吕三雷1，司金梅1，陈菊意2，孔软芹1
(1.河南平原光电科技有限公司，河南 焦作 454000；2.河南平原光电有限公司，河南 焦作 454001)
摘 要：复杂内腔铸件造型困难，内腔造型材料不易清理，一直是铸造生产的难点。针对多油路管道的泵体类铸件，应用三维造型软件对铸造工艺进行设计，运用数值模拟技术对工艺方案进行仿真，通过3D打印成型砂型、砂芯，完成了符合要求的复杂内腔泵体铸件的生产。
关键词：3D打印；泵体；数值模拟
3D打印技术是一种快速成型技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。其具有响应速度快、制造周期短、灵活性高、稳定性好、砂型/砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状等优点[1-3]。其不仅适用于快速整体制造曲面复杂、线型多变且难以加工的砂型(芯)，而且也适用于新产品研制、产品的改进改型及产品铸造工艺方案验证等，符合现代及未来工业制造的发展趋势[4]。
泵体类铸件内腔复杂、管路多。采用传统的砂型铸造技术，砂芯尺寸精度低，表面粗糙度高，型腔形状复杂，造型困难，难以满足复杂油路管道铸件的要求。3D打印砂型不受形状限制，可制造出任意复杂形状砂芯和砂型，将3D打印技术应用于泵体类铸件，可提高铸件质量，缩短周期。
1.1 铸件工艺性分析
多油路管道的泵体铸件如图1所示。其材料为ZL114A，铸件外形轮廓尺寸为120 mm×120 mm×160 mm，内腔管道壁厚平均为4 mm，铸件最大壁厚为17 mm。符合HB963 Ⅱ类铸件要求，尺寸精度满足GB/T 6414—1999 CT8，管内不能有铸瘤。
图1 多油路管道的泵体铸件
1.2 铸造方法的确定
泵体铸件采用熔模铸造工艺，尺寸精度较好，但复杂内腔的制壳和造型材料清理较困难；采用砂型铸造工艺，内腔清理容易，需要解决的问题为尺寸精度和表面质量。综合分析，决定采用砂型3D打印的工艺方法，其尺寸精度高于一般的砂型铸造，接近于熔模铸造水平，且3D打印可成型复杂形状，造型容易，可保证尺寸精度及表面粗糙度。
1.3 浇注工艺设计
1.3.1 内浇口浇注位置的确定
图2 内浇口浇注位置示意图
确定内浇口浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量、尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。根据确定浇注位置的一般原则，选定底面为内浇口浇注位置(见图2)。
1.3.2 浇注系统的设计
根据铝合金特性，采用底注开放式浇注系统，采用蛇形浇道，液流平稳，可减少冲击和紊流产生。根据计算和经验，初步设计的浇注系统如图3所示，冷铁如图4所示。
图3 浇注系统 图4 冷铁
1.3.3 浇注温度的确定
在确保铸件成型的前提下，浇注温度应选择较低的温度，这样可以降低金属液的吸气和收缩，减少铸件缩松缩孔、变形扭曲等缺陷，但此铸件平均壁厚较薄，在浇注过程中降温快，凝固速度快，会造成浇不足、冷隔等缺陷；因此，确定具体浇注温度时，仍需考虑铸件的结构、大小、壁厚以及合金种类，做出合适的选择[5]。根据上述原则，选择浇注温度为730 ℃，铸型温度为室温。
2.1 工艺模拟结果
铸件充型分别为25%、50%、75%和100%时的状态图如图5所示。从图5可以看出，金属液由内浇道非常平稳地进入型腔，没有飞溅产生。图5b和图5c显示，金属液在型腔内充型非常平稳，说明浇注系统设计在充型方面比较合理，减少了金属液飞溅、冲刷而带来的氧化夹杂等缺陷，有利于提高铸件内部质量。
图5 充型过程状态图
铸件凝固25%和50%时的凝固过程状态图如图6所示。由图6可以看出，铸件从中部及浇口背面首先凝固。图示A区域为内浇口引入区，温度高，凝固慢，有可能产生缩松缩孔缺陷。
图6 凝固过程状态图
缺陷位置模拟结果如图7所示。图7中A区域为过热形成的缺陷，因此需要调整内浇口位置。铸件上存在其他热节，可以通过调整冷铁位置及数量控制凝固顺序。
2.2 工艺优化后模拟结果
根据上述模拟结果，优化浇注系统(见图8)，包括：1)减小内浇道截面积，使内浇道绕过过热区A区；2)在B处增加一个暗冒口，以利于补缩内浇道处的过热区。调整冷铁的位置，且在热节处增加冷铁，加快下部铸件的冷却，以便使铸件下部先冷却，形成顺序凝固。优化后的冷铁如图9所示。
图7 缺陷位置模拟结果
图8 优化后的浇注系统 图9 优化后的冷铁
