中心架無模鑄造工藝探究

朱向博 熊延明 王軍軍 李金龍 王博昀

（蘭州蘭石超合金新材料有限公司，甘肅 蘭州 730300）

臥式車床中心架是配置在臥式車床上的核心附件，主要負責長軸類、曲軸類零件加工過程中的輔助支撐。在精度和效率方面，常規的數控臥式車床中心架無法滿足高精度軸類零件的加工需求，因此需要設計一種高精度、高效率的數控中心架，能自動夾緊工件，并由光柵尺反饋位置信息，以保證定位精度。在一臺數控臥式機床上可以配置多套中心架，以確保工件定位準確、支撐穩定和裝夾高效。

該文探究的無模砂型成型鑄造工藝技術屬國內領先技術，改變了鑄件生產需要先制作模型的傳統，開創了數字化鑄造、智能制造新模式。應用SolidWorks三維建模與UG數字建模軟件，采用數字化無模鑄造精密成型機加工技術，加工預留出鑄鋼件成型工藝所含的澆冒系統、冷鐵、芯骨、退讓性材料等工藝元素相應位置，再將鋼磚管、冒口所需的保溫套、冷鐵、芯骨、退讓性材料放入加工好的砂型進行組裝、固定，并實施澆注，獲得鑄鋼件產品。

1 產品介紹

中心架鑄件上半質量為158kg，輪廓尺寸為680mm×175mm×150mm；中心架下半質量為762kg，輪廓尺寸為950mm×600mm×680mm，最大壁厚分別為150mm、350mm，平均壁厚為250mm，屬于厚壁型鑄鋼件，具體產品結構如圖1所示[1]。

圖1 中心架產品圖

中心架材料選用ZG45，根據GB/T699《優質碳素結構鋼》標準[2]，選用材料的化學成分見表1。

表1 化學成份（WB/%）

2 鑄造工藝設計

中心架近似“T”形結構，整體壁厚大、壁厚變化小，壁厚均勻，鑄件本身近似同一幾何，模數補縮梯度差，該結構會導致鑄件在凝固過程中自補縮困難，鑄件壁厚大會造成在凝固過程中本體收縮大，成分有偏析傾向，在生產過程中容易出現縮松、縮孔、偏析和夾雜等缺陷。材質屬于碳鋼，鋼液流動性差，凝固收縮大，吸氣性較大。從鑄造工藝的角度出發，上、下中心架將分型面設置在水平中分面較合理（如圖2、圖3所示）。根據模數法計算保溫冒口。冒口設置在中心架交叉處結構厚大部位，以解決凝固補縮的問題。因此，從結構和材質角度進行綜合分析，鑄件易產生縮松、裂紋以及夾渣缺陷，解決該問題是工藝設計的關鍵點。

圖2 中心架上半分型面（mm）

圖3 中心架下半分型面（mm）

2.1 中心架上半冒口工藝設計

中心架上半圖紙最大公稱尺寸為680mm，對照鑄鋼工藝設計指導規范標準GB/T 6414—1999[2]確定加工放量，上為12mm，下、側為9mm，結合此中心架上半實際用途和加工需求，將上、下、側加工放量統一設定為10mm，該材質鋼種收縮率按2%計算。

中心架上半模數為M件，對照鑄鋼工藝設計指導規范，中心架上半結構類似于“十字形桿”。件模數計算如公式（1）所示[3]，結構類型簡圖如圖4所示。

圖4 中心架上半幾何體模數計算結構簡圖

式中：d為等效熱節圓直徑；b為等效桿厚。

其中d=270mm，b=173mm，可求得M件==5.27。參照公式（2）計算明冒口模數[4]。

可得M冒=1.2×5.27=6.3。

查詢直筒型明冒口模數對照表，選用直徑為?250mm的明冒口。

補縮距離類似圖4桿形鑄件冒口的有效補縮距離并進行計算，最大補縮距離為30=395mm（T為鑄件最大厚度），冒口邊緣距鑄件邊緣最大距離為232mm，小于395mm，因此如圖5三維工藝所示，設置冒口并居中放置，對稱補縮，用一個?250mm明冒口即可滿足補縮需求（如圖6所示），冒口最終高度設置如公式（3）所示。

圖5 中心架上半鑄造工藝

圖6 桿形鑄件冒口的有效補縮距離

可求得最終冒口高度為h=1.2×250=300mm，工藝出品率為59.4%。

確定選用冒口大小、高度分別為?250mm×300mm、M冒>M件。經過模數比例校核，所選用冒口是合理的，可保證冒口比鑄件晚凝固以達到補縮效果。澆口位置設置在鑄件冒口底部，保證充型過程中氣體、氧化渣能順利排出。

2.2 中心架下半冒口工藝設計

中心架下半圖紙最大公稱尺寸為900mm，參照鑄鋼工藝設計指導規范標準GB/T 6414—1999[5]，上為14mm，下、側為10mm，結合中心架下半實際用途和加工需求，將加工放量統一設定為10mm，該材質鋼種收縮率按2%計算。

中心架下半模數為M件，對照鑄鋼工藝設計指導規范，中心架下半結構類似立方體或其內切圓柱體、其內切球體。件模數計算如公式（4）所示[3]，結構類型簡圖如圖7所示。

圖7 中心架下半幾何體模數計算結構簡圖

式中：d為等效熱節圓直徑；b為等效桿高度；c為等效板厚。

其中d=216mm，b=360mm，c=155mm，可求得M件參照公式（2）明冒口模數，可得M冒=1.2×7.8=9.4。

查詢直筒型冒口模數對照表[3]，選用直徑為?400mm的明冒口。

圖8 中心架下半鑄造工藝

確定使用冒口大小、高度分別為?400mm×500mm，M冒>M件。經模數比例校核，所選冒口是合理的，可保證冒口比鑄件晚凝固，以達到補縮效果。澆口位置設置在鑄件冒口底部，保證充型過程中氣體、氧化渣能順利排出。

