采用砂芯3D打印技术和组芯造型进行链轮毂体铸件的研发，无需使用铸造模具，缩短新产品研发周期，节省模具制作费用。3D打印砂芯具有不受分型面和起模限制的特点，但为了方便清砂和刷涂，将砂芯分为底芯、中芯、盖芯和内芯。根据铸件的结构特点，采用法兰面朝下、轴孔向上的浇注位置，采用底注式浇注系统。为保证铸件内部质量，在进行初步数值模拟分析后，依据预测的热节和缩松位置，采用冷铁和冒口进行激冷和补缩。再次进行数值模拟和微调优化后，最终确定工艺。通过工艺试验验证了工艺的合理性，为链轮毂体类铸件产品的开发提供了借鉴。
在开发阶段，铸件新品数量少、交期紧，传统铸造制作模具周期长、成本高，3D打印砂芯快速成形克服了传统铸造的缺点[1]。某公司新研发一款大型链轮毂体，毛坯开发的前期不适合投入模具进行生产，为了缩短研发周期和节约模具制作费用，样件开发阶段采用3D打印砂芯进行铸型制备和铸件试产。该产品材质为球墨铸铁QT500-7，应用在工程机械上，产品结构复杂且要求关键部位无缩松，不能有砂眼、气孔、冷隔和裂纹等缺陷，具体参数如表1所示，链轮毂体零件图如图1所示，纵向剖视图如图2所示。
1 铸造工艺设计
1.1 确定浇注位置
链轮毂体为回转体结构，根据产品的结构特点和质量要求，浇注位置选择为直立状态，大头朝下，小头朝上，法兰厚大面在中间，这样有利于法兰面放置冒口补缩和底部放置冷铁进行激冷。对于产品结构而言这样浇注也有利于产品结构的组织均匀性，特别适合于轮毂类回转体结构产品。
1.2 3D打印砂芯分型面选择
3D打印砂芯虽然不受起模的限制，分型面可以任意设置。但砂芯打印后，仍需考虑清理散砂和刷涂涂料的需求。因此，为了便于清砂和对砂芯刷涂涂料，将分型面设置在中间法兰大平面处，如图3所示。这样能使清砂口最大化，有利于清砂和刷涂涂料，避免因操作不便和视觉盲区导致散砂清理不彻底，进而造成产品尺寸不合格以及浇注夹砂的问题。此外，刷涂不到位也会致使铸件粘砂，给后期清理带来困难。
1.3 3D打印砂芯工艺参数的选取
3D打印砂芯属于呋喃树脂自硬砂，参数选取可按照3D打印专用呋喃树脂砂工艺选取。3D打印砂芯尺寸精度高，砂芯配合间隙可按金属模工艺设置，工艺参数选取如表2所示。
1.4 3D打印浇注系统砂芯设计
根据产品中空的结构特点，为了减小砂芯的体积、降低砂铁比，将直浇道设置在轴孔中心。这样能够最大限度地减小组芯体积，从而减少树脂用量，节约成本。将内浇道放在铸件底部，浇注系统为底注式，阻流设置在浇注系统底部，位于过滤片和内浇道之间，此浇注系统属于封闭开放式浇注系统。先封闭后开放的形式，既有利于挡渣，又能实现平稳充型。根据阻流截面公式计算出A直 ：A阻 ：A内 =28 cm2∶21 cm2 ∶30 cm2=1.3∶1∶1.4。
浇注后，内浇道处于充满状态，浇注系统能够第一时间充满。金属液平稳充型，有利于型腔排气，避免铁液飞溅和卷气造成氧化夹渣缺陷。内浇道为扁片状，共4道，呈十字交叉结构，能够保证充型平稳，使温度场均匀分布，如图4所示。由于产品结构导致直浇道过高，铁液冲击大、流速快，因此在直浇道上设置两层100 mm×100 mm×22 mm-10ppi泡沫陶瓷过滤片结构，如图5所示。该结构在过滤铁液的同时，缓冲铁液冲击，降低流速，避免冲砂并减少紊流，使充型更加平稳。浇口杯采用结构简单的漏斗形结构，能够有效减少金属液消耗，提高工艺出品率。
1.5 3D打印冒口套和冷铁安放空间砂芯设计
首先，不放冒口和冷铁进行初步数值模拟。球墨铸铁的凝固方式为糊状凝固，但由于该产品壁厚差异较大，顶部、中间法兰和底圈三个厚大部分与相连薄壁处模数比均大于2，薄壁部分迅速凝固将铸件分为三个孤立的热节，切断了补缩通道无法从其他部分获得金属液补充，不能共享石墨化膨胀的补缩作用，需要单独计算。因顶部厚大部位为非关键区域，缩松在热节中间位置，缩松大小不影响产品使用性能，顶部只放出气片进行排气。中间法兰和底圈部分为关键区域需要保证无缩松，通过热节位置和模数，分别计算冒口模数和补缩液量。
中间法兰部分：法兰模数1.8 cm，体积7 200 cm3，按照铸件体收缩4%计算法兰处需要补缩体积为7 200×0.04=288 cm3。
冒口模数需要大于1.2倍的铸件模数，TELE140R冒口为高发热点冒口，模数2.3 cm，有效补缩液量80 cm3。模数满足M冒 >1.2×M件 ，根据补缩液量计算冒口个数为288 cm3/80 cm3=3.6个，取整放置4个TELE140R冒口。此冒口自带发热冒口颈，直径仅为Φ23 mm，补缩通畅，与铸件接触面积小清理时冒口易去除。
