摘要：为解决多品种框架铸件研制周期长、制造成本高等问题，提出采用3D砂型打印技术优化铸造工艺。通过优化砂型结构，采用一炉多方案砂型设计，增加了铸造工艺试错次数。试制结果表明，该方法可同时验证多种铸造方案，可在短时间内获取最优工艺设计，并且有效减少资源浪费，生产效率更高，产品质量更加可控。

　　关键词：3D打印；框架铸件；砂型结构；一炉多件；差压铸造

　　随着我国航天事业的发展，多品种研制框架结构件数量不断增多，性能及内部质量要求也越来越高。对于多品种铸件研制周期短的特点，传统金属模具砂型铸造难以满足生产周期要求，而且模具制作成本高，不适合小批量多品种研制铸件的生产。同时，一炉多件采用同一铸造工艺方案存在多种弊端，铸件浇注完成后还需切割、打磨、喷砂、机加等多道工序后才可进行X光、荧光检测工序，当无损检测发现铸件存在缺陷时，铸造工艺需进行优化，随后重新造型浇注，大大延长了铸件研制周期，而且一炉同方案铸件存在批量报废风险，铸件报废数量也增多，研制成本也不断增加。因此，小批量多品种研制铸件，采用3D打印技术无模化生产是具有很明显的优势。

　　3D砂型打印技术是利用树脂粘接剂微滴喷射技术，通过计算机将砂型三维模型转化为二维切片数据，然后铺砂器在成型箱平台上预铺一层均匀混有固化剂的3D打印专用砂，随后通过打印头将树脂均匀并有选择性的喷射在成型箱平台上，然后铺砂器再铺设一层混有固化剂的3D打印专用砂，如此重复往返，依靠砂子层层堆积而成，最终形成所需要的砂型。

　　现以某型号多种异形框架铸件为研究对象，进行砂型结构工艺设计研究，解决多品种框架铸件研制周期长、制作成本高等难题。

　　1铸件砂型设计

　　1.1铸造工艺设计

　　根据二维图纸及技术协议要求，绘制三维零件模型，对不满足最小铸出孔的孔洞进行封填，其次对零件加工及非加工部位分别放置加工余量及工艺补贴，并根据加工余量的不同采用不同颜色加以区分，该颜色标识可以直观分析零件加工余量，便于后续尺寸检测，随后进行浇注系统及冷铁的工艺设计。零件呈瓦型框架结构，该类型铸件在金属液凝固过程中容易受力不均匀，整体结构易变形，尺寸精度控制难度大，为减小凝固过程产生的应力，框架铸件采用“卧式”浇注，及平躺式浇注，一方面，该浇注方式便于控制金属液凝固顺序，另一方面，通过8根立筒缝隙浇道可以有效抑制铸件变形，后续通过振动时效等方式去除应力，避免铸件因尺寸超差而报废。

　　将设计好的铸件、浇注系统、冷铁模型分别以STL格式文件导入至铸造模拟仿真软件进行装配，STL文件导入精度设置为0.08。装配后的铸造工艺随后进行网格剖分，网格剖分尺寸为9mm，根据最近平均温度设置各部分材料初始温度，其中冷铁及模型材料温度设置为25℃,铸件浇注温度设置范围为710℃~740℃,重力影响常数设置为50%，界面传热模型选择空气间隙，间隙厚度设置为2μm，参数设置完成后进行仿真模拟计算。模拟仿真液相体积分数结果显示，该铸造工艺可以形成自远端向缝隙浇道顺序凝固结晶方式，凝固顺序合理。模拟仿真温度场结果显示，铸件远端与缝隙浇道之间的温度梯度大，等温区较窄，铸件凝固温度梯度合理。模拟仿真铸件疏松、缩孔缺陷预测结果显示，疏松、缩孔缺陷主要分布于铸件浇注系统以及防变形工艺筋上，后期可通过机加去除，铸件本体无超标疏松、缩孔显示。

