大尺寸齒輪室鑄件的快速制造工藝設(shè)計與實施

齊建，陳鵬

(濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061)

為了縮短柴油機的開發(fā)周期，部分公司開始將鑄件的快速制造技術(shù)應(yīng)用到柴油機開發(fā)過程中。使用快速制造工藝生產(chǎn)的鑄件主要進(jìn)行加工、裝配驗證以及柴油機的部分性能試驗，如噴油量、溫度等標(biāo)定，冷啟動試驗，外特性曲線驗證等；一般不能進(jìn)行耐久試驗和疲勞試驗等考核。

根據(jù)公司要求，需要對一種新型大尺寸齒輪室鑄件進(jìn)行快速制造工藝開發(fā)，該齒輪室將用于裝配柴油機展機，并進(jìn)行柴油機的部分性能試驗。從柴油機齒輪室產(chǎn)品零件到鑄件的實現(xiàn)主要包括三部分工作，分別是三維工藝設(shè)計、砂芯砂型快速制作和鑄件研箱澆注清理。

1 三維工藝設(shè)計

1.1 零件簡介

齒輪室零件長寬厚尺寸為1569.5mm×1402.5mm×217mm，主要壁厚為10mm，材質(zhì)為HT280。內(nèi)腔包括齒輪室腔、水腔、油腔等，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1.2 鑄件三維設(shè)計

圖1 齒輪室零件示意圖

齒輪室鑄件采用3D增材制造/減材制造生產(chǎn)砂芯砂型、單件生產(chǎn)工藝，鑄造公差等級可達(dá)CT10，加工余量按照MA-E級設(shè)計，主要加工余量為4mm～5mm。齒輪室鑄件圖如圖2所示。

圖2 齒輪室鑄件示意圖

1.3 收縮率設(shè)計

齒輪室鑄件采用公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)HT280，為高強度合金鑄鐵，收縮傾向大；鑄件為有芯結(jié)構(gòu)，且為厚大的冷芯砂芯，凝固收縮時阻力大。綜合考慮上述因素，齒輪室收縮率設(shè)計為1.0%。

1.4 澆冒系統(tǒng)設(shè)計

圖3 齒輪室鑄件澆冒系統(tǒng)示意圖

齒輪室鑄件為扁平箱體結(jié)構(gòu)，一般分型面設(shè)計在厚度方向的中間位置，澆注系統(tǒng)為中注式。生產(chǎn)實踐證明，箱體類鑄件砂型鑄造以快澆為宜，鑄件質(zhì)量（m）為495kg，可按公式1計算確定澆注時間：

阻留截面積按下列公式計算：

式中，K為經(jīng)驗常數(shù)，取值范圍為：1.1～2.0，取值原則是小型氣缸體及厚壁簡單者取上限，大型氣缸體及復(fù)雜薄壁者取下限。

各組元截面的比例按照直：橫：內(nèi)=1.13：1.0：1.15進(jìn)行設(shè)計，封閉開放式澆注系統(tǒng)阻留截面之前封閉，其后開放，即有利于擋渣，又使充型平穩(wěn)，兼有封閉式和開放式的優(yōu)點。

使用鑄造模擬軟件進(jìn)行鑄造CAE模擬仿真，通過對鑄造缺陷的分析，進(jìn)行工藝優(yōu)化。圖3為齒輪室鑄件的三維澆冒系統(tǒng)設(shè)計和CAE鑄造模擬仿真結(jié)果。

1.5 砂芯砂型設(shè)計

砂芯砂型設(shè)計除了傳統(tǒng)砂型鑄造的要求外，還需要重點考慮砂芯砂型的快速制造方式以及設(shè)備的制作范圍。

受到快速制造設(shè)備制作范圍的限制，齒輪室鑄件上下砂型各分割成4顆砂型，中間的齒輪腔分割成2顆砂芯，側(cè)面的長油腔分割成2顆砂芯。中間齒輪腔芯周邊設(shè)計溢流冒口，中間芯頭設(shè)計排氣通道，其余砂芯上芯頭均設(shè)計排氣通道。鑄件采用手工組芯研箱工藝生產(chǎn)，8顆砂型周邊設(shè)計有把緊螺栓槽，用于砂芯砂型緊固。經(jīng)過分模設(shè)計，砂芯砂型示意圖見圖4。

圖4 齒輪室鑄件砂芯砂型三維工藝圖

2 砂芯砂型快速制造

齒輪室復(fù)雜鑄件的砂芯砂型采用增材制造和減材制造兩種方式生產(chǎn)。齒輪室8顆砂型和2顆齒輪腔芯結(jié)構(gòu)厚大，適合采用效率高的減材制造方法，即采用預(yù)成型的堿性酚醛樹脂砂塊作為加工坯料，采用數(shù)控切削技術(shù)制作。齒輪室內(nèi)腔薄弱砂芯如水腔芯、油腔芯等適合用增材制造的方法，以寶珠覆膜砂為原料，采用選擇性激光燒結(jié)成型機制作。齒輪室鑄件砂型成型方式見表1。

