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基于3D打印快速制造鋁合金缸蓋的方法

2019-9-29 來(lái)源：- 作者：-

缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)尺寸和內(nèi)部質(zhì)量要求很高，通常鋁合金缸蓋都是通過(guò)開設(shè)金屬模具再進(jìn)行生產(chǎn)的，生產(chǎn)周期很長(zhǎng)，費(fèi)用大。快速鋁合金缸蓋生產(chǎn)方法是分別打印砂型和砂芯，再進(jìn)行多塊組型、組芯，然后進(jìn)行砂型重力鑄造或低壓鑄造。這種方法生產(chǎn)的缸蓋質(zhì)量較差，尺寸精度低于C10，表面粗糙度Ra12.5μm，內(nèi)部有大量的缺陷，裝配和打壓經(jīng)常出問(wèn)題。

目前，中小批量高質(zhì)量快速缸蓋需求比較大，汽車、無(wú)人機(jī)、艦船等節(jié)能環(huán)保的鋁合金缸蓋研制任務(wù)比較重，迫切需要找到一種新的制造方法，快速高質(zhì)量地制造缸蓋。

本文提供一種快速制造鋁合金缸蓋的方法，通過(guò)3D打印砂型、蠟型解決復(fù)雜鋁合金缸蓋模具的問(wèn)題。通過(guò)3D打印SLS技術(shù)制作的鋁合金缸蓋蠟型和石膏型工藝獲得鑄型，通過(guò)3D打印3DP技術(shù)制作的鋁合金缸蓋砂型獲取鑄芯，將鑄芯裝配到石膏鑄型上可實(shí)現(xiàn)無(wú)模具澆注。方法包括：鋁合金缸蓋分型方法、鋁合金缸蓋蠟型質(zhì)量控制方法、鋁合金缸蓋砂型質(zhì)量控制方法、蠟型和砂型打印方法、型芯裝配方法、鋁合金缸蓋熱節(jié)處理方法、澆注方法等。整個(gè)過(guò)程有四個(gè)最關(guān)鍵的點(diǎn)。

1.缸蓋拆分

缸蓋拆分是將鑄造工藝設(shè)計(jì)模擬優(yōu)化后的缸蓋毛坯進(jìn)行分型面和定位工裝設(shè)計(jì)，確保缸蓋外型和內(nèi)腔分離，缸蓋外型能實(shí)現(xiàn)蠟?zāi)４蛴。咨w內(nèi)腔能實(shí)現(xiàn)砂型打印，通過(guò)試驗(yàn)方法確定蠟?zāi)：蜕靶褪湛s率、變形，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)中，確定最佳的分型面和定位工裝位置、形狀、尺寸。將完成鑄造的工藝設(shè)計(jì)分離成缸蓋外型和內(nèi)部型腔；根據(jù)缸蓋外型結(jié)合內(nèi)部型腔裝配關(guān)系設(shè)計(jì)芯頭和定位工裝，在外型蠟?zāi)：蛢?nèi)部型芯模頭上加輔助中心線和面面配合的工裝，保證最佳裝配方式，石膏型和砂型裝配面光滑，裝配精度為0.2-0.5mm；尺寸精密度優(yōu)于CT7級(jí)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合鑄型和內(nèi)外冷鐵裝配圖

1-石膏型 2-內(nèi)冷鐵 3-外置冷鐵 4-打印砂芯 5-內(nèi)冷鐵面 6-砂型冒口圈

2. 3D打印SLS蠟?zāi)＜夹g(shù)

3D打印蠟?zāi)Ｊ遣捎眉す膺x區(qū)燒結(jié)方法（SLS工藝）將蠟或PS蠟材料通過(guò)合理的參數(shù)進(jìn)行層層燒結(jié)，再進(jìn)行后處理表面光潔，得到缸蓋外型及定位工裝，如圖2、圖3所示。

圖2 缸蓋外形3D打印蠟?zāi)＜岸ㄎ还ぱb設(shè)計(jì)方案

1-定位工裝 2-直澆道 3-內(nèi)冷鐵輔助工裝 4-內(nèi)冷鐵輔助工裝 5-砂芯頭工裝

圖3 三缸缸蓋外形3D打印蠟?zāi)１簾瞥墒嘈?/font>

1-打印蠟?zāi)７剖嘈烷L(zhǎng)度定位工裝 2-打印蠟?zāi)７剖嘈蛯挾榷ㄎ还ぱb

選用自制專用蠟型3D打印設(shè)備（見圖4），特點(diǎn)在于成型最小壁厚小于1.5mm，成型精度為100±0.1mm，零件綜合尺寸優(yōu)于CT6級(jí)，表面質(zhì)量Ra優(yōu)于3.2μm。通過(guò)大量試驗(yàn)，3D打印缸蓋外形蠟?zāi)Ｗ罴褏?shù)：激光功率18-20W，環(huán)境溫度為89-92℃，掃描速度1200-1400mm/S，層厚0.12mm，收縮率為0.95。

