框架鑄件的外形尺寸約為1035mm×555mm×360mm。

1.2 鑄件成型難點(diǎn)分析

通過對框架鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，認(rèn)為鑄件在澆注成型過程中鑄件各個(gè)面上的通孔存在成型困難，即可能存在欠鑄、縮孔、疏松等鑄造缺陷。另外，鑄件型腔內(nèi)部的加強(qiáng)筋在充型過程中作為金屬液流通的主要通道之一，因此加強(qiáng)筋的冷鐵厚度很難把控。加強(qiáng)筋冷鐵厚度設(shè)計(jì)太厚，雖然可以保證加強(qiáng)筋的成型質(zhì)量，但是容易導(dǎo)致鑄件其它部位欠鑄。

鑄件變形不易控制。由于鑄件的壁厚不夠均勻，且多數(shù)凸臺及加強(qiáng)筋是無規(guī)律分布在鑄件各部位，因此在凝固收縮過程中各方向的收縮比例不一致，使得成型鑄件的尺寸與圖紙尺寸要求相差較大，不符合鑄件尺寸公差要求。此外，鑄件在凝固收縮過程中，可能導(dǎo)致某些部位的應(yīng)力集中較大，但由于鑄件凸臺及加強(qiáng)筋的作用，使得應(yīng)力并未引起毛坯鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷，但經(jīng)熱處理后，鑄件應(yīng)力的釋放可能會導(dǎo)致鑄件發(fā)生二次變形和產(chǎn)生裂紋。

鑄件分型困難。雖然3DP砂型打印技術(shù)可以解決傳統(tǒng)手工造型存在的造型困難問題，但是對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)鑄件，其鑄件的分型面選擇也至關(guān)重要。分型面不宜過多，分型面的位置盡量避開鑄件精度要求較高，且分型面要盡量考慮鑄件砂型的裝配簡單、冷鐵的粘貼方便、涂料涂刷易操作等關(guān)鍵因素。

1.3 鑄件成型難點(diǎn)控制方法

針對鑄件可能存在的欠鑄問題，本文在對鑄件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)時(shí)，對厚度低于或等于5mm的部位進(jìn)行工藝增厚，其增厚量為5～6mm，后續(xù)通過機(jī)加去除余量，而對于不能使用機(jī)加去除余量的部位，在設(shè)計(jì)工藝時(shí)采用冷鐵和冒口確保該部位的成型質(zhì)量；對鑄件直徑小于10mm的通孔進(jìn)行填補(bǔ)，對高度差小于3mm的面進(jìn)行填補(bǔ)，保證多個(gè)面處于同一水平面。在加強(qiáng)筋相交處及厚大部位設(shè)置冒口，加強(qiáng)該部位的補(bǔ)縮效果。在網(wǎng)狀通孔的底面放置冷鐵，以此確保該區(qū)域的成型效果，其中冷鐵厚度的設(shè)計(jì)為通孔厚度的0.8倍。此外在澆注時(shí)適當(dāng)提高澆注溫度，以此提高金屬液在型腔中的流動性，確保鑄件充型質(zhì)量。

針對鑄件可能存在的變形問題，本文在設(shè)置鑄件縮放比例時(shí)參考了同類型結(jié)構(gòu)鑄件的縮放比例，并且在鑄件澆注成型后使用三維掃描設(shè)備（SCANTECH）對成品鑄件進(jìn)行掃描，然后將掃描模型與鑄件三維模型進(jìn)行比對，以此確定鑄件尺寸超差情況，及時(shí)對超差部位做出工藝調(diào)整。對于熱處理可能引起鑄件變形的問題，本文澆注成型鑄件在切割時(shí)只切除鑄件冒口和部分橫澆道，內(nèi)澆道需熱處理結(jié)束后才進(jìn)行切除，并且在容易產(chǎn)生熱節(jié)的部位放置冷鐵，避免該部位因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。