　　1.2铸造砂型拆分

　　结合上述框架铸件铸造工艺模型进行砂型设计，该铸件采用一炉两件方式浇注，同炉两件工艺方案一致，根据技术协议要求，同炉铸件需提供30根附铸试样，由于采用的是“卧式”浇注方式，铸型整体高度不高，为便于布置附铸试样，需将部分立筒浇道拉高200mm处理。砂型整体吃砂量在控制在80mm～110mm之间，每件砂型之间采用三角定位，定位芯头拔模斜度控制在5°~15°范围以内，砂型之间定位芯头需增加防差错设计，避免砂型合箱顺序出错。芯头底部需增加宽度为8mm～12mm，深度为3mm的积砂槽，避免砂型合箱过程中接触摩擦产生的浮砂造成垫砂、错型、跑火等。吊装孔根据砂型重心情况，确保砂型吊装过程平稳，深度不易太浅，否则起吊过程容易脱落，也不能太深，避免触及到型腔内部。考虑框架铸件为圆弧结构，在铸件顶部存在气体无法排除情况，需在铸件圆弧顶部增加直径为φ5的排气孔，并在排气孔与盖板接触面做2mm深的凹槽，提高砂型的排气性。由于框架铸件整体砂型均采用3D砂型打印，砂型整体强度较高，退让性较小，从框架铸件结构特点及以往砂型特性分析，本次砂型在铸件X轴、Y轴、Z轴方向的铸造收缩率分别为1.25%、1.25%、1.35%。

　　将设计的砂芯及冷铁铸型模型分别以STL格式文件导出，STL文件导出精度设置为0.02，采用3D打印设备进行砂芯的打印，为确保后续砂型组芯过程顺利，每件砂型上需注明数字编号，文字标识深度设置在5mm～8mm之间。3D打印排版过程中尽量大平面朝下，同时避免出现砂型悬空，如底部悬空需在砂型底部设置砂型垫台，防止砂型打印过程中因重力影响而变形，另外砂型之间间隙不易太小，且吊装孔之间不能干涉，保证砂型破壳清理顺利，确保砂型的完整性及打印精度。

　　2砂型实用性分析

　　2.1铸件缺陷分析

　　按照上述方案砂型进行合箱浇注，为保证获得致密度、表面光洁度更高的铸件，本次浇注方式采用差压设备进行浇注。涂料选择醇基涂料，本次涂料是由人工涂刷，涂层厚度不易控制，涂料波美度太大或太小容易导致涂层过厚或过薄，都会影响整个砂型的透气性以及影响铸件内部尺寸精度，从而影响对3D打印砂型退让性的数据判断，因此，采用精度较高的波美比重计测量涂料的波美度，保证涂刷过程涂层均匀。

　　试制后的铸件开箱后经无损检测发现存在多处铸造缺陷，同炉两件铸件圆弧顶部均存在气孔及落砂缺陷，根据技术协议要求两件框架铸件均报废处理。该铸造工艺经过铸造模拟仿真计算，且铸件本体内部无疏松、缩孔缺陷，初步判断气孔及落砂缺陷是由操作过程及砂型结构不合理导致。

　　2.2砂型结构分析

　　针对气孔及落砂缺陷问题，分析发现，该砂型合箱后，一方面，是因为砂型合箱过程中容易碰撞摩擦，并且难以发现铸型内部是否存在落砂，即使铸型内部存在落砂也无法清理。另一方面，是砂型整体透气性不好，虽然上箱铸件通过排气孔与铸型外部相通，排气面积较小，且砂型内部存在圆弧面，气体容易聚集，特别是下箱铸件，基本封闭在铸型内部，排气效果更差。此外，虽然该砂型可以进行一炉两件方案浇注，但只限于同一种铸件，其余尺寸框架铸件只能单独另外浇注一炉，并且每炉也只能验证两种铸造工艺方案，产品试错次数较少，对于多品种框架铸件的研制不适用。

