基于3D 打印的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋真空澆鑄研究★

張錢斌

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院， 安徽 蕪湖 241002）

引言

隨著汽車制造不斷向經(jīng)濟(jì)化、輕量化和耐久性方向發(fā)展，車身質(zhì)量成為汽車使用過程中判斷性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。在車身質(zhì)量中，不能忽視發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件質(zhì)量帶來的影響，因此發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件對(duì)高韌性、精準(zhǔn)性、輕薄化、集成度等方面要求越來越高，傳統(tǒng)工藝已滿足不了輕薄、復(fù)雜和特殊鑄件的生產(chǎn)要求[1]。在激烈的市場競爭中，各大生產(chǎn)企業(yè)如何在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，為客戶設(shè)計(jì)開發(fā)所需的產(chǎn)品，成為生產(chǎn)企業(yè)必須思考的問題。當(dāng)下3D 打印技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，通過3D 打印技術(shù)制作出來的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)?？壮Ｌ岢?D 打印技術(shù)的出現(xiàn)帶來了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)制造的改革，在新產(chǎn)品開發(fā)初期，可以通過3D 打印技術(shù)用于樣品制造，能夠增加模具設(shè)計(jì)自由度、減少制作工藝流程、減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低成本[2]。王穎等提出運(yùn)用3D 打印技術(shù)用于樣品制作，再通過傳統(tǒng)工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，省去多次修改模具制造滿意樣品的流程[3]。

1 研究意義

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)由缸體和缸蓋兩大重要部分組成，缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，是安裝凸輪軸的重要載體，缸蓋下部與缸體的氣缸、活塞和活塞環(huán)構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，缸蓋內(nèi)部還有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需的進(jìn)排氣管道、冷卻液循環(huán)水道和潤滑系統(tǒng)流動(dòng)的油道，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各管道之間的缸壁厚度較薄，如圖1 所示。

組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的各零部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中承受混合氣燃燒后產(chǎn)生的近70 000 kPa 高壓和290 ℃以上的高溫。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄造運(yùn)用金屬膜試驗(yàn)制造，在生產(chǎn)之前的工藝流程有：圖樣審查、型芯制備、電極制備、模具零件制備、裝備檢驗(yàn)和試模，花費(fèi)成本較高、研制時(shí)間較長。采用3D 打印技術(shù)，通過軟件建模，截圖“切片”給打印機(jī)，打印機(jī)讀取相應(yīng)橫截圖信息便能實(shí)現(xiàn)打印。能夠增加模具設(shè)計(jì)的自由度，且減少樣品制作工藝流程，縮短研制周期、減少生產(chǎn)成本[4]。隨著汽車輕量化的要求漸增，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋越來越集成，結(jié)構(gòu)上越來越復(fù)雜。要想在缸蓋的試制過程中達(dá)到相關(guān)的鑄造技術(shù)和工藝要求，還需加快缸蓋樣件的開發(fā)速度。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）通過紅外激光器作激發(fā)，采用粉末材料造型。首先將產(chǎn)品的三維模型分成若干層三維“切片”，然后利用激光選擇性地?zé)Y(jié)“切片”區(qū)域內(nèi)的粉末材料，完成后再鋪上一層粉末材料繼續(xù)燒結(jié)。如此層層累加，直至三維制作完成為止。SLS 技術(shù)材料利用率高，成型速度快，主要應(yīng)用于鑄造業(yè)，可以用樹脂裹覆砂（覆膜砂）來直接制作快速模具，可生產(chǎn)如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋等復(fù)雜鑄件。但應(yīng)用砂型進(jìn)行澆鑄也有缺陷，SLS 工藝中粉層需要激光使其加熱達(dá)到熔化狀態(tài)，高分子材料或者粉粒在激光燒結(jié)時(shí)會(huì)揮發(fā)異味氣體，導(dǎo)致發(fā)氣量大，且SLS 工藝加工時(shí)間長、散熱慢，凝固過程耗費(fèi)時(shí)間長，容易產(chǎn)生冷隔、氣孔或縮孔縮松等缺陷[5]。

基于以上分析，為滿足市場需要，提高生產(chǎn)企業(yè)在市場中的競爭力，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一種真空澆鑄的鑄件制造工藝，解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造缺陷。本文選取一種復(fù)雜、輕薄鑄件的鋁合金缸蓋鑄造工藝技術(shù)，即真空澆鑄工藝。采用真空澆鑄，能顯著提高充型能力、大大減少在澆鑄過程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，使鑄件晶粒細(xì)化、致密度提高，顯著提高澆鑄件的綜合性能。

