3D打印樹脂砂型在大型彎管鑄鐵件中的應(yīng)用

楊永輝，葉書亮，王志博，王朝陽

洛陽易普特智能科技有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

泵體、彎管類鑄鐵件廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、礦山、核電及大型火電等領(lǐng)域，相當(dāng)多的鑄件有著不規(guī)則曲面，內(nèi)部含有流道，所以采用傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)方法生產(chǎn)時，模具制作周期長，組型難度大，裝配精度差，并且往往需要通過反復(fù)工藝試驗來確定工藝，費用會相當(dāng)高，同時延長新產(chǎn)品的試制周期。

目前，通過3D打印樹脂砂型，能取代復(fù)雜的砂型、砂芯制作流程，可有效地解決以上問題。3D打印樹脂砂型成形技術(shù)，采用噴墨式砂型打印機，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維截面，利用噴墨打印頭微滴噴射出黏結(jié)劑將砂粒黏結(jié)在一起，層層疊加，直接生產(chǎn)砂型、砂芯[1]。較傳統(tǒng)工藝，一是省略了制模環(huán)節(jié)，可以使產(chǎn)品試制周期從3個月縮短至3周；二是可以直接制作任意復(fù)雜形狀的砂型、砂芯，不受模具加工工藝限制；三是保證了砂型精度。結(jié)合合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計，可以大幅提高鑄件成品率，降低生產(chǎn)成本，達到了鑄件生產(chǎn)的個性化、多樣性、快速鑄造的目的。

3D打印樹脂砂型，目前已廣泛應(yīng)用于鑄鐵、鑄鋁、鑄鎂、鑄鋼和鑄銅等鑄造領(lǐng)域，提高了整個鑄造流程的效率，充分體現(xiàn)了其在現(xiàn)代鑄造工程應(yīng)用中的價值。

2 鑄件信息

我公司承接的某核電鑄件項目，包含泵體、葉輪、彎管及殼體等。其中，彎管鑄件毛坯重量1450k g，外形尺寸為1500m m×1500m m×1000mm，材質(zhì)為HT250，鑄件要求無縮孔、縮松、砂眼、氣孔及裂紋等缺陷，做1.0MPa水壓試驗，持續(xù)時間≥30min，無漏水現(xiàn)象。

3 鑄造工藝設(shè)計

3.1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

大型彎管鑄件最大壁厚6 0 m m、最小壁厚10mm，管壁主要壁厚20mm。初步分析認為：彎管鑄件成形難度中等，主要難點在于控制鑄造缺陷。鑄件三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎管鑄件三維結(jié)構(gòu)

3.2 確定工藝方案

采用3D打印樹脂砂型的成形工藝，砂型超出打印機尺寸部分進行拆分，因此采用組芯的造型方法[2]。確定的工藝方案見表1。

表1 工藝方案

3.3 確定澆注位置、分型面

根據(jù)鑄件重要部分置于下部，重要面、大平面朝下等原則，確定頂注式澆注方案，彎管豎直放置。

3.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計

采用開放式澆注系統(tǒng)，澆注時使直澆道充滿，充型平穩(wěn)。根據(jù)經(jīng)驗公式，澆注系統(tǒng)各澆道截面比為∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直＝1.3∶1.5∶1。由經(jīng)驗公式鑄件重量Gc=1450kg，經(jīng)驗系數(shù)β查表可取1.0，得出∑F最小＝39cm2，確定直澆道尺寸為φ70mm。內(nèi)澆道分散引入，冒口采用溢流冒口、壓邊冒口。對工藝設(shè)計進行充型及凝固模擬后優(yōu)化[3]，最終澆注系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)方案

3.5 確定鑄造收縮率

根據(jù)中大型灰鑄鐵件生產(chǎn)的相關(guān)經(jīng)驗，確定鑄造收縮率為0.83%。

4 型芯設(shè)計及打印

為適合打印機尺寸，砂型拆分打印，合型時靠螺栓拔緊。型芯設(shè)計充分體現(xiàn)3D打印砂型的靈活性，同時為保證鑄件尺寸精度，重要部位采用一體化砂型打印，打印砂型精度可達到±0.5mm。3D打印型芯如圖3所示。

圖3 3D打印型芯

3D打印砂型工藝參數(shù)為：呋喃樹脂自硬砂，砂子粒度70/140目，設(shè)備選擇S2000型打印機，其砂型打印尺寸為2000mm×1000mm×800mm。砂型性能：抗拉強度1.4～1.9MPa，發(fā)氣量12～15mL/g。

5 合型、澆注

砂型打印完成后，去除浮砂，轉(zhuǎn)至涂料工序，刷醇基石墨涂料，點燃烘干。合型后轉(zhuǎn)運鑄造廠圍箱澆注。3D打印鑄造流程如圖4所示。

圖4 3D打印鑄造流程

澆注重量2050kg，澆注溫度為1370～1380℃。澆注后，型內(nèi)冷卻約72h。經(jīng)拋丸清理、打磨后，鑄件無氣孔、砂眼、夾渣、縮孔、縮松及裂紋等鑄造缺陷，經(jīng)檢測無變形問題，內(nèi)腔流道表面光滑，幾何形狀、尺寸和相應(yīng)位置符合設(shè)計要求。該鑄件整個生產(chǎn)周期為15天。

6 結(jié)束語

1）采用3D打印樹脂砂型成形技術(shù)，結(jié)合合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計，生產(chǎn)的彎管鑄件質(zhì)量滿足設(shè)計要求，為類似中大型鑄件的生產(chǎn)提供了參考。

2）采用3D打印樹脂砂型的工藝方法，降低造型、制芯難度，實現(xiàn)鑄件快速制造，可實施性好，有效地提高了制造效率。鑄件交付周期由傳統(tǒng)的數(shù)月普遍縮短至10～15天，極大地提高了時效性，相應(yīng)降低了成本。