數(shù)字化快速成型技術(shù)在聯(lián)體缸蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

耿國芳,齊亞平，鮑玉娟

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261001）

1 數(shù)字化快速成型技術(shù)概述

數(shù)字化快速成型技術(shù)是近代新興起的一種鑄造技術(shù)，該技術(shù)集計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD/CAM）、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新材料新工藝等先進(jìn)技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)增材或減材成型，是一種全新的鑄件快速制造方法[1，2]。在傳統(tǒng)鑄造行業(yè)中，新產(chǎn)品開發(fā)必須要通過手工或機(jī)加工等方式進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)制作，而快速成型技術(shù)擺脫了模具的限制，具有高度的靈活性，特別適合復(fù)雜鑄件的少量快速制造，對(duì)于全新產(chǎn)品的鑄造工藝開發(fā)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用，可有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 聯(lián)體缸蓋發(fā)展趨勢(shì)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，聯(lián)體缸蓋鑄造材料實(shí)現(xiàn)了從原來的HT250 到HT280、HT300 的演變，普通灰鐵材料已達(dá)到了性能上限。面對(duì)上述問題，高性能的蠕墨鑄鐵在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。但蠕墨鑄鐵收縮傾向大，尤其是在內(nèi)腔復(fù)雜、壁厚不均勻、熱結(jié)較多的聯(lián)體缸蓋中，縮松風(fēng)險(xiǎn)較大以及漏水風(fēng)險(xiǎn)高成為一個(gè)急需解決的問題。

3 快速成型技術(shù)在聯(lián)體缸蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)背景

缸蓋原鑄造工藝開發(fā)流程如圖1 所示，只能依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，但由于聯(lián)體缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅通過模擬計(jì)算無法完全準(zhǔn)確的反映鑄件的縮松情況，工藝設(shè)計(jì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。此時(shí)將快速成型技術(shù)引入，可對(duì)鑄造工藝進(jìn)行充分驗(yàn)證，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期，缸蓋現(xiàn)鑄造工藝開發(fā)流程如圖2 所示。

圖1 缸蓋原鑄造工藝開發(fā)流程

圖2 缸蓋現(xiàn)鑄造工藝開發(fā)流程

本案例中的聯(lián)體缸蓋設(shè)計(jì)爆壓高達(dá)25MPa，材質(zhì)為蠕墨鑄鐵，本體強(qiáng)度要求≥400MPa。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，熱結(jié)位于噴油器回油道附近及靠近排氣側(cè)缸間螺栓孔附近，縮松風(fēng)險(xiǎn)較高，如圖3所示。

圖3 模擬計(jì)算熱結(jié)位置

3.2 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬結(jié)果及鑄件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了保溫冒口及布置外冷鐵兩種工藝。其中方案一采用了一種通用型保溫冒口，通過噴油器孔位置與鑄件連通，保證了有足夠且具有流動(dòng)性的金屬液來補(bǔ)縮，從而消除縮松缺陷，如圖4 所示。方案二采用冷鐵工藝，根據(jù)模擬計(jì)算熱結(jié)位置，在鑄件外表面相應(yīng)位置布置了外冷鐵，如圖5 所示。

3.3 快速成型砂芯設(shè)計(jì)制作

外模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且體積較大，采用減材制造可有效的提高效率。砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，全部采用噴墨打印方式制備。

圖4 保溫工藝設(shè)計(jì)

圖5 布置外冷鐵工藝設(shè)計(jì)

按傳統(tǒng)組芯造型工藝，該氣缸蓋大致可分為上蓋芯、底盤芯、進(jìn)氣道芯、排氣道芯、上水夾層芯、下水夾層芯、齒輪室芯等7 種砂芯。為提高效率，同時(shí)滿足快速成型砂芯制備過程中的清砂需求，對(duì)砂芯進(jìn)行了重新劃分調(diào)整，將下水夾層芯、排氣道芯、齒輪室芯及底盤芯打印成一顆砂芯，如圖6 所示。該分芯方式充分利用了快速成型技術(shù)不受模具限制的特點(diǎn)，打印成整體的各個(gè)砂芯之間不用考慮組芯間隙，提高了砂芯之間的相對(duì)位置精度，簡(jiǎn)化了工藝設(shè)計(jì)過程。

圖6 整體打印芯組

進(jìn)氣道砂芯集成進(jìn)氣管，結(jié)構(gòu)較為粗壯，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)通常從一端進(jìn)行抽空處理，但如果砂芯配合間隙控制不好，容易導(dǎo)致鐵水灌入。在快速成型砂芯制備時(shí)，采用抽殼處理方式，只打印一定厚度的壁厚，內(nèi)部散砂通過預(yù)留小孔排出，可減少樹脂的加入，如圖7 所示，降低發(fā)氣量的同時(shí)又能保證砂芯的強(qiáng)度。

圖7 進(jìn)氣道芯抽殼處理

3.3.1 方案一：保溫冒口工藝

在傳統(tǒng)工藝下，冒口是直接放入上型板上，造型直接壓入上模中，在快速成型工藝下無法將冒口直接放到上模中，制備上模時(shí)適當(dāng)修改冒口位置拔模斜度，將冒口預(yù)先組裝到上蓋芯上，再扣上模，可簡(jiǎn)化操作流程，降低操作難度，如圖8 所示。

圖8 冒口放置方式

3.3.2 方案二：冷鐵工藝

在傳統(tǒng)工藝下，外冷鐵通常是提前放置到模具中，在射砂過程中直接將冷鐵固定到砂芯中。而快速成型技術(shù)不需要模具，無法以傳統(tǒng)方式放置外冷鐵。在本方案中，由于底盤芯組是整體打印，從上面放置冷鐵操作不便，制作砂芯時(shí)將冷鐵位置做成通孔，從背面放置冷鐵，然后用自硬砂將背面填平，如圖9 所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）保溫冒口工藝下，冒口起到了良好的補(bǔ)縮作用，樣件解剖未出現(xiàn)縮松。

（2）在鑄件下平面熱結(jié)位置布置外冷鐵，在靠近排氣側(cè)螺栓孔附近出現(xiàn)縮松，該工藝未有效解決縮松，如圖10 所示，在新制模具時(shí)不再考慮該方案。

圖9 底盤芯放冷鐵位置

圖10 上蓋芯放置外冷鐵鑄件解剖情況

4 結(jié)論

（1）快速成型技術(shù)突破了模具的限制，分芯方式更加靈活，既可以將傳統(tǒng)工藝下多顆砂芯制作成一顆砂芯，也可將一顆砂芯分成多顆砂芯，選擇合理的分芯工藝，可有效的提高效率，優(yōu)化工藝流程。

（2）利用快速成型技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)單件復(fù)雜鑄件的無模具制造，對(duì)全新產(chǎn)品的鑄造工藝設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，極大降低了工藝設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)性。