一种双臂立柱铸件质量问题改进工艺研究
2018-08-06苗润青孟庆文
苗润青，孟庆文
（宁夏共享装备股份有限公司，宁夏银川 750021）
FF5000立柱机床件，是加工中心的主要零部件之一。顾客验收要求主要有两点：导轨、地脚板等重要加工面不能出现铸造缺陷；铸造尺寸公差按I S O 8062-1994的C T11级验收，具体产品信息见表1.此铸件主要包括高精导轨、地脚、两侧壁内腔及中间内档，如图1所示。其主要结构特殊性是两侧壁内腔内侧有方孔面，与导轨侧无方门连接，并且整体呈薄片型。在传统模具方法铸造过程中，迫于两侧内腔芯无支撑，需要将高精导轨朝上放置浇注，铸件质量不易保证。且此内腔芯下芯后需要进行标芯，操作难度大。
表1 FF5000立柱产品信息
图1 FF5000立柱三维图
1 原铸造工艺方案、技术难点及分析
1.1 原铸造工艺方案
原工艺有两种方案如图2和图3所示。
方案1：高精导轨朝上，导轨面为分型面，侧壁砂芯标在下砂型。该方案的缺点主要有：1）侧壁芯固定不牢，浇注过程中容易出现晃动，造成呛火；2）导轨朝上，容易出现夹渣、夹砂、呛气孔等铸造缺陷；3）需要造型、制芯、合箱三大工序，并且砂芯数量多，两侧壁芯还需要标芯，操作困难。
图2 FF5000立柱原工艺方案1
方案2：高精导轨放在侧面，侧平面为分型面，合箱时，上、中、下共三层砂芯。该方案的主要缺点是：1）上层芯靠下层芯定位，尺寸控制难度大；2）上层芯靠下层芯支撑，稳定性差，浇注过程中容易由于砂芯晃动出现呛火、夹砂；3）下层芯砂芯内部透气性差，容易出现呛气孔缺陷。
图3 FF5000立柱原工艺方案2
由于此产品侧壁方门只有3个R50 mm的孔，支撑难度大，所以采用方案1进行生产。
1.2 铸件质量及分析
此产品在前期生产中，经过统计，缺陷率和废品率较机床类产品的平均水平分别高出30%和25%，严重影响产品的正常交付。针对此类产品所出现的问题，经过详细的缺陷类型统计，统计结果如表2所示。
表2 缺陷统计表
根据统计数据来看，气孔是缺陷发生的主要原因，经过排查，缺陷100%集中在导轨或导轨附近的非加工面上。
通过分析，铸造工程中，由于侧壁内腔与导轨面无方门，且导轨不能使用芯撑，内腔芯无法支撑，浇注方案只能是导轨朝上，并且若侧壁内腔芯与中间大芯做成整体，芯盒内的筋板料无法撤出，导致侧壁内腔芯薄且独立，在型腔内不能有效固定，在浇注过程中一旦由于间隙过大导致晃动，出现呛火，顶面导轨很大可能出现呛气孔缺陷，甚至导致铸件报废。因此，需要从如何固定两侧壁内腔芯去解决此类问题。
2 工艺方案优化
根据以上分析，必须通过技术手段将内腔芯和砂型进行重组以便有效固定内腔芯。
利用3D P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，先一层一层堆叠砂子，再通过喷嘴按照零件截面的形状喷射树脂（例如冷成型呋喃树脂、酚醛树脂等），就可以将砂子粘结在一起，通过反复的铺砂-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。通过将型砂用黏接剂层层粘结的形式直接制作砂型（芯）替代了原有手工操作的环节，并且3D砂型打印技术制造模具不再需要制作模样和芯盒，同时可以自动化、高精度地制造砂型，工艺周期被大大地缩短，降低了制造成本。基于3D P设备的3D打印砂芯不需要考虑撤料及拔模问题，可以成型复杂的砂芯结构。因此，通过3D打印的工艺手段将传统工艺中的型与芯进行重组优化。
如图4所示，浇注方案为高精导轨朝下，确保其质量。将传统工艺中，左、右侧臂内腔、中间大芯的独立砂芯与砂芯外部轮廓（即其高度方向所在区域的砂型结构）整合在一起，通过铸件侧壁方门连接形成新2#芯，其上下开放，整体无清砂、流涂死角。1#芯为铸件导轨结构，3#芯铸件顶部结构。对砂芯进行结构优化，设置能够与其他砂芯进行定位的子母扣以及导向杆、卡箱杆预留孔。如此三个砂芯组合后即可形成铸件型腔，减少砂芯数量，操作简化，所有砂芯固定稳定。
图4 FF5000立柱工艺改进后分芯示意图
图5 FF5000立柱工艺改进后铸件照片
3 生产验证
3D打印砂芯使用的原材料主要有：50/100目硅砂、3D用呋喃树脂、3D用固化剂。通过3D P设备进行打印，打印后清理散砂，流涂烘干。按照顺序，分别将1#、2#、3#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，座浇口杯进行浇注，浇注温度1380°C～1400°C，浇注时间35s～50s，浇注过程正常，无呛火。如图5所示为工艺改进后的FF5000铸件实体照片，铸件顶面干净，无呛火缺陷。
4 结论
本文通过3D打印技术结合计算机虚拟工艺设计对一种“双臂立柱”铸件的铸造工艺进行了设计与改进，解决了此种铸件在质量控制上的难点，不但提高了产品的质量，也降低了产品加工的难度，从根本上解决了此类铸件的缺陷率高和废品率高的现状。截止目前，公司对此类产品都进行了改进，所生产的产品无一呛火，提高了铸件交付率。