　　2.3砂型成本分析

　　上述方案砂型包括托板、盖板、砂芯、外模，对该方案砂型质量进行测量，总质量约为600kg，即每浇注一件框架铸件需3D打印砂型300kg。而且该砂型各部分结构复杂，排版过程中容易干涉，所以打印空间利用率不高，致使该方案不仅生产辅料消耗大，破壳清理难度大，砂型易损坏，生产成本高，而且研制周期长。

　　3铸造砂型工艺优化

　　3.1铸造浇注系统优化

　　针对上述方案砂型合箱存在容易落砂、透气性差、成本高、试错次数少等问题，对铸造工艺进行优化，将铸件“卧式”浇注方式改为“立式”浇注方式，该铸造工艺可缩小砂型整体体积，便于砂型组芯，并且铸件大部分工艺辅助筋处于顶部，金属液流动自下而上充型，没有原方案圆弧大平面充型情况，排气通畅。另外该砂型结构简单，合箱操作性好，不容易落砂，即使出现落砂也可以直观发现，并且压缩气体管道可以伸入到砂型内部进行清理。但面临铸件尺寸难以控制问题。针对铸件变形问题，提出采用防变形工艺筋辅助结构，在两端易变形部位增加一条工艺筋，抑制铸件在凝固过程中变形。另外工艺辅助筋也会随着铸件一同热处理，同样可以抑制铸件在热处理过程中变形，后续通过振动时效去除应力后，采用机床等设备去除即可。

　　3.2砂型结构优化

　　根据优化后的铸造工艺进行砂型结构优化，砂型由砂芯、外模一体式结构优化为分段砂芯组合式结构，砂型只拆分为左右两箱，在保证铸件工艺结构的情况下最大化缩小砂型整体体积，只保留关键性部位，后续浇注方案根据实际情况进行组芯，可多方案灵活组合及多铸件灵活搭配。同牌号铸件可以随机组合，并且不同方案也可随机组合，灵活性强，研制阶段增加试错机会，可在短时间内寻找最优方案，并且能够灵活合理安排铸件浇注数量，避免铸件产能过剩。

　　因为砂型整体体积缩小，取消了外模、盖板等砂型结构，所以将一炉两件浇注方式改为一炉四件浇注方式，该四件铸件高度一致，相比原方案上下箱一炉两件设计，排气面积更大，每件铸件均与铸型外部相通，排气效果更佳。一炉四件方案可直接打印砂芯，无需打印托板、外模等砂型，3D打印砂芯体积整体减少一半，铸造出品率显著提高，直接可以一炉浇注四件，并且四件均可采用不同的铸造工艺方案及浇注不同结构的铸件，金属原材料成本直接节省一半，还极大节省3D打印原砂、树脂、固化剂等辅料使用量，避免资源浪费。此外，铸件砂芯设计时根据生产实际考虑，砂型内部采用镂空结构设计，在保证砂芯强度的同时，既减轻了砂芯重量，降低了开箱难度，又节约打印砂的使用量，降低了生产成本。

　　3.3砂型优化前后分析

　　对上述优化前后砂型方案分别从打印砂型质量、每炉件数、砂型排气性、合箱操作性等特点进行比对分析，分析结果如下。

　　（1）两种方案砂型整体质量相差不大，原方案砂型总质量约为600kg，优化后砂型总质量约为550kg，但是原方案平均一件用砂量为300kg，优化后方案平均一件用砂量约为138kg，整体用砂量节省约54%。

　　（2）原方案砂型为一炉两件相同铸造工艺，优化后方案砂型为一炉四件多种灵活组合铸造工艺。两种方案铸件加浇注系统总质量分别为21kg、43kg，理论配料分别应为131kg、153kg，为了确保合金溶液精炼效果得到最佳，因此两方案都按坩埚最低极限170kg配料，故两种方案金属原料成本一致，但是优化后的方案每炉件数是原方案的两倍，并且优化后的砂型方案每件铸件种类不受限，只需满足同等牌号合金即可。由此可见，优化后砂型方案产出高，灵活性强，适合小型多品种铸件研制生产。