铸件底圈部分：底圈模数1.5 cm，体积4 300 cm3。按照铸件体收缩4%计算，法兰处需要补缩体积为4 300×0.04=172 cm3。冒口模数需要大于1.2倍的铸件模数，7/10冒口为保温冒口套，模数为2.0 cm，有效补缩液量为100 cm3。模数满足M冒 >1.2×M件 ，根据补缩液量计算冒口个数为172 cm3/100 cm3=1.7个，取整放置2个7/10保温冒口套。铸件、冒口颈和冒口的模数按M件 ∶M颈 ∶M冒 =1∶1.1∶1.2 ，经过计算取冒口颈最小截面尺寸为45 mm×25 mm的矩形结构，有效模数1.65 cm，冒口颈长度等于冒口颈截面尺寸取平均值为35 mm，切口向冒口方向60°过渡，向铸件方向45°过渡。
顶部放置6个35 mm×5 mm的出气片，用来保证型腔的排气，避免铸件出现气孔。在铸件底部和法兰上相邻冒口中间放置外冷铁，延长末端区，提高冒口有效补缩距离，并阻断冒口之间的相互影响。由于打印砂芯无法事先放入冒口和冷铁，因此需要在砂芯打印时预留出冒口和冷铁位置，砂芯打好后再下入冒口套和冷铁，具体工艺如图6和图7所示。
1.6 数值模拟分析
使用MAGMA软件进行数值模拟分析，从调整优化后的最终工艺数值模拟分析结果上看，铸件充型（图8、图9）快速且平稳，液面上升良好，无卷气，充型时间为16 s，浇注质量400 kg，平均充型速度为25 kg/s。从液相凝固上来看，冷铁激冷效果明显，液相收缩（图10）始终向着冒口方向，冒口最后凝固，冒口模数和液量合适，补缩良好，工艺出品率达到82%。从孔隙率上看（图11），产品加工位置无缩松，满足产品要求，最终按此工艺方案进行开发，设计砂芯并进行打印。
2 3D打印砂芯设计
虽然3D打印砂芯不受分型面和拔模的影响，但打印后还需要清理散砂和刷涂涂料，因此将砂芯进行拆分（图12），砂芯拆分为外皮芯和内芯。由于外皮芯较大，不便于转运和清理，因此将外皮芯拆分为上、中、下三部分，内芯拆分为两部分，浇注系统由内芯和顶部浇冒口芯带出（图13）。清理完散砂后进行刷涂（图14），最后进行组芯（图15）。为了减少树脂用量和缩短打印时间，在保证砂芯强度的前提下非关键部位进行掏空减重，关键部位设置加强筋来增加强度，既降低了砂芯的重量，又保证了砂芯的强度。砂芯成形面采用醇基涂料进行刷涂，来避免铸件粘砂和烧结。砂芯与砂芯之间采用止口和凹凸配定位销进行组芯配合定位，组芯前放入过滤片、冷铁和冒口，在组芯时芯头部位打胶进行密封，由于产品模重高铁液浮力大，上下外皮芯需要使用螺杆进行紧固，外皮芯将内芯进行固定，组芯完成后为一个整体，能够避免漂芯和胀箱，有效地保证产品尺寸精度。
3 熔炼和浇注工艺
浇注工艺采用钢丸埋箱的形式，起到保证砂芯的强度，避免胀箱和漂芯的作用。采用中频感应电炉进行铁液熔炼，原材料为生铁、废钢和回炉料，铁液成分中碳和硅能够促进石墨化，在一定条件下碳当量增加可以提高石墨化程度，碳含量按照3.4%~3.7%，硅含量按照2.5%~2.8%控制。锰能够降低共析转变温度，细化稳定珠光体，一般要求锰低于0.5%，按照 0.45%±0.05%控制[2]。其余成分如表3所示，出炉温度按照1 460~1 500 ℃，浇注温度按照1 360~1 380 ℃进行控制。
4 检验和加工
砂芯打印成形后进行清理、刷涂、组装成铸型，然后浇注，铸件冷却后打箱清理和打磨毛坯。由于3D打印砂芯尺寸精度高、并减少砂芯数量，与传统开模相比，铸件少了很多飞边毛刺，外观良好，只需简单进行打磨清理。之后进行UT检验和加工验证合格。铸件产品在充分的策划和严格的过程控制下，通过3D打印砂芯和组芯造型及熔铸，一次开发成功。铸件内部质量检验合格，石墨形态良好（图16），基体组织合格（图17），外观良好（图18、图19），力学性能和金相组织检验合格，具体如表4所示。
5 结论
（1）3D打印砂芯具有工艺灵活性，不受起模和产品结构的限制，需要考虑分型面位置的选择，以解决散砂清理和刷涂便利性的问题。
（2）3D打印砂芯无需模具，既节省了模具制作周期，又降低了成本费用。而且产品改型升级时无需考虑修模问题，适合铸件的快速制作，为链轮毂体的前期研发提供了有力支撑。
（3）产品从工艺设计到成品加工完成共用了15天，与传统开模工艺相比，节约模具制造周期30天，节约模具费20万元。本次设计研发共生产4件链轮毂体，成功装机使用，为整机的研发提供了有力支撑，节约了时间和成本。
本文作者：
王长春1，杨国新1，史继之1，杨 超2,3
（1. 徐州徐工精密工业科技有限公司，江苏徐州 221600；2. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240； 3. 上海交通大学内蒙古研究院，内蒙古呼和浩特 010010）
参考文献：
[1] 崔迁义，卢彬彬，刘翠，等. 3D打印技术在产品快速开发中的应用 [J]. 中国铸造装备与技术，2023，58（5）：54-57.
[2] 白龙，任智勇，张国伟，等. QT500-7球墨铸铁熔炼过程控制 [J]. 铸造技术，2014，35（2）：411-413.
来源：压铸人生活
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