本文以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和企業(yè)研制需求為依據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)AC4B 合金不同形狀、不同管壁厚度的試制棒為對(duì)象，結(jié)合真空澆鑄與激光燒結(jié)技術(shù)，以重要工藝參數(shù)真空度為要素不斷優(yōu)化鑄造工藝，利用該鑄造工藝試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造過程及產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證[6-8]。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋外表面、性能和質(zhì)量進(jìn)行分析，研究重力澆鑄的缺陷是否得到改善，澆鑄后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋性能和質(zhì)量是否滿足要求。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)選材和設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)選材

3D 打印選用成分主要是由寶珠砂、烏洛托品、酚醛樹脂、添加劑和潤滑劑等材料混合而成的覆膜砂材料，通過高溫激光燒結(jié)，配合底板移動(dòng)一層層疊加而成。汽缸蓋低壓鑄造選用材料為標(biāo)準(zhǔn)AC4B 鋁合金鑄造，屬日本JIS5202 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，材料成分類似我國ZL106 合金，稍有不同。其成分如表1 所示。

表1 AC4B 合金主要成分

2.1.2 試驗(yàn)裝備

此次試驗(yàn)，選用選擇性激光燒結(jié)快速成型裝備，該裝備運(yùn)用選擇性激光燒結(jié)原理，使覆膜砂材料遇熱粘結(jié)、固化快速成型。快速成型裝備如圖2 所示，主要由電子控制計(jì)算機(jī)、激光冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和輔助部分組成，電子控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件為PowerRP，用來處理三維圖形數(shù)據(jù)，能夠識(shí)別STL 格式文件，并對(duì)加工過程進(jìn)行控制和模擬。

在試驗(yàn)過程中，采用真空澆鑄，在工作艙中放置好鑄型和澆包后，關(guān)閉艙門，使工作艙內(nèi)為一個(gè)封閉的環(huán)境，然后真空泵工作使工作艙內(nèi)達(dá)到所需的真空度，再完成鑄件澆注，平穩(wěn)充型。

2.2 試驗(yàn)方案

本次研究試驗(yàn)，前半部分采用不同的兩種試制棒進(jìn)行試驗(yàn)分析，后半部分對(duì)3D 打印技術(shù)加工成型的缸蓋進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過快速成型設(shè)備燒結(jié)覆膜砂，制備試制模具，在模具試制好后，進(jìn)行組芯組型，等到合金液體溶解煉制處理完成后，進(jìn)行缸蓋澆鑄工作。技術(shù)路線如圖3 所示。

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1 合金及熔煉過程

試驗(yàn)所需鋁合金用電阻爐熔煉，選用石墨坩堝，待合金熔化后加入精煉劑和變質(zhì)劑，進(jìn)行除氣和扒渣，再進(jìn)行澆注[9]。

2.3.2 性能測(cè)試

為測(cè)試合金液澆注的流動(dòng)性能，采用同心三螺旋試驗(yàn)，能夠突出真空澆注的優(yōu)點(diǎn)。澆注溫度為660 ℃±10 ℃，平穩(wěn)充型，無冷隔和澆不足等缺陷。

不同真空度對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 不同真空度的澆鑄工藝參數(shù)

2.4 熱處理

為提高力學(xué)性能，試驗(yàn)通過對(duì)鋁合金進(jìn)行了熱處理，所用的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋質(zhì)量和試制棒均較小，固溶工藝的參數(shù)為530 ℃×6 h，在水中淬成。時(shí)效工藝為225 ℃×8 h，鋁合金的各項(xiàng)力學(xué)性能得到提高。

3 結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)，得到不同真空度下試制棒的密度值，如下頁表3 所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋在鑄造過程中，利用真空澆鑄與激光燒結(jié)技術(shù)，其真空度的大小對(duì)復(fù)雜薄壁鑄造材料影響很大，其真空度數(shù)值變大，鑄造材料的充型長度也隨之變大，充型效果在真空度數(shù)值為-40 kPa 時(shí)相較其它數(shù)值較好，真空度數(shù)值繼續(xù)增大時(shí)充型效果改進(jìn)不明顯，最佳數(shù)值在-40～-60 kPa 為最佳。同時(shí)，真空度數(shù)值對(duì)鑄造材料的斷面孔隙率和密度值也具有一定的影響。真空度數(shù)值變大時(shí)，鑄造材料的密度值也會(huì)小幅度變大。觀察真空度數(shù)值在0 kPa 和-40 kPa 時(shí)鑄造材料端面的孔隙率情況，在-40 kPa 時(shí)澆鑄試制棒的斷面孔隙率變化明顯，孔洞減少非常明顯。

4 結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄件在鑄造過程中，采用真空澆鑄工藝，其真空度數(shù)值在-40 kPa 時(shí)，鑄造材料的充型效果、斷面孔隙率和密度值均為最佳，真空度數(shù)值繼續(xù)變大時(shí)，效果變化不明顯。