數字化快速成型技術在聯體缸蓋鑄造工藝設計中的應用

耿國芳,齊亞平，鮑玉娟

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261001）

1 數字化快速成型技術概述

數字化快速成型技術是近代新興起的一種鑄造技術，該技術集計算機輔助技術（CAD/CAM）、激光技術、計算機控制技術、網絡技術以及新材料新工藝等先進技術于一體，實現增材或減材成型，是一種全新的鑄件快速制造方法[1，2]。在傳統鑄造行業中，新產品開發必須要通過手工或機加工等方式進行模具的設計制作，而快速成型技術擺脫了模具的限制，具有高度的靈活性，特別適合復雜鑄件的少量快速制造，對于全新產品的鑄造工藝開發設計起到一定的指導作用，可有效縮短新產品開發周期，降低開發成本與風險[3]。

2 聯體缸蓋發展趨勢

隨著發動機性能的提升，聯體缸蓋鑄造材料實現了從原來的HT250 到HT280、HT300 的演變，普通灰鐵材料已達到了性能上限。面對上述問題，高性能的蠕墨鑄鐵在發動機上的應用越來越廣泛。但蠕墨鑄鐵收縮傾向大，尤其是在內腔復雜、壁厚不均勻、熱結較多的聯體缸蓋中，縮松風險較大以及漏水風險高成為一個急需解決的問題。

3 快速成型技術在聯體缸蓋鑄造工藝設計中的應用

3.1 試驗背景

缸蓋原鑄造工藝開發流程如圖1 所示，只能依據模擬計算結果來進行工藝設計，但由于聯體缸蓋結構復雜，僅通過模擬計算無法完全準確的反映鑄件的縮松情況，工藝設計存在一定的風險性。此時將快速成型技術引入，可對鑄造工藝進行充分驗證，有效規避風險，縮短開發周期，缸蓋現鑄造工藝開發流程如圖2 所示。

圖1 缸蓋原鑄造工藝開發流程

圖2 缸蓋現鑄造工藝開發流程

本案例中的聯體缸蓋設計爆壓高達25MPa，材質為蠕墨鑄鐵，本體強度要求≥400MPa。根據模擬結果顯示，熱結位于噴油器回油道附近及靠近排氣側缸間螺栓孔附近，縮松風險較高，如圖3所示。

圖3 模擬計算熱結位置

3.2 工藝設計

根據模擬結果及鑄件特點，設計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性的金屬液來補縮，從而消除縮松缺陷，如圖4 所示。方案二采用冷鐵工藝，根據模擬計算熱結位置，在鑄件外表面相應位置布置了外冷鐵，如圖5 所示。

3.3 快速成型砂芯設計制作

外模結構簡單，且體積較大，采用減材制造可有效的提高效率。砂芯結構復雜，尺寸精度要求高，全部采用噴墨打印方式制備。

圖4 保溫工藝設計

圖5 布置外冷鐵工藝設計

按傳統組芯造型工藝，該氣缸蓋大致可分為上蓋芯、底盤芯、進氣道芯、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，同時滿足快速成型砂芯制備過程中的清砂需求，對砂芯進行了重新劃分調整，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不受模具限制的特點，打印成整體的各個砂芯之間不用考慮組芯間隙，提高了砂芯之間的相對位置精度，簡化了工藝設計過程。

圖6 整體打印芯組

進氣道砂芯集成進氣管，結構較為粗壯，在工藝設計時通常從一端進行抽空處理，但如果砂芯配合間隙控制不好，容易導致鐵水灌入。在快速成型砂芯制備時，采用抽殼處理方式，只打印一定厚度的壁厚，內部散砂通過預留小孔排出，可減少樹脂的加入，如圖7 所示，降低發氣量的同時又能保證砂芯的強度。

圖7 進氣道芯抽殼處理

3.3.1 方案一：保溫冒口工藝

在傳統工藝下，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，制備上模時適當修改冒口位置拔模斜度，將冒口預先組裝到上蓋芯上，再扣上模，可簡化操作流程，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。而快速成型技術不需要模具，無法以傳統方式放置外冷鐵。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 試驗結果分析

（1）保溫冒口工藝下，冒口起到了良好的補縮作用，樣件解剖未出現縮松。

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

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 結論

（1）快速成型技術突破了模具的限制，分芯方式更加靈活，既可以將傳統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，優化工藝流程。

（2）利用快速成型技術，可實現單件復雜鑄件的無模具制造，對全新產品的鑄造工藝設計提供強大的試驗數據支持，極大降低了工藝設計的風險性。