基于增材制造砂型的橋形支架鑄件鑄造工藝設(shè)計及制造
時間：2025-03-27 09:30 來源：特種鑄造 作者：admin 閱讀：次
文章來源：河南平原光電科技有限公司司金梅、呂三雷、李晶晶等人在《特種鑄造及有色合金》2025年第45卷第1期發(fā)表了題為《基于3DP砂型的橋形支架鑄件鑄造工藝設(shè)計及制造》的文章。該研究由完成，得到了相關(guān)項目的資助。文章針對橋形支架鑄件，設(shè)計了底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，通過模擬軟件對鑄造工藝進行模擬和優(yōu)化，隨后進行3DP砂型設(shè)計和3D砂型打印，采用反重力低壓鑄造工藝完成鑄件生產(chǎn)，并根據(jù)鑄件檢測結(jié)果對鑄造澆注系統(tǒng)工藝進行完善，最終生產(chǎn)的鑄件滿足技術(shù)要求。
針對橋形支架鑄件，設(shè)計了底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，通過模擬軟件優(yōu)化鑄造工藝，采用3DP砂型設(shè)計和反重力低壓鑄造工藝，最終生產(chǎn)的鑄件滿足技術(shù)要求。
在現(xiàn)代兵器、航空航天、船舶等行業(yè)中，鋁合金鑄件需要具備結(jié)構(gòu)復雜、尺寸精度高、內(nèi)部品質(zhì)良好等特點。然而，傳統(tǒng)的砂型重力鑄造方法難以滿足這些高要求。低壓鑄造由于其充型平穩(wěn)、組織致密、雜質(zhì)少等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但仍然存在一些局限性。3DP砂型技術(shù)可以實現(xiàn)無模鑄造、快速制作砂型，克服了復雜形狀鑄件形狀無法出模、造型難、尺寸精度低、模具費用高等缺點。此外，鑄造模擬技術(shù)能夠?qū)﹁T件在成形過程中的溫度場進行模擬，提前預判縮松、縮孔產(chǎn)生位置，縮短鑄件試制周期。因此，本研究針對橋形支架鑄件進行鑄造工藝設(shè)計、模擬和優(yōu)化，并采用3DP砂型低壓鑄造工藝完成鑄件的生產(chǎn)，具有重要的實際意義。
【研究亮點】
針對橋形支架鑄件的復雜結(jié)構(gòu)和高技術(shù)要求，設(shè)計了創(chuàng)新的底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，有效提高了鑄件的內(nèi)部品質(zhì)和尺寸精度。運用先進的鑄造模擬技術(shù)對工藝進行優(yōu)化，提前預判并解決潛在的缺陷問題，縮短了鑄件試制周期，提高了生產(chǎn)效率。采用3DP砂型技術(shù)實現(xiàn)無模鑄造，快速制作砂型，克服了傳統(tǒng)砂型鑄造的諸多缺點，為復雜鑄件的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)途徑。結(jié)合反重力低壓鑄造工藝，充分發(fā)揮其充型平穩(wěn)、組織致密等優(yōu)點，進一步提升了鑄件的質(zhì)量和性能。
【研究方法】
研究者針對橋形支架鑄件，首先設(shè)計了底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，并采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行模擬，設(shè)置澆注溫度為690℃，充型時間為45秒。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化鑄造工藝，模擬無缺陷后進行3DP砂型設(shè)計和3D砂型打印。砂型采用3箱結(jié)構(gòu)，分別是上箱、中箱、下箱，設(shè)計時充分考慮了砂型的強度、定位和減重等問題。最后采用反重力低壓鑄造工藝完成鑄件生產(chǎn)，對合金液進行變質(zhì)和精煉處理，嚴格控制澆注參數(shù)，并對鑄件進行T5熱處理。生產(chǎn)過程中，對鑄件進行了一系列檢測和分析，根據(jù)檢測結(jié)果對鑄造澆注系統(tǒng)工藝進行完善。
【全文解讀】
1 橋形支架鑄件工藝設(shè)計與優(yōu)化
