基于3D打印技術(shù)的金屬鑄件澆口設(shè)計

供稿人:李成偉 張航
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)在生產(chǎn)零部件時，模具的設(shè)計和制造會花費(fèi)大量的時間，增加生產(chǎn)周期和研發(fā)成本。而使用增材制造技術(shù)可以通過計算機(jī)輔助設(shè)計模型直接成形復(fù)雜形狀的砂型，對鑄造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。但目前砂型3D打印主要是提高效率和減少成本，對于鑄件的性能則沒有太大的影響。
最近，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械與核工程學(xué)院的Santosh Reddy Sama等人提出了一種基于3D打印技術(shù)的復(fù)雜澆口系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則，用以提高鑄件的鑄造性能。該技術(shù)工作原理為：對于給定的澆注條件，基于伯努利方程計算出圓錐螺旋和拋物線澆口輪廓的數(shù)據(jù)，并利用約束優(yōu)化算法以輪廓的參數(shù)，最終得到最優(yōu)的澆口輪廓形狀。

圖1 優(yōu)化設(shè)計后的澆口輪廓線(A)圓錐螺旋澆口輪廓 (B) 拋物線形澆口輪廓

在對澆口輪廓形狀進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該基于鑄造流體動力學(xué)，使得澆口輪廓形狀滿足三個條件以減少鑄造缺陷。首先應(yīng)使得澆口底部流體的速度小于最小臨界速度（0.5m/s）；其次是最小化澆口的長度以減少熱量的損失并使得產(chǎn)生的氣泡有充分的時間逸出模具；最后是應(yīng)該避免澆口截面或者澆口與流道連接處截面的突變。

圖2 17-4不銹鋼合金鑄件(A)直澆口 (B)拋物線澆口(C)圓錐螺旋澆口

研究人員使用Viridis3D RAM打印機(jī)制造了不同的澆口和模具，其中分層厚度為0.4mm，原材料為Viridis3D生產(chǎn)的ViriCast粉末和CSTRed粘接劑。將17-4不銹鋼合金在2950°F下進(jìn)行澆注得到零件（如圖2所示）。

圖3 試樣檢測(A)直澆口鑄件SEM(B)拋物線澆口鑄件SEM (C)圓錐螺旋澆口鑄件SEM (D)微觀結(jié)構(gòu)夾雜物含量對比 (E)直澆口鑄件CT(F)拋物線澆口鑄件CT (G)圓錐螺旋澆口鑄件CT (H)空隙空間比較

對三個樣品進(jìn)行檢測（如圖3所示），圖中A-D為試樣的微觀形貌，其中的圓形黑點(diǎn)為因填充過程中熔體的表面湍流而形成的氧化物夾雜物，經(jīng)觀察可知，與直澆口鑄件相比，拋物線澆口鑄件和圓錐螺旋澆口鑄件的夾雜物分別減少了21%和35%。而E-H為試樣的計算機(jī)斷層掃描圖，由圖中可知，與直澆口鑄件相比，拋物線澆口鑄件和圓錐螺旋澆口鑄件分別減少了56%和99.5%的鑄造缺陷。對比三個樣品的極限抗彎強(qiáng)度（如圖4所示）可知，與直澆口鑄件相比，圓錐螺旋澆口鑄件的強(qiáng)度提高了8.4%，而拋物線澆口鑄件的強(qiáng)度提高了4.1%。

圖4 三種澆口設(shè)計的鑄件極限抗彎強(qiáng)度的比較

因此，可以使用3DP技術(shù)制造出常規(guī)方法難以制造出的異形澆口，如拋物線澆口、圓錐螺旋澆口等，不僅能夠大量減少夾雜物等鑄造缺陷，提高鑄件的成品率，還可以極大的提高鑄件的機(jī)械和冶金性能。

參考文獻(xiàn)：
Sama, Santosh Reddy, Badamo, Tony, Lynch, Paul, & Manogharan, Guha. . Novel sprue designs in metal casting via 3d sand-printing. Additive Manufacturing,2019.