氣缸體3D打印工藝開發(fā)

唐 松 夏 蘩

(四川共享鑄造有限公司，四川641300)

1 產(chǎn)品概述

氣缸體屬于中小型鑄鐵件(見圖1)，鑄件尺寸466 mm×335 mm×375 mm，材質(zhì)為HT250。近年來氣缸體的結(jié)構(gòu)要求越來越高，一些結(jié)構(gòu)集成在氣缸體上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，壁厚降到4～5 mm；產(chǎn)品力學(xué)性能要求也隨之提高：抗拉強(qiáng)度≥265 MPa；鑄件上任何部位硬度都要求達(dá)到190～240HBW；金相組織要求片狀珠光體含量≥95%，鐵素體≤5%，石墨形態(tài)以1-A-4為主，同時(shí)限制B、D類型分布數(shù)量，碳化鐵和自由石墨含量≤1%；水道、油道內(nèi)不允許有粘砂、批縫等影響液體流動的缺陷，還要做氣壓試驗(yàn)，不許泄漏。

圖1 鑄件三維圖Figure 1 3D drawing of casting

2 鑄造工藝方案

氣缸體對鑄造工藝的要求逐步提高，傳統(tǒng)手工造型已不能滿足生產(chǎn)要求，射芯工藝方案的投入成本太高。氣缸體采用3D打印工藝，可以大幅度減少砂芯數(shù)量，簡化操作，同時(shí)節(jié)約各項(xiàng)成本，生產(chǎn)成本可以減少25%～35%。

2.1 砂芯設(shè)計(jì)

考慮到氣缸體結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸精度要求高，砂芯設(shè)計(jì)可從以下幾個方面進(jìn)行分析：

(1)砂芯分型。氣缸體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔砂芯至少要分解成6個砂芯，傳統(tǒng)手工造型至少需要12個砂芯才能完成整體造型，砂芯數(shù)量多，模型成本高[1]。應(yīng)用3D打印技術(shù)，可避免對內(nèi)腔砂芯進(jìn)行過多的拆分，部分內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可以整體打印出來，大幅度減少砂芯數(shù)量，氣缸體采用3D打印技術(shù)只需要分成4個砂芯(見圖2)。

(2)砂芯強(qiáng)度。氣缸體的水套砂芯較為薄弱，部分砂芯根部只有?14 mm，缸孔間砂芯厚度只有3.3 mm，不能放置芯骨，澆注過程中容易發(fā)生斷裂導(dǎo)致嗆火，造成鑄件報(bào)廢。為保障水套芯的強(qiáng)度，把它和厚大的主體芯連在一起。水套砂芯的強(qiáng)度要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)才能使用。

(3)尺寸精度。傳統(tǒng)手工造型通過卡板、調(diào)整砂芯位置等來控制壁厚，操作繁瑣；定位過多造成累計(jì)誤差，難以保證壁厚均勻及尺寸公差要求，造成鑄件偏芯、穿皮報(bào)廢。氣缸體的主體壁厚為5 mm，盡可能減少砂芯數(shù)量，將內(nèi)腔結(jié)構(gòu)單元組成整體砂芯，減少定位，避免組芯帶來的累計(jì)誤差，對鞏固薄弱砂芯也起到保障作用。

圖2 分型示意圖Figure 2 Sand core parting scheme

(4)清砂。3D打印需要特別注意的就是砂芯的清理，要保證將砂芯的內(nèi)腔的每個角落清理干凈，不能有浮砂。在分型分芯和砂芯設(shè)計(jì)時(shí)，避免出現(xiàn)清砂死角。砂芯存在很多曲面，要保障表面能流上涂料，涂料可以順利倒出來，無涂料堆積。

2.2 補(bǔ)貼

除了在加工面放加工量外，考慮鑄件整體壁薄以及涂料厚度，依據(jù)尺寸公差要求對鑄件壁厚及砂芯薄弱部分放置補(bǔ)貼，避免穿皮、冷隔等缺陷。

2.3 澆注系統(tǒng)及化學(xué)成分控制

采用底注式-開放式澆注系統(tǒng)，ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶1.8～2.2∶1.8～2.2。鑄件從底部開設(shè)8道內(nèi)澆道，鐵水自底部逐漸充滿整個型腔，充型平穩(wěn)，對砂型沖刷力小，有效避免了冷隔的出現(xiàn)，同時(shí)也防止了沖砂造成的夾砂等缺陷。

澆注溫度為1360～1380℃，澆注時(shí)間20～30 s。適當(dāng)提高澆注溫度，可有效避免冷隔的出現(xiàn)。

為了保證鑄件高強(qiáng)度、高硬度，按要求控制鐵水成分，以便保證產(chǎn)品的性能要求。熔煉化學(xué)成分控制見表1。

表1 熔煉化學(xué)成分控制(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of smelting (Mass, %)

3 生產(chǎn)試制驗(yàn)證

采用國際先進(jìn)、國內(nèi)一流的3D打印技術(shù)生產(chǎn)氣缸體，外觀質(zhì)量良好，批縫少且容易處理。經(jīng)劃線驗(yàn)證，鑄件尺寸精度可以達(dá)到GB/T 6414 CT9級，內(nèi)腔壁厚均勻。共投產(chǎn)50件，未出現(xiàn)冷隔、穿皮等缺陷，氣孔報(bào)廢2件，廢品率為4%。 相對手工造型與射芯結(jié)合的工藝，產(chǎn)品質(zhì)量有大幅度提升。

4 結(jié)論

(1)3D打印技術(shù)，可節(jié)約模具等各項(xiàng)成本，降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

(2)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件，3D打印技術(shù)明顯減少砂芯數(shù)量，減少組芯的誤差累計(jì)。有效的控制鑄件壁厚，提高產(chǎn)品的尺寸精度。

(3)氣缸體采用3D打印技術(shù)，外觀質(zhì)量良好，廢品率低，采用合理的工藝方案有效避免了冷隔、穿皮等鑄造缺陷。

(4)下一步工作計(jì)劃，從鑄件鑄造工藝、熔煉工藝等方面進(jìn)行模擬優(yōu)化、試驗(yàn)改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會. 鑄造手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.