橋形支架鑄件材質(zhì)為ZL114A（GB/T1173-2013），采用T5熱處理。其輪廓尺寸為500 mm×374 mm×388 mm，壁厚為9~34 mm，尺寸公差等級為DCTG8（GB/T6414-2017）。質(zhì)量為27 kg。軸孔處內(nèi)部品質(zhì)要求高，不允許有縮松、縮孔、夾砂等缺陷，且鑄件結(jié)構(gòu)復雜，底座下方為中空設(shè)計，有兩個減重空腔，僅通過4個ϕ20 mm和4個ϕ10 mm的工藝孔與外界相通；要求對鑄件全部進行X光射線檢測，內(nèi)部品質(zhì)符合Ⅱ類要求（GB/T9438-2013）。
采用反重力低壓鑄造工藝方案，鑄造過程充型平穩(wěn)、在壓力下凝固，可減少鑄件不平穩(wěn)流動導致的缺陷，提高鑄件內(nèi)部品質(zhì)。為防止鑄件變形，頂端設(shè)計兩處工藝拉筋。澆注系統(tǒng)采用底注加縫隙工藝。4個縫隙澆道尺寸為35 mm×20 mm，4個集渣筒尺寸為ϕ80 mm×400 mm，見圖2a；底部矩形澆口有12個，設(shè)置在內(nèi)腔筋上，澆口高度為45 mm，小端寬度與底部內(nèi)腔加強筋壁厚一致，斜度為8°，見圖2b；底部橫澆道寬度分別為90 mm和45 mm，高度為50 mm，冷鐵為30塊，厚度為20 mm，設(shè)置在厚大部位，對鑄件起激冷作用。
采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行模擬，設(shè)置澆注溫度為690 ℃，充型時間為45 s。充型過程溫度場見圖3。可以看出，合金液先從底部矩形澆口進入鑄型，充型平穩(wěn)，無噴濺及紊流現(xiàn)象。
鑄件A、B處為鑄件頂端，放置有冷鐵，過冷度大，最先凝固，緊接著凝固的位置為兩端軸孔處，此部位也有冷鐵，過冷度大。上端溫度最低，中間溫度次之，下部溫度最高，底部澆口最后凝固，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)設(shè)計的順序凝固目的。鑄件縮孔缺陷主要位于頂端工藝拉筋及底面處。底面分布12個矩形澆口，底部澆口附近存在輕微的縮松，工藝基本可行，按此澆注系統(tǒng)進行試制。
2 砂型設(shè)計及打印
砂型采用3箱結(jié)構(gòu)，分別是上箱、中箱、下箱。上箱提前預留冷鐵位置，后期將成形冷鐵采用鑄造黏結(jié)劑固定到砂型上；砂芯為一個整體，設(shè)計在中箱，既能保證鑄件尺寸精度，又能保證砂芯強度，中箱設(shè)計兩根加強筋，保證砂型強度，同時避免砂芯烘干時變形；下箱設(shè)計定位芯頭4處，保證砂型定位。鑄造收縮率設(shè)為1%，砂型定位子扣斜度為8°，配合間隙為0.5 mm，吃砂量為35 mm。砂型采用3D打印工藝，打印材料為100目硅砂，打印層厚為0.3 mm。圖7為打印成形的砂型。
3 鑄造生產(chǎn)
將冷鐵噴砂后烘干，采用鑄造黏結(jié)劑固定在上箱，將打印好的砂型表面刷兩次涂料并烘干，溫度為120~140 ℃，時間為4 h，最后將砂型合型進行澆注。熔煉過程對合金液在730 ℃時采用配比為62.5%的NaCl+25%的NaF+12.5%的KCl（質(zhì)量分數(shù)）的變質(zhì)劑進行變質(zhì)，720 ℃時采用氬氣精煉，用密度當量DI來評價鋁液中氫含量［DI=（1-ρ2/ρ1）×100%］。試樣密度越大，試樣越致密，孔隙率越小，密度當量越低；反之密度當量越高，精煉后密度當量為0.3%。調(diào)整合金液溫度至680~690 ℃時進行低壓澆注，充型速度為45 mm/s，充型壓力為50 kPa，結(jié)晶時間為600 s。對鑄件進行T5熱處理，工藝為535 ℃×12 h固溶，80 ℃水冷，160 ℃×6 h時效。
首先對鑄件進行目視檢查，鑄件底部型腔局部無壁厚，見圖8。經(jīng)分析，中箱減重型芯與主體砂型僅通過工藝孔相連，見圖9，A、B砂芯強度低，澆注過程中受到高溫合金液的沖刷發(fā)生斷裂、上浮，導致鑄件局部無壁厚，后采用增大工藝孔措施以提高砂型強度。
鑄件三維模型內(nèi)腔底面是一個平面，見圖10a；試制鑄件的內(nèi)腔底面不是一個平面，高度差為2 mm澆注時，金屬液沖擊導致下箱受到向上的力，下箱將受到的沖擊力全部通過接觸面A傳遞到中箱砂芯上，導致中箱砂芯斷裂、上浮。后續(xù)應(yīng)改進砂型結(jié)構(gòu)，使下箱受到的浮力不全部通過接觸面A傳遞給中箱，而是使下箱受到的浮力分散到中箱B和砂芯C處。
鑄件主要尺寸測量結(jié)果見表1。造成尺寸SR217 mm超差的原因為中箱SR217球形面型芯剛度不足，在下箱傳遞的合金液浮力和沖擊力作用下變形。
