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

來源：特種鑄造
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）,。

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,�,？梢钥闯觯�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為隨爐試樣的力學性能,，符合GB/T1173-2013,。

圖13　隨爐試樣結(jié)構(gòu)

鑄件軸孔及安裝凸臺處沒有縮松、縮孔,、裂紋等缺陷,，但鑄件底面組織縮松。該處壁厚為14.5 mm,，澆口較多,，局部過熱導致產(chǎn)生縮松。后續(xù)可通過放置冷鐵,，增大過冷度進行改善,。

圖14　鑄件X光檢測結(jié)果

表4為首次工藝試制的3件鑄件的檢測結(jié)果。由于球形面型芯變形上移與砂型外形接觸貼合,，導致鑄件球形面周圍壁厚不均,，甚至局部無壁厚，SR217處尺寸超差,，底面組織縮松,，不滿足標準要求，需要進一步優(yōu)化澆注系統(tǒng)工藝,，改進砂型結(jié)構(gòu),。

4　工藝優(yōu)化及實踐
根據(jù)鑄件生產(chǎn)實踐及結(jié)果分析，從鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、增加冷鐵,、砂型結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進行改進。將4個工藝孔尺寸從ϕ10 mm修改為2個ϕ20 mm和2個ϕ14 mm,，增加砂芯強度,，另外4個ϕ20 mm的工藝孔保持不變，最終工藝孔為6個ϕ20 mm和2個ϕ14 mm,。

圖15　優(yōu)化后的工藝孔

在底面增加10塊冷鐵,，冷鐵厚度為15 mm。底部增加冷鐵后,，缺陷消失,。

圖16　底面增加冷鐵

圖17　優(yōu)化后縮松,、縮孔缺陷位置

對砂型結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后砂型結(jié)構(gòu)仍是三箱,。優(yōu)化砂型減重方式,，修改分型面，設(shè)置中箱接觸面A與下箱的配合間隙為1 mm,，其他分型面與下箱配合間隙為0.5 mm,。優(yōu)化后，澆注時下箱受到金屬液的沖擊力不僅通過接觸面A傳遞到中箱,，也通過接觸面M,、N傳遞到中箱B、C砂型,，分散接觸面A所受的力,。

圖18　優(yōu)化后砂型結(jié)構(gòu)

1.上箱　2.中箱　3.下箱　4.砂型減重　5.砂型加強筋　6.定位子扣

根據(jù)優(yōu)化后工藝及砂型結(jié)構(gòu)，重新3D打印砂型,，并進行低壓澆注,。對澆注后的首件鑄件外觀完整，外表面無冷隔,、裂紋,、縮孔等缺陷，鑄件無少肉現(xiàn)象,。首件鑄件尺寸符合DCTG7 GB/T6414-2017,，高于圖紙要求的DCTG 8 GB/T6414-2017尺寸精度。

圖19　優(yōu)化后3DP砂型

圖20　優(yōu)化工藝生產(chǎn)鑄件

在鑄件底面增加10塊冷鐵后,，底面冷卻速度加快,，組織無縮松缺陷。表6為優(yōu)化后鑄件檢測結(jié)果,，可見優(yōu)化后鑄件檢驗合格,，滿足GB/T 9438-2013 II 類鑄件要求。

圖21　優(yōu)化后首件鑄件X光檢測結(jié)果

采用此工藝批量生產(chǎn),，經(jīng)檢驗,，鑄件符合標準要求。

圖22　批量生產(chǎn)的鑄件

【主要結(jié)論】

（1）采用鑄造工藝模擬,、3DP砂型,、低壓鑄造工藝，快速完成了橋型支架鑄件的生產(chǎn),，橋型支架鑄件內(nèi)部質(zhì)量達到Ⅱ類 GB/T9438-2013、尺寸精度可達到DCTG7級 GB/T6414-2017,。

（2）對復雜鑄件首先根據(jù)經(jīng)驗進行澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計和工藝模擬,，模擬結(jié)果合格后進行生產(chǎn)試制,，再根據(jù)試制結(jié)果調(diào)整優(yōu)化工藝，鑄件試制成品率較高,。

（3）單件小批量的鑄件生產(chǎn)采用3DP砂型可以快速完成復雜鑄件的生產(chǎn),，質(zhì)量一致性好。

【引用格式】
司金梅,，呂三雷,，李晶晶，等. 基于3DP砂型的橋形支架鑄件鑄造工藝設(shè)計及制造［J］. 特種鑄造及有色合金,，2025,，45（1）：130-135.

SI J M，LÜ S L ,，LI J J,，et al. Casting process design and manufacturing of bridge bracket based on 3DP sand mold［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025,，45（1）：130-135.