目前，铸造生产中适合3D打印的材料发展已经比较全面，其中金属、塑料、砂是最为常用的增材制造材料[1-2]。3D打印技术不仅可直接制备铸件，更在铸造用型芯的无模化3D打印领域形成了成熟且广泛的应用，即型芯快速成型技术。该技术的原材料为硅砂、树脂、固化剂，价格相对较低；成型方法亦相对简单，仅需喷射黏结剂，无需额外烧结处理。当前技术已日趋成熟，几乎可间接制备任何复杂形状的铸件，能够有效解决单件、小批量生产场景下模具投入成本高、试制周期长的弊端[3-9]。且计算机技术在铸造行业的快速发展与广泛应用，借助专业铸造软件可模拟能够模拟铸件的充型过程、温度梯度演变过程及凝固过程[10-13]，进而通过分析模拟结果优化铸造工艺参数[14-20]，可以缩短产品试制周期，降低生产成本[21]。
本文采用砂型3D打印技术实现高压开关行业用某型号复杂铝合金壳体铸件的高效制备。详细介绍了基于砂型3D打印技术而进行的浇注工艺的设计与优化，以及整体砂型的设计与制备，最终通过铸件浇注验证，确保产品满足相关技术指标，有效解决目前行业内复杂铝合金壳体铸件试品研制周期长，费用投入大的问题，实现复杂铝合金铸件的快速高效制备。
1 铸件结构及工艺简介
高压开关用某型号铝合金壳体多具备复杂结构特征，集成了用于固定与连接其他部件的安装孔、凸台等功能结构，此类结构主要承担电气元件安装、气体密封保障及机械支撑等核心功能。其结构复杂性对铸造工艺的成型精度、稳定性及可行性提出了严苛要求。
以某复杂铝合金壳体铸件为对象，如图1所示，其轮廓尺寸为1 190 mm×950 mm×ϕ790 mm，典型壁厚为15 mm，材质为ZL101A，例行工作压力0.5 MPa，例行水压试验1.3 MPa，是典型的隔离开关壳体，带有复杂密封面设计结构。
图1 某复杂铝合金壳体铸件三维模型
Fig.1 3D model of complex aluminium alloy casting
针对该铸件结构特点，拟采用低压浇注方式。同时，为了实现更好地充型与补缩效果，浇道设计遵循随铸件结构变化的原则，选用底注式浇注系统，浇道整体呈十字状分布。通过铸造工艺模拟仿真对浇注工艺进行优化，以确定最佳的铸造工艺。
2 砂型设计
采用3D打印砂型技术，可将多个复杂型芯整体化，一次成型大尺寸砂芯与砂型，减小分体芯组合过程中产生的尺寸累积误差。因此，在不影响浇注系统设计的基础上，设计整体式的砂型/型芯结构。该铸件选择卧式低压浇注工艺，铸件砂型依据零件结构与操作需求分为上中下3层，下层砂型包含浇注系统横浇道与低压铸造浇口，中层包含铸件下半型与浇注系统直浇口，上层为铸件上半型。
2.1 浇注系统及冷铁设计
浇口设置在法兰及凸块位置。冷铁设置在法兰、凸块等厚大结构加工面，冷铁为使用随铸件同步打印的冷铁砂型，随即浇注铝液后得到的铝质冷铁，铝质冷铁厚度为放置位置结构厚度的2～4倍[22]。3D打印技术可实现冷铁之间1～2mm的间隙控制，且砂型强度仍能满足使用需求，结合实际需求并简化冷铁形状，最终考虑将冷铁间隙定为5mm，冷铁均布，每处法兰冷铁12块。
浇注系统横浇道截面为90 mm×60 mm矩形，法兰处浇口直径80 mm，并带有35 mm高的收缩颈，直浇口高度依据中层砂型厚度减去法兰半径而定。冷铁浇注方式为上下型，上型设计冒口，根据冷铁结构选为卧式浇注。设计的浇注系统与冷铁如图2所示。
图2 铸件浇注系统与冷铁
Fig.2 Casting gating system and chill
2.2 砂芯设计
根据毛坯+浇注系统+冷铁图完成砂芯及砂型设计，通过实体组合完成，芯头长度30mm，芯头圆周间隙0.3 mm[23]，结合生产操作情况将轴向芯头间隙扩大至1 mm，减少合箱时因碰撞产生的砂芯端头掉砂情况。
根据产品结构内部设计加强筋，在保证砂芯强度的前提下，对砂芯进行适当减重，内腔掏空，保证砂芯壁厚强度足够。砂芯在浇注前使用堵头进行封堵。考虑起吊结构及起吊位置。铸件砂芯设计如图3所示。
图3 铸件砂芯
Fig.3 Sand core for casting
2.3 砂箱设计
为保证砂型低压铸造过程的安全性、可靠性，并结合生产经验将砂型最小吃砂量定为100mm。采用凹凸止口进行定位，并对砂型外轮廓两个相邻竖边进行倒角，防止合模过程中左右颠倒，倒角R40。止口高度30 mm、宽度20 mm，凹凸止口斜面间隙0.4mm，拔模斜度10°，止口顶部倒圆角R5。砂箱设计如图4所示。在砂型长度方向两侧设置起吊用吊耳，最小直径240mm，厚度100mm。
图4 铸件砂箱
Fig.4 Sand flask for casting
2.4 锁箱块
在砂型分型面处设计“蝶形”锁箱块和“蝶形”凹槽，通过“蝶形”锁箱块对相邻两型进行固定，“蝶形”锁箱块厚度为50mm，对应凹槽厚度，冷铁锁箱块对应凹槽为30mm，低压浇注用锁箱块对应凹槽厚度60mm。
3 工艺仿真模拟
设计铸件低压铸造工艺参数，进行仿真模拟计算。采用AnyCasting铸造模拟仿真软件进行仿真计算，将使用UG NX 10.0绘制好的三维模型使用stl格式导入到AnyCasting模流分析软件中，完成对模流分析前置参数设定。模型划分均匀网格，网格数约为1 200万。本次使用铝合金牌号为ZL101A，其材料液相线温度为614 ℃，固相线温度为556 ℃。铸件与砂型之间的换热系数采用AnyCasting软件数据库中ZL101A与呋喃树脂砂之间的换热系数，材料选用软件数据库中对应组合，并按照实践经验设置初始温度与浇注温度，初始条件参数设置见表1。
表1 仿真初始条件
Tab.1 Initial conditions for simulation
