基于3D 打印的發動機缸蓋真空澆鑄研究★

張錢斌

（安徽機電職業技術學院 汽車與軌道學院， 安徽 蕪湖 241002）

引言

隨著汽車制造不斷向經濟化、輕量化和耐久性方向發展，車身質量成為汽車使用過程中判斷性能好壞的關鍵指標。在車身質量中，不能忽視發動機鑄件質量帶來的影響，因此發動機鑄件對高韌性、精準性、輕薄化、集成度等方面要求越來越高，傳統工藝已滿足不了輕薄、復雜和特殊鑄件的生產要求[1]。在激烈的市場競爭中，各大生產企業如何在不影響產品質量的情況下降低生產成本、縮短生產周期，為客戶設計開發所需的產品，成為生產企業必須思考的問題。當下3D 打印技術得到廣泛應用，通過3D 打印技術制作出來的產品不斷涌現。孔楚海提出3D 打印技術的出現帶來了傳統模具設計制造的改革，在新產品開發初期，可以通過3D 打印技術用于樣品制造，能夠增加模具設計自由度、減少制作工藝流程、減少產品生產周期、降低成本[2]。王穎等提出運用3D 打印技術用于樣品制作，再通過傳統工藝進行批量生產，省去多次修改模具制造滿意樣品的流程[3]。

1 研究意義

汽車發動機由缸體和缸蓋兩大重要部分組成，缸蓋是汽車發動機的核心部件，是安裝凸輪軸的重要載體，缸蓋下部與缸體的氣缸、活塞和活塞環構成發動機的燃燒室，缸蓋內部還有發動機運行所需的進排氣管道、冷卻液循環水道和潤滑系統流動的油道，結構較為復雜，各管道之間的缸壁厚度較薄，如圖1 所示。

組成發動機燃燒室的各零部件，在發動機實際運行中承受混合氣燃燒后產生的近70 000 kPa 高壓和290 ℃以上的高溫。傳統的發動機缸蓋鑄造運用金屬膜試驗制造，在生產之前的工藝流程有：圖樣審查、型芯制備、電極制備、模具零件制備、裝備檢驗和試模，花費成本較高、研制時間較長。采用3D 打印技術，通過軟件建模，截圖“切片”給打印機，打印機讀取相應橫截圖信息便能實現打印。能夠增加模具設計的自由度，且減少樣品制作工藝流程，縮短研制周期、減少生產成本[4]。隨著汽車輕量化的要求漸增，汽車發動機缸蓋越來越集成，結構上越來越復雜。要想在缸蓋的試制過程中達到相關的鑄造技術和工藝要求，還需加快缸蓋樣件的開發速度。

選擇性激光燒結技術（SLS）通過紅外激光器作激發，采用粉末材料造型。首先將產品的三維模型分成若干層三維“切片”，然后利用激光選擇性地燒結“切片”區域內的粉末材料，完成后再鋪上一層粉末材料繼續燒結。如此層層累加，直至三維制作完成為止。SLS 技術材料利用率高，成型速度快，主要應用于鑄造業，可以用樹脂裹覆砂（覆膜砂）來直接制作快速模具，可生產如發動機缸蓋等復雜鑄件。但應用砂型進行澆鑄也有缺陷，SLS 工藝中粉層需要激光使其加熱達到熔化狀態，高分子材料或者粉粒在激光燒結時會揮發異味氣體，導致發氣量大，且SLS 工藝加工時間長、散熱慢，凝固過程耗費時間長，容易產生冷隔、氣孔或縮孔縮松等缺陷[5]。

基于以上分析，為滿足市場需要，提高生產企業在市場中的競爭力，需要設計開發一種真空澆鑄的鑄件制造工藝，解決發動機缸蓋的鑄造缺陷。本文選取一種復雜、輕薄鑄件的鋁合金缸蓋鑄造工藝技術，即真空澆鑄工藝。采用真空澆鑄，能顯著提高充型能力、大大減少在澆鑄過程中產生的內部缺陷，使鑄件晶粒細化、致密度提高，顯著提高澆鑄件的綜合性能。

