大型卧加床身3D打印的工艺研究.pdf

现代铸铁 圆园24/1收稿日期：2023-08-28修订日期：2024-01-29作者简介：郭新光（1976.11），男，青海平安人，高级工程师，主要从事铸造生产和管理工作。大型卧加床身 3D 打印的工艺研究郭新光，李岩（共享装备股份有限公司，宁夏银川750021）摘要：介绍了大型卧加机床铸件的结构及技术要求，针对采用传统木模手工造型工艺存在的问题进行工艺改进，通过采用木模底板+3D 打印砂芯的工艺，解决了铸件的夹砂及尺寸稳定性差等问题。最后指出：（1）采用 3D 打印方式生产砂芯，可以优化砂芯数量，解决手工砂芯分型带来的不易固定问题，有效避免下芯过程的夹砂问题，从而保证铸件质量问题；（2）采用 4 m 打印机“横向切片”工艺，可以进一步优化砂芯数量，提高铸件质量和生产效率，降低铸造过程的操作难度，提高清理效率，降低清理成本。关键词：灰铸铁；床身；3D 打印中图分类号：TG251文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园38原05Investigation on 3D-printing Technology of Large Scale Horizontal Machine Tool Bed CastingGUO Xin-guang，LI Yan（Kocel Machinery Co.,Ltd.，Yinchuan750021，China）Abstract：The casting structure of a large scale horizontal machine tool bed was introduced.The problems existing withtraditional wood pattern manual molding process was improved.By using wood pattern plate+3D-printing sand cores，theproblems such as sand inclusion，poor dimensions stability was solved.Finally it was pointed out：（1）Using 3D-printingprocess to produce sand cores could optimize sand cores quantity，solve the difficult mold parting problem with manual sandcores，effectively avoid sand inclusion in cores setting process，and thereby ensure casting quality.（2）Using 4 m printing machinehorizontal slice process could further optimize cores quantity，elevate casting quality and production efficiency，reduced operationdifficulty in casting process，elevated cleaning efficiency，reduced cleaning cost.Key words：gray iron；machine tool bed；3D-printing笔者公司生产的大型卧加床身铸件的材料牌号为 HT300，铸件质量 5 060 kg，铸件外形尺寸 4 269 mm伊3 176 mm伊1 177mm，铸件主要壁厚20 mm，最大壁厚 104 mm，最小壁厚 20 mm，铸件结构如图 1 所示。该铸件尺寸要求较高，横纵导轨必须垂直，铸件不得变形，要求加工面不得有夹砂、气孔、夹渣及缩松等缺陷，导轨硬度必须大于 180 HB，不允许出现组织疏松、硬度不合格等质量问题，其他外观面不得有较明显的砂眼、粘砂以及鼓包等影响外观质量的缺陷。同时，随着客户处无人加工中心的推广使用，对于该铸件的尺寸稳定性提出了更高的要求。1原工艺及铸件质量问题1.1木模工艺方案原工艺采用传统木模手工造型，工艺设计分为上、下两型，28 个木模芯盒，44 块砂芯，其中11块粘芯和 4 块标芯。采用底返式浇注系统，内浇道由底面引入1-4。浇注系统各组元的比例为 撞F直:撞F横:撞F内 1:撞F内 2=1:1.78:0.86:1.75，直浇道100mm、横浇道（60+80）mm伊100 mm，内浇道35mm 变50 mm，共 7 个。采用 14 个尺寸为R100mm 的球冒口，无冷铁，具体工艺如图 2 所示。1.2典型质量问题传统木模工艺生产的铸件典型缺陷为夹砂铸造工艺Casting Method38圆园24/1现代铸铁（a）（b）图 猿大端排泄槽夹砂缺陷图Fig.猿Sand inclusion defect in discharging grooveat large end缺陷，此铸件也不例外。砂芯数量多，中间部分结构单薄，分芯接触面较多，合箱下芯过程中容易掉砂，掉砂后无法发现清理导致铸件夹砂，铸件焊补率在 50%以上，增加了后序清理效率及返修成本，大端排泄槽夹砂尤为严重，如图 3 所示。同时，由于是传统的手工铸造，砂芯数量多，因此尺寸稳定性比较差，各铸件之间的尺寸变化大，在客户处使用无人加工中心加工时，会发生由尺寸变化导致的机床停机。