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1、 前言

在航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè)，其基礎的核心部件一般均為金屬零件，而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規(guī)則曲面或結構復雜而內(nèi)部又含有精細結構的零件。傳統(tǒng)的鑄造工藝設計方法往往依賴于直覺經(jīng)驗，在鑄件結構較為簡單和鑄造類似鑄件時，經(jīng)驗可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復雜鑄件且無相關經(jīng)驗時，只能通過反復工藝實驗來確定工藝；當工藝存在重大失誤時，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過工藝反復實驗來確定工藝的方法，可能導致先前制作的模具報廢，對于大型鑄件來說模具費用會相當高，這會造成重大經(jīng)濟損失，同時嚴重影響新產(chǎn)品的試制，延長新產(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的工業(yè)級3D打印機相結合，可有效的解決這些問題。生產(chǎn)周期可縮短十倍以上。實現(xiàn)了生產(chǎn)的低成本和高效益，達到了鑄件生產(chǎn)的個性化、多樣性、快速鑄造的目的。

2、 鑄造模擬技術和3D打印技術

鑄造工藝模擬CASTsoftCAD/CAE系統(tǒng)和3D打印技術系統(tǒng)框圖（圖1），鑄造工藝設計CAD由鑄件重量、體積、模數(shù)、補縮、澆鑄等工藝參數(shù)計算和工藝圖繪制、三維自動轉二維、工藝卡自動繪制組成；鑄造工藝模擬CAE集鑄造過程仿真、鑄造缺陷定量預測及結果定量顯示。用3D打印技術無模具制造蠟件后，通過精密鑄造生產(chǎn)出產(chǎn)品毛坯。整個周期只需要15-25天。

基本思路是：1）、將三維設計完成的鑄件毛坯（含加工余量）輸入到鑄造工藝設計CAD中，進行澆注系統(tǒng)計算、冒口計算、冷鐵計算、孤立熔池計算、模數(shù)計算；2）、根據(jù)計算結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，進行鑄造過程模擬仿真，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直接生產(chǎn)出鑄件原型蠟件（含收縮量）；5）、按照設計好的鑄造工藝方案，給原型蠟件鏈接上澆注系統(tǒng)，并通過制殼、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)控設備生產(chǎn)出最終產(chǎn)品進行裝配驗證設計的合理性。

圖1鑄造工藝模擬CASTsoftCAE系統(tǒng)和3D打印技術系統(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。首先是根據(jù)技術工程師經(jīng)驗，設計出大概的澆注工藝，然后進行模具的設計和生產(chǎn)。此零件形狀并不復雜，如果采用設計壓型進行生產(chǎn)，其模具的設計、生產(chǎn)周期約需2～3個月，模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個月的時間。只要其中一個環(huán)節(jié)的設計不合理，整個過程可能就要重新開始，而且可能要反復數(shù)次。這不僅浪費了大量的人力物力，又將最終產(chǎn)品的批量生產(chǎn)拖延三五個月，甚至更久�，F(xiàn)在，通過CASTsoftCAD/CAE軟件和3D打印技術恰好解決這個難題。利用其特點，從設計到生產(chǎn)出成品件的整個加工周期只要20天，甚至更少。

3、 鑄造工藝方案設計

利用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)的鑄造工藝設計及工藝模擬CASTsoftCAD/CAE技術對鑄件毛坯模數(shù)、工藝熱結計算、冒口系統(tǒng)計算、澆注過程計算、凝固過程計算，對鑄件毛坯進行工藝設計和鑄造工藝缺陷的分析，依據(jù)分析結果對工藝進行改進，最后設計出合理的鑄造工藝。采用CAStsoftCAD/CAE技術進行體積法和模數(shù)法進行澆注系統(tǒng)計算、澆口棒計算和澆口位置確定，初步確定工藝，通過澆注過程凝固過程進行分析，進一步優(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鑄造工藝設計模塊進行工藝熱結計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)模擬計算缺陷的結果（圖5、圖6），可以知道工藝方案1熱節(jié)集中在鑄件側面的大平面旁邊，適合放置冒口澆口棒，所以按方案1計算澆口棒，確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。步驟2：根據(jù)缺陷設計澆口棒，得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件。通過造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質量，再通過鑄造模擬軟件進行鑄造過程模擬，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，鑄件毛坯進行網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為2mm×2mm×2mm，共剖分網(wǎng)格800萬單元（如圖8）。

