灰鑄件分度臺3D 打印鑄造工藝設計及應用

馬昊飛，宋 波，何長義，王基東，何 媛，陳思明

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 前言

分度臺在車床加工中有著非常重要的作用，主要作用是將工件夾持在卡盤上或兩頂尖間，并使其旋轉、分度和定位，用途比較廣泛。為了高效的批量生產出分度臺類的小型灰鐵鑄件，設計一種3D 打印砂芯的三維鑄造工藝，可節省模具制作的費用和工時，縮短鑄件的生產周期。

1 產品基本信息

1.1 傳統手工造型工藝

傳統方案一般為木模鑄造工藝，需要設計模板、砂箱、陶瓷管、箱錐等工裝，不僅制作周期長，而且現場操作難度大，導致對鑄件質量產生較大的影響。為降低分度臺的生產難度，提高產品質量及生產效率，應用3D 打印技術替代傳統的手工造型。

1.2 鑄件基本信息

鑄件材質為FC250，重量160 kg，輪廓尺寸為541 mm×541 mm×116 mm，外側圓環壁厚最小為23 mm，中間結構壁厚最大為96 mm，其結構如圖1 所示。

2 工藝設計

由于鑄件尺寸較小，采用一箱兩件的設計方案，利用兩端橫澆道分別引入鐵液經過內澆道流入鑄件。此工藝方案不僅砂鐵比低，出品率也高，具有較高的經濟效益。

2.1 澆注位置選擇

按照澆注位置的選擇原則[1]，鑄件的重要加工位置放在底面或側面，分度臺底面需要全部進行加工，而且在端面也有加工孔結構，這些重要的結構選擇放置在底面，另一端有毛面的結構確定為鑄造方向朝上的方案，為補縮的冒口預留較多的放置空間。

2.2 加工余量

分度臺四角軸孔和頂部臍子端面的結構，加工量大小設計為+8mm，厚度方向和側面的加工孔結構都鑄平，底部的加工端面加工量設計+6 mm。

2.3 冷鐵設計

分度盤中間壁厚較大，根據鑄造工藝設計規范[1-5]，增加冷鐵對壁厚較大位置進行激冷，設計方案見圖2。

圖2 冷鐵方案圖

2.4 澆注系統設計

按照鑄造工藝設計規范[1-5]，采用封閉澆注系統，橫澆道設置在鑄件底部，內澆口通過橫澆道底部處進入鑄件。澆注系統比例為F 直：∑F 橫：∑F內=1:1.56:0.83，內澆道流速為1.1 m/s，有利于金屬液的平穩充型，防止金屬液的飛濺和氧化，設計方案見圖3。

圖3 澆注系統圖

2.5 冒口和出氣設計

根據鑄造工藝設計規范[1-5]，設計球形冒口放置在非加工面對鑄件進行補縮，選擇長方形結構進行出氣，出氣面積比例為1.53，設計方案見圖4。

圖4 冒口和出氣圖

3 3D 砂芯設計

3.1 分芯方案

分芯面選擇在橫澆道位置，保證所有結構能夠打開，沒有尖角砂，設計方案見圖5。

圖5 分芯方案圖

3.2 砂芯結構設計

3.2.1 砂芯應力分析

3D 打印砂芯設計完成后，對1#和2#芯使用軟件對吊運過程中的變形和應力進行分析，結果分別如下。

對1#砂芯在吊運過程中的變形和應力進行分析，最大變形量0.4 mm，最大主應力0.49 MPa，遠小于3D 砂芯的抗拉強度1.5 MPa，應力分析結果合格，受力環境和分析結果分別見圖6 和圖7。

圖6 1#芯受力環境

圖7 1#芯模擬分析結果

對2#砂芯在吊運過程中的變形和應力進行分析，最大變形量0.4 mm，最大主應力0.57 MPa，遠小于3D 砂芯的抗拉強度1.5 MPa，應力分析結果合格，受力環境和分析結果分別見圖8 和圖9。

圖8 2#芯受力環境

3.2.2 砂芯放置面支撐

為了防止砂芯在立體庫上或地面上放置傾倒，在砂芯放置面設計支撐結構，放置面的高度要保證小于寬度的4 倍，保證3D 砂芯的放置平穩，提高安全系數和防止砂芯損壞，設計結構見圖10。

圖10 放置面支撐結構

3.2.3 防跑火槽結構設計

為了有效防止砂芯在澆注時，金屬液跑火的情況，需要在砂芯沿周結構設計防跑火槽結構，方案結構見圖11。

圖11 砂芯防跑火槽結構

3.2.4 螺桿卡緊及卡箱結構

砂芯組芯工序完成后，為了防止在金屬液浮力的作用下產生漲箱，需要在砂芯中設計螺桿卡緊樹結構，并且在上部的砂芯中，設計出槽鋼的卡緊位置，方案結構見圖12。

圖12 砂芯卡緊結構

4 生產驗證

按照此工藝設計，不僅操作簡單、生產效率高，也提高了鑄件的質量，鑄件成品見圖13。

圖13 鑄件成品

5 結束語

結合3D 打印鑄造工藝設計方法，簡化了生產過程工序，有效的改善了鑄件質量，為此類分度臺類鑄件生產提供了成熟技術方案。