　　（3）优化后砂型内部结构通畅，金属液充型平稳，不存在湍流等现象，排气性优良。

　　（4）单件灵活组合式砂型体积小，组芯便捷，易操作，作业效率高，不容易落砂，即使落砂也可通过压缩气体管道伸入砂型内部进行清理，而且还可根据生产情况灵活组合搭配，产品种类及数量不受限，避免产能过剩。

　　（5）灵活组合“立”式砂型独立性更强，每件铸件基本处于独立的空间，充型过程中互不影响。然而固定“卧”式砂型则是需待下箱铸件充型完成金属液在沿着立筒浇道开始充型上箱，当下箱充型过程中出现金属氧化等夹渣物时，这些夹渣物就会顺着浇道充型到上箱铸型当中，存在同炉报废风险。

　　（6）根据技术协议要求，同炉铸件需带有30根附铸试样，原方案砂型方案每件铸件平均带有15根附铸试样及1个光谱试样，优化后砂型方案每件铸件平均带有8根附铸试样及0.5个光谱试样，附铸试样及光谱试样大幅度减少，一方面，减少后续附铸试样切割、热处理及理化试验分析等工序工作量，另一方面，减少机加设备使用及理化试验成本。

　　4试制结果
       4.1内部质量

　　同样将优化好的铸件、浇注系统、冷铁模型导入至铸造模拟仿真软件进行模拟仿真计算，通过分析铸造模拟，模拟仿真液相体积分数、仿真金属液凝固温度场、仿真铸件疏松、缩孔缺陷预测结果显示，该铸造工艺方案可行，铸件凝固顺序合理，无超标疏松、缩孔缺陷，可进行后续砂型拆分设计工作。

　　根据优化后的砂型方案进行投产，多件试制铸件经过喷砂、抛丸等工序处理后，铸件表面光洁平整，无落砂凹坑等铸造缺陷，去除浇道及工艺变形筋后经X光无损检测及荧光渗透检验，结果表明，铸件无裂纹、疏松、缩孔等缺陷，铸件内部质量满足HB7780-2005Ⅰ类铸件的要求。

　　4.2力学性能

　　铸件按要求进行T6热处理后，按技术协议的要求进行常温及200℃高温力学性能测试，测试结果显示，常温抗拉强度处于294MPa～305MPa范围内，延伸率处于6.5%～8.5%范围内；200℃抗拉强度处于275MPa～283MPa范围内，延伸率处于10.0%～10.5%范围内；研制的框架铸件力学性能均满足设计要求。

　　4.3结构尺寸

　　采用手持式三维激光扫描设备对研制框架铸件进行扫描比对分析，结果显示，铸件尺寸满足技术图纸要求，均在铸造公差范围以内，表明3D打印砂型在X轴、Y轴、Z轴分别放置1.25%、1.25%、1.35%收缩率合理，砂型结构在铸件凝固收缩过程中受力均匀。

　　5结论

　　通过对框架铸件砂型结构工艺分析及优化，采用优化后的砂型能在较短的周期内研制出满足技术要求的优质框架铸件，多项检测结果表明。

　　（1）框架铸件灵活组合“立”式砂型整体排气性、独立性、合箱操作性优于固定“卧”式砂型。

　　（2）一炉多件、多方案灵活组合式砂型可对多品种产品采用不同设计方案进行同炉浇注，该方式可同时验证多种方案，且同牌号合金铸件进行同炉浇注，能在短时间内验证铸造最优工艺设计方案，符合当下研制周期短等严峻形势。

　　（3）组合式砂型投产效率提高，打印砂芯体积大幅度缩小，省去打印盖板、外模、托板等砂型，只需打印砂芯进行组合即可，效率高，周期短，减少造型、切割、热处理、理化试验等多道工序工作量，而且到铸件数量是原方案两倍，达到事半功倍的效果。