中心架無模鑄造工藝探究

朱向博 熊延明 王軍軍 李金龍 王博昀

（蘭州蘭石超合金新材料有限公司，甘肅 蘭州 730300）

臥式車床中心架是配置在臥式車床上的核心附件，主要負(fù)責(zé)長軸類、曲軸類零件加工過程中的輔助支撐。在精度和效率方面，常規(guī)的數(shù)控臥式車床中心架無法滿足高精度軸類零件的加工需求，因此需要設(shè)計(jì)一種高精度、高效率的數(shù)控中心架，能自動(dòng)夾緊工件，并由光柵尺反饋位置信息，以保證定位精度。在一臺數(shù)控臥式機(jī)床上可以配置多套中心架，以確保工件定位準(zhǔn)確、支撐穩(wěn)定和裝夾高效。

該文探究的無模砂型成型鑄造工藝技術(shù)屬國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，改變了鑄件生產(chǎn)需要先制作模型的傳統(tǒng)，開創(chuàng)了數(shù)字化鑄造、智能制造新模式。應(yīng)用SolidWorks三維建模與UG數(shù)字建模軟件，采用數(shù)字化無模鑄造精密成型機(jī)加工技術(shù)，加工預(yù)留出鑄鋼件成型工藝所含的澆冒系統(tǒng)、冷鐵、芯骨、退讓性材料等工藝元素相應(yīng)位置，再將鋼磚管、冒口所需的保溫套、冷鐵、芯骨、退讓性材料放入加工好的砂型進(jìn)行組裝、固定，并實(shí)施澆注，獲得鑄鋼件產(chǎn)品。

1 產(chǎn)品介紹

中心架鑄件上半質(zhì)量為158kg，輪廓尺寸為680mm×175mm×150mm；中心架下半質(zhì)量為762kg，輪廓尺寸為950mm×600mm×680mm，最大壁厚分別為150mm、350mm，平均壁厚為250mm，屬于厚壁型鑄鋼件，具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 中心架產(chǎn)品圖

中心架材料選用ZG45，根據(jù)GB/T699《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)[2]，選用材料的化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成份（WB/%）

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

中心架近似“T”形結(jié)構(gòu)，整體壁厚大、壁厚變化小，壁厚均勻，鑄件本身近似同一幾何，模數(shù)補(bǔ)縮梯度差，該結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致鑄件在凝固過程中自補(bǔ)縮困難，鑄件壁厚大會造成在凝固過程中本體收縮大，成分有偏析傾向，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)縮松、縮孔、偏析和夾雜等缺陷。材質(zhì)屬于碳鋼，鋼液流動(dòng)性差，凝固收縮大，吸氣性較大。從鑄造工藝的角度出發(fā)，上、下中心架將分型面設(shè)置在水平中分面較合理（如圖2、圖3所示）。根據(jù)模數(shù)法計(jì)算保溫冒口。冒口設(shè)置在中心架交叉處結(jié)構(gòu)厚大部位，以解決凝固補(bǔ)縮的問題。因此，從結(jié)構(gòu)和材質(zhì)角度進(jìn)行綜合分析，鑄件易產(chǎn)生縮松、裂紋以及夾渣缺陷，解決該問題是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖2 中心架上半分型面（mm）

圖3 中心架下半分型面（mm）

2.1 中心架上半冒口工藝設(shè)計(jì)

中心架上半圖紙最大公稱尺寸為680mm，對照鑄鋼工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6414—1999[2]確定加工放量，上為12mm，下、側(cè)為9mm，結(jié)合此中心架上半實(shí)際用途和加工需求，將上、下、側(cè)加工放量統(tǒng)一設(shè)定為10mm，該材質(zhì)鋼種收縮率按2%計(jì)算。

中心架上半模數(shù)為M件，對照鑄鋼工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范，中心架上半結(jié)構(gòu)類似于“十字形桿”。件模數(shù)計(jì)算如公式（1）所示[3]，結(jié)構(gòu)類型簡圖如圖4所示。

圖4 中心架上半幾何體模數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：d為等效熱節(jié)圓直徑；b為等效桿厚。

其中d=270mm，b=173mm，可求得M件==5.27。參照公式（2）計(jì)算明冒口模數(shù)[4]。

可得M冒=1.2×5.27=6.3。

查詢直筒型明冒口模數(shù)對照表，選用直徑為?250mm的明冒口。

補(bǔ)縮距離類似圖4桿形鑄件冒口的有效補(bǔ)縮距離并進(jìn)行計(jì)算，最大補(bǔ)縮距離為30=395mm（T為鑄件最大厚度），冒口邊緣距鑄件邊緣最大距離為232mm，小于395mm，因此如圖5三維工藝所示，設(shè)置冒口并居中放置，對稱補(bǔ)縮，用一個(gè)?250mm明冒口即可滿足補(bǔ)縮需求（如圖6所示），冒口最終高度設(shè)置如公式（3）所示。