針對鑄件存在的分型困難問題，本文在對框架鑄件進(jìn)行分型時(shí)，采用了“Z型”分型面拆分砂芯，并且砂型與底板采用滑槽對接，砂芯在裝配過程中通過左右滑動完成裝配，并且砂型之間采用兩個(gè)及兩個(gè)以上定位裝置，以此確保砂芯的裝配精度。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及鑄件成型

2.1 試制方案

由于框架件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致鑄件的凝固過程和收縮率不易控制。經(jīng)分析后，認(rèn)為先進(jìn)行工藝探索試驗(yàn)，其試制方案中鑄件的澆注系統(tǒng)采用的是縫隙式澆道+側(cè)注式澆道組合，其中縫隙澆道位于鑄件的兩個(gè)端框面上，側(cè)注澆道位于鑄件斜面凸臺的外端面?？p隙澆道采用直徑為φ60mm的立筒，側(cè)注式澆道的橫截面與凸臺外端面面積一致。鑄件的縮放比例按YC（高度）方向放大1.2%、XC和ZC（徑向）方向放大1.5%，而冷鐵的厚度是根據(jù)鑄件部位壁厚值按0.4～1.2比例設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)過程中往往會根據(jù)實(shí)際情況做出一定的調(diào)整。試制方案中凸臺冷鐵的整體布局采用的是全包冷鐵結(jié)構(gòu)。此外，在兩個(gè)冒口的中間部位放置了末端冷鐵，以此增加末端部位的激冷效果。

在設(shè)計(jì)砂型過程中，采用了兩種及兩種以上不同形狀的定位裝置來確保砂型的配合精度，并且在砂芯與砂芯、砂芯與底板、砂芯與外模的接觸面下端設(shè)計(jì)了3mm深的集砂槽，避免因裝配摩擦而引起落砂進(jìn)入鑄件型腔中。砂型定位裝置的形狀有圓形凸臺、梯形凸臺及半球形凸臺，并且凸臺的拔模斜度在8°～10°之間，凸臺與凹槽之間預(yù)留一定間隙，其間隙的寬度在0.5mm～1mm之間，確保鑄型在裝配時(shí)能夠順利完成。鑄件的砂型制備是采用3DP砂型打印設(shè)備完成，在使用3DP砂型打印設(shè)備制備砂型時(shí)，砂型排版間隙設(shè)置在5mm～10mm之間，不僅避免了成型砂型之間發(fā)生擠壓或碰撞等問題，砂型的清理和吊裝也更加便利。另外，在3DP砂型打印前，對砂型進(jìn)行了檢查，確保吊裝孔的位置滿足吊裝要求，凸臺及易損部位的清理和吊裝滿足要求。

砂型打印結(jié)束后，對砂型進(jìn)行了烘烤，以此確保砂型強(qiáng)度。打印砂型在使用前檢查了砂型外觀質(zhì)量，查看砂型無打印缺陷，對凸出部位進(jìn)行了打磨，缺失部位采用樹脂砂或濕砂進(jìn)行了填補(bǔ)。砂型與金屬液的接觸面涂刷了涂料，以此確保鑄件成型質(zhì)量。

鑄件澆注前進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，其仿真結(jié)果顯示鑄件滿足澆注要求?？蚣荑T件的澆注是采用低壓澆注完成，其中關(guān)鍵參數(shù)為：升液壓力25Kpa、充型壓力為60Kpa、澆注溫度為715±5℃、結(jié)晶時(shí)間為160s，鑄件澆注完成后1.5h進(jìn)行開箱。在開箱過程中，因異形結(jié)構(gòu)件的外形不規(guī)則，開箱工具難以將附著在鑄件表面的砂清理干凈，因此，砂芯在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)了開箱通孔，在修型結(jié)束后開箱通孔用干砂進(jìn)行填充，開箱時(shí)干砂通過振動自然脫離鑄件型腔，從而提高了鑄件開箱速度和降低了開箱難度。

