3D 打印技術(shù)在箱體鑄件開發(fā)中的應(yīng)用

汪大新，張金雨

（安徽合力股份有限公司合肥鑄鍛廠，安徽 合肥 230601）

傳統(tǒng)鑄造工藝受模具和型芯結(jié)構(gòu)等影響，設(shè)計(jì)方案往往會(huì)受到限制，使得鑄件的開發(fā)周期較長(zhǎng)。以金屬模在流水線上生產(chǎn)叉車變速系統(tǒng)箱體為例，在樣品開發(fā)階段，傳統(tǒng)鑄造工藝和模具設(shè)計(jì)、制作周期6～8 周，試模、造型澆注周期2～3 周，模具調(diào)整1 周，一般樣品做好需要2～3 個(gè)月，樣品開發(fā)周期長(zhǎng)。對(duì)于復(fù)雜砂芯、多件組合砂芯會(huì)有尺寸偏差大、砂芯接頭有披縫等原因無(wú)法滿足形狀復(fù)雜、精度要求高制件的生產(chǎn)。

為更好解決上述問(wèn)題，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到鑄件樣品的開發(fā)階段。其靈活的工藝方案設(shè)計(jì)、無(wú)模化造型優(yōu)勢(shì)能夠極大地縮短開發(fā)周期，同時(shí)打印的砂型精度高，表面質(zhì)量好，可以很好的保證鑄件的質(zhì)量[1-4]。

1 3D 打印技術(shù)及材料

3D 打印（3DP）作為快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀材料，通過(guò)組成打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)[5]。

本文產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，使用的原材料為進(jìn)口石英砂，黏結(jié)劑為呋喃樹脂，型砂參數(shù)見表1.

表1 造型材料物理性能及化學(xué)成分

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

箱體鑄件材質(zhì)為HT250，質(zhì)量63 kg，外形尺寸為481 mm×418 mm×213 mm，澆注重量為77 kg，澆注時(shí)間控制在12 s～15 s，采用中間注入式澆注系統(tǒng)，其澆注系統(tǒng)界面比例為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1.25∶1.5∶1，澆注系統(tǒng)中引入75 mm×75 mm×22 mm 碳化硅過(guò)濾片，一箱一件布置（見圖1a））.

運(yùn)用MAGMA 軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：澆注過(guò)程平穩(wěn)，澆注時(shí)間12 s，凝固結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷（見圖1b））.

圖1 鑄造工藝方案及模擬結(jié)果

3 砂型設(shè)計(jì)及打印

根據(jù)砂型切分原則：

1）確保砂型各部分沒有清砂盲區(qū)，流涂時(shí)不會(huì)產(chǎn)生涂料堆積；

2）盡量減少砂型組裝，以避免尺寸偏差[6]。將砂型沿橫澆道分為上下兩箱與3 個(gè)泥芯：下箱為鑄件下半部分和橫澆道、過(guò)濾片的澆注系統(tǒng)的砂型（見圖2b））；上箱為鑄件上半部分和橫澆道、內(nèi)澆道，溢流出氣孔的砂型（見圖2a））；1# 泥芯形成內(nèi)腔結(jié)構(gòu)；2#泥芯形成內(nèi)腔軸承安裝孔；3#泥芯形成內(nèi)法蘭結(jié)構(gòu)（見圖2c））.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，砂型非流涂面分型負(fù)數(shù)為0.2mm，流涂面分型負(fù)數(shù)為0.5mm，芯頭間隙為0.2mm～0.5mm.

采用德國(guó)EXone-SMAX 砂型打印設(shè)備（見圖2d）），工作面尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm，打印速度為60 L/h.

圖2 砂型及3D 打印設(shè)備

4 砂型組裝和澆注

工藝設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)醇基涂料進(jìn)行流涂，點(diǎn)火后依靠燃燒熱量烘干，采用手工組芯，螺栓緊固。下芯時(shí)泥芯側(cè)面標(biāo)記與分型面齊平，保證泥芯下到位。砂型合箱后（見圖3），放進(jìn)自制砂斗中，周圍填造型砂緊固，防止?jié)沧⑻洹⑴芩斐蓤?bào)廢。放置配套澆口杯，最后進(jìn)行澆注。

圖3 砂型合箱

5 鑄件精整和檢查

生產(chǎn)3 箱鑄件，鑄件開箱清理后表面質(zhì)量全部合格（見圖4a）），采用Metrascan750 三維掃描儀對(duì)鑄件進(jìn)行尺寸檢測(cè)，結(jié)果顯示，鑄件尺寸在要求范圍內(nèi)（見圖4b）），鑄件力學(xué)性能檢測(cè)合格。

圖4 鑄件及尺寸檢查結(jié)果

此箱體鑄件從鑄造工藝設(shè)計(jì)到交樣，共耗時(shí)8天，極大地縮短了本產(chǎn)品的開發(fā)周期。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)鑄造工藝復(fù)雜，樣品開發(fā)周期長(zhǎng)。3D 打印技術(shù)不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，能夠簡(jiǎn)化工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)復(fù)雜鑄件。3D 打印砂型尺寸精度高，表面質(zhì)量好，鑄件合格率高，因此，采用3D 打印技術(shù)，能夠有效支持新產(chǎn)品的開發(fā)。