本文以發動機缸蓋樣品的結構特點和企業研制需求為依據，以標準AC4B 合金不同形狀、不同管壁厚度的試制棒為對象，結合真空澆鑄與激光燒結技術，以重要工藝參數真空度為要素不斷優化鑄造工藝，利用該鑄造工藝試對發動機缸蓋的鑄造過程及產品質量進行驗證[6-8]。對發動機缸蓋外表面、性能和質量進行分析，研究重力澆鑄的缺陷是否得到改善，澆鑄后的發動機缸蓋性能和質量是否滿足要求。

2 試驗

2.1 試驗選材和設備

2.1.1 試驗選材

3D 打印選用成分主要是由寶珠砂、烏洛托品、酚醛樹脂、添加劑和潤滑劑等材料混合而成的覆膜砂材料，通過高溫激光燒結，配合底板移動一層層疊加而成。汽缸蓋低壓鑄造選用材料為標準AC4B 鋁合金鑄造，屬日本JIS5202 技術標準，材料成分類似我國ZL106 合金，稍有不同。其成分如表1 所示。

表1 AC4B 合金主要成分

2.1.2 試驗裝備

此次試驗，選用選擇性激光燒結快速成型裝備，該裝備運用選擇性激光燒結原理，使覆膜砂材料遇熱粘結、固化快速成型。快速成型裝備如圖2 所示，主要由電子控制計算機、激光冷卻系統、電氣系統和輔助部分組成，電子控制計算機應用軟件為PowerRP，用來處理三維圖形數據，能夠識別STL 格式文件，并對加工過程進行控制和模擬。

在試驗過程中，采用真空澆鑄，在工作艙中放置好鑄型和澆包后，關閉艙門，使工作艙內為一個封閉的環境，然后真空泵工作使工作艙內達到所需的真空度，再完成鑄件澆注，平穩充型。

2.2 試驗方案

本次研究試驗，前半部分采用不同的兩種試制棒進行試驗分析，后半部分對3D 打印技術加工成型的缸蓋進行試驗驗證。通過快速成型設備燒結覆膜砂，制備試制模具，在模具試制好后，進行組芯組型，等到合金液體溶解煉制處理完成后，進行缸蓋澆鑄工作。技術路線如圖3 所示。

2.3 試驗過程

2.3.1 合金及熔煉過程

試驗所需鋁合金用電阻爐熔煉，選用石墨坩堝，待合金熔化后加入精煉劑和變質劑，進行除氣和扒渣，再進行澆注[9]。

2.3.2 性能測試

為測試合金液澆注的流動性能，采用同心三螺旋試驗，能夠突出真空澆注的優點。澆注溫度為660 ℃±10 ℃，平穩充型，無冷隔和澆不足等缺陷。

不同真空度對應的工藝參數如表2 所示。

表2 不同真空度的澆鑄工藝參數

2.4 熱處理

為提高力學性能，試驗通過對鋁合金進行了熱處理，所用的發動機缸蓋質量和試制棒均較小，固溶工藝的參數為530 ℃×6 h，在水中淬成。時效工藝為225 ℃×8 h，鋁合金的各項力學性能得到提高。

3 結果及分析

通過試驗，得到不同真空度下試制棒的密度值，如下頁表3 所示。

發動機缸蓋在鑄造過程中，利用真空澆鑄與激光燒結技術，其真空度的大小對復雜薄壁鑄造材料影響很大，其真空度數值變大，鑄造材料的充型長度也隨之變大，充型效果在真空度數值為-40 kPa 時相較其它數值較好，真空度數值繼續增大時充型效果改進不明顯，最佳數值在-40～-60 kPa 為最佳。同時，真空度數值對鑄造材料的斷面孔隙率和密度值也具有一定的影響。真空度數值變大時，鑄造材料的密度值也會小幅度變大。觀察真空度數值在0 kPa 和-40 kPa 時鑄造材料端面的孔隙率情況，在-40 kPa 時澆鑄試制棒的斷面孔隙率變化明顯，孔洞減少非常明顯。

4 結論

在發動機缸蓋鑄件在鑄造過程中，采用真空澆鑄工藝，其真空度數值在-40 kPa 時，鑄造材料的充型效果、斷面孔隙率和密度值均為最佳，真空度數值繼續變大時，效果變化不明顯。