表2為隨爐試塊的化學成分，符合GB/T1173-2013要求。圖13為隨爐試樣的形狀，采用GB/T1173-2013中砂型鑄造試樣結(jié)構(gòu)；表3為隨爐試樣的力學
針對橋形支架鑄件，設(shè)計了底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，通過模擬軟件優(yōu)化鑄造工藝，采用3DP砂型設(shè)計和反重力低壓鑄造工藝，最終生產(chǎn)的鑄件滿足技術(shù)要求。
在現(xiàn)代兵器、航空航天、船舶等行業(yè)中，鋁合金鑄件需要具備結(jié)構(gòu)復雜、尺寸精度高、內(nèi)部品質(zhì)良好等特點。然而，傳統(tǒng)的砂型重力鑄造方法難以滿足這些高要求。低壓鑄造由于其充型平穩(wěn)、組織致密、雜質(zhì)少等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但仍然存在一些局限性。3DP砂型技術(shù)可以實現(xiàn)無模鑄造、快速制作砂型，克服了復雜形狀鑄件形狀無法出模、造型難、尺寸精度低、模具費用高等缺點。此外，鑄造模擬技術(shù)能夠?qū)﹁T件在成形過程中的溫度場進行模擬，提前預判縮松、縮孔產(chǎn)生位置，縮短鑄件試制周期。因此，本研究針對橋形支架鑄件進行鑄造工藝設(shè)計、模擬和優(yōu)化，并采用3DP砂型低壓鑄造工藝完成鑄件的生產(chǎn)，具有重要的實際意義。
【研究亮點】
針對橋形支架鑄件的復雜結(jié)構(gòu)和高技術(shù)要求，設(shè)計了創(chuàng)新的底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，有效提高了鑄件的內(nèi)部品質(zhì)和尺寸精度。運用先進的鑄造模擬技術(shù)對工藝進行優(yōu)化，提前預判并解決潛在的缺陷問題，縮短了鑄件試制周期，提高了生產(chǎn)效率。采用3DP砂型技術(shù)實現(xiàn)無模鑄造，快速制作砂型，克服了傳統(tǒng)砂型鑄造的諸多缺點，為復雜鑄件的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)途徑。結(jié)合反重力低壓鑄造工藝，充分發(fā)揮其充型平穩(wěn)、組織致密等優(yōu)點，進一步提升了鑄件的質(zhì)量和性能。
【研究方法】
研究者針對橋形支架鑄件，首先設(shè)計了底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，并采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行模擬，設(shè)置澆注溫度為690℃，充型時間為45秒。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化鑄造工藝，模擬無缺陷后進行3DP砂型設(shè)計和3D砂型打印。砂型采用3箱結(jié)構(gòu)，分別是上箱、中箱、下箱，設(shè)計時充分考慮了砂型的強度、定位和減重等問題。最后采用反重力低壓鑄造工藝完成鑄件生產(chǎn)，對合金液進行變質(zhì)和精煉處理，嚴格控制澆注參數(shù)，并對鑄件進行T5熱處理。生產(chǎn)過程中，對鑄件進行了一系列檢測和分析，根據(jù)檢測結(jié)果對鑄造澆注系統(tǒng)工藝進行完善。
【全文解讀】
1 橋形支架鑄件工藝設(shè)計與優(yōu)化
橋形支架鑄件材質(zhì)為ZL114A（GB/T1173-2013），采用T5熱處理。其輪廓尺寸為500 mm×374 mm×388 mm，壁厚為9~34 mm，尺寸公差等級為DCTG8（GB/T6414-2017）。質(zhì)量為27 kg。軸孔處內(nèi)部品質(zhì)要求高，不允許有縮松、縮孔、夾砂等缺陷，且鑄件結(jié)構(gòu)復雜，底座下方為中空設(shè)計，有兩個減重空腔，僅通過4個ϕ20 mm和4個ϕ10 mm的工藝孔與外界相通；要求對鑄件全部進行X光射線檢測，內(nèi)部品質(zhì)符合Ⅱ類要求（GB/T9438-2013）。
圖1 橋形支架鑄件結(jié)構(gòu)
