基于3D打印的某型柴油機(jī)缸蓋鑄造成型工藝

付岳樓，郭敏，衛(wèi)蓉,田永維

(1.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713 105；2.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713 105）

基于3D打印的某型柴油機(jī)缸蓋鑄造成型工藝

付岳樓1，郭敏1，衛(wèi)蓉1,田永維2

(1.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713 105；2.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713 105）

介紹了某型船用柴油機(jī)缸蓋采用3 D打印砂芯的鑄造成型過程，結(jié)合3 D打印技術(shù)優(yōu)勢對復(fù)雜的型芯進(jìn)行整合，并設(shè)計專用的排氣孔、冷鐵孔、坭條槽、定位等裝置，減少了鑄件皮縫數(shù)量，提高了鑄件表面品質(zhì)和尺寸精度。

3 D打印；砂芯；鑄造工藝

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.010

目前，鑄造生產(chǎn)中適合3D打印的材料發(fā)展已經(jīng)比較全面，其中金屬、塑料、陶瓷、砂是最為常用的增材制造材料。3D打印不僅能夠?qū)崿F(xiàn)鑄件的直接打印，更為成熟和廣泛地應(yīng)用在鑄造用型芯的無模化3D打印，即型芯3D打印快速成型技術(shù)。該技術(shù)由于原材料價格相對較低（原材料為硅砂、樹脂、固化劑），成型方法相對簡單（只需噴射粘結(jié)劑，無需燒結(jié)處理），目前技術(shù)已比較成熟，幾乎可間接地生產(chǎn)任何復(fù)雜形狀的鑄件，已被廣泛地應(yīng)用于鑄鐵件、鑄鋁件、鑄銅件的生產(chǎn)[1]。本文結(jié)合我公司某型柴油機(jī)缸蓋應(yīng)用3D打印型芯的鑄造成型過程，重點(diǎn)介紹了3D打印型芯設(shè)計特點(diǎn)、優(yōu)勢及與傳統(tǒng)樹脂砂型芯的區(qū)別。

圖1 缸蓋剖面圖

1 鑄件簡介

某型缸蓋是該型柴油機(jī)上關(guān)鍵零部件之一，是一個由平面和孔系組成的復(fù)雜腔體類鑄件，結(jié)構(gòu)緊湊、要素集中，內(nèi)部布置有進(jìn)排氣道、冷卻水腔、噴油器孔、滑油道、缸蓋螺栓孔、彈簧座孔等，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜（見圖1）。材質(zhì)為鉻鎳鉬合金鑄鐵，抗拉強(qiáng)度 230～320 MPa，硬度 200～240 HB，毛坯質(zhì)量 120 kg，內(nèi)腔主要壁厚mm，一般尺寸公差要求為DIN1686-GTB15級，水腔、滑油腔水壓試驗壓力分別為0.6 MPa和0.8 MPa，保壓15 min。

2 鑄造工藝簡介

柴油機(jī)缸蓋爆發(fā)面為重要工作面，品質(zhì)要求高，故采用爆發(fā)面向下，配合半開放底注式澆注系統(tǒng)[2]（∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶1.6∶1.2），內(nèi)澆口截面尺寸：8×φ14（mm）；橫澆口截面尺寸：39×50（mm）；直澆口截面尺寸：φ60 mm。并在橫澆道前端設(shè)置100 mm×100 mm×18 mm的蜂窩形陶瓷過濾網(wǎng)片，后段設(shè)置集渣凸臺，減少爆發(fā)面夾雜、氣孔等缺陷。經(jīng)仿真計算，在頂面布置兩個直徑φ90 mm冒口，冒口徑為φ40 mm。爆發(fā)面布置9個平面冷鐵，厚度25 mm，見圖2。

圖2 三維鑄造工藝圖

3 3D打印砂芯設(shè)計

型芯3D打印的成型原理是根據(jù)打印精度，先逐層在整個打印工作面鋪上預(yù)混固化劑的原砂，再在有型芯的部位噴涂樹脂進(jìn)行固化，重復(fù)此過程，直至形成整個砂芯，最后清理掉沒有粘接的砂粒，得到需要的砂芯[3]。所以在型芯分割設(shè)計時，為提高后期砂芯裝配精度，不但要盡量減少型芯數(shù)量，還必須考慮清砂過程，保證沒有粘接的砂粒能夠順利清出。

3.1 砂芯分割設(shè)計

由于該型缸蓋結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)腔主要壁厚只有5 mm，綜合考慮清砂、涂料及裝配工藝需求[4,5]，砂芯分割為上下水套砂芯各1個，均與外皮砂芯相連（見圖3）；上下蓋板砂芯各1個，其中下蓋板芯帶冷鐵孔（見圖4.a），上蓋板芯帶冒口和挺柱孔及高壓油孔芯相連（見圖4.b）；澆注系統(tǒng)砂芯1個（見圖5.a），進(jìn)排氣道芯各1個（見圖5.b）、螺栓孔砂芯8個（見圖5.c），共15個砂芯組成，裝配圖如圖6。

圖3 砂芯三維圖

圖4 砂芯三維圖

3.2 砂芯排氣設(shè)計

3D打印砂芯所用粘接劑（呋喃或酚醛樹脂）和傳統(tǒng)鑄造相似，在澆注過程中受熱不可避免地會產(chǎn)生氣體，所以也需考慮砂芯排氣。不同于傳統(tǒng)鑄造砂芯預(yù)埋出氣繩（中空的塑料繩、鋼卷等）、出氣棒，或在砂芯固化后鉆出排氣孔，3D打印砂芯排氣通道設(shè)置更為快捷而有效，可以根據(jù)砂芯結(jié)構(gòu)，在需要排氣的部位設(shè)計各種尺寸的隨形排氣通道，直接打印出排氣孔。

