中心架无模铸造工艺探究

朱向博 熊延明 王军军 李金龙 王博昀

（兰州兰石超合金新材料有限公司，甘肃 兰州 730300）

卧式车床中心架是配置在卧式车床上的核心附件，主要负责长轴类、曲轴类零件加工过程中的辅助支撑。在精度和效率方面，常规的数控卧式车床中心架无法满足高精度轴类零件的加工需求，因此需要设计一种高精度、高效率的数控中心架，能自动夹紧工件，并由光栅尺反馈位置信息，以保证定位精度。在一台数控卧式机床上可以配置多套中心架，以确保工件定位准确、支撑稳定和装夹高效。

该文探究的无模砂型成型铸造工艺技术属国内领先技术，改变了铸件生产需要先制作模型的传统，开创了数字化铸造、智能制造新模式。应用SolidWorks三维建模与UG数字建模软件，采用数字化无模铸造精密成型机加工技术，加工预留出铸钢件成型工艺所含的浇冒系统、冷铁、芯骨、退让性材料等工艺元素相应位置，再将钢砖管、冒口所需的保温套、冷铁、芯骨、退让性材料放入加工好的砂型进行组装、固定，并实施浇注，获得铸钢件产品。

1 产品介绍

中心架铸件上半质量为158kg，轮廓尺寸为680mm×175mm×150mm；中心架下半质量为762kg，轮廓尺寸为950mm×600mm×680mm，最大壁厚分别为150mm、350mm，平均壁厚为250mm，属于厚壁型铸钢件，具体产品结构如图1所示[1]。

图1 中心架产品图

中心架材料选用ZG45，根据GB/T699《优质碳素结构钢》标准[2]，选用材料的化学成分见表1。

表1 化学成份（WB/%）

2 铸造工艺设计

中心架近似“T”形结构，整体壁厚大、壁厚变化小，壁厚均匀，铸件本身近似同一几何，模数补缩梯度差，该结构会导致铸件在凝固过程中自补缩困难，铸件壁厚大会造成在凝固过程中本体收缩大，成分有偏析倾向，在生产过程中容易出现缩松、缩孔、偏析和夹杂等缺陷。材质属于碳钢，钢液流动性差，凝固收缩大，吸气性较大。从铸造工艺的角度出发，上、下中心架将分型面设置在水平中分面较合理（如图2、图3所示）。根据模数法计算保温冒口。冒口设置在中心架交叉处结构厚大部位，以解决凝固补缩的问题。因此，从结构和材质角度进行综合分析，铸件易产生缩松、裂纹以及夹渣缺陷，解决该问题是工艺设计的关键点。

图2 中心架上半分型面（mm）

图3 中心架下半分型面（mm）

2.1 中心架上半冒口工艺设计

中心架上半图纸最大公称尺寸为680mm，对照铸钢工艺设计指导规范标准GB/T 6414—1999[2]确定加工放量，上为12mm，下、侧为9mm，结合此中心架上半实际用途和加工需求，将上、下、侧加工放量统一设定为10mm，该材质钢种收缩率按2%计算。

中心架上半模数为M件，对照铸钢工艺设计指导规范，中心架上半结构类似于“十字形杆”。件模数计算如公式（1）所示[3]，结构类型简图如图4所示。

图4 中心架上半几何体模数计算结构简图

式中：d为等效热节圆直径；b为等效杆厚。

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

可得M冒=1.2×5.27=6.3。

查询直筒型明冒口模数对照表，选用直径为ø250mm的明冒口。

补缩距离类似图4杆形铸件冒口的有效补缩距离并进行计算，最大补缩距离为30=395mm（T为铸件最大厚度），冒口边缘距铸件边缘最大距离为232mm，小于395mm，因此如图5三维工艺所示，设置冒口并居中放置，对称补缩，用一个ø250mm明冒口即可满足补缩需求（如图6所示），冒口最终高度设置如公式（3）所示。

图5 中心架上半铸造工艺

图6 杆形铸件冒口的有效补缩距离

可求得最终冒口高度为h=1.2×250=300mm，工艺出品率为59.4%。

确定选用冒口大小、高度分别为ø250mm×300mm、M冒>M件。经过模数比例校核，所选用冒口是合理的，可保证冒口比铸件晚凝固以达到补缩效果。浇口位置设置在铸件冒口底部，保证充型过程中气体、氧化渣能顺利排出。

2.2 中心架下半冒口工艺设计

中心架下半图纸最大公称尺寸为900mm，参照铸钢工艺设计指导规范标准GB/T 6414—1999[5]，上为14mm，下、侧为10mm，结合中心架下半实际用途和加工需求，将加工放量统一设定为10mm，该材质钢种收缩率按2%计算。

中心架下半模数为M件，对照铸钢工艺设计指导规范，中心架下半结构类似立方体或其内切圆柱体、其内切球体。件模数计算如公式（4）所示[3]，结构类型简图如图7所示。

图7 中心架下半几何体模数计算结构简图

式中：d为等效热节圆直径；b为等效杆高度；c为等效板厚。

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

查询直筒型冒口模数对照表[3]，选用直径为ø400mm的明冒口。

图8 中心架下半铸造工艺

确定使用冒口大小、高度分别为ø400mm×500mm，M冒>M件。经模数比例校核，所选冒口是合理的，可保证冒口比铸件晚凝固，以达到补缩效果。浇口位置设置在铸件冒口底部，保证充型过程中气体、氧化渣能顺利排出。

