3D打印在復雜鋁合金框架鑄件生產中的應用

馬亮，古良，李鑫，沈達維

陜西黃河集團鑄造分公司 陜西西安 710000

1 序言

Z L205A合金是一種傳統的高強韌鑄造鋁合金，具有非常好的強度、塑性、韌性和耐蝕性，因此在武器制造領域應用廣泛，經常被用于鑄造大型結構件和受力構件，用于代替某些鍛件，降低產品重量，減少生產周期。但由于該合金為鋁銅系合金，結晶溫度范圍寬，以粥狀方式凝固，鑄造性能不良，流動性較差，在結晶時補縮不良而易產生疏松、氣孔、澆不足及針孔等鑄造缺陷[1]。由于大多ZL205A鑄件多用作受力結構件，所以導致該類鑄件結構極其復雜，壁厚不均勻，給鑄造生產帶來了極大挑戰。適合的短距離補縮的工藝經常由于受模具結構和分型的影響，導致工藝不能完全實現，需要根據模型結構進行舍棄，進而造成鑄件易產生鑄造缺陷。

鋁合金鑄件生產方式主要采用傳統鑄造模式進行生產[2]，傳統砂芯鑄造的工藝流程為：工藝設計→模具生產（木模、塑料模、金屬模）→混砂→造型制芯→熔煉→澆注→清理。木模制芯適用于結構相對簡單及精度不高的零件制造，塑料模、金屬模制芯適用于批量較大及精度較高的零件制造，但成本太高，且不適合研制階段及小批量產品的制造。隨著信息化制造的發展，以及3D打印的工業化實現，讓困擾鑄件生產的諸多問題得到解決。但由于3D打印的成本過高，現階段不適用于大批量生產，只是應用于小批量復雜鑄件及部分鑄件的工藝試制生產。3D打印砂型的生產流程[3]主要是：首先，鑄造企業根據三維零件模型，由鑄造工藝師直接對三維零件模型進行二次設計，即設計出三維鑄件模型及其澆注系統；其次，優化完成后，鑄造工藝師將利用三維鑄件模型及澆注系統做出三維砂芯模型并應用3D打印機直接打印出砂芯；最后，打印好的砂芯由傳送設備直接運轉至砂芯打磨工位，經人工檢驗、修整、噴涂及烘干后進行組芯合箱，然后進行澆注。

組芯前的所有工藝設計、優化等工作都在計算機內完成，節省了反復工藝試驗及修改模型的時間，因此工作效率較以往的紙面工藝有了質的飛躍，而且減少了人為因素的干擾，出錯率可顯著降低。

2 產品結構及技術要求

框架鑄件重量約為270kg，材料為鑄造鋁合金ZL205A，按GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》中Ⅱ類鑄件驗收，尺寸精度滿足GB/T 6414—2017《鑄件 尺寸公差、幾何公差與機械加工余量》規定的的DCTG10級要求。鑄件輪廓尺寸為長1322mm、寬786mm、高672mm，鑄件最薄處6mm，最厚處62mm。鑄件尺寸大，結構復雜，型面多變，如圖1、圖2所示。該框架鑄件結構復雜，腔體類結構較多，有15個內腔，又采用高強度ZL205A鋁合金材料，雖然力學性能好，但鑄造性能差，合金收縮應力大，在凝固收縮階段極易產生裂紋及縮松缺陷，使鑄件整體生產難度增大。

圖1 成品零件

圖2 鑄件

該鑄件要求生產周期為30天，且產品質量要求極高，部分區域質量按GB/T 9438—2013中的Ⅰ類鑄件驗收，按照現有工藝及生產能力，很難在預期時間內完成交付，且產品質量也很難達到要求。

3 結構分析

1）該鑄件屬于大型復雜鑄件，鑄件內部有多個腔體，每個腔體有多層薄壁隔板，因此鑄造分型復雜。若采用先木模后鑄造的傳統生產方式，木模制造非常困難，且生產周期最少需要3個月。另外，在制作過程中，一旦模型尺寸出現誤差，鑄件尺寸則不合格。