澆注成型鑄件冷卻結(jié)束后，利用切割設(shè)備將位于鑄件上端面的冒口進(jìn)行切除，對鑄件存在的飛邊毛刺進(jìn)行了打磨，然后采用三維掃描設(shè)備（SCANTECH）對成品鑄件進(jìn)行三維掃描，將掃描結(jié)果與鑄件三維模型進(jìn)行比對，其比對結(jié)果顯示試制鑄件與鑄件模型基本吻合，且絕大部分尺寸偏差在-0.5mm～0.5mm之間，符合鑄件HB6103-2004 CT10 的公差要求，故可以判定，鑄件的縮放比例滿足鑄件成型要求。

雖然試制鑄件的尺寸滿足了技術(shù)要求，但在對鑄件進(jìn)行三維掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于鑄件底端面的凸臺存在縮孔缺陷，并且縮孔區(qū)域的面積約150mm2。從縮孔產(chǎn)出的部位來看，凸臺縮孔缺陷所在位置主要集中在鑄件凸臺根部，且該凸臺與鑄件內(nèi)澆道連接。經(jīng)初步分析后，認(rèn)為引起凸臺縮孔缺陷的主要原因有兩個(gè)方面：一是連接該凸臺的內(nèi)澆道較為狹窄，導(dǎo)致在凝固過程中澆道無法對凸臺起到較好的補(bǔ)縮，甚至可能出現(xiàn)凸臺反補(bǔ)澆道的情況；二是澆注參數(shù)中設(shè)定的結(jié)晶時(shí)間較短，在卸壓后該部位仍處于未凝固狀態(tài)，導(dǎo)致凸臺周圍的金屬液回流澆道，進(jìn)而使凸臺得不到補(bǔ)縮。基于試制鑄件存在的以上問題，認(rèn)為對試制鑄件的澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化或更改是十分有必要的。

2.2 成品方案

通過對試制方案的結(jié)果分析，在設(shè)計(jì)新澆注系統(tǒng)時(shí)采用了縫隙式澆道+底注式澆道組合方式，其中縫隙澆道仍然位于鑄件的兩端框面上，底注式澆道位于鑄件底部，且與鑄件底端面加強(qiáng)筋相連?？p隙澆道仍然采用φ60mm的立筒，底注式澆道的橫截面等于鑄件底端面加強(qiáng)筋的底面面積。對鑄件的冷鐵布局進(jìn)行了更改，其中凸臺的底面冷鐵厚度按凸臺從下往上依次減薄，即δ冷鐵下＞δ冷鐵中＞δ冷鐵上（δ為冷鐵厚度）關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，凸臺側(cè)面冷鐵按該部位壁厚的0.9倍設(shè)計(jì)，凸臺冷鐵的整體布局采用的是半包式冷鐵。在鑄件頂部凸臺的端面上設(shè)計(jì)了冒口，冒口高度約120mm，并且在距離冒口50mm的區(qū)域放置了末端冷鐵。

為了確保鑄件的成型質(zhì)量，在鑄件澆注前仍進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，并且對易產(chǎn)生缺陷部位進(jìn)行了凝固仿真分析，其結(jié)果顯示新澆注系統(tǒng)在充型過程中液面上升較為平穩(wěn)，并且在觀察凸臺部位的凝固情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)該部位在充型過程中處于優(yōu)先凝固部位，說明冷鐵的厚度設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。此外，在對鑄件凸臺進(jìn)一步分析后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的凝固順序是至下而上，且液相線的收縮并未形成孤立區(qū)域，液相線與固相線之間的溫差也符合補(bǔ)縮要求。當(dāng)凝固進(jìn)行一段時(shí)間后，將上中下凸臺液相線進(jìn)行大致連線后，發(fā)現(xiàn)液相線與鑄件內(nèi)壁面基本保持平行，并且液相區(qū)的寬度符合補(bǔ)縮要求。這種凝固方式在一定程度上可有效增加金屬液對底端凸臺的補(bǔ)縮效果，頂端凸臺端面上的冒口補(bǔ)縮范圍也會大大加強(qiáng)。在鑄件凝固結(jié)束后，觀察鑄件模擬仿真軟件中的Niyama疏松分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)疏松主要分布在澆道上，而鑄件本體上基本無疏松，進(jìn)一步說明了鑄件凝固過程符合要求，鑄件成型質(zhì)量可以得到保障。