圖4 3D打印SLS蠟?zāi)Ｏ到y(tǒng)

3. 3D打印3DP砂型技術(shù)

3D打印砂型是采用選區(qū)噴涂樹脂或固化膠的方法（3DP工藝），采用合理的打印工藝將焙燒砂粘在一起，得到缸蓋內(nèi)腔及定位工裝，如圖5所示。這種成型工藝是冷成型，成型砂型不容易變形，強(qiáng)度比較大。

圖5 缸蓋外形3D打印砂型及定位工裝設(shè)計(jì)方案

1-砂型寬度定位工裝 2-砂型長(zhǎng)度定位工裝3-鑄件內(nèi)腔砂芯 4-砂芯頭工裝 5-砂芯排氣系統(tǒng) 6-澆注系統(tǒng)

選用自制專用砂型3D打印設(shè)備HLS-1000（見圖6），特點(diǎn)是采用冷成型，無(wú)收縮和變形，成型精度受尺寸大小影響不大，精度優(yōu)于±0.5mm，零件綜合尺寸優(yōu)于CT8級(jí)，表面質(zhì)量Ra優(yōu)于10μm；打印缸蓋內(nèi)腔砂芯參數(shù)：樹脂量0.9-1%，環(huán)境溫度為20-25℃，噴射速度120-140mm/S，層厚0.2mm，固化時(shí)間大于6小時(shí)。

圖6 3D打印3DP砂型打印系統(tǒng)

4. 石膏型電磁真空增壓鑄造技術(shù)

石膏型真空增壓鑄造是采用蠟?zāi)Ｗ鳛榱慵颓唬酀{料灌制干燥作為鑄型，通過(guò)高溫焙燒將蠟?zāi)Ｈ鄢鲂纬煽涨唬谡婵窄h(huán)境下電磁澆注，在壓力下凝固；石膏型有很好的復(fù)模性和尺寸穩(wěn)定性，成型產(chǎn)品表面和內(nèi)部質(zhì)量很好。

復(fù)模最小為0.02mm，蠟型轉(zhuǎn)制成石膏后尺寸影響控制在0.5mm內(nèi)，石膏型和砂型裝配面光滑，裝配精度為0.2-0.5mm；石膏型真空增壓鑄造具有保溫性好、冷鐵工藝靈活、壓力補(bǔ)縮距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，保證ZL114A缸體抗拉強(qiáng)度大于350MPa，延伸率大于5%，硬度大于100HB。如圖7、圖8所示。

圖7 復(fù)合鑄型和內(nèi)外冷鐵裝配圖

1-石膏型 2-內(nèi)冷鐵 3-冒口砂型圈 4-3D打印砂型

圖8 電磁真空增壓鑄造系統(tǒng)

5. 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9-圖12所示。

圖9 3D打印蠟件和組樹工藝圖10 3D打印3DP砂芯

圖11 石膏型型腔圖12 處理后缸蓋

通過(guò)數(shù)據(jù)處理、打印、石膏型焙燒、鑄型組合、澆注、清理、熱處理、表面處理等工序，通過(guò)將3D打印技術(shù)與先進(jìn)的鑄造技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了不開模具制造鋁合金缸蓋。通過(guò)對(duì)缸蓋的檢查，綜合尺寸優(yōu)于CT6級(jí)，表面質(zhì)量Ra優(yōu)于5.0μm，內(nèi)部質(zhì)量良好，打壓0.6MPa無(wú)浸漏。

6. 結(jié)論

實(shí)踐證明：3D打印蠟?zāi)：褪嘈徒Y(jié)合解決了缸蓋復(fù)雜外形尺寸和表面粗糙度問(wèn)題；3D打印砂型解決了缸蓋復(fù)雜內(nèi)腔形狀和尺寸精度問(wèn)題；缸蓋分型面、定位工裝設(shè)計(jì)和3D打印砂型與石膏型配合解決了缸蓋外形與內(nèi)腔位置問(wèn)題；3D打印砂型一體化打印解決了缸蓋內(nèi)腔相對(duì)位置精度問(wèn)題；石膏型真空增壓鑄造工藝通過(guò)真空環(huán)境澆注、凝固過(guò)程加壓補(bǔ)縮、內(nèi)置冷鐵等工藝手段，解決了缸體內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。

鋁合金缸蓋快速無(wú)模制造是生產(chǎn)尺寸精度高、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量好的一種制造方法。解決了缸蓋質(zhì)量不穩(wěn)定、制造周期長(zhǎng)、加工量大、補(bǔ)焊、尺寸不穩(wěn)定、內(nèi)部缺陷多、反修次數(shù)多等現(xiàn)有制造問(wèn)題，該技術(shù)在缸蓋類復(fù)雜內(nèi)腔新產(chǎn)品開發(fā)，單件、小批量/復(fù)雜零部件生產(chǎn)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

（宋彬北京北方恒利科技發(fā)展有限公司）

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