机床立柱3D 打印铸造工艺优化及工艺研究

陈 龙，王立春，郭亮，王世琴，薛正军

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

立柱是立式五轴加工中心的主要零部件。图1为立柱结构图，材质为HT300，铸件重1 189 kg.此类立柱铸件结构为三角形，并且铸件上、下面均有要求较高的部件工作面，铸件铸造顶面有主要加工面，且加工精度高，要求加工面不允许有夹砂、气孔、夹渣、缩松等质量问题。前期通过工艺改进，其他缺陷得到了很好的控制，但是顶面滑道座处渣气孔，砂眼、组织疏松问题依然存在，废品率90%以上。为此主要从铸造工艺方面进行了改进，取得了很好的效果，废品率降到5%.

图1 立柱结构图

此立柱内部结构复杂使用传统的造型方式无法实现造型，所以只能采用3D 打印设备，使用增材制造技术将三维立体模型直接通过3D 打印的方式制作出来，选择性喷射粘结用树脂的操作，就实现了极为复杂的几何结构的制作。与传统铸造相比3D 打印砂芯不需要考虑模具制造问题，可以成型复杂的砂芯结构，因此很容易实现修改后的工艺，通过3D 打印的工艺手段实现型与芯进行重组优化。

1 原工艺及铸件质量问题分析

1.1 原铸造工艺方案

原工艺如图2 所示，原方案中浇注系统在小端，从导轨侧面充型，3D 芯子可以直接打印带出浇注系统，高精滑动座朝上，导轨面为分型面。

图2 立柱原工艺方案

1.2 原工艺方案的主要缺点

原铸造工艺存在的问题：1）顶面滑动座容易出现夹渣、夹砂、气孔等铸造缺陷；2）内浇道在导轨侧面，容易冲砂；3）浇注后期顶流容易在内浇口处进入熔渣，造成内浇口处夹渣缺陷；4）侧冲充型时容易卷气，造成铸件气孔缺陷；5）内浇道在小头，铁水流动最远距离长，造成最远处温度较低，铁液的流动性变差，不利于铁液中的气体和非金属夹杂物等上浮，易形成渣气孔等铸造缺陷。

对原工艺生产的铸件表面进行PT 检查发现点状渣气孔缺陷，如图3 所示。

图3 立柱原工艺方案主要缺陷图

1.3 原工艺方案模拟分析

对原工艺进行MAGMA 软件模拟分析发现：将浇注温度设置为1 370 ℃，充型结束时，顶面浇注远端滑动座处温度场为1 304 ℃，温度场较低，对铁液的流动性有影响，不利于铁液中含有的气体和非金属夹杂物的上浮，易导致铸件渣气孔，如图4 所示。

图4 立柱原工艺充型温度场

对充型过程中的粒子流进行模拟分析，发现粒子前期流动紊乱，内浇口进流铁水有涡旋状，容易造成渣气孔，如图5 所示。

图5 原工艺方案粒子流充型模拟

2 工艺优化后方案

依据生产实践结合MAGMA 软件模拟结果，需要优化浇注系统设计，改变型腔内铁水流速和流动方向，使型腔内铁水平稳上升，缩短铁水最大流动距离，浇注温度为1 370 ℃时，确保铸型内铁液整体温度场均匀，保证滑道座顶面充型结束时，整体温度场较高，以确保顶面渣气孔上浮。

2.1 改进铸造工艺方案

为了缩短铁水最大流动的距离，优化浇注系统。优化后的浇注系统如图6 所示。具体修改方案：1）浇注方案为导轨朝下，将原浇注系统由侧冲形式改为底返形式，将内浇道位置改为另一端，距离滑道座最近；2）将直浇道和横浇道置于大端，确保铸型内铁液整体温度场较为均匀；3）修改浇注系统比例，降低内浇口流速，防止冲砂；4）铸件顶部设计两个鸭嘴冒口，保证铸件补缩量的同时，利于铸件集渣排气。

图6 立柱铸造工艺改进后示意图

2.2 改进工艺方案模拟分析

修改工艺后，同条件下，将浇注温度设置为1 370 ℃，对模型浇注过程进行温度场模拟，模拟结果如图7 所示。充型结束时，立柱顶面滑动座位置的温度场为1 330 ℃，顶面滑道座处温度，较原工艺提高了26 ℃.

表1 浇注系统比例对照表

图7 立柱改进工艺温度场模拟

对改进后工艺方案进行粒子流充型模拟分析，模拟结果如图8 所示。分析发现粒子进流前期，无明显飞溅紊流状态，流动较原工艺有所改进。

图8 改进工艺方案冲型模拟

3 生产验证

全部砂芯通过3D 打印设备进行打印造型，打印后清理散砂，流涂烘干。按照顺序，分别将砂芯组合在一起即形成铸件完整型腔，周围用树脂砂填埋紧实，进行浇注，浇注温度1 370 ℃～1 390 ℃，浇注时间35 s～50 s，浇注过程正常。生产验证5 件，铸件顶面干净，无缺陷，PT 后未发现缺陷。后投入批量生产。

4 结论

1）对立柱类顶面结构有重要滑动座，不允许铸件表面有夹砂、气孔、夹渣、缩松等质量问题的铸铁件，在浇注过程中要保证滑动座顶面温度场，一般低于1 320 ℃；

2）计算机虚拟工艺设计结合3D 打印技术，可便捷铸造研发，减少新产品开发以及新工艺验证实验时间，提高首件设计成功率，降低生产验证成本。