砂芯砂型成型部分設(shè)計有涂料層0.4mm，都可以通過調(diào)整快速制造工藝中的參數(shù)實現(xiàn)。制得的部分砂芯砂型見圖5。

表1 齒輪室鑄件砂芯成型方式明細(xì)表

3 鑄件研箱澆注清理

砂芯砂型制備后，需要進(jìn)行研箱澆注清理，該部分與傳統(tǒng)砂芯鑄造工藝相同。齒輪室鑄件生產(chǎn)可以選擇組芯工藝或者砂箱扣箱工藝，考慮到上砂型和下砂型各分為4顆，為了保證鑄件尺寸精度，避免鑄件澆注過程中跑火，齒輪室鑄件采用了砂箱扣箱工藝。

3.1 造型

造型即將4顆上砂型、4顆下砂型使用砂箱分別組裝在一起，形成一整個上砂型、下砂型。

首先在下砂箱中填入自硬砂，使用刮板刮平。吊起4顆下砂型，依次下入砂箱，通過各砂型之間的定位結(jié)構(gòu)放置到位。在4顆下砂型周圍填入自硬砂，使用刮板刮平，如圖6所示。

然后將支撐砂芯如齒輪腔芯1、齒輪腔芯2等下入砂型中，如圖7所示。

依次將4顆上砂型吊起，組裝到砂箱上，扣入上砂箱，填入自硬砂，如圖8所示。砂型固化后，將上箱吊起，完成上砂型、下砂型造型。

3.2 組芯研箱

分別將整體上砂型、整體下砂型以及各砂芯刷涂料，點燃表干。依次將齒輪腔芯1、齒輪腔芯2、水腔芯、彎管芯、油腔芯1、油腔芯2和油腔芯3下入整體下砂型，打封箱膏，芯頭上方放入石棉繩，如圖9所示，合入整體上砂型。

圖5 齒輪室鑄件砂芯砂型

圖6 齒輪室下砂型組裝

圖7 齒輪室齒輪腔芯組裝

圖8 齒輪室上砂型組裝

圖9 齒輪室組芯

3.3 澆注清理

合箱后進(jìn)行澆注，澆注溫度為1410℃，澆注時間34s。待鑄件冷卻完全后，打箱清理鑄件，去除澆冒口，打磨細(xì)清并進(jìn)行拋丸處理，得到毛坯件，上箱位置出現(xiàn)輕微氣孔，經(jīng)修復(fù)后回用，鑄件如圖10所示。

4 結(jié)論

采用快速制造技術(shù)生產(chǎn)的齒輪室鑄件順利完成加工裝配，并完成初步性能試驗。下面針對快速制造工藝的實施談一下幾點認(rèn)識。

（1）采用快速制造工藝生產(chǎn)鑄件主要包括三維工藝設(shè)計、砂芯砂型制作（試裝）、研箱澆注清理三個步驟。與傳統(tǒng)的通過鑄造模具生產(chǎn)鑄件相比，節(jié)省了模具設(shè)計和模具驗證的時間，約1個月時間，如表2所示。

圖10 齒輪室鑄件

表2 快速制造與傳統(tǒng)鑄造工藝過程對比表

（2）快速制造技術(shù)應(yīng)充分發(fā)揮不同工藝各自的優(yōu)勢，搭配使用選擇性激光燒結(jié)工藝、數(shù)控切削減材工藝以及3D增材冷芯工藝。采用選擇性激光燒結(jié)工藝制作結(jié)構(gòu)薄弱、形狀復(fù)雜、尺寸較小的砂芯，能夠保證足夠的強度；采用數(shù)控切削減材工藝和3D增材冷芯工藝制作結(jié)構(gòu)簡單、尺寸厚大的砂芯，成型效率高。

（3）快速制造技術(shù)在鑄件生產(chǎn)應(yīng)用中還需注意一些問題。特別是砂塊坯料和覆膜砂的樹脂加入量，條件允許的情況下應(yīng)盡量低，可以減小砂芯砂型的發(fā)氣量和變形量。通過齒輪室鑄件的快速制造過程發(fā)現(xiàn)，砂芯砂型的裝配存在過緊和不準(zhǔn)確的情況，該工藝的尺寸精度還需要進(jìn)一步提高。砂芯砂型快速制造技術(shù)與鑄造技術(shù)需要有一個摸索融合過程，鑄造工藝對砂芯砂型快速制造的工藝要求，需要轉(zhuǎn)換成制造要求。

（4）目前快速制造技術(shù)還無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)，使用快速制造技術(shù)生產(chǎn)的鑄件一般應(yīng)用于裝配樣機、柴油機技術(shù)研究等方面，用于柴油機耐久考核、疲勞考核的鑄件還需要通過模具生產(chǎn)。

（5）本次鑄件生產(chǎn)采用扣箱工藝，不利于砂芯砂型排氣，容易產(chǎn)生氣孔缺陷。如果上砂型與下砂型可以采用整體制作，后續(xù)研箱可以采用組芯工藝，使用螺栓、壓鐵等緊固砂芯砂型，可以提高鑄件的尺寸精度，簡化鑄造研箱過程。