圖5 中心架上半鑄造工藝

圖6 桿形鑄件冒口的有效補(bǔ)縮距離

可求得最終冒口高度為h=1.2×250=300mm，工藝出品率為59.4%。

確定選用冒口大小、高度分別為?250mm×300mm、M冒>M件。經(jīng)過模數(shù)比例校核，所選用冒口是合理的，可保證冒口比鑄件晚凝固以達(dá)到補(bǔ)縮效果。澆口位置設(shè)置在鑄件冒口底部，保證充型過程中氣體、氧化渣能順利排出。

2.2 中心架下半冒口工藝設(shè)計(jì)

中心架下半圖紙最大公稱尺寸為900mm，參照鑄鋼工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6414—1999[5]，上為14mm，下、側(cè)為10mm，結(jié)合中心架下半實(shí)際用途和加工需求，將加工放量統(tǒng)一設(shè)定為10mm，該材質(zhì)鋼種收縮率按2%計(jì)算。

中心架下半模數(shù)為M件，對照鑄鋼工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范，中心架下半結(jié)構(gòu)類似立方體或其內(nèi)切圓柱體、其內(nèi)切球體。件模數(shù)計(jì)算如公式（4）所示[3]，結(jié)構(gòu)類型簡圖如圖7所示。

圖7 中心架下半幾何體模數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：d為等效熱節(jié)圓直徑；b為等效桿高度；c為等效板厚。

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

查詢直筒型冒口模數(shù)對照表[3]，選用直徑為?400mm的明冒口。

圖8 中心架下半鑄造工藝

確定使用冒口大小、高度分別為?400mm×500mm，M冒>M件。經(jīng)模數(shù)比例校核，所選冒口是合理的，可保證冒口比鑄件晚凝固，以達(dá)到補(bǔ)縮效果。澆口位置設(shè)置在鑄件冒口底部，保證充型過程中氣體、氧化渣能順利排出。

3 數(shù)字化仿真模擬

3.1 MAGMA軟件仿真模擬

為確保鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，降低生產(chǎn)過程中的缺陷風(fēng)險(xiǎn)，該文對工藝的鑄造過程進(jìn)行仿真模擬。采用德國模擬軟件MAGMA5.3仿真模擬鑄件凝固過程中的溫度場、固液相分?jǐn)?shù)、凝固孔隙率以及充型溫度場等，并通過porosity、Niyama等判據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，為工藝優(yōu)化提供有效的預(yù)測結(jié)果。

3.2 初始方案數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過軟件將實(shí)際生產(chǎn)過程中的熱物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、模擬。仿真模擬中心架上、下半MAGMA鑄造仿真鑄件凝固過程的縮松結(jié)果如圖9所示。模擬結(jié)果顯示，在凝固過程中，鑄件最大熱節(jié)處沒有出現(xiàn)孤立液相，縮孔、縮松全部轉(zhuǎn)移到冒口中，凝固通道通暢，鑄件在凝固過程中完成了順序凝固，沒有縮松缺陷。

圖9 中心架上、下半模擬結(jié)果

4 造型工藝方案

4.1 方案1——傳統(tǒng)工藝鑄件生產(chǎn)

傳統(tǒng)工藝鑄件生產(chǎn)流程為設(shè)計(jì)-放樣-備料-排料-制模-造型-下芯合箱-澆注-清理。在鑄造生產(chǎn)中，木模砂型鑄造造型應(yīng)用最廣泛，具有可鑄造大型和復(fù)雜鑄件的優(yōu)勢。但其制造周期較長、造型工藝復(fù)雜、模型砂型易破損、鑄造成本高且不能再次使用，使其制造其他不同特性鑄件受到了局限。因此，隨著現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展，一些新型鑄造工藝將逐漸取代傳統(tǒng)工藝鑄件生產(chǎn)。

