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1、 前言

在航空、航天、國(guó)防、汽車等重點(diǎn)行業(yè)，其基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件，而且相當(dāng)多的金屬零件是非對(duì)稱性的、有著不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件。傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)方法往往依賴于直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，在鑄件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單和鑄造類似鑄件時(shí)，經(jīng)驗(yàn)可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復(fù)雜鑄件且無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，只能通過(guò)反復(fù)工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)確定工藝；當(dāng)工藝存在重大失誤時(shí)，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過(guò)工藝反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定工藝的方法，可能導(dǎo)致先前制作的模具報(bào)廢，對(duì)于大型鑄件來(lái)說(shuō)模具費(fèi)用會(huì)相當(dāng)高，這會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)嚴(yán)重影響新產(chǎn)品的試制，延長(zhǎng)新產(chǎn)品的試制周期。傳統(tǒng)生產(chǎn)制造這些零件通常采用鑄造或解體加工的方法。現(xiàn)在，利用鑄造模擬軟件和激光粉末快速成型技術(shù)的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)相結(jié)合，可有效的解決這些問(wèn)題。生產(chǎn)周期可縮短十倍以上。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的低成本和高效益，達(dá)到了鑄件生產(chǎn)的個(gè)性化、多樣性、快速鑄造的目的。

2、 鑄造模擬技術(shù)和3D打印技術(shù)

鑄造工藝模擬CASTsoftCAD/CAE系統(tǒng)和3D打印技術(shù)系統(tǒng)框圖（圖1），鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD由鑄件重量、體積、模數(shù)、補(bǔ)縮、澆鑄等工藝參數(shù)計(jì)算和工藝圖繪制、三維自動(dòng)轉(zhuǎn)二維、工藝卡自動(dòng)繪制組成；鑄造工藝模擬CAE集鑄造過(guò)程仿真、鑄造缺陷定量預(yù)測(cè)及結(jié)果定量顯示。用3D打印技術(shù)無(wú)模具制造蠟件后，通過(guò)精密鑄造生產(chǎn)出產(chǎn)品毛坯。整個(gè)周期只需要15-25天。

基本思路是：1）、將三維設(shè)計(jì)完成的鑄件毛坯（含加工余量）輸入到鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD中，進(jìn)行澆注系統(tǒng)計(jì)算、冒口計(jì)算、冷鐵計(jì)算、孤立熔池計(jì)算、模數(shù)計(jì)算；2）、根據(jù)計(jì)算結(jié)果大小和位置將澆注系統(tǒng)、冒口（冷鐵）添加到鑄件毛坯中；3）、將初始化的澆注系統(tǒng)和冒口信息輸入鑄造工藝模擬CAE，進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬仿真，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冒口，將優(yōu)化好的澆冒信息輸出；4）、根據(jù)毛坯三維圖，利用HLP-500激光粉末快速成型機(jī)直接生產(chǎn)出鑄件原型蠟件（含收縮量）；5）、按照設(shè)計(jì)好的鑄造工藝方案，給原型蠟件鏈接上澆注系統(tǒng)，并通過(guò)制殼、脫蠟、

高溫焙燒等工藝制造模殼；6）、將加熱到一定溫度的金屬液澆注到模殼里，冷卻后脫殼，生產(chǎn)出鑄件毛坯；7）、最后，利用數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)出最終產(chǎn)品進(jìn)行裝配驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

圖1鑄造工藝模擬CASTsoftCAE系統(tǒng)和3D打印技術(shù)系統(tǒng)框圖

圖2鑄件三維圖

按照傳統(tǒng)生產(chǎn)制造圖2所示的鑄件。由于是新產(chǎn)品，生產(chǎn)周期很長(zhǎng)。首先是根據(jù)技術(shù)工程師經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出大概的澆注工藝，然后進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。此零件形狀并不復(fù)雜，如果采用設(shè)計(jì)壓型進(jìn)行生產(chǎn)，其模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期約需2～3個(gè)月，模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個(gè)月的時(shí)間。只要其中一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)不合理，整個(gè)過(guò)程可能就要重新開(kāi)始，而且可能要反復(fù)數(shù)次。這不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，又將最終產(chǎn)品的批量生產(chǎn)拖延三五個(gè)月，甚至更久。現(xiàn)在，通過(guò)CASTsoftCAD/CAE軟件和3D打印技術(shù)恰好解決這個(gè)難題。利用其特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出成品件的整個(gè)加工周期只要20天，甚至更少。

