古良，馬亮，吳昊，李鑫

陜西黃河集團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，不但鑄件的結構與型面愈發(fā)復雜多變，而且要求更短的生產(chǎn)周期，這些問題的出現(xiàn)，對于傳統(tǒng)行業(yè)的企業(yè)是個嚴峻的挑戰(zhàn)。3D打印快速成形技術以其“速度快、精度高”等特點，使得生產(chǎn)更加快捷、過程更加可控、時間和資源的浪費更少、效益更高，進而提高鑄件質量，縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場競爭力。本文通過3D打印技術和低壓鑄造相結合，采用反重力澆注的方式，同時增加充型壓力和結晶壓力，以及在厚大部位增加激冷措施等，保證了鑄造質量，快速生產(chǎn)出合格艙門鑄件。

2 零件分析

艙門零件結構如圖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，內部質量要求Ⅱ類，驗收標準采用HB 5480—1991《高強度鋁合金優(yōu)質鑄件》，100%X射線檢測，且要求首件于15天內交付。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部位（見圖2），中間隔板壁厚為5mm，兩端4個角處壁厚為60mm。

圖1 艙門零件結構

圖2 艙門鑄件

3 工藝分析

由于該鑄件為受力結構，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，充型過程易卷氣、夾渣[1]。由于該鑄件為曲面結構，平面高低落差為460mm，且大范圍冒口的使用，會導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。由于該鑄件結構壁厚不均勻，因此局部位置僅靠冒口不能完全解決鑄件縮松問題，澆注質量無法保證。

4 鑄造工藝設計

根據(jù)上述分析，澆注系統(tǒng)設計優(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]，鋁液通過中間過道輸送到鑄件各個部位，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，內澆道小端尺寸為60mm×(20mm/40mm)，斜度5°，過道高度為90mm/100mm×60mm。對于熱節(jié)較大的鑄件上部，采用厚度15～25mm的鋼質冷鐵激冷，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)設計及冷鐵分布如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)設計及冷鐵分布

由于鑄件曲面結構及型面變化復雜，因此在采用常規(guī)木制模樣生產(chǎn)時，鑄件尺寸不易保證，尤其對于型腔內表面的尺寸精度影響較大，且單獨制作模樣工期就需要35天，總工期預計只有60天，因此交貨期無法滿足客戶要求。通過對成本、質量、工期的綜合分析，最后確定該鑄件采用3D打印砂芯的方式進行生產(chǎn)。使用UG三維設計軟件對鑄件進行澆注系統(tǒng)及砂芯設計，并在軟件中進行優(yōu)化，主要針對零件、鑄件、澆注系統(tǒng)、冷鐵計及砂芯進行工藝設計。

由于3D打印砂芯的使用，分芯由6個減少為2個（見圖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，針對鑄件壁厚變化大的特點，為使鑄件在壓力下充型及凝固，提高鑄件的致密性[5]，減少鑄件內部缺陷，澆注過程分為升液、充型、增壓1、結殼、增壓2及保壓，具體參數(shù)見表1。

表1 低壓鑄造澆注工藝參數(shù)

6 生產(chǎn)過程

1）應用3D打印機直接打印出三維砂芯，3D砂芯變形量小，組芯時偏差較小，尺寸精度可達到±0.2mm。生產(chǎn)流程主要有導入、打印、檢查及包裝運輸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光潔，減少了表面打磨返修的工作量。對打印好的砂芯進行打磨，經(jīng)人工檢測、安裝冷鐵、修整、噴涂及烘干后進行組芯合型，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)進行澆注，為防止裂紋及變形，澆注后冷卻16h再進行落砂、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）對鑄件內部進行X射線檢測，并對外觀尺寸進行劃線檢查，結果均合格。

7 產(chǎn)品檢測及效益分析

經(jīng)過檢查和測量，該鑄件尺寸精度達到CT10級，內部質量符合Ⅱ類鑄件要求，100%X射線檢測合格，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工藝生產(chǎn)總成本統(tǒng)計見表2。

表2 傳統(tǒng)鑄造及信息化鑄造技術工藝生產(chǎn)總成本統(tǒng)計 （萬元）

由表2可看出，此次信息化鑄造的成功應用，直接節(jié)約成本46%，縮短生產(chǎn)周期76%，同時在鑄造工藝設計時澆注系統(tǒng)更為合理，更利于鑄件凝固收縮時的補縮，進一步提高了鑄件的內部質量。

8 結束語

1）復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量，有效解決充型過程中的卷氣、夾雜等鑄件缺陷。對于厚大部位可單獨設置補縮澆口進行補縮，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)約了人工和材料費用，同時大幅提高了生產(chǎn)效率和鑄件尺寸精度，尤其對于復雜型面和澆注系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有力保證，使鑄件補縮及順序凝固更加容易實現(xiàn)。