基于增材制造砂型的橋形支架鑄件鑄造工藝設計及制造

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計及制造》的文章。該研究由完成，得到了相關項目的資助。文章針對橋形支架鑄件，設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)的鑄件滿足技術要求。

針對橋形支架鑄件，設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砂型設計和反重力低壓鑄造工藝，最終生產(chǎn)的鑄件滿足技術要求。

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構復雜、尺寸精度高、內(nèi)部品質良好等特點。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、雜質少等優(yōu)點而被廣泛應用，但仍然存在一些局限性。3DP砂型技術可以實現(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，鑄造模擬技術能夠對鑄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構和高技術要求，設計了創(chuàng)新的底注加縫隙式澆注系統(tǒng)，有效提高了鑄件的內(nèi)部品質和尺寸精度。運用先進的鑄造模擬技術對工藝進行優(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)提供了新的技術途徑。結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量和性能。

【研究方法】
研究者針對橋形支架鑄件，首先設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，設置澆注溫度為690℃，充型時間為45秒。根據(jù)模擬結果優(yōu)化鑄造工藝，模擬無缺陷后進行3DP砂型設計和3D砂型打印。砂型采用3箱結構，分別是上箱、中箱、下箱，設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計與優(yōu)化
橋形支架鑄件材質為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）。質量為27 kg。軸孔處內(nèi)部品質要求高，不允許有縮松、縮孔、夾砂等缺陷，且鑄件結構復雜，底座下方為中空設計，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)部品質符合Ⅱ類要求（GB/T9438-2013）。

圖1　橋形支架鑄件結構

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。為防止鑄件變形，頂端設計兩處工藝拉筋。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)結構

采用ProCAST軟件對鑄造工藝進行模擬，設置澆注溫度為690 ℃，充型時間為45 s。充型過程溫度場見圖3?？梢钥闯觯辖鹨合葟牡撞烤匦螡部谶M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　砂型設計及打印
砂型采用3箱結構，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劑固定到砂型上；砂芯為一個整體，設計在中箱，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；下箱設計定位芯頭4處，保證砂型定位。鑄造收縮率設為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　砂型結構

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（質量分數(shù)）的變質劑進行變質，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)應改進砂型結構，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)腔底面結構

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中砂型鑄造試樣結構；表3為隨爐試樣的力學性能，符合GB/T1173-2013。

圖13　隨爐試樣結構

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光檢測結果

表4為首次工藝試制的3件鑄件的檢測結果。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，改進砂型結構。

4　工藝優(yōu)化及實踐
根據(jù)鑄件生產(chǎn)實踐及結果分析，從鑄件結構優(yōu)化、增加冷鐵、砂型結構優(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

對砂型結構進行優(yōu)化，優(yōu)化后砂型結構仍是三箱。優(yōu)化砂型減重方式，修改分型面，設置中箱接觸面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)化后砂型結構

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)化后工藝及砂型結構，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)工藝設計和工藝模擬，模擬結果合格后進行生產(chǎn)試制，再根據(jù)試制結果調整優(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.