苗潤(rùn)青，孟慶文

（寧夏共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

FF5000立柱機(jī)床件，是加工中心的主要零部件之一。顧客驗(yàn)收要求主要有兩點(diǎn)：導(dǎo)軌、地腳板等重要加工面不能出現(xiàn)鑄造缺陷；鑄造尺寸公差按I S O 8062-1994的C T11級(jí)驗(yàn)收，具體產(chǎn)品信息見(jiàn)表1.此鑄件主要包括高精導(dǎo)軌、地腳、兩側(cè)壁內(nèi)腔及中間內(nèi)檔，如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)特殊性是兩側(cè)壁內(nèi)腔內(nèi)側(cè)有方孔面，與導(dǎo)軌側(cè)無(wú)方門連接，并且整體呈薄片型。在傳統(tǒng)模具方法鑄造過(guò)程中，迫于兩側(cè)內(nèi)腔芯無(wú)支撐，需要將高精導(dǎo)軌朝上放置澆注，鑄件質(zhì)量不易保證。且此內(nèi)腔芯下芯后需要進(jìn)行標(biāo)芯，操作難度大。

表1 FF5000立柱產(chǎn)品信息

圖1 FF5000立柱三維圖

1 原鑄造工藝方案、技術(shù)難點(diǎn)及分析

1.1 原鑄造工藝方案

原工藝有兩種方案如圖2和圖3所示。

方案1：高精導(dǎo)軌朝上，導(dǎo)軌面為分型面，側(cè)壁砂芯標(biāo)在下砂型。該方案的缺點(diǎn)主要有：1）側(cè)壁芯固定不牢，澆注過(guò)程中容易出現(xiàn)晃動(dòng)，造成嗆火；2）導(dǎo)軌朝上，容易出現(xiàn)夾渣、夾砂、嗆氣孔等鑄造缺陷；3）需要造型、制芯、合箱三大工序，并且砂芯數(shù)量多，兩側(cè)壁芯還需要標(biāo)芯，操作困難。

圖2 FF5000立柱原工藝方案1

方案2：高精導(dǎo)軌放在側(cè)面，側(cè)平面為分型面，合箱時(shí)，上、中、下共三層砂芯。該方案的主要缺點(diǎn)是：1）上層芯靠下層芯定位，尺寸控制難度大；2）上層芯靠下層芯支撐，穩(wěn)定性差，澆注過(guò)程中容易由于砂芯晃動(dòng)出現(xiàn)嗆火、夾砂；3）下層芯砂芯內(nèi)部透氣性差，容易出現(xiàn)嗆氣孔缺陷。

圖3 FF5000立柱原工藝方案2

由于此產(chǎn)品側(cè)壁方門只有3個(gè)R50 mm的孔，支撐難度大，所以采用方案1進(jìn)行生產(chǎn)。

1.2 鑄件質(zhì)量及分析

此產(chǎn)品在前期生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，缺陷率和廢品率較機(jī)床類產(chǎn)品的平均水平分別高出30%和25%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的正常交付。針對(duì)此類產(chǎn)品所出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的缺陷類型統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 缺陷統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，氣孔是缺陷發(fā)生的主要原因，經(jīng)過(guò)排查，缺陷100%集中在導(dǎo)軌或?qū)к壐浇姆羌庸っ嫔稀?/p>

通過(guò)分析，鑄造工程中，由于側(cè)壁內(nèi)腔與導(dǎo)軌面無(wú)方門，且導(dǎo)軌不能使用芯撐，內(nèi)腔芯無(wú)法支撐，澆注方案只能是導(dǎo)軌朝上，并且若側(cè)壁內(nèi)腔芯與中間大芯做成整體，芯盒內(nèi)的筋板料無(wú)法撤出，導(dǎo)致側(cè)壁內(nèi)腔芯薄且獨(dú)立，在型腔內(nèi)不能有效固定，在澆注過(guò)程中一旦由于間隙過(guò)大導(dǎo)致晃動(dòng)，出現(xiàn)嗆火，頂面導(dǎo)軌很大可能出現(xiàn)嗆氣孔缺陷，甚至導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。因此，需要從如何固定兩側(cè)壁內(nèi)腔芯去解決此類問(wèn)題。

