汽車發動機零件的快速鑄造工藝研究

覃建文

廣西玉柴機器股份有限公司 廣西玉林 537005

發動機零部件是電動汽車的一個核心組成部件，本身的結構也十分復雜，其中主要包括了大量復雜的鑄件和精煉鍛壓器，在電動汽車發動機研究和開發的過程中，各種零部件和模具的研究制造往往是目前生產周期最長，花費最多的環節之一。如果一旦工廠發生了設計上的更改，則必須要對工廠進行維護修模甚至重新裝配制作一個模具，使得某一款新型引擎的推出周期非常長，影響到了企業在最有利的時間內為爭奪市場份額[1]。

1 汽車發動機零件的快速鑄造技術

雖然快速成型技術已經有效克服和完善了復雜零件的生產工藝和成型困難，但由于我們對快速成型的工藝和最終零部件所獲得的材料有局限性，使得通過這種快速成型方式所獲得的零件難以做到與實際上最終零件相同的生產工藝和材料。在零件的各項性能指標中，也是無法完全滿足最終應用時零件的要求，因此直接采用RPM技術進行制造時得到的三維實體一般都是只能夠被當作一個可視化模型和裝配式模型，而不是作為一個功能性的樣機來對其進行各種測試和應用的檢驗。

快速鑄造的主要工藝和生產流程是利用選取的激光燒結技術實現快速鑄造，其主要途徑有兩種：一種采用快速砂型鑄造，通過激光燒結鑄造使用熱固化樹脂砂，再通過砂型鑄造獲得的鑄件；另一種是采用熔模快速鑄造，用激光直接燒結可消失的樹脂粉末或蠟粉，再通過精密鑄造的工藝即可得到高質量的鑄件。兩種設計模型的最大共性之處在于其均忽視和省去對模型的制作。因此，特別適合在單件或者是小批量生產中使用，能夠極大地減少其生產周期。

用快速燒結砂型鑄造工藝進行加工燒結砂型，首先我們需要按照零件的三維CAD毛坯模具來進行設計和制造生產一種可以直接進行加工的組合式激光燒結加工砂型模具，再將激光燒結和加工砂型模具的各個部分經過軟件多維分層處理進行變形后構成為快速燒結裝置和加工砂型模具，就已經可以直接進行激光燒結和砂型模具的成形。由于采用激光掃描的步驟和速度非常迅捷，樹脂在整個成型過程中并沒有做到完全地固化。成型后把未經燒結的浮沙全部徹底清除干凈后，砂型通常還必須被放入至加熱箱中，再對其進行二次固化。經二次固化所取得的砂型即能夠達到像用射芯電動機制造得的砂型那樣的性能。由于目前發動機零件大多數都采用快速砂鑄造，所以快速采用砂式鑄造的現象也逐步發展成為了目前發動機零部件在制作工藝流程中最常用且效率最高的手段。

熔模快速加熱鑄造的方法主要是用各種材質的樹脂粉末或蠟粉等物質作為主要材料，將對零件的三維毛坯CAD模型直接地經過分層加熱和處理后，用高溫電子激光將其粉末直接逐層地加熱燒結形成與零件的三維CAD毛坯相同的精密加工熔模，再將其直接經過石膏型或者是陶瓷等各種類型的鑄造即可以獲取正常使用時所需要的鑄件。這種材料主要采用快速精密鑄造的工藝流程方法制備生產出來的，由于它們的表面質量好、準確性高，不必經過研磨細砂模型等步驟，工藝流程也就相對簡單[2]。

2 應用案例

采用高效、精細化的鑄造工藝來生產鋁合金進氣管等零部件。從我們接受到的零件三維cad的數據直至第一批零件毛坯完工所需的持續時間才可能只有10天左右，其中第一批零件的熔模迅速成型大約每次需要1天，熔模鑄造則大約每次需要7天，其他后期處理和質量檢查則大約需要2天。進氣道系統是柴油發動機非常重要的一個結構和組成部分，由復雜的自由彎曲表面所組織而逐步形成，它大大提高了柴油發動機的燃燒效率，對于改善柴油燃燒環境也具有十分重要的指導意義。在發動機設計過程中，就需要針對發動機的進氣道做出相應的測試。

雖然發動機相對于汽車的進氣管，發動機缸體和氣門的缸蓋等零件的結構較為復雜，但是快速成型工藝最大的優點之一便是與零件結構的復雜程度并沒有太多聯系，越復雜的零件就越適合應用快速成型工藝。由于這些汽車的缸體和氣門在內部結構復雜且其壁厚相對較薄，所以我們在設計制造這些汽車零部件時最好采用的一種方法是快速地進行砂型鑄造。發動機殼體鑄件與發動機氣缸蓋鑄件正常生產周期平均在2-3周之間。由于其鑄造工藝和最終產品的極為接近，零件大小尺寸的精度與機械特性都很好地與最終產品中的其他零件相比，具有很強的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體和發動機的缸蓋可以直接作為發動機各種特性的測試，例如對發動機的氣道進行了流動性能的分析，對發動機的水道進行了冷卻性能的分析[3]。

3 結語

快速成型與鑄造工藝相結合，衍生了一種快速成型鑄造的技術，其主要工藝特點就是簡捷，準確，可靠并且具有擴展性，可以有效應用在發動機的設計研究和開發階段中樣機的快速成形。其特別適用于單件及小批量生產中的試制和研發生產，可以迅速反映市場需求并為客戶提供針對小批量生產中的檢測和試驗，有助于最大概率保證汽車零件的發動機制造和零部件開發。其具有良好地滿足設計或生產過程中對零件和設備流程可控制的要求，并且在設計研制階段能夠采用較少的費用和即時糾正，以便于設計或生產中所需要的零部件進行檢測和設計，這樣能夠有效地幫助企業得到大幅度地改善和提高生產，并且確保生產質量。它快速地成型所用原材料的主要特點就是多種類型，為產品研制和生產階段的設計者提供了各種工藝和技術的組合。