ZL101A-T6 Furan resin sand 700 80 Metal material Sand molding Pouring Shell material temperature/℃ temperature/℃
本研究首先开展充型过程的耦合计算，进而对凝固过程进行数值模拟，并对铸件的浇注过程进行模拟验证。实际生产中，同类型壳体升压参数选择如表2所示，基于该参数的充型过程模拟结果如图5呈现，铸件各部位的凝固过程模拟结果如图6所示。采用AnyCasting概率缺陷参数模块中的残余熔体模数来预测缺陷的产生[24-25]，疏松缺陷的预测结果如图7所示。
表2 低压铸造加压参数
Tab.2 Pressure parameters in low-pressure casting
Mold Shell Pressure Phases Rising Pressurization filling formation holdingPressure/mbar 230 630 630 1 000 1 000 Time/s 25 40 5 2 1 000
图5 充型过程的仿真结果：(a)充型30%；(b)充型60%；(c)充型100%
Fig.5 Simulation results of the filling process:(a) filling 30%;(b) filling 60%;(c) filling 100%
图6 凝固过程的仿真结果：(a)凝固30%；(b)凝固60%；(c)凝固90%
Fig.6 Simulation results of the solidification process:(a)30%solidified;(b)60%solidified;(c)90%solidified
图7 疏松缺陷的仿真预测结果
Fig.7 Simulation prediction results for porosity defects
模拟结果显示铝液充型过程约24 s，液面波动幅度≤2mm，铝液流动整体平稳，未出现紊流、卷气等现象，可全部充满型腔。铸件凝固过程温度梯度分布合理，收缩过程由浇道补缩通道持续补给，未出现收缩受阻现象，有利于实现铸件顺序凝固。通过残余熔体模数的结果来看，疏松缺陷的分布主要位于浇道位置与顶部非关键位置，铸件本体部位无缩松缺陷，不影响产品力学性能与密封性能。
此次设计的浇注系统能够保证金属液平稳充型，通过低压铸造浇道补缩作用，基本可以实现铸件的顺序凝固，残留的孤立金属液体由冷铁进行激冷，保证铸件本体部位组织致密，无疏松缺陷。
4 试制过程
使用国产3D打印技术及设备进行砂芯、砂型打印。将砂型所需冷铁同样采用3D打印设备制作，提前浇注冷铁，使用黏结剂将冷铁黏结在对应位置上，按照工艺要求对砂型及砂芯表面涂刷防粘砂涂料，将刷涂后的砂型放入烘窑内120 ℃烘烤1 h，最后进行铸件浇注。砂型制备如图8所示。
图8 砂型制备
Fig.8 Sand mold preparation
采用合格的成品铝锭进行了铝液熔化，变质处理及精炼除气后进行检验，试样化学成分及氢含量均满足生产要求，试样化学成分合格后测量低压铸造炉内金属液温度698 ℃。试样化学成分见表3。
表3 化学成分要求及检测结果
Tab.3 Chemical composition requirements and test results
(mass fraction/%)Element Si Fe Cu Mn Mg Zn TiGB/T 1173-2013 6.5～7.5≤0.2≤0.1≤0.1 0.25～0.45≤0.1 0.08～0.20 Test result 7.37 0.13 0.001 0 0.0023 0.41 0.005 8 0.1100
浇注后8h打箱，对铸件进行清砂及表面清理后，铸件表面无可见气孔、缩松等缺陷。对铸件及同炉浇注试棒进行同炉次T6热处理，对同炉试棒铸件进行了力学性能检查，结果见表4，表明力学性能满足相关标准要求。铸件外观检查并合格后入库，铸件实物如图9所示。铸件加工并进行成品检验后，所有尺寸均满足图纸要求，对首件产品进行例行水压检测和气密性检查，检查结果均合格，气密性试验检测情况见表5。
表4 力学性能
Tab.4 Mechanical properties
Tensile Elongation Hardness Yield strength Test items strength/MPa /%(HB)/MPaTest criteria≥295≥3.00≥90-1#310.3 6.00 101.0 236.12#314.7 6.60 98.0 238.4
表5 气密性试验
Tab.5 Pressure test
Gas measured Gas pressure Holding Test item Test result concentration(He)/MPa time/sTest criteria≥90%0.65 60 Annual leakage rate≤0.1%Test result 99%0.65 60 Annual leakage rate≤0.1%
图9 铸件实物
Fig.9 Prototype casting
5 结论
(1)研究了某复杂铝合金壳体铸件采用砂型3D打印技术，从铸造工艺设计、砂型设计与分型到铸件制备与检验，最终获得符合技术要求的铸件，研制全周期比传统模具方案缩短了50%以上，实现了产品制造的快速响应、快速制备、快速迭代，显著提高了研制效率。
(2)采用砂型3D打印不需要模具，可节省高成本的模具投入，快速应对铸件结构改动要求，为铸件定制化、差异化、复杂化的设计提供便捷条件。
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