3D 打印在大型球墨鑄鐵中壓外缸生產(chǎn)中的應(yīng)用

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

目前以3D 打印、機(jī)器人、新材料等為代表的新技術(shù)、新工藝與各行業(yè)、各領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)融合滲透形成新動(dòng)能，正在推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。其中3D 打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域取得了重大突破，以砂型三維立體打?。?DP）為代表的快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造方法不斷融合，逐步開(kāi)創(chuàng)出全新的3D 快速鑄造生產(chǎn)模式，正在引導(dǎo)鑄件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的深刻變革。

超超臨界汽輪機(jī)組的關(guān)鍵大型部件，如高壓缸、中壓缸等，如果使用傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)方式，其生產(chǎn)成本高，研發(fā)周期長(zhǎng)，成為制約其升級(jí)迭代的一環(huán)，但這種情況隨著砂型3D 打印技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用而得到了質(zhì)的改善。本文介紹一種新機(jī)型中壓外缸產(chǎn)品與之前在制產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)一致，局部設(shè)計(jì)變更的情況下，應(yīng)用“3D 打印+傳統(tǒng)模具”實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造交付的應(yīng)用實(shí)例。

1 中壓外缸鑄件特征及結(jié)構(gòu)

1.1 新開(kāi)發(fā)的中壓外缸的主要特征信息

新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品為凝氣式汽輪機(jī)用中壓外缸鑄件，鑄件輪廓尺寸大，整體呈鼓狀殼體結(jié)構(gòu)，其下部設(shè)計(jì)有若干抽氣口，結(jié)合法蘭面兩端頭設(shè)計(jì)有軸孔和密封槽，整體壁厚差距較大。鑄件重量大，其澆注重量達(dá)到62 t，產(chǎn)品材質(zhì)為QTRSi3Mo，屬于厚壁大型高硅鉬球墨鑄鐵件。鑄件的基本特征信息如表1，鑄件結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.

1.2 新開(kāi)發(fā)的中壓外缸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新開(kāi)發(fā)中壓外缸產(chǎn)品為顧客新設(shè)計(jì)首次下發(fā)訂單生產(chǎn)，在原產(chǎn)品基礎(chǔ)上局部進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示。與原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相比，產(chǎn)品主體尺寸結(jié)構(gòu)一致，其區(qū)別主要在于抽氣口數(shù)量由原來(lái)的3 個(gè)變?yōu)?個(gè)，取消中間抽氣口新增一處臍子，兩側(cè)新增兩處抽氣口對(duì)稱(chēng)分布于對(duì)角位置。其余結(jié)構(gòu)均與原來(lái)保持一致。

圖1 中壓外缸新產(chǎn)品與原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

2 技術(shù)質(zhì)量要求

2.1 尺寸公差要求

鑄件尺寸公差符合GB/T6414 標(biāo)準(zhǔn)中CT13 級(jí)要求，壁厚公差符合GB/T6414 標(biāo)準(zhǔn)中CT14 級(jí)要求。

2.2 NDT 檢測(cè)要求

需對(duì)鑄件進(jìn)行100%磁粉（MT）探傷和100%超聲波（UT）探傷。其中UT 按照EN12680-3 進(jìn)行探傷檢測(cè)。等級(jí)要求為：結(jié)合法蘭、貓爪、抽氣口法蘭為2級(jí)，其余部位均要求滿(mǎn)足4 級(jí)。

3 工藝方案

3.1 原產(chǎn)品工藝方案

原工藝方案為以結(jié)合法蘭分型，產(chǎn)品整體放在上模樣制作單體模樣，下模樣無(wú)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，由芯頭定位和澆注系統(tǒng)組成下模樣胎板；為保證鑄件的精度和造型操作方便，需在上下模樣之間設(shè)計(jì)定位裝置，采用三開(kāi)箱造型方案，上箱分開(kāi)兩箱制作；使用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口均布于兩側(cè)結(jié)合法蘭底返進(jìn)流，使用耐火磚加陶瓷管形成全陶瓷澆注系統(tǒng)。