3 数字化仿真模拟

3.1 MAGMA软件仿真模拟

为确保铸造工艺设计的合理性，降低生产过程中的缺陷风险，该文对工艺的铸造过程进行仿真模拟。采用德国模拟软件MAGMA5.3仿真模拟铸件凝固过程中的温度场、固液相分数、凝固孔隙率以及充型温度场等，并通过porosity、Niyama等判据进行结果分析，为工艺优化提供有效的预测结果。

3.2 初始方案数值模拟结果分析

通过软件将实际生产过程中的热物性参数进行设置、模拟。仿真模拟中心架上、下半MAGMA铸造仿真铸件凝固过程的缩松结果如图9所示。模拟结果显示，在凝固过程中，铸件最大热节处没有出现孤立液相，缩孔、缩松全部转移到冒口中，凝固通道通畅，铸件在凝固过程中完成了顺序凝固，没有缩松缺陷。

图9 中心架上、下半模拟结果

4 造型工艺方案

4.1 方案1——传统工艺铸件生产

传统工艺铸件生产流程为设计-放样-备料-排料-制模-造型-下芯合箱-浇注-清理。在铸造生产中，木模砂型铸造造型应用最广泛，具有可铸造大型和复杂铸件的优势。但其制造周期较长、造型工艺复杂、模型砂型易破损、铸造成本高且不能再次使用，使其制造其他不同特性铸件受到了局限。因此，随着现代铸造技术的发展，一些新型铸造工艺将逐渐取代传统工艺铸件生产。

4.2 方案2——数字化无模工艺铸件生产流程

数字化无模工艺铸件生产流程为三维铸造工艺设计-砂坯准备-无模成型加工-合箱-浇注-清理。从数字化无模工艺角度出发，冒口、浇道口等工艺元素设计使用与方案1同等大小的方案，但中心架造型工艺采用智能制造数字化精密成型机一次加工成型[6]，不需要使用传统模型。这种工艺铸造技术可直接制造铸造用铸型、型芯或型壳，并能结合传统铸造工艺，快速铸造出复杂金属零件。

技术创新点如下：1）无模铸型成型。应用三维工艺数字模型，采用机械加工制作铸造砂型，使铸型生产数字化、智能化，改变了传统铸造行业采用模型制作砂型的铸造工艺。2）采用无模加工生产铸型，生产时间短，成型的铸型尺寸精度更高。3）可视化生产。传统的铸造模型、砂型制作对操作人员的识图能力要求较高，没有一定的铸造工艺知识积累很难胜任。无模铸造生产工艺整个砂型制作过程应用三维可视立体图形，易于理解，有利于提高产品的生产效率、产品质量。4）个性化定制。可针对个性化需求建立模型并进行生产，不再需要利用繁杂的图纸进行设计制造，只需载入设计数据即可完成产品制作。

数字化无模铸造中心架上、下分型刀路仿真如图10、图11所示。

图10 中心架上半无模铸造刀路仿真

图11 中心架下半无模铸造刀路仿真

4.3 工艺方案比较

中心架上、下半传统工艺与无模成型工艺比较见表2。1）无模成型成本不到传统木模制作成本的十分之一，甚至更少，成本优势明显。2）进行单件生产时，无模成型工艺的生产周期可比传统模型造型工艺生产周期缩短2倍以上，能够高效开发新产品，应对市场。

表2 中心架上、下半传统工艺与无模成型工艺比较

通过比较，该文优先选用4.2节的方案2。以数字化无模工艺生产一副中心架，型芯数字化加工，取消拔模斜度，提高了零件的成型精度，为设计制造提供了充分自由度。铸件成型后，通过三维技术进行尺寸比较，采用手持式激光扫描仪扫描后可知中心架尺寸符合设计要求。

5 铸造工艺设计及方案小结

采用上述铸造工艺设计及方案取得的效果如下：1）与传统模造对比，数字化无模造型发挥了其优势，提高了砂型尺寸控制精度和生产效率。2）比较传统模型实样造型方法和数字化无模造型方法可知，数字化无模砂型铸造方案更适合制造中心架，数字化无模造型工艺方案应用的先进性得到了有效验证。3）无模成型铸造技术利用数字化快速成型技术，节约了模型的制作费用，可在较短短时间内得到产品样件，以便对产品进行快速评价、修改及性能验证，提升新产品的研发速度，为设计研发提供了有力的技术支撑。4）采用模拟仿真技术手段预测缩松、裂纹和夹渣等缺陷的分布位置，进而优化工艺，在实际生产中提高了产品质量。5）目前无模成型铸造技术在新产品开发、单件小批量高端产品生产方面应用效果较好。

6 结语

数字化无模铸造技术能够快速、准确地制造中心架砂型，简化了铸造工艺，并能有效降低成本。数字化无模铸造技术制造的中心架模型材料易得且可回收，不需要做木制模型，是一种不浪费木材工装资源且环保的先进制造技术[7]。该文将进一步研究无模成型技术与3D打印技术在铸造生产方面的结合应用，同时研究无模工艺制作个性化艺术品、生活用品的生产工艺，进一步开拓无模智能制造的应用范围。