圖5 砂芯三維圖

圖6 砂芯裝配三維圖

該型缸蓋排氣工藝設(shè)計，主要考慮了澆注過程中被鐵液完全包裹的進(jìn)排氣道和各種孔系砂芯的排氣，其中進(jìn)排氣道芯從芯頭向內(nèi)隨行設(shè)置4個φ10 mm的排氣孔（見圖7.a），再通過上水套砂芯間的凹槽（見圖7.b）引出型腔。其它孔系芯通過在中心設(shè)置φ3～5 mm的排氣孔引至上蓋板預(yù)留的排氣孔（見圖5.c、圖6）進(jìn)行排氣。

圖7 進(jìn)排氣道砂芯排氣設(shè)計

3.3 冷鐵、冒口設(shè)計

由于3D打印型芯工藝的特殊性,冷鐵不能直接和砂芯打印成型,只能在砂芯上預(yù)留冷鐵孔，打印完成后把冷鐵鑲?cè)腩A(yù)留的冷鐵孔中（見圖4.a、圖8.a）。冷鐵與冷鐵孔之間的單邊間隙設(shè)置為0.5 mm，因此對冷鐵尺寸精度要求較高，需對冷鐵裝配面尺寸進(jìn)行必要的機(jī)械加工。

冒口可直接打印出形狀，考慮到打印成本，本方案只打印了冒口頸，砂芯裝配完成后，在冒口頸上方放置一個配套的冒口套，并用紅泥密封接口即可。

3.4 輔助裝置設(shè)計

在每個主體砂芯四角設(shè)計了上凸下凹的自鎖定位裝置（高度30 mm，定位面斜度30o，間隙0.5 mm）和φ30 mm的鎖箱孔（見圖4、圖5、圖6），裝配時從側(cè)面可以直觀的判斷定位情況，裝配完成后在鎖箱孔中插入配套的螺桿后鎖緊，防止?jié)沧r抬箱及漲箱。并在每個砂芯的分型面上設(shè)計了上凸下凹的U形泥條槽（見圖 4、圖 5、圖 6），下凹槽寬 8 mm，上凸槽寬4 mm，裝配時在下凹泥條槽中放入φ8 mm泥條，用上凸槽咬緊后可有效減少鑄件皮縫，防止跑火。由于該套砂芯單個質(zhì)量均不大（質(zhì)量最大的上水套砂芯為41kg），故采用人工裝配下芯，并在主體砂芯兩端均設(shè)計了人工抬砂芯所需的扣手。

4 試制過程

使用德國某公司3D打印技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行砂芯打印。砂芯到廠后用壓縮空氣清砂后裝配冷鐵（圖8.a），浸涂波美度為45～50的水基涂料兩遍后烘干（圖 8.b），烘干溫度 120 ℃，保溫 30 min。

圖8 3D打印砂芯

在樹脂砂制作的平底箱上進(jìn)行組芯，組芯完成后，放置配套的冒口套和澆口杯，最后套上圈箱，并在四周填充樹脂砂后澆注,澆注溫度1340 ℃，配箱及澆注過程見圖9。

圖9 配箱及澆注過程

澆注后經(jīng)6 h打箱，粗清后帶澆冒系統(tǒng)鑄件如圖10.a，粗加工后鑄件尺寸符合要求，表面無可見氣孔、縮松等鑄造缺陷（如圖10.b），鑄件合格入庫。

圖10 鑄件

5 結(jié)語

應(yīng)用3D打印砂芯生產(chǎn)的缸蓋，由于砂芯尺寸精度高、數(shù)量少，可以大幅提高鑄件表面品質(zhì)和尺寸精度。同時，采用3D砂芯打印不需要模具，可以快速得到鑄件，特別適合單件小批量復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。

[1] 耿佩.淺談3 D打印技術(shù)在鑄造成型中的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2016，(1)：8-11.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊（第5卷）：鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200 3.1：184-293.

[3] 盧秉恒，李滌塵.增材制造(3 D打印)技術(shù)發(fā)展［J］.機(jī)械制造與自動化，2013，42(4)：1-4.

[4] 唐昆貴，李棟.3 D打印技術(shù)在中速柴油機(jī)蠕墨鑄鐵缸蓋上的應(yīng)用［J］.鑄造，2015，（12）:1264-1266.

[5] 李棟，唐昆貴，付龍.3 D打印的汽缸蓋砂芯［J］.鑄造，2016，（04）:325-328.

Foundry molding process of one marine diesel engine cylinder head based on 3D printing

FU YueLou1，GUO Min1，WEI Rong1,TIAN YongWei2
(1.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.,Ltd.,Xingping 713105,Shaanxi,China;2.Naval Military Representatives in Xingping,Xingping 713105,Shaanxi,China)

The process of foundry molding about one marine diesel cylinder head using 3D printing sand core was introduced.According to 3D printing predominance,integrate the complicated core and design the special exhaust hole,chill hole,clay-strip canal,locating and so on.This has reduced casting joint fl ash and improved casting surface quality and dimension precision.

3D printing；sand core；casting process

T G 242.7；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 31-03

2017-05-05

稿件編號:170 5-177 6

付岳樓(198 5—），工程師，主要從事鑄造生產(chǎn)工藝的設(shè)計和開發(fā)工作.