在進(jìn)行試制方案試驗(yàn)過程中，當(dāng)澆注結(jié)束后，利用轉(zhuǎn)移設(shè)備將澆注完成的砂型調(diào)離澆注區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鑄型底端澆注口有金屬液滴向下滴落，且液滴的下落量較大。根據(jù)澆注現(xiàn)場金屬液滴落現(xiàn)象，可以判斷保壓結(jié)束后鑄件某些區(qū)域并未完全凝固，從而導(dǎo)致砂型型腔中的金屬液回流量較多。由于金屬液的回流，導(dǎo)致未凝固區(qū)得不到足夠的金屬液補(bǔ)縮，引起鑄件產(chǎn)生縮孔、欠鑄等缺陷。因此，為了消除凸臺形成的縮孔缺陷，對鑄件的澆注參數(shù)進(jìn)行了部分調(diào)整，即結(jié)晶時(shí)間延長至260s。

綜上分析，新方案主要更改了三處：一是將鑄件的澆注系統(tǒng)從縫隙式澆道+側(cè)注式澆道組合更改為縫隙式澆道+底注式澆道組合；二是將凸臺冷鐵從全包式冷鐵更改為半包式冷鐵，且凸臺底端面的冷鐵厚度設(shè)計(jì)采用從下往上增厚的方式；三是將鑄件澆注參數(shù)中的保壓時(shí)間從160s延長至260s。

經(jīng)過上述工藝調(diào)整后，新工藝澆注成型鑄件的外形輪廓比較清晰，凸臺及鑄件各個(gè)面上的通孔充型質(zhì)量較好。在對鑄件凸臺部位進(jìn)一步核查后，確定凸臺各部位無縮孔缺陷形成。三維掃描比對結(jié)果顯示，鑄件尺寸符合HB6103-2004 CT10公差要求，以上結(jié)果說明了新的澆注系統(tǒng)和澆注參數(shù)滿足了鑄件成型要求。

3 結(jié)論

在對框架鑄件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，通過對薄壁增加工藝補(bǔ)貼、填補(bǔ)機(jī)加孔等措施，可有效提高鑄件的充型能力。鑄件的澆注系統(tǒng)對鑄件的成型質(zhì)量至關(guān)重要，本文框架鑄件采用縫隙式澆道+側(cè)注式澆道成型易使鑄件局部產(chǎn)生縮孔缺陷，但在采用縫隙式澆道+底注式澆道組合后缺陷可以得到消除，其中冷鐵的合理設(shè)計(jì)和凝固仿真軟件的應(yīng)用對鑄件的高質(zhì)量成型起到了至關(guān)重要。本文框架鑄件的尺寸約為1035mm×555mm×360mm，外形類似于梯形框架結(jié)構(gòu)，其砂型的縮放比例按高度方向放大1.2%，徑向放大1.5%進(jìn)行設(shè)計(jì)，成品鑄件經(jīng)三維掃描比對后確定鑄件尺寸滿足HB6103-2004 CT10公差要求。在澆注過程中，通過觀察升液管中金屬液的回流情況，將鑄件的結(jié)晶時(shí)間從160s延長至260s，確保了鑄件在卸壓后處于完全凝固狀態(tài)，防止了因卸壓過早而引起的質(zhì)量缺陷。