优化后铸件凝固分别为25%、50%、75%和100%时状态图如图10所示。由图10可以看出，铸件基本是自下而上顺序凝固，图示A区域在顺序凝固下首先凝固，没有过热，说明优化后浇注系统及冷铁安放位置有利于补缩，可防止缩松、缩孔缺陷产生。
图10 优化后凝固过程状态图
优化后缺陷产生位置模拟结果如图11所示。由图11可以看出，大部分铸造缺陷存在于冒口、暗冒口和浇道内，而铸件上的缺陷对铸件影响较小。说明优化后工艺设计成功地将缺陷引到了浇注系统里，从而避免了铸件上产生较大缺陷。
图11 优化后缺陷位置
2.3 砂芯、砂型设计及打印
2.3.1 砂芯设计
砂芯三维图如图12所示。由于铸件结构复杂，管道多，造型困难，故采用3D打印的方法打印出砂芯(见图13)。打印砂芯时，设计的砂芯底座可增强芯子强度及便于安放；设计的支承筋便于打印。
图12 砂芯三维图 图13 3D打印砂芯
2.3.2 砂型设计
设计好的砂型分解如图14所示。砂型共分为5块(见图14a)。考虑到经济效益，打印的砂型冒口后期可采用人工造型增加冒口高度。
图14 砂型
2.4 生产实践
在生产中，由于3D打印砂型价格昂贵，考虑到经济效益，只打印成型部分，外围用树脂砂增厚，人工造型增加冒口高度。生产过程如图15所示，首先安放冷铁，刷涂料；然后合箱(见图15a)，将增高的冒口置于砂型上(见图15b)，增加排气通道(见图15c)，周围填砂，进行浇注。
图15 生产过程
泵体类铸件内腔结构复杂，传统砂型铸造技术难以满足铸件技术要求。将3D打印与数值模拟相结合的优化工艺设计，可提高铸件成品率，缩短制造周期，提高经济效益。
参考文献
[1] 刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] 杨力.覆膜砂选择性激光烧结材料及成型工艺的研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
[3] Lin F，Sun W，Yan Y N.A decomposition accumulation mode for layered manufacturing fabrication[J]. Rapid Prototyping Journal，2001，7(1):24-31.
[4] 李偲偲. 基于 SLS 覆膜砂型(芯)的镁合金快速铸造工艺研究[D].南昌：南昌航空大学，2014.
[5] 李弘英，赵成志.铸造工艺设计[M].北京：机械工业出版社，2005.
LYU Sanlei1, SI Jinmei1, CHEN Juyi2, KONG Ruanqin1
(1.Henan Pingyuan Optical & Electral Science and Technology Co., Ltd., Jiaozuo 454000, China;2.Henan Pingyuan Optical & Electral Co., Ltd., Jiaozuo 454001, China)
Abstract： The complex internal cavity casting is difficult in molding and it is difficult to clean the cavity molding materials. These are difficulty in casting production. The casting process of pump body casting with multi oil pipeline is designed by 3D modeling software. The numerical simulation technology is used. And the sand mould and core are finished through 3D printing, completing the production of complex internal pump castings which meet the requirements.
Key words: 3D printing, pump body, numerical simulation
中图分类号：TG 249.5
文献标志码：A
作者简介：吕三雷(1970-)，男，高级工程师，主要从事铸造工艺和技术等方面的研究。
收稿日期：2017-07-13
责任编辑 郑练
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