3、 鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

利用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的鑄造工藝設(shè)計(jì)及工藝模擬CASTsoftCAD/CAE技術(shù)對(duì)鑄件毛坯模數(shù)、工藝熱結(jié)計(jì)算、冒口系統(tǒng)計(jì)算、澆注過(guò)程計(jì)算、凝固過(guò)程計(jì)算，對(duì)鑄件毛坯進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和鑄造工藝缺陷的分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，最后設(shè)計(jì)出合理的鑄造工藝。采用CAStsoftCAD/CAE技術(shù)進(jìn)行體積法和模數(shù)法進(jìn)行澆注系統(tǒng)計(jì)算、澆口棒計(jì)算和澆口位置確定，初步確定工藝，通過(guò)澆注過(guò)程凝固過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化合理工藝，從而縮短工藝試制周期、降低工藝試制成本。

3.1工藝確定步驟步驟

1：采用CASTsoftCAE鑄造工藝設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行工藝熱結(jié)計(jì)算確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。

圖3工藝放置方案1

圖4工藝放置方案2

圖5工藝放置方案1熱節(jié)及收縮情況

圖6工藝放置方案2熱節(jié)及收縮情況

根據(jù)模擬計(jì)算缺陷的結(jié)果（圖5、圖6），可以知道工藝方案1熱節(jié)集中在鑄件側(cè)面的大平面旁邊，適合放置冒口澆口棒，所以按方案1計(jì)算澆口棒，確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。步驟2：根據(jù)缺陷設(shè)計(jì)澆口棒，得到最終沒(méi)有縮孔縮松缺陷的鑄件。通過(guò)造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質(zhì)量，再通過(guò)鑄造模擬軟件進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬，最后確定可行澆注工藝方案。

圖7鑄件工藝三維模型

3.2前處理本次模擬時(shí)，鑄件毛坯進(jìn)行網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為2mm×2mm×2mm，共剖分網(wǎng)格800萬(wàn)單元（如圖8）。

圖8鑄件網(wǎng)格剖分

圖9模殼網(wǎng)格剖分

3.3鑄造模型構(gòu)建及模擬計(jì)算：按工藝要求添加精密鑄造相應(yīng)的工藝參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如下：鑄件材料：WCB，鑄型材料：水玻璃，澆注溫度1600°C，模殼焙燒1000-1150°C，澆注時(shí)模殼700°C左右。

3.4鑄造工藝結(jié)果顯示及工藝合理評(píng)定：

圖10孤立熔池位置a

圖11孤立熔池位置b

圖12凝固過(guò)程溫度場(chǎng)剖面圖

圖13凝固過(guò)程溫度場(chǎng)

圖14缺陷透視圖

采用CASTsoftCAE鑄造工藝模擬模塊進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬驗(yàn)證，通過(guò)凝固過(guò)程、溫度場(chǎng)及縮孔縮松的判定可以看到鑄件內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生缺陷，理論上滿足質(zhì)量要求。

4、3D打印蠟?zāi)５闹圃?/span>

4.1生產(chǎn)設(shè)備及原理
    使用激光粉末快速成型技術(shù)的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)燒結(jié)粉末材料（如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、覆膜砂和金屬粉等）。成型時(shí)先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行下一層的鋪粉燒結(jié)。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：由于粉末具有自支撐作用，不需另外支撐；材料廣泛，不僅包括PS塑料材料和尼龍材料，還可以直接生產(chǎn)金屬和陶瓷零件。且材料可重復(fù)使用，利用率高。可用于樣件，功能件，模具，模型，鑄造蠟?zāi)５取ＴO(shè)備結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15設(shè)備原理圖