4.2 方案2——數(shù)字化無模工藝鑄件生產(chǎn)流程

數(shù)字化無模工藝鑄件生產(chǎn)流程為三維鑄造工藝設(shè)計(jì)-砂坯準(zhǔn)備-無模成型加工-合箱-澆注-清理。從數(shù)字化無模工藝角度出發(fā)，冒口、澆道口等工藝元素設(shè)計(jì)使用與方案1同等大小的方案，但中心架造型工藝采用智能制造數(shù)字化精密成型機(jī)一次加工成型[6]，不需要使用傳統(tǒng)模型。這種工藝鑄造技術(shù)可直接制造鑄造用鑄型、型芯或型殼，并能結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，快速鑄造出復(fù)雜金屬零件。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：1）無模鑄型成型。應(yīng)用三維工藝數(shù)字模型，采用機(jī)械加工制作鑄造砂型，使鑄型生產(chǎn)數(shù)字化、智能化，改變了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)采用模型制作砂型的鑄造工藝。2）采用無模加工生產(chǎn)鑄型，生產(chǎn)時(shí)間短，成型的鑄型尺寸精度更高。3）可視化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的鑄造模型、砂型制作對操作人員的識圖能力要求較高，沒有一定的鑄造工藝知識積累很難勝任。無模鑄造生產(chǎn)工藝整個(gè)砂型制作過程應(yīng)用三維可視立體圖形，易于理解，有利于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量。4）個(gè)性化定制?？舍槍€(gè)性化需求建立模型并進(jìn)行生產(chǎn)，不再需要利用繁雜的圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，只需載入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)即可完成產(chǎn)品制作。

數(shù)字化無模鑄造中心架上、下分型刀路仿真如圖10、圖11所示。

圖10 中心架上半無模鑄造刀路仿真

圖11 中心架下半無模鑄造刀路仿真

4.3 工藝方案比較

中心架上、下半傳統(tǒng)工藝與無模成型工藝比較見表2。1）無模成型成本不到傳統(tǒng)木模制作成本的十分之一，甚至更少，成本優(yōu)勢明顯。2）進(jìn)行單件生產(chǎn)時(shí)，無模成型工藝的生產(chǎn)周期可比傳統(tǒng)模型造型工藝生產(chǎn)周期縮短2倍以上，能夠高效開發(fā)新產(chǎn)品，應(yīng)對市場。

表2 中心架上、下半傳統(tǒng)工藝與無模成型工藝比較

通過比較，該文優(yōu)先選用4.2節(jié)的方案2。以數(shù)字化無模工藝生產(chǎn)一副中心架，型芯數(shù)字化加工，取消拔模斜度，提高了零件的成型精度，為設(shè)計(jì)制造提供了充分自由度。鑄件成型后，通過三維技術(shù)進(jìn)行尺寸比較，采用手持式激光掃描儀掃描后可知中心架尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

5 鑄造工藝設(shè)計(jì)及方案小結(jié)

采用上述鑄造工藝設(shè)計(jì)及方案取得的效果如下：1）與傳統(tǒng)模造對比，數(shù)字化無模造型發(fā)揮了其優(yōu)勢，提高了砂型尺寸控制精度和生產(chǎn)效率。2）比較傳統(tǒng)模型實(shí)樣造型方法和數(shù)字化無模造型方法可知，數(shù)字化無模砂型鑄造方案更適合制造中心架，數(shù)字化無模造型工藝方案應(yīng)用的先進(jìn)性得到了有效驗(yàn)證。3）無模成型鑄造技術(shù)利用數(shù)字化快速成型技術(shù)，節(jié)約了模型的制作費(fèi)用，可在較短短時(shí)間內(nèi)得到產(chǎn)品樣件，以便對產(chǎn)品進(jìn)行快速評價(jià)、修改及性能驗(yàn)證，提升新產(chǎn)品的研發(fā)速度，為設(shè)計(jì)研發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。4）采用模擬仿真技術(shù)手段預(yù)測縮松、裂紋和夾渣等缺陷的分布位置，進(jìn)而優(yōu)化工藝，在實(shí)際生產(chǎn)中提高了產(chǎn)品質(zhì)量。5）目前無模成型鑄造技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量高端產(chǎn)品生產(chǎn)方面應(yīng)用效果較好。

6 結(jié)語

數(shù)字化無模鑄造技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地制造中心架砂型，簡化了鑄造工藝，并能有效降低成本。數(shù)字化無模鑄造技術(shù)制造的中心架模型材料易得且可回收，不需要做木制模型，是一種不浪費(fèi)木材工裝資源且環(huán)保的先進(jìn)制造技術(shù)[7]。該文將進(jìn)一步研究無模成型技術(shù)與3D打印技術(shù)在鑄造生產(chǎn)方面的結(jié)合應(yīng)用，同時(shí)研究無模工藝制作個(gè)性化藝術(shù)品、生活用品的生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步開拓?zé)o模智能制造的應(yīng)用范圍。