3 數字化仿真模擬

3.1 MAGMA軟件仿真模擬

為確保鑄造工藝設計的合理性，降低生產過程中的缺陷風險，該文對工藝的鑄造過程進行仿真模擬。采用德國模擬軟件MAGMA5.3仿真模擬鑄件凝固過程中的溫度場、固液相分數、凝固孔隙率以及充型溫度場等，并通過porosity、Niyama等判據進行結果分析，為工藝優化提供有效的預測結果。

3.2 初始方案數值模擬結果分析

通過軟件將實際生產過程中的熱物性參數進行設置、模擬。仿真模擬中心架上、下半MAGMA鑄造仿真鑄件凝固過程的縮松結果如圖9所示。模擬結果顯示，在凝固過程中，鑄件最大熱節處沒有出現孤立液相，縮孔、縮松全部轉移到冒口中，凝固通道通暢，鑄件在凝固過程中完成了順序凝固，沒有縮松缺陷。

圖9 中心架上、下半模擬結果

4 造型工藝方案

4.1 方案1——傳統工藝鑄件生產

傳統工藝鑄件生產流程為設計-放樣-備料-排料-制模-造型-下芯合箱-澆注-清理。在鑄造生產中，木模砂型鑄造造型應用最廣泛，具有可鑄造大型和復雜鑄件的優勢。但其制造周期較長、造型工藝復雜、模型砂型易破損、鑄造成本高且不能再次使用，使其制造其他不同特性鑄件受到了局限。因此，隨著現代鑄造技術的發展，一些新型鑄造工藝將逐漸取代傳統工藝鑄件生產。

4.2 方案2——數字化無模工藝鑄件生產流程

數字化無模工藝鑄件生產流程為三維鑄造工藝設計-砂坯準備-無模成型加工-合箱-澆注-清理。從數字化無模工藝角度出發，冒口、澆道口等工藝元素設計使用與方案1同等大小的方案，但中心架造型工藝采用智能制造數字化精密成型機一次加工成型[6]，不需要使用傳統模型。這種工藝鑄造技術可直接制造鑄造用鑄型、型芯或型殼，并能結合傳統鑄造工藝，快速鑄造出復雜金屬零件。

技術創新點如下：1）無模鑄型成型。應用三維工藝數字模型，采用機械加工制作鑄造砂型，使鑄型生產數字化、智能化，改變了傳統鑄造行業采用模型制作砂型的鑄造工藝。2）采用無模加工生產鑄型，生產時間短，成型的鑄型尺寸精度更高。3）可視化生產。傳統的鑄造模型、砂型制作對操作人員的識圖能力要求較高，沒有一定的鑄造工藝知識積累很難勝任。無模鑄造生產工藝整個砂型制作過程應用三維可視立體圖形，易于理解，有利于提高產品的生產效率、產品質量。4）個性化定制。可針對個性化需求建立模型并進行生產，不再需要利用繁雜的圖紙進行設計制造，只需載入設計數據即可完成產品制作。

數字化無模鑄造中心架上、下分型刀路仿真如圖10、圖11所示。

圖10 中心架上半無模鑄造刀路仿真

圖11 中心架下半無模鑄造刀路仿真

4.3 工藝方案比較

中心架上、下半傳統工藝與無模成型工藝比較見表2。1）無模成型成本不到傳統木模制作成本的十分之一，甚至更少，成本優勢明顯。2）進行單件生產時，無模成型工藝的生產周期可比傳統模型造型工藝生產周期縮短2倍以上，能夠高效開發新產品，應對市場。

表2 中心架上、下半傳統工藝與無模成型工藝比較

通過比較，該文優先選用4.2節的方案2。以數字化無模工藝生產一副中心架，型芯數字化加工，取消拔模斜度，提高了零件的成型精度，為設計制造提供了充分自由度。鑄件成型后，通過三維技術進行尺寸比較，采用手持式激光掃描儀掃描后可知中心架尺寸符合設計要求。

5 鑄造工藝設計及方案小結

采用上述鑄造工藝設計及方案取得的效果如下：1）與傳統模造對比，數字化無模造型發揮了其優勢，提高了砂型尺寸控制精度和生產效率。2）比較傳統模型實樣造型方法和數字化無模造型方法可知，數字化無模砂型鑄造方案更適合制造中心架，數字化無模造型工藝方案應用的先進性得到了有效驗證。3）無模成型鑄造技術利用數字化快速成型技術，節約了模型的制作費用，可在較短短時間內得到產品樣件，以便對產品進行快速評價、修改及性能驗證，提升新產品的研發速度，為設計研發提供了有力的技術支撐。4）采用模擬仿真技術手段預測縮松、裂紋和夾渣等缺陷的分布位置，進而優化工藝，在實際生產中提高了產品質量。5）目前無模成型鑄造技術在新產品開發、單件小批量高端產品生產方面應用效果較好。

6 結語

數字化無模鑄造技術能夠快速、準確地制造中心架砂型，簡化了鑄造工藝，并能有效降低成本。數字化無模鑄造技術制造的中心架模型材料易得且可回收，不需要做木制模型，是一種不浪費木材工裝資源且環保的先進制造技術[7]。該文將進一步研究無模成型技術與3D打印技術在鑄造生產方面的結合應用，同時研究無模工藝制作個性化藝術品、生活用品的生產工藝，進一步開拓無模智能制造的應用范圍。