4.2蠟?zāi)５纳�產(chǎn)
    生產(chǎn)蠟?zāi)＃�首先要確定蠟?zāi)３叽纭８鶕?jù)蠟?zāi)Ｊ湛s率、合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、模擬結(jié)果給出蠟?zāi)�X、Y、Z方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在MagicsRP軟件對(duì)零件處理時(shí)首先進(jìn)行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟?zāi)＃�繼而獲得尺寸合格的鑄件毛坯。經(jīng)過(guò)12.5個(gè)小時(shí)的設(shè)備加工生產(chǎn)出主體材料為ps粉（聚苯乙烯）鑄件原型。這個(gè)原型還不能直接使用，需要做一下簡(jiǎn)單的后處理工作。第一步是把鑄件原型浸入到中溫蠟液體中，是原型表面附著一次薄薄的石蠟，冷卻后再次浸入。第二部把冷卻后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑，實(shí)際生產(chǎn)出的鑄件表面光潔度越高。最終生產(chǎn)出如圖16所示蠟件。

圖16 3D打印蠟件

4.3、蠟?zāi)５慕M焊

按照設(shè)計(jì)好的鑄造工藝方案，給蠟件鏈接上澆注系統(tǒng)。如圖17所示。快速成型機(jī)制出的蠟?zāi)Ｔ�型要求無(wú)形變，尺寸準(zhǔn)確，通過(guò)精整處理后表面光潔，可以進(jìn)行組焊、粘漿、制殼、脫蠟。澆注系統(tǒng)選用性能相近的中溫蠟，以便于粘結(jié)牢固，滿足制殼的強(qiáng)度要求，其尺寸按熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)選取。組焊工藝與傳統(tǒng)蠟?zāi)Ｏ嗨疲�保證內(nèi)澆口長(zhǎng)度和間距，便于冒口補(bǔ)縮，模殼放置平穩(wěn)。

圖17 3D打印蠟件鏈接澆注系統(tǒng)

4.4、型殼制備
    快速成型技術(shù)制成的蠟?zāi)Ｍ繏煨阅芎茫�可以用原工藝配制涂料，粘漿與撒砂，干燥。粘結(jié)劑用硅溶膠或硅酸乙酯，面層耐火材料用鋯英粉，背層用莫來(lái)石或煤矸石粉。由于使用的燒結(jié)粉料熔化溫度高，沒(méi)有流動(dòng)性，型殼不能通過(guò)蒸汽脫蠟工藝將原型全部去除，但可以在純氧環(huán)境下通過(guò)高溫焙燒的方法去除蠟?zāi)＃�或者在開(kāi)放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟?zāi)！Ｖ苯痈邷乇簾龝?huì)使型殼漲裂導(dǎo)致生產(chǎn)失敗。所以我們通過(guò)以下步奏制殼：1、利用水玻璃工藝制殼5層；2、脫蠟：溫度170度，壓力0.7MPa，持續(xù)時(shí)間13分鐘；3、焙燒：溫度緩慢上升，加熱到850度，持續(xù)時(shí)間一小時(shí)；4、簡(jiǎn)單清理一下內(nèi)部殘余。
    4.5、澆注金屬液，冷卻脫殼
    澆注金屬液，冷卻脫殼、鑄件清理和原精鑄工序相同。最終得到如圖鑄件。

5、 結(jié)果與分析

使用CASTsoft軟件可以有效地預(yù)測(cè)出工藝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，能夠預(yù)測(cè)出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)模擬結(jié)果確定、改進(jìn)、優(yōu)化鑄造工藝。利用CASTsoftCAE軟件可以對(duì)鑄造工藝參數(shù)如：澆注溫度、充型時(shí)間、鑄型材料、澆口棒等進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后再次進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)多次的改進(jìn)直到消除鑄造缺陷。3D打印技術(shù)可以使企業(yè)有能力快速生產(chǎn)各類大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔模精密鑄件所用蠟?zāi)＃瑴p少大量外協(xié)費(fèi)用，同時(shí)對(duì)于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費(fèi)用。

6、 結(jié)語(yǔ)

CASTsoft軟件與3D打印技術(shù)的結(jié)合可以大大縮短生產(chǎn)周期，為新產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)獲得了大量寶貴時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，極大的提高了鑄造車間精密鑄造水平，為確保后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務(wù)的順利完成打下良好的基礎(chǔ)。挺高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。