2）該鑄件壁厚不均勻，相連壁厚之間差異較大，且該合金流動性較差，極易在連接部位產生縮松、裂紋等缺陷。

3）該鑄件不僅輪廓尺寸大，內腔尺寸也大，因此鑄件在凝固過程中的收縮與變形很難控制，極易造成內腔或壁厚尺寸超差。

4）該鑄件工藝冷鐵種類較多（100多塊），且砂芯種類也較多，因此操作工人鑲嵌時很難區分冷鐵具體位置。

5）該鑄件由于重量太大，不可能采用人工重力澆注，必須使用低壓鑄造設備澆注，但該鑄件一方面水平面積太大，在保壓階段抬箱力非常大；另一方面，如果采用木模，會導致砂芯數量較多，達到22個芯盒，砂芯組合后整體結構比較松散，因此極有可能發生“跑火”的生產事故，造成設備無法使用，損失巨大。

4 鑄造工藝方案制定

根據上述分析，該鑄件采用低壓鑄造進行生產，使鑄件在壓力下充型、凝固，以最大限度減少鑄件充型及凝固過程中出現缺陷的風險[4]。為保證澆注系統實現符合順序凝固條件，鑄件澆注系統設計就顯得極為復雜。現使用3D打印砂型的快速鑄造工藝進行該框架的生產，具體措施如下。

1）為了避免傳統鑄造方法帶來的困難，決定采用3D打印砂芯進行鑄造，由原來傳統的22個木模砂芯減少到12個3D打印砂芯（見圖3），這樣既保證了鑄件的尺寸和質量，又減少了因分型面過多而引起的尺寸超差及生產安全風險，同時提高了鑄件表面質量，且70%的鑄件表面由加工面改為不加工面，同時為后續機加工節約了時間和成本。

圖3 砂芯組合

2）為保證鑄件各個部位能夠充分補縮，采用縫隙式澆注方式，12處立柱同時澆注，且隨鑄件曲面外形進行澆注，下底面通有多處內澆道，以便補縮[5]，如圖4所示 。

圖4 澆注系統

圖5 砂芯冷鐵編號圖

3）開展鑄造試驗，準確測定ZL205A鑄件（長1322mm）在有阻收縮情況下的收縮比例與變形情況。在易變形部位增加工藝防變形拉筋。

4）將每個砂芯中不同冷鐵槽按冷鐵種類進行編號（圖見5），然后將每種冷鐵分類，在每塊冷鐵模型上刻號。且冷鐵用對口箱的方法鑄造，鑄造出來的冷鐵進行打磨，最后進行使用。

5）將組合好的砂芯用鐵絲緊固，防止發生“跑火”事故。

5 結果分析

1）按上述方案進行生產，一次澆注成形，經劃線檢查后尺寸全部合格，符合圖樣要求；經X射線檢測，該鑄件內部質量達到了II類鑄件的要求， 如圖6所示。

圖6 鑄件機加后狀態

2）傳統鑄造工藝生產與3D打印砂芯信息化鑄造工藝生產成本對比見表1。

表1 傳統鑄造與3D打印砂芯鑄造生產成本對比（萬元）

由表1可看出，此次工藝革新成功直接為公司節約成本近10萬元，同時為后續機加費用節約成本近3萬元，生產周期縮短為1個月。

6 結束語

1）通過對3D打印砂型技術和低壓鑄造的結合應用，將原來傳統的22個木模砂芯減少到12個3D打印砂芯，不僅保證了鑄件的尺寸，極大地提升了表面和內在質量，同時降低了后續的機械加工成本。

2）經劃線及三坐標檢測，該鑄件符合G B/T 9438—2013中的Ⅱ類鑄件的技術要求，尺寸精度局部可達CT9級，整體滿足CT10級。經X射線檢測，內部質量符合圖樣要求。

3）3D打印設備直接打印出高精度的砂芯，一方面節省了模型費用及制模時間，另一方面提高了砂芯精度及生產效率，同時還減少了人力投入，降低了材料損耗。相對于傳統鑄造模式，3D打印砂芯鑄造模式實現了無圖樣、無污染、減人工，以及信息化、高柔性、快速制造的生產方式。