基于增材制造砂型的桥形支架铸件铸造工艺设计及制造

来源：特种铸造
文章来源：河南平原光电科技有限公司司金梅、吕三雷、李晶晶等人在《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第1期发表了题为《基于3DP砂型的桥形支架铸件铸造工艺设计及制造》的文章。该研究由完成，得到了相关项目的资助。文章针对桥形支架铸件，设计了底注加缝隙式浇注系统，通过模拟软件对铸造工艺进行模拟和优化，随后进行3DP砂型设计和3D砂型打印，采用反重力低压铸造工艺完成铸件生产，并根据铸件检测结果对铸造浇注系统工艺进行完善，最终生产的铸件满足技术要求。

针对桥形支架铸件，设计了底注加缝隙式浇注系统，通过模拟软件优化铸造工艺，采用3DP砂型设计和反重力低压铸造工艺，最终生产的铸件满足技术要求。

在现代兵器、航空航天、船舶等行业中，铝合金铸件需要具备结构复杂、尺寸精度高、内部品质良好等特点。然而，传统的砂型重力铸造方法难以满足这些高要求。低压铸造由于其充型平稳、组织致密、杂质少等优点而被广泛应用，但仍然存在一些局限性。3DP砂型技术可以实现无模铸造、快速制作砂型，克服了复杂形状铸件形状无法出模、造型难、尺寸精度低、模具费用高等缺点。此外，铸造模拟技术能够对铸件在成形过程中的温度场进行模拟，提前预判缩松、缩孔产生位置，缩短铸件试制周期。因此，本研究针对桥形支架铸件进行铸造工艺设计、模拟和优化，并采用3DP砂型低压铸造工艺完成铸件的生产，具有重要的实际意义。

【研究亮点】
针对桥形支架铸件的复杂结构和高技术要求，设计了创新的底注加缝隙式浇注系统，有效提高了铸件的内部品质和尺寸精度。运用先进的铸造模拟技术对工艺进行优化，提前预判并解决潜在的缺陷问题，缩短了铸件试制周期，提高了生产效率。采用3DP砂型技术实现无模铸造，快速制作砂型，克服了传统砂型铸造的诸多缺点，为复杂铸件的生产提供了新的技术途径。结合反重力低压铸造工艺，充分发挥其充型平稳、组织致密等优点，进一步提升了铸件的质量和性能。

【研究方法】
研究者针对桥形支架铸件，首先设计了底注加缝隙式浇注系统，并采用ProCAST软件对铸造工艺进行模拟，设置浇注温度为690℃，充型时间为45秒。根据模拟结果优化铸造工艺，模拟无缺陷后进行3DP砂型设计和3D砂型打印。砂型采用3箱结构，分别是上箱、中箱、下箱，设计时充分考虑了砂型的强度、定位和减重等问题。最后采用反重力低压铸造工艺完成铸件生产，对合金液进行变质和精炼处理，严格控制浇注参数，并对铸件进行T5热处理。生产过程中，对铸件进行了一系列检测和分析，根据检测结果对铸造浇注系统工艺进行完善。

【全文解读】
1　桥形支架铸件工艺设计与优化
桥形支架铸件材质为ZL114A（GB/T1173-2013），采用T5热处理。其轮廓尺寸为500 mm×374 mm×388 mm，壁厚为9~34 mm，尺寸公差等级为DCTG8（GB/T6414-2017）。质量为27 kg。轴孔处内部品质要求高，不允许有缩松、缩孔、夹砂等缺陷，且铸件结构复杂，底座下方为中空设计，有两个减重空腔，仅通过4个ϕ20 mm和4个ϕ10 mm的工艺孔与外界相通；要求对铸件全部进行X光射线检测，内部品质符合Ⅱ类要求（GB/T9438-2013）。