2木模底板+3D 砂芯工艺2.1木模底板+3D 砂芯工艺采用木模底板+3D 打印砂芯的工艺（如图 4所示），木模底板带出浇注系统和砂芯定位，提供3D 砂芯下芯定位基准，提高铸件尺寸精度。浇注系统各组元的截面积比为 撞F直:撞F横:撞F内=1:1.42:1.6，直浇道的截面尺寸100 mm，横浇道的截面尺寸（120+160）mm伊80 mm，内浇道的截面尺寸40 mm伊10 mm。3D 打印采用的分芯方式为“竖直切片”，共 10 块砂芯、36 块小粘芯。2.2存在问题2.2.1效率方面由于铸件内腔结构单薄，方门小并且数量少，3D 打印砂芯易断裂，报废率高，从而增加成本及（a）图 1铸件结构Fig.1Casting structure（b）（a）浇注系统（b）冒口分布（c）砂芯分布图 圆铸造工艺方案Fig.圆Casting method schemeCasting Method39现代铸铁 圆园24/1影响生产周期。为了减少砂芯断裂报废问题，工艺上在砂芯悬臂处增加支撑拉筋，每个砂芯拉筋数量为 1015 块，合箱前将其割除、补刷涂料、支顶芯撑，合箱效率大幅降低。2.2.2质量方面“竖直切片”的 3D 打印分芯方式存在多处清砂盲点，在清砂工序中散砂未清理干净浸涂后不易发现，从而导致铸件缺肉（如图 5 所示），铸件焊补量大，影响后序清理周期及加大返修成本。2.3改进措施及优势2.3.1改进措施为彻底解决铸件的夹砂问题及合箱效率低的问题，利用笔者公司研制的 4 m 打印机的优势，重新设计工艺。保留木模底板，3D 砂芯采用“横向切片”方式，共 3 个主芯，水平方向分芯，#1芯为底芯，带出两条纵导轨加排泄槽，#2 芯为主芯，带出铸件主体内腔部分，#3 芯为盖芯，如图 6所示。砂芯“横向切片”能有效避免砂芯清砂难、砂芯拉筋数量多的问题，过程操作简单，降低了对工人的技能水平要求，提高了现场生产效率。同时由于 3D 打印砂芯的精度高，表面质量好，组芯过程间隙小，能有效提升铸件质量，保证铸件尺寸稳定性。2.3.2工艺优势（1）效率方面床身铸件的新工艺仍然采用木模底板+3D打印工艺方案，但利用笔者公司研制的 4 m 打印机后，砂芯数量大幅度减少，合箱操作时需要清理每块砂芯拉筋，因此整体合箱效率比较低。工艺改进后，除木模底板以外，3D 砂芯仅 3 个，极大地减少了合箱操作过程中清理拉筋、清砂等工作，提高了合箱效率。同时此工艺生产的铸件，对于后序清理效率也得到了极大的提升。（2）质量方面与传统的木模工艺相比，由于减少了砂芯数量，因此在合箱过程中减少了掉砂、清砂不到位、拉筋未清理等造成的铸造缺陷，同时由于砂芯数量较少，减少了砂芯之间的披缝，从而降低了后（a）木模底板（b）组芯图 源木模底板+3D 打印工艺方案Fig.源Wood base plate+3D-printig scheme图 5铸件缺肉图Fig.5Misrun casting（a）分芯（b）组芯图 64 m 床身分芯设计工艺Fig.6Cores splitting design of 4 m machine tool bed#3#2#1铸造工艺Casting Method40圆园24/1现代铸铁图 8优化方案负压流动场示意图Fig.8Schematic diagram of the negative pressureflow field after optimization4生产验证实际生产中，浇注温度 1 480 益，负压度 0.49耀0.50 Pa，浇注速率为 16.22 kg/s。造型试制生产16件，铸件表面无缺陷，浇注过程中未发生呛火现象，铸件实物如图 9 所示，在整个试制生产中无夹砂、夹渣等铸造缺陷，铸件精度高，质量稳定，后期生产中铸件合格率达到 95%以上。5结论（1）浇注系统的设计需符合消失模铸造工艺设计理念和原则，合理的铸造工艺可以在很大程度上避免铸造缺陷的产生，同时也要满足流场、热场、负压场一致性原则。（2）通过技术改进与创新，解决了在实际生产中存在的问题，提高了铸件的品质与精度，使材料的有效利用率和生产效率到得了提高。参考文献1黄乃瑜，叶升平，樊自田.消失模铸造原理及质量控制M.武汉：华中科技大学出版社，2004.2黄天佑，黄乃瑜，吕志刚.消失模铸造技术M.北京：机械工业出版社，2004.3时俊杰，董彦刚，崔景旭.灰铸铁飞轮铸件的工艺设计及开发J.现代铸铁，2023（1）：11-14.4贺关水，王光见，曹刚，等.开箱时间对灰铸铁制动盘铸态组织的影响J.现代铸铁，2023（1）：18-22.5何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.6刘宇，李连杰，张宝权.防止高强度灰铸铁气缸盖缩松缺陷的工艺研究（1）J.现代铸铁，2023（3）：20-25.7叶升平，吴志超.北美和欧洲消失模铸造发展现J.特种铸造及有色合金，2004（2）：58-60.8郭跃广，郑华昌，刘波.装载机 863 变速箱体消失模铸造工艺的研发J.铸造工程，2020（5）：23-29.9吴进.复杂机体消失模模具设计及铸造工艺模拟D.武汉：华中科技大学，2012.10梁光泽.实型铸造M.上海：上海科学技术出版社，1990.11扈广麒，杨争光，朱文文.灰铁薄壁类变速箱壳体消失模铸造工艺探索及优化C/第十六届中国铸造协会年会暨第五届全国铸造行业创新发展论坛论文集.北京：中国铸造协会，2020.12潘凤英，杨争光，扈广麒.消失模铸造过程中型砂对负压度的影响J.金属加工（热加工），2015（17）：21-23.