圖8鑄件網(wǎng)格剖分

圖9模殼網(wǎng)格剖分

3.3鑄造模型構建及模擬計算：按工藝要求添加精密鑄造相應的工藝參數(shù)。參數(shù)設置如下：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，澆注時模殼700°C左右。

3.4鑄造工藝結果顯示及工藝合理評定：

圖10孤立熔池位置a

圖11孤立熔池位置b

圖12凝固過程溫度場剖面圖

圖13凝固過程溫度場

圖14缺陷透視圖

采用CASTsoftCAE鑄造工藝模擬模塊進行鑄造過程模擬驗證，通過凝固過程、溫度場及縮孔縮松的判定可以看到鑄件內(nèi)部沒有產(chǎn)生缺陷，理論上滿足質量要求。

4、3D打印蠟模的制造

4.1生產(chǎn)設備及原理
    使用激光粉末快速成型技術的工業(yè)級3D打印機燒結粉末材料（如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、覆膜砂和金屬粉等）。成型時先在工作臺上鋪上一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進行下一層的鋪粉燒結。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。優(yōu)點：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。且材料可重復使用，利用率高。可用于樣件，功能件，模具，模型，鑄造蠟模等。設備結構如圖15所示。

圖15設備原理圖

4.2蠟模的生產(chǎn)
    生產(chǎn)蠟模，首先要確定蠟模尺寸。根據(jù)蠟模收縮率、合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、模擬結果給出蠟模X、Y、Z方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在MagicsRP軟件對零件處理時首先進行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟模，繼而獲得尺寸合格的鑄件毛坯。經(jīng)過12.5個小時的設備加工生產(chǎn)出主體材料為ps粉（聚苯乙烯）鑄件原型。這個原型還不能直接使用，需要做一下簡單的后處理工作。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、蠟模的組焊

按照設計好的鑄造工藝方案，給蠟件鏈接上澆注系統(tǒng)。如圖17所示。快速成型機制出的蠟模原型要求無形變，尺寸準確，通過精整處理后表面光潔，可以進行組焊、粘漿、制殼、脫蠟。澆注系統(tǒng)選用性能相近的中溫蠟，以便于粘結牢固，滿足制殼的強度要求，其尺寸按熔模鑄造工藝設計選取。組焊工藝與傳統(tǒng)蠟模相似，保證內(nèi)澆口長度和間距，便于冒口補縮，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
    快速成型技術制成的蠟模涂掛性能好，可以用原工藝配制涂料，粘漿與撒砂，干燥。粘結劑用硅溶膠或硅酸乙酯，面層耐火材料用鋯英粉，背層用莫來石或煤矸石粉。由于使用的燒結粉料熔化溫度高，沒有流動性，型殼不能通過蒸汽脫蠟工藝將原型全部去除，但可以在純氧環(huán)境下通過高溫焙燒的方法去除蠟模，或者在開放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟模。直接高溫焙燒會使型殼漲裂導致生產(chǎn)失敗。所以我們通過以下步奏制殼：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)時間13分鐘；3、焙燒：溫度緩慢上升，加熱到850度，持續(xù)時間一小時；4、簡單清理一下內(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、 結果與分析

使用CASTsoft軟件可以有效地預測出工藝設計中存在的問題，能夠預測出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)模擬結果確定、改進、優(yōu)化鑄造工藝。利用CASTsoftCAE軟件可以對鑄造工藝參數(shù)如：澆注溫度、充型時間、鑄型材料、澆口棒等進行改進，改進后再次進行模擬，經(jīng)過多次的改進直到消除鑄造缺陷。3D打印技術可以使企業(yè)有能力快速生產(chǎn)各類大尺寸、結構復雜熔模精密鑄件所用蠟模，減少大量外協(xié)費用，同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費用。

6、 結語

CASTsoft軟件與3D打印技術的結合可以大大縮短生產(chǎn)周期，為新產(chǎn)品研制和開發(fā)獲得了大量寶貴時間，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)型號產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務的順利完成打下良好的基礎。挺高了企業(yè)競爭力。