2 工藝方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析，必須通過(guò)技術(shù)手段將內(nèi)腔芯和砂型進(jìn)行重組以便有效固定內(nèi)腔芯。

利用3D P設(shè)備使用增材制造技術(shù)將三維立體模型直接通過(guò)3D打印的方式制作出來(lái)，先一層一層堆疊砂子，再通過(guò)噴嘴按照零件截面的形狀噴射樹(shù)脂（例如冷成型呋喃樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等），就可以將砂子粘結(jié)在一起，通過(guò)反復(fù)的鋪砂-選擇性噴射粘結(jié)用樹(shù)脂的操作，就實(shí)現(xiàn)了極為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的制作。通過(guò)將型砂用黏接劑層層粘結(jié)的形式直接制作砂型（芯）替代了原有手工操作的環(huán)節(jié)，并且3D砂型打印技術(shù)制造模具不再需要制作模樣和芯盒，同時(shí)可以自動(dòng)化、高精度地制造砂型，工藝周期被大大地縮短，降低了制造成本?；?D P設(shè)備的3D打印砂芯不需要考慮撤料及拔模問(wèn)題，可以成型復(fù)雜的砂芯結(jié)構(gòu)。因此，通過(guò)3D打印的工藝手段將傳統(tǒng)工藝中的型與芯進(jìn)行重組優(yōu)化。

如圖4所示，澆注方案為高精導(dǎo)軌朝下，確保其質(zhì)量。將傳統(tǒng)工藝中，左、右側(cè)臂內(nèi)腔、中間大芯的獨(dú)立砂芯與砂芯外部輪廓（即其高度方向所在區(qū)域的砂型結(jié)構(gòu)）整合在一起，通過(guò)鑄件側(cè)壁方門連接形成新2#芯，其上下開(kāi)放，整體無(wú)清砂、流涂死角。1#芯為鑄件導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，3#芯鑄件頂部結(jié)構(gòu)。對(duì)砂芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)置能夠與其他砂芯進(jìn)行定位的子母扣以及導(dǎo)向桿、卡箱桿預(yù)留孔。如此三個(gè)砂芯組合后即可形成鑄件型腔，減少砂芯數(shù)量，操作簡(jiǎn)化，所有砂芯固定穩(wěn)定。

圖4 FF5000立柱工藝改進(jìn)后分芯示意圖

圖5 FF5000立柱工藝改進(jìn)后鑄件照片

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

3D打印砂芯使用的原材料主要有：50/100目硅砂、3D用呋喃樹(shù)脂、3D用固化劑。通過(guò)3D P設(shè)備進(jìn)行打印，打印后清理散砂，流涂烘干。按照順序，分別將1#、2#、3#砂芯組合在一起即形成鑄件完整型腔，周圍用樹(shù)脂砂填埋緊實(shí)，座澆口杯進(jìn)行澆注，澆注溫度1380°C～1400°C，澆注時(shí)間35s～50s，澆注過(guò)程正常，無(wú)嗆火。如圖5所示為工藝改進(jìn)后的FF5000鑄件實(shí)體照片，鑄件頂面干凈，無(wú)嗆火缺陷。

4 結(jié)論

本文通過(guò)3D打印技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬工藝設(shè)計(jì)對(duì)一種“雙臂立柱”鑄件的鑄造工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改進(jìn)，解決了此種鑄件在質(zhì)量控制上的難點(diǎn)，不但提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，也降低了產(chǎn)品加工的難度，從根本上解決了此類鑄件的缺陷率高和廢品率高的現(xiàn)狀。截止目前，公司對(duì)此類產(chǎn)品都進(jìn)行了改進(jìn)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)一嗆火，提高了鑄件交付率。