图1　桥形支架铸件结构

采用反重力低压铸造工艺方案，铸造过程充型平稳、在压力下凝固，可减少铸件不平稳流动导致的缺陷，提高铸件内部品质。为防止铸件变形，顶端设计两处工艺拉筋。浇注系统采用底注加缝隙工艺。4个缝隙浇道尺寸为35 mm×20 mm，4个集渣筒尺寸为ϕ80 mm×400 mm，见图2a；底部矩形浇口有12个，设置在内腔筋上，浇口高度为45 mm，小端宽度与底部内腔加强筋壁厚一致，斜度为8°，见图2b；底部横浇道宽度分别为90 mm和45 mm，高度为50 mm，冷铁为30块，厚度为20 mm，设置在厚大部位，对铸件起激冷作用。

图2　支架铸件浇注系统结构

采用ProCAST软件对铸造工艺进行模拟，设置浇注温度为690 ℃，充型时间为45 s。充型过程温度场见图3。可以看出，合金液先从底部矩形浇口进入铸型，充型平稳，无喷溅及紊流现象。

图3　支架铸件充型过程温度场分布

铸件A、B处为铸件顶端，放置有冷铁，过冷度大，最先凝固，紧接着凝固的位置为两端轴孔处，此部位也有冷铁，过冷度大。上端温度最低，中间温度次之，下部温度最高，底部浇口最后凝固，实现浇注系统设计的顺序凝固目的。铸件缩孔缺陷主要位于顶端工艺拉筋及底面处。底面分布12个矩形浇口，底部浇口附近存在轻微的缩松，工艺基本可行，按此浇注系统进行试制。

图4　支架铸件凝固过程温度场分布

图5　支架铸件缩松、缩孔缺陷位置

2　砂型设计及打印
砂型采用3箱结构，分别是上箱、中箱、下箱。上箱提前预留冷铁位置，后期将成形冷铁采用铸造黏结剂固定到砂型上；砂芯为一个整体，设计在中箱，既能保证铸件尺寸精度，又能保证砂芯强度，中箱设计两根加强筋，保证砂型强度，同时避免砂芯烘干时变形；下箱设计定位芯头4处，保证砂型定位。铸造收缩率设为1%，砂型定位子扣斜度为8°，配合间隙为0.5 mm，吃砂量为35 mm。砂型采用3D打印工艺，打印材料为100目硅砂，打印层厚为0.3 mm。图7为打印成形的砂型。

图6　砂型结构

1.上箱　2.中箱　3.下箱　4.冷铁位置　5.定位芯头

图7　3DP砂型

3　铸造生产
将冷铁喷砂后烘干，采用铸造黏结剂固定在上箱，将打印好的砂型表面刷两次涂料并烘干，温度为120~140 ℃，时间为4 h，最后将砂型合型进行浇注。熔炼过程对合金液在730 ℃时采用配比为62.5%的NaCl+25%的NaF+12.5%的KCl（质量分数）的变质剂进行变质，720 ℃时采用氩气精炼，用密度当量DI来评价铝液中氢含量［DI=（1-ρ2/ρ1）×100%］。试样密度越大，试样越致密，孔隙率越小，密度当量越低；反之密度当量越高，精炼后密度当量为0.3%。调整合金液温度至680~690 ℃时进行低压浇注，充型速度为45 mm/s，充型压力为50 kPa，结晶时间为600 s。对铸件进行T5热处理，工艺为535 ℃×12 h固溶，80 ℃水冷，160 ℃×6 h时效。

首先对铸件进行目视检查，铸件底部型腔局部无壁厚，见图8。经分析，中箱减重型芯与主体砂型仅通过工艺孔相连，见图9，A、B砂芯强度低，浇注过程中受到高温合金液的冲刷发生断裂、上浮，导致铸件局部无壁厚，后采用增大工艺孔措施以提高砂型强度。

图8　铸件局部无壁厚图   图9　砂型断裂位置

铸件三维模型内腔底面是一个平面，见图10a；试制铸件的内腔底面不是一个平面，高度差为2 mm浇注时，金属液冲击导致下箱受到向上的力，下箱将受到的冲击力全部通过接触面A传递到中箱砂芯上，导致中箱砂芯断裂、上浮。后续应改进砂型结构，使下箱受到的浮力不全部通过接触面A传递给中箱，而是使下箱受到的浮力分散到中箱B和砂芯C处。