采用反重力低壓鑄造工藝方案，鑄造過程充型平穩(wěn)、在壓力下凝固，可減少鑄件不平穩(wěn)流動導致的缺陷，提高鑄件內(nèi)部品質(zhì)。為防止鑄件變形，頂端設(shè)計兩處工藝拉筋。澆注系統(tǒng)采用底注加縫隙工藝。4個縫隙澆道尺寸為35 mm×20 mm，4個集渣筒尺寸為ϕ80 mm×400 mm，見圖2a；底部矩形澆口有12個，設(shè)置在內(nèi)腔筋上，澆口高度為45 mm，小端寬度與底部內(nèi)腔加強筋壁厚一致，斜度為8°，見圖2b；底部橫澆道寬度分別為90 mm和45 mm，高度為50 mm，冷鐵為30塊，厚度為20 mm，設(shè)置在厚大部位，對鑄件起激冷作用。
圖2 支架鑄件澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行模擬，設(shè)置澆注溫度為690 ℃，充型時間為45 s。充型過程溫度場見圖3。可以看出，合金液先從底部矩形澆口進入鑄型，充型平穩(wěn)，無噴濺及紊流現(xiàn)象。
圖3 支架鑄件充型過程溫度場分布
鑄件A、B處為鑄件頂端，放置有冷鐵，過冷度大，最先凝固，緊接著凝固的位置為兩端軸孔處，此部位也有冷鐵，過冷度大。上端溫度最低，中間溫度次之，下部溫度最高，底部澆口最后凝固，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)設(shè)計的順序凝固目的。鑄件縮孔缺陷主要位于頂端工藝拉筋及底面處。底面分布12個矩形澆口，底部澆口附近存在輕微的縮松，工藝基本可行，按此澆注系統(tǒng)進行試制。
圖4 支架鑄件凝固過程溫度場分布
圖5 支架鑄件縮松、縮孔缺陷位置
2 砂型設(shè)計及打印
砂型采用3箱結(jié)構(gòu)，分別是上箱、中箱、下箱。上箱提前預留冷鐵位置，后期將成形冷鐵采用鑄造黏結(jié)劑固定到砂型上；砂芯為一個整體，設(shè)計在中箱，既能保證鑄件尺寸精度，又能保證砂芯強度，中箱設(shè)計兩根加強筋，保證砂型強度，同時避免砂芯烘干時變形；下箱設(shè)計定位芯頭4處，保證砂型定位。鑄造收縮率設(shè)為1%，砂型定位子扣斜度為8°，配合間隙為0.5 mm，吃砂量為35 mm。砂型采用3D打印工藝，打印材料為100目硅砂，打印層厚為0.3 mm。圖7為打印成形的砂型。
圖6 砂型結(jié)構(gòu)
1.上箱 2.中箱 3.下箱 4.冷鐵位置 5.定位芯頭
圖7 3DP砂型
3 鑄造生產(chǎn)
將冷鐵噴砂后烘干，采用鑄造黏結(jié)劑固定在上箱，將打印好的砂型表面刷兩次涂料并烘干，溫度為120~140 ℃，時間為4 h，最后將砂型合型進行澆注。熔煉過程對合金液在730 ℃時采用配比為62.5%的NaCl+25%的NaF+12.5%的KCl（質(zhì)量分數(shù)）的變質(zhì)劑進行變質(zhì)，720 ℃時采用氬氣精煉，用密度當量DI來評價鋁液中氫含量［DI=（1-ρ2/ρ1）×100%］。試樣密度越大，試樣越致密，孔隙率越小，密度當量越低；反之密度當量越高，精煉后密度當量為0.3%。調(diào)整合金液溫度至680~690 ℃時進行低壓澆注，充型速度為45 mm/s，充型壓力為50 kPa，結(jié)晶時間為600 s。對鑄件進行T5熱處理，工藝為535 ℃×12 h固溶，80 ℃水冷，160 ℃×6 h時效。
首先對鑄件進行目視檢查，鑄件底部型腔局部無壁厚，見圖8。經(jīng)分析，中箱減重型芯與主體砂型僅通過工藝孔相連，見圖9，A、B砂芯強度低，澆注過程中受到高溫合金液的沖刷發(fā)生斷裂、上浮，導致鑄件局部無壁厚，后采用增大工藝孔措施以提高砂型強度。
圖8 鑄件局部無壁厚圖 圖9 砂型斷裂位置
鑄件三維模型內(nèi)腔底面是一個平面，見圖10a；試制鑄件的內(nèi)腔底面不是一個平面，高度差為2 mm澆注時，金屬液沖擊導致下箱受到向上的力，下箱將受到的沖擊力全部通過接觸面A傳遞到中箱砂芯上，導致中箱砂芯斷裂、上浮。后續(xù)應(yīng)改進砂型結(jié)構(gòu)，使下箱受到的浮力不全部通過接觸面A傳遞給中箱，而是使下箱受到的浮力分散到中箱B和砂芯C處。
圖10 內(nèi)腔底面結(jié)構(gòu)
圖11 下箱與中箱裝配分析
1.砂芯斷裂位置 2.中箱 3.接觸面A 4.下箱
鑄件主要尺寸測量結(jié)果見表1。造成尺寸SR217 mm超差的原因為中箱SR217球形面型芯剛度不足，在下箱傳遞的合金液浮力和沖擊力作用下變形。
圖12 超差尺寸
表2為隨爐試塊的化學成分，符合GB/T1173-2013要求。圖13為隨爐試樣的形狀，采用GB/T1173-2013中砂型鑄造試樣結(jié)構(gòu)；表3為隨爐試樣的力學
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