砂型3D打印技術(shù)對(duì)剎車盤鑄造工藝的優(yōu)化

游志勇，張 鵬，孫 戰(zhàn)，蔡來(lái)強(qiáng)，張 拓

（太原理工大學(xué)，山西太原 030024）

砂型3D打印技術(shù)對(duì)剎車盤鑄造工藝的優(yōu)化

游志勇，張 鵬，孫 戰(zhàn)，蔡來(lái)強(qiáng)，張 拓

（太原理工大學(xué)，山西太原 030024）

通過比較噴墨砂型3D打印技術(shù)鑄造工藝和傳統(tǒng)砂型鑄造工藝生產(chǎn)風(fēng)道剎車盤的不同，展示噴墨砂型3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及對(duì)鑄造工藝的優(yōu)化。

噴墨砂型3D打印技術(shù)；風(fēng)道剎車盤；鑄造工藝；Creo2.0

3D打印技術(shù)作為近年來(lái)熱門的高新技術(shù)，在鑄造行業(yè)中已經(jīng)有了很多的應(yīng)用，并開發(fā)研制出了相關(guān)的3D打印產(chǎn)品與服務(wù)，主要集中在直接打印金屬產(chǎn)品和快速制造鑄型方面[1]。本文采用的砂型3D打印技術(shù)是3D打印技術(shù)在快速制造鑄型方面的應(yīng)用。

1 零件的結(jié)構(gòu)及鑄造要求

風(fēng)道剎車盤的三維效果圖如圖1所示，材質(zhì)是HT250，其輪廓尺寸為285 mm×285 mm×45 mm，鑄件的金相組織要均勻，外輪廓全都要機(jī)加工，精加工后不得有氣孔、縮松、砂眼的任何鑄造缺陷。鑄造收縮率為1.0%。機(jī)械加工余量為：大平板3.5 mm，側(cè)面2.5 mm，底面2.5 mm。

圖1 風(fēng)道剎車盤三維效果圖

2 兩種鑄造工藝的相同之處

圖2為兩種鑄造工藝選擇的分型面，該剎車盤水平放置，水平分型，中心采用整體砂芯形成鑄件的內(nèi)部表面及風(fēng)道。這樣放置既可以降低砂箱高度，又方便起模，利于下芯，而且澆注系統(tǒng)設(shè)置方便。圖3為澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、澆注位置和分型面，可選擇壓邊澆口頂注式澆注系統(tǒng)，并且是封閉式的。該澆注系統(tǒng)的壓邊澆口的壓邊縫隙為阻流斷面，所有的澆道都能充滿，具有良好的擋渣能力，能避免氣體卷入，而且節(jié)省金屬，方便清理。直澆道位于鑄件的正上方，兩個(gè)壓邊澆口對(duì)稱分布于鑄件上方，壓邊澆口與鑄件由一條縫隙連接。另外，由于本鑄件是圓盤件，使用兩條中心對(duì)稱的弧形的內(nèi)澆道將壓邊澆口與直澆道相連，這樣可以保證鑄件兩側(cè)對(duì)稱充型，并使液流環(huán)形平穩(wěn)的流入鑄件，減少金屬液對(duì)型壁的沖擊。兩個(gè)壓邊澆口還可以起到補(bǔ)縮的作用，防止縮松、縮孔等缺陷。

圖2 分型面

圖3 澆注系統(tǒng)

兩種鑄造工藝在分型面選擇、澆注系統(tǒng)等方面是相同的，但是在其它部分的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出不同。

3 傳統(tǒng)鑄造工藝

3.1 砂芯的設(shè)計(jì)

圖4為傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的砂芯的三維模型圖。砂芯要有良好的透氣性，對(duì)鑄件收縮的可退讓性，良好的強(qiáng)度，能承受輕微的沖擊和金屬液流的沖刷。

根據(jù)風(fēng)道剎車盤鑄件的結(jié)構(gòu)分析，本次設(shè)計(jì)的砂芯為整體砂芯，下芯時(shí)，整個(gè)砂芯利用設(shè)置在風(fēng)道部分位置的水平環(huán)形芯頭固定在鑄型中。

圖4 砂芯

3.2 模樣的設(shè)計(jì)

圖5為傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)的模樣的三維模型圖。模樣必須具有合適的強(qiáng)度、剛度及足夠的尺寸精度和表面質(zhì)量，這樣才能形成滿足鑄造工藝要求的型腔。本次設(shè)計(jì)的風(fēng)道剎車盤鑄件，中間的風(fēng)道部分要使用砂芯才能成型，所以在這個(gè)部位設(shè)置有芯頭，用來(lái)將砂芯安裝固定在鑄型中。