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）铸件型腔浇口杯真空气室真空接口图 9铸件实物Fig.9Material object of the casting序铸件的清理难度，提高了铸件质量和铸件清理效率。另外，通过应用 3D 打印工艺，砂芯的尺寸稳定性非常高，同时 3D 砂芯数量少，在合箱过程中容易引起的尺寸偏差因素小，因此使用此工艺生产的铸件尺寸稳定性比较高，适合在客户处应用无人加工中心加工。3生产验证采用 3D 打印横向切片工艺共生产了 12 件床身铸件，铸件废品率 0，焊补率 8%，铸件质量（上接第 37 页）Casting Method41现代铸铁 圆园24/1收稿日期：2023-09-01修订日期：2024-01-31作者简介：周强（1987.12），女，山东潍坊人，毕业于山东大学材料工程专业，工程师，主要从事铸造工艺等方面的研究工作。干式缸套缸体水套冷芯工艺开发周强，伍启华，王超，任怀喜（潍柴动力股份有限公司工艺工匠研究院，山东潍坊261061）摘要：介绍了原来使用热芯工艺制水套芯存在的生产效率低、制芯周期长、对工装的磨损较大、发气量较大及发气速度慢等问题。详细阐述了使用冷芯工艺生产缸体水套芯的工艺过程及工装结构设计，经生产验证，冷芯水套未产生变形，铸件壁厚较为均匀，铸件内腔未发现粘砂和脉纹现象。最后指出：（1）采用冷砂芯生产的缸体铸件内腔多为松散的砂块，容易清理；（2）冷芯工艺制芯效率比原热芯工艺制芯效率提升 60%；（3）冷芯工艺制芯的成本比热芯工艺制芯成本降低约10%。关键词：缸体；水套芯；冷芯工艺中图分类号：TG242.7文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园42原05Cold-box Core Process Development of Cylinder Block with Dry Cylinder JacketZHOU Qiang，WU Qi-hua，WANG Chao，REN Huai-xi（Technology and Artisan Research Institute，Weichai Power Co.,Ltd.，Weifang261061，China）Abstract：It was introduced that formerly，since used hot-box core process to produce water jacket core，production efficiencywas low，core making cycle was long，tools wear-off relatively bigger，gas evolution was bigger，and evolution rate was slower.A detailed description was given to using cold box process to produce water jacket core of cylinder block and tools design.Production confirmation showed：（1）In the inner cavity of the cylinder block casting which was made by using cold-box core，the sand lump were mostly loose，and easy to be cleaned.（2）The core making efficiency of the cold-box process was elevatedby 60%compared with former hot core process.（3）The core-making cost of cold box process was reduced about 10%comparedwith formerly used hot box process.Key words：cylinder block；water jacket core；cold-box core making process明显提升。砂芯由于尺寸较大，结构单薄，砂芯废品率在 5%7%。与传统木模工艺相比，合箱时间由 36 h（传统木模）降至 4 h（横向切片）。铸件批缝少，铸件尺寸稳定性较高，外观质量较好，横纵导轨垂直度高，铸件后序的清理效率明显提高。4结论（1）采用3D 打印方式生产砂芯，可以优化砂芯数量，解决手工砂芯分型带来的不易固定问题，有效避免了下芯过程的夹砂问题，从而保证铸件质量问题。（2）采用 4 m 打印机“横向切片”工艺，可以进一步优化砂芯数量，提高铸件质量和生产效率，降低铸造过程的操作难度。（3）采用 4 m 打印机“横向切片”工艺，铸件后序的清理效率明显提高，降低清理成本，提高铸件尺寸稳定性。参考文献1时俊杰，董彦刚，崔景旭.灰铸铁飞轮铸件的工艺设计及开发J.现代铸铁，2023（1）：11-14.2贺关水，王光见，曹刚，等.开箱时间对灰铸铁制动盘铸态组织的影响J.现代铸铁，2023（1）：18-22.3何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.4刘宇，李连杰，张宝权.防止高强度灰铸铁气缸盖缩松缺陷的工艺研究（1）J.现代铸铁，2023（3）：20-25.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）铸造工艺Casting Method42