機床立柱3D 打印鑄造工藝優化及工藝研究

陳 龍，王立春，郭亮，王世琴，薛正軍

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

立柱是立式五軸加工中心的主要零部件。圖1為立柱結構圖，材質為HT300，鑄件重1 189 kg.此類立柱鑄件結構為三角形，并且鑄件上、下面均有要求較高的部件工作面，鑄件鑄造頂面有主要加工面，且加工精度高，要求加工面不允許有夾砂、氣孔、夾渣、縮松等質量問題。前期通過工藝改進，其他缺陷得到了很好的控制，但是頂面滑道座處渣氣孔，砂眼、組織疏松問題依然存在，廢品率90%以上。為此主要從鑄造工藝方面進行了改進，取得了很好的效果，廢品率降到5%.

圖1 立柱結構圖

此立柱內部結構復雜使用傳統的造型方式無法實現造型，所以只能采用3D 打印設備，使用增材制造技術將三維立體模型直接通過3D 打印的方式制作出來，選擇性噴射粘結用樹脂的操作，就實現了極為復雜的幾何結構的制作。與傳統鑄造相比3D 打印砂芯不需要考慮模具制造問題，可以成型復雜的砂芯結構，因此很容易實現修改后的工藝，通過3D 打印的工藝手段實現型與芯進行重組優化。

1 原工藝及鑄件質量問題分析

1.1 原鑄造工藝方案

原工藝如圖2 所示，原方案中澆注系統在小端，從導軌側面充型，3D 芯子可以直接打印帶出澆注系統，高精滑動座朝上，導軌面為分型面。

圖2 立柱原工藝方案

1.2 原工藝方案的主要缺點

原鑄造工藝存在的問題：1）頂面滑動座容易出現夾渣、夾砂、氣孔等鑄造缺陷；2）內澆道在導軌側面，容易沖砂；3）澆注后期頂流容易在內澆口處進入熔渣，造成內澆口處夾渣缺陷；4）側沖充型時容易卷氣，造成鑄件氣孔缺陷；5）內澆道在小頭，鐵水流動最遠距離長，造成最遠處溫度較低，鐵液的流動性變差，不利于鐵液中的氣體和非金屬夾雜物等上浮，易形成渣氣孔等鑄造缺陷。

對原工藝生產的鑄件表面進行PT 檢查發現點狀渣氣孔缺陷，如圖3 所示。

圖3 立柱原工藝方案主要缺陷圖

1.3 原工藝方案模擬分析

對原工藝進行MAGMA 軟件模擬分析發現：將澆注溫度設置為1 370 ℃，充型結束時，頂面澆注遠端滑動座處溫度場為1 304 ℃，溫度場較低，對鐵液的流動性有影響，不利于鐵液中含有的氣體和非金屬夾雜物的上浮，易導致鑄件渣氣孔，如圖4 所示。

圖4 立柱原工藝充型溫度場

對充型過程中的粒子流進行模擬分析，發現粒子前期流動紊亂，內澆口進流鐵水有渦旋狀，容易造成渣氣孔，如圖5 所示。

圖5 原工藝方案粒子流充型模擬

2 工藝優化后方案

依據生產實踐結合MAGMA 軟件模擬結果，需要優化澆注系統設計，改變型腔內鐵水流速和流動方向，使型腔內鐵水平穩上升，縮短鐵水最大流動距離，澆注溫度為1 370 ℃時，確保鑄型內鐵液整體溫度場均勻，保證滑道座頂面充型結束時，整體溫度場較高，以確保頂面渣氣孔上浮。

2.1 改進鑄造工藝方案

為了縮短鐵水最大流動的距離，優化澆注系統。優化后的澆注系統如圖6 所示。具體修改方案：1）澆注方案為導軌朝下，將原澆注系統由側沖形式改為底返形式，將內澆道位置改為另一端，距離滑道座最近；2）將直澆道和橫澆道置于大端，確保鑄型內鐵液整體溫度場較為均勻；3）修改澆注系統比例，降低內澆口流速，防止沖砂；4）鑄件頂部設計兩個鴨嘴冒口，保證鑄件補縮量的同時，利于鑄件集渣排氣。

圖6 立柱鑄造工藝改進后示意圖

2.2 改進工藝方案模擬分析

修改工藝后，同條件下，將澆注溫度設置為1 370 ℃，對模型澆注過程進行溫度場模擬，模擬結果如圖7 所示。充型結束時，立柱頂面滑動座位置的溫度場為1 330 ℃，頂面滑道座處溫度，較原工藝提高了26 ℃.

表1 澆注系統比例對照表

圖7 立柱改進工藝溫度場模擬

對改進后工藝方案進行粒子流充型模擬分析，模擬結果如圖8 所示。分析發現粒子進流前期，無明顯飛濺紊流狀態，流動較原工藝有所改進。

圖8 改進工藝方案沖型模擬

3 生產驗證

全部砂芯通過3D 打印設備進行打印造型，打印后清理散砂，流涂烘干。按照順序，分別將砂芯組合在一起即形成鑄件完整型腔，周圍用樹脂砂填埋緊實，進行澆注，澆注溫度1 370 ℃～1 390 ℃，澆注時間35 s～50 s，澆注過程正常。生產驗證5 件，鑄件頂面干凈，無缺陷，PT 后未發現缺陷。后投入批量生產。

4 結論

1）對立柱類頂面結構有重要滑動座，不允許鑄件表面有夾砂、氣孔、夾渣、縮松等質量問題的鑄鐵件，在澆注過程中要保證滑動座頂面溫度場，一般低于1 320 ℃；

2）計算機虛擬工藝設計結合3D 打印技術，可便捷鑄造研發，減少新產品開發以及新工藝驗證實驗時間，提高首件設計成功率，降低生產驗證成本。