圖5 模樣

3.3 模板的設(shè)計(jì)

模板是將模樣、澆冒口系統(tǒng)模與模底板通過螺釘、螺栓、定位銷等定位緊固件裝配成整體的造型工具。采用模板造型可以形成精度很高的型腔尺寸，而且操作簡(jiǎn)單，造型方便，能夠提高造型效率。圖6、圖7分別是上模板和下模板。

圖6 上模板

圖7 下模板

3.4 砂箱的設(shè)計(jì)

砂箱本體材料選擇HT250或者是QT400-15，定位緊固裝置選用45鋼。砂箱輪廓尺寸的確定，主要根據(jù)鑄件的鑄造工藝圖(或模樣)、澆冒口系統(tǒng)的布置，再加上適當(dāng)?shù)某陨傲縼?lái)確定。

圖8為合箱圖。將整個(gè)的模樣放置在合型的砂箱中，表示在傳統(tǒng)工藝中，鑄型已經(jīng)準(zhǔn)備好澆注。

圖8 合箱圖

無(wú)論是應(yīng)用了噴墨砂型3D打印技術(shù)的鑄造工藝，還是傳統(tǒng)的鑄造工藝，對(duì)于零件的前期分析，各種參數(shù)的選取和設(shè)置，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)過程都是必不可少的，這些過程在兩種鑄造工藝方案中是基本相同的。

4 應(yīng)用砂型3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化

風(fēng)道剎車盤屬于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的小型薄壁鑄件，沒有復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)和特性化的外觀，我們可以在計(jì)算機(jī)三維造型軟件上直接將上型和下型分別設(shè)計(jì)出來(lái)，然后將模型數(shù)據(jù)輸入砂型3D打印機(jī)中整體打印，得到完整的鑄型，然后組裝合型、澆注、冷卻、凝固，就可以得到鑄件了。應(yīng)用砂型3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的上鑄型和下鑄型。

將3D上鑄型與3D下鑄型組裝合型，得到可以用于澆注的整體鑄型，如圖9。

圖9 合型圖

5 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)工藝需要設(shè)計(jì)制作模具，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，生產(chǎn)成本是很大的。

（2）應(yīng)用砂型3D打印技術(shù)的鑄造工藝方案，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)模板、芯盒、砂箱等工藝裝備，在生產(chǎn)過程中也沒有了制作這些工裝的環(huán)節(jié)，直接使用砂型3D打印機(jī)打印鑄型，能大大節(jié)省生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

砂型3D打印技術(shù)是快速、無(wú)?；圃焐靶秃蜕靶镜母咝录夹g(shù)，應(yīng)用砂型3D打印技術(shù)的鑄造工藝，不需要另外的技術(shù)支持就能夠與傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝完美的兼容[2]。砂型3D打印機(jī)以呋喃樹脂砂為材料打印出來(lái)的砂型和砂芯，具有和傳統(tǒng)樹脂砂工藝制作的砂型和砂芯相近的強(qiáng)度、透氣性、發(fā)氣量等性能指標(biāo)[3]。具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 傅駿，王澤忠，方輝，殷國(guó)富.3D打印技術(shù)及其在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].中小企業(yè)管理與科技,2014，03:299-300.

[2] 楊永泉，劉文輝，金天拾.噴墨砂型三維打印技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體試制上的應(yīng)用[C].//朱家輝.2014中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集.北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2014:6.

[3] 楊永泉，劉文輝.噴墨砂型打印技術(shù)淺析[C].2015年中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集,//朱家輝.2015中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集.北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2015:5.

Optimization of the casting technology design on vented brake disc with inkjet sand 3D printing technology

YOU ZhiYong，ZHANG Peng，SUN Zhan，CAI LaiQiang，ZHANG Tuo
(Taiyuan university of technology，Taiyuan 030024, Shanxi ,China)

Through Comparing the difference between inkjet sand 3D printing technology and traditional sand casting process design in manufacturing vented disc brakes,the advantages of inkjet sand 3D printing technology and the optimization of casting process were displayed.

inkjet sand 3D printing technology; vented disc brakes; casting process ;creo2.0

TG242；

A；

1006-9658（2017）02-0011-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.004

2016-08-29

稿件編號(hào):1608-1492

游志勇(1971—），男，博士、副教授. 主要從事鑄造生產(chǎn)工藝技術(shù)研究和教學(xué)工作.