图10　内腔底面结构

图11　下箱与中箱装配分析

1.砂芯断裂位置　2.中箱　3.接触面A　4.下箱

铸件主要尺寸测量结果见表1。造成尺寸SR217 mm超差的原因为中箱SR217球形面型芯刚度不足，在下箱传递的合金液浮力和冲击力作用下变形。

图12　超差尺寸

表2为随炉试块的化学成分，符合GB/T1173-2013要求。图13为随炉试样的形状，采用GB/T1173-2013中砂型铸造试样结构；表3为随炉试样的力学性能，符合GB/T1173-2013。

图13　随炉试样结构

铸件轴孔及安装凸台处没有缩松、缩孔、裂纹等缺陷，但铸件底面组织缩松。该处壁厚为14.5 mm，浇口较多，局部过热导致产生缩松。后续可通过放置冷铁，增大过冷度进行改善。

图14　铸件X光检测结果

表4为首次工艺试制的3件铸件的检测结果。由于球形面型芯变形上移与砂型外形接触贴合，导致铸件球形面周围壁厚不均，甚至局部无壁厚，SR217处尺寸超差，底面组织缩松，不满足标准要求，需要进一步优化浇注系统工艺，改进砂型结构。

4　工艺优化及实践
根据铸件生产实践及结果分析，从铸件结构优化、增加冷铁、砂型结构优化方面进行改进。将4个工艺孔尺寸从ϕ10 mm修改为2个ϕ20 mm和2个ϕ14 mm，增加砂芯强度，另外4个ϕ20 mm的工艺孔保持不变，最终工艺孔为6个ϕ20 mm和2个ϕ14 mm。

图15　优化后的工艺孔

在底面增加10块冷铁，冷铁厚度为15 mm。底部增加冷铁后，缺陷消失。

图16　底面增加冷铁

图17　优化后缩松、缩孔缺陷位置

对砂型结构进行优化，优化后砂型结构仍是三箱。优化砂型减重方式，修改分型面，设置中箱接触面A与下箱的配合间隙为1 mm，其他分型面与下箱配合间隙为0.5 mm。优化后，浇注时下箱受到金属液的冲击力不仅通过接触面A传递到中箱，也通过接触面M、N传递到中箱B、C砂型，分散接触面A所受的力。

图18　优化后砂型结构

1.上箱　2.中箱　3.下箱　4.砂型减重　5.砂型加强筋　6.定位子扣

根据优化后工艺及砂型结构，重新3D打印砂型，并进行低压浇注。对浇注后的首件铸件外观完整，外表面无冷隔、裂纹、缩孔等缺陷，铸件无少肉现象。首件铸件尺寸符合DCTG7 GB/T6414-2017，高于图纸要求的DCTG 8 GB/T6414-2017尺寸精度。

图19　优化后3DP砂型

图20　优化工艺生产铸件

在铸件底面增加10块冷铁后，底面冷却速度加快，组织无缩松缺陷。表6为优化后铸件检测结果，可见优化后铸件检验合格，满足GB/T 9438-2013 II 类铸件要求。

图21　优化后首件铸件X光检测结果

采用此工艺批量生产，经检验，铸件符合标准要求。

图22　批量生产的铸件

【主要结论】

（1）采用铸造工艺模拟、3DP砂型、低压铸造工艺，快速完成了桥型支架铸件的生产，桥型支架铸件内部质量达到Ⅱ类 GB/T9438-2013、尺寸精度可达到DCTG7级 GB/T6414-2017。

（2）对复杂铸件首先根据经验进行浇注系统工艺设计和工艺模拟，模拟结果合格后进行生产试制，再根据试制结果调整优化工艺，铸件试制成品率较高。

（3）单件小批量的铸件生产采用3DP砂型可以快速完成复杂铸件的生产，质量一致性好。

【引用格式】
司金梅，吕三雷，李晶晶，等. 基于3DP砂型的桥形支架铸件铸造工艺设计及制造［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（1）：130-135.

SI J M，LÜ S L ，LI J J，et al. Casting process design and manufacturing of bridge bracket based on 3DP sand mold［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（1）：130-135.