兩端軸孔和密封槽分別設(shè)計(jì)單獨(dú)芯子形成，其余內(nèi)腔結(jié)構(gòu)均由一個(gè)整芯帶出。圖2 為砂芯示意圖。

圖2 原產(chǎn)品砂芯示意圖

3.2 新產(chǎn)品工藝方案

對(duì)于新產(chǎn)品鑄件結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變，在顧客只有一件訂單需求不愿意投入新模具的情況下，如果采用傳統(tǒng)的制作木模換料的方式使用原有木模換料進(jìn)行生產(chǎn)，不僅需要大量新制活料和芯盒產(chǎn)生高昂的模具費(fèi)用，而且還會(huì)對(duì)之前的模具產(chǎn)生較大的破壞，影響模具可靠性和壽命，因此在該產(chǎn)品工藝策劃時(shí)創(chuàng)新提出了“3D 打印+傳統(tǒng)模具”的生產(chǎn)方案。具體方案如下：

1） 對(duì)角新增的兩處抽氣口采用消失模制造+3D 打印

模樣新增抽氣管口使用消失模制作并設(shè)計(jì)定位與原模具進(jìn)行配合，管口內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用3D 打印砂芯與原來(lái)大芯組合形成，大芯芯盒使用消失模制作出3D 打印砂芯芯頭定位，其中3D 打印芯由于打印機(jī)工作箱尺寸限制分兩層設(shè)計(jì)，兩層砂芯中間設(shè)計(jì)子母定位芯，下層3D 打印芯芯頭做斜坡限位設(shè)計(jì)，另外3D 打印砂芯需設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)吊把，組芯完成后外漏吊把割除，沿預(yù)留通道進(jìn)入大芯主體吊把可以不去除，但要對(duì)預(yù)留吊把通道進(jìn)行填補(bǔ)修平。

2）取消中間抽氣口，新增一處圓臍子

為保證原有模具不受到破壞，中間抽氣口考慮使用3D 打印砂芯進(jìn)行填補(bǔ)，上模樣設(shè)計(jì)填補(bǔ)芯芯頭定位，大芯芯盒內(nèi)中間抽氣口位置使用消失模進(jìn)行填補(bǔ)，合箱時(shí)將3D 打印砂芯按照芯頭定位標(biāo)于上箱實(shí)現(xiàn)中間抽氣口的填補(bǔ)。并且由該砂芯帶出中間新增臍子結(jié)構(gòu)。

模樣改造方案如圖3 所示，大芯芯盒改造方案如圖4 所示，3D 打印砂芯及組芯方案如圖5 所示，3D 打印砂芯及標(biāo)芯方案如圖6 所示。

圖3 模樣改造方案示意圖

圖4 大芯芯盒改造方案示意圖

圖5 3D 打印砂芯及組芯方案示意圖

圖6 3D 打印砂芯及標(biāo)芯方案示意圖

4 新產(chǎn)品生產(chǎn)控制

對(duì)于該組合方案的實(shí)際生產(chǎn)控制，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鑄件尺寸控制的準(zhǔn)確性，需從兩方面進(jìn)行確保：首先是模具組合消失?；盍隙ㄎ坏臏?zhǔn)確性及尺寸精度，完成模具改制后使用數(shù)模拍照測(cè)量的方式對(duì)模具整體進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)；其次需要在組芯完成后測(cè)量3D 打印芯的配合是否準(zhǔn)確，同樣使用數(shù)模拍照測(cè)量的方式對(duì)型芯半成品進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)。對(duì)于3D 打印砂芯的出氣也應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行控制，造型時(shí)在砂芯芯頭上方砂型提前預(yù)留出氣通道，3D 打印砂芯打印時(shí)預(yù)留出氣通道，確保砂芯出氣通暢。另外對(duì)于填補(bǔ)中間管口3D 打印砂芯的標(biāo)芯質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)檢查。圖7為該方案實(shí)際生產(chǎn)示意圖。

圖7 該方案實(shí)際生產(chǎn)示意圖

采用以上工藝設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的中壓外缸鑄件，按照顧客標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了尺寸、NDT 及性能的檢驗(yàn)，所有檢驗(yàn)結(jié)果均合格。鑄件實(shí)物圖如圖8 所示。新產(chǎn)品不僅生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到顧客要求，而且使用該種方案模具成本大幅度降低，產(chǎn)品研發(fā)周期也得到了大幅度的縮減。真正實(shí)現(xiàn)了低成本快速制造。

圖8 中壓外缸下部鑄件實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

研究實(shí)踐證明，在大型球墨鑄鐵中壓外缸新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中，應(yīng)用3DP 快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)相融合的“3D 打印+傳統(tǒng)模具”快速鑄造技術(shù)，低成本、快速開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出合格的中壓外缸鑄件，證明了3DP 快速成型技術(shù)在未來(lái)推廣應(yīng)用的可行性；并且該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展對(duì)于企業(yè)進(jìn)一步提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化，推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。