3D 打印技术在箱体铸件开发中的应用

汪大新，张金雨

（安徽合力股份有限公司合肥铸锻厂，安徽 合肥 230601）

传统铸造工艺受模具和型芯结构等影响，设计方案往往会受到限制，使得铸件的开发周期较长。以金属模在流水线上生产叉车变速系统箱体为例，在样品开发阶段，传统铸造工艺和模具设计、制作周期6～8 周，试模、造型浇注周期2～3 周，模具调整1 周，一般样品做好需要2～3 个月，样品开发周期长。对于复杂砂芯、多件组合砂芯会有尺寸偏差大、砂芯接头有披缝等原因无法满足形状复杂、精度要求高制件的生产。

为更好解决上述问题，将3D 打印技术应用到铸件样品的开发阶段。其灵活的工艺方案设计、无模化造型优势能够极大地缩短开发周期，同时打印的砂型精度高，表面质量好，可以很好的保证铸件的质量[1-4]。

1 3D 打印技术及材料

3D 打印（3DP）作为快速成型技术的一种，又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状材料，通过组成打印的方式构造物体的技术[5]。

本文产品生产过程中，使用的原材料为进口石英砂，黏结剂为呋喃树脂，型砂参数见表1.

表1 造型材料物理性能及化学成分

2 铸造工艺设计

箱体铸件材质为HT250，质量63 kg，外形尺寸为481 mm×418 mm×213 mm，浇注重量为77 kg，浇注时间控制在12 s～15 s，采用中间注入式浇注系统，其浇注系统界面比例为∑F直∶∑F横∶∑F内=1.25∶1.5∶1，浇注系统中引入75 mm×75 mm×22 mm 碳化硅过滤片，一箱一件布置（见图1a））.

运用MAGMA 软件对工艺方案进行模拟，结果发现：浇注过程平稳，浇注时间12 s，凝固结果未发现明显缺陷（见图1b））.

图1 铸造工艺方案及模拟结果

3 砂型设计及打印

根据砂型切分原则：

1）确保砂型各部分没有清砂盲区，流涂时不会产生涂料堆积；

2）尽量减少砂型组装，以避免尺寸偏差[6]。将砂型沿横浇道分为上下两箱与3 个泥芯：下箱为铸件下半部分和横浇道、过滤片的浇注系统的砂型（见图2b））；上箱为铸件上半部分和横浇道、内浇道，溢流出气孔的砂型（见图2a））；1# 泥芯形成内腔结构；2#泥芯形成内腔轴承安装孔；3#泥芯形成内法兰结构（见图2c））.

根据现场经验，砂型非流涂面分型负数为0.2mm，流涂面分型负数为0.5mm，芯头间隙为0.2mm～0.5mm.

采用德国EXone-SMAX 砂型打印设备（见图2d）），工作面尺寸为1 800 mm×1 000 mm×700 mm，打印速度为60 L/h.

图2 砂型及3D 打印设备

4 砂型组装和浇注

工艺设计采用现场醇基涂料进行流涂，点火后依靠燃烧热量烘干，采用手工组芯，螺栓紧固。下芯时泥芯侧面标记与分型面齐平，保证泥芯下到位。砂型合箱后（见图3），放进自制砂斗中，周围填造型砂紧固，防止浇注抬箱、跑水造成报废。放置配套浇口杯，最后进行浇注。

图3 砂型合箱

5 铸件精整和检查

生产3 箱铸件，铸件开箱清理后表面质量全部合格（见图4a）），采用Metrascan750 三维扫描仪对铸件进行尺寸检测，结果显示，铸件尺寸在要求范围内（见图4b）），铸件力学性能检测合格。

图4 铸件及尺寸检查结果

此箱体铸件从铸造工艺设计到交样，共耗时8天，极大地缩短了本产品的开发周期。

6 结论

传统铸造工艺复杂，样品开发周期长。3D 打印技术不受产品结构限制，能够简化工艺设计，实现快速生产复杂铸件。3D 打印砂型尺寸精度高，表面质量好，铸件合格率高，因此，采用3D 打印技术，能够有效支持新产品的开发。