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基於3D打印快速製造鋁合金缸蓋的方（fāng）法

2019-9-29 來源：- 作者：-

缸蓋內部結構複雜，對尺寸和內部質量要求很高，通常鋁合金缸蓋都是通過開設（shè）金屬模具再進行生產的，生產周期（qī）很長，費用（yòng）大。快速鋁合金缸（gāng）蓋生產方法是（shì）分別打印砂型和砂芯，再（zài）進行多塊組（zǔ）型、組芯，然後進行砂型重（chóng）力鑄造或低壓鑄造。這種方法生產的缸蓋質量較差，尺寸精度低於C10，表（biǎo）麵粗糙度Ra12.5μm，內部有（yǒu）大量的缺陷，裝配和打壓經常出（chū）問題。

目前，中小批量（liàng）高質量快速缸蓋需（xū）求比（bǐ）較大，汽車、無人機、艦船等節能環保的鋁合金缸蓋研製任務比較重，迫切需要找（zhǎo）到一（yī）種新的製造方法，快速高（gāo）質量地製造缸蓋（gài）。

本文提供一種快速製造鋁合金缸蓋的方法，通過3D打印砂型、蠟型解決複雜鋁合金缸蓋模具的問題。通過3D打印SLS技術製作的鋁合（hé）金（jīn）缸蓋蠟（là）型和石膏型工藝獲得鑄（zhù）型，通過3D打印3DP技術製作的鋁合金缸蓋砂（shā）型獲（huò）取鑄芯，將鑄芯裝配到石膏（gāo）鑄型上可實現無模具澆注。方法（fǎ）包括：鋁合金缸蓋分型（xíng）方法、鋁合金缸蓋蠟型質量控製方法、鋁合金缸蓋砂型質量控製方法、蠟型和砂型打印方法、型芯裝配方法、鋁合金缸（gāng）蓋熱節處理方法、澆注方法等。整個過程有四個最（zuì）關鍵的點。

1.缸（gāng）蓋（gài）拆（chāi）分

缸蓋拆分（fèn）是將鑄造工藝（yì）設計模（mó）擬（nǐ）優化後的缸蓋毛坯進行分（fèn）型麵和（hé）定位工裝設計，確保缸蓋外型和內腔分離，缸蓋（gài）外型能實現蠟（là）模打印，缸蓋內腔能實現砂型打印，通過試驗方法確（què）定蠟（là）模和砂（shā）型收縮（suō）率、變形，將試驗（yàn）數據反饋到設計中，確定最佳的分型麵和定位工裝位置、形狀、尺（chǐ）寸。將完成鑄造的工藝設（shè）計分離成缸蓋外型和（hé）內（nèi）部型（xíng）腔；根據缸蓋外型結合內部型腔裝（zhuāng）配關係設計芯頭和定位工裝，在外型蠟模和內部型芯模頭上加輔助中心線和麵麵配合（hé）的工裝，保證最佳裝配方式，石膏型和砂型裝配麵（miàn）光（guāng）滑，裝配精度為0.2-0.5mm；尺寸精密度優於CT7級，如圖1所示。

圖1 複合鑄型和內外冷（lěng）鐵裝配圖

1-石膏型 2-內冷鐵 3-外置（zhì）冷鐵 4-打印砂芯 5-內冷鐵麵 6-砂（shā）型冒口圈

2. 3D打（dǎ）印SLS蠟模技術（shù）

3D打印蠟模是采用激光選區燒結方法（SLS工（gōng）藝）將蠟或PS蠟材料通過合理的參數（shù）進行層層燒結，再進行後處理表麵光潔，得到缸蓋外型及定位工裝，如圖（tú）2、圖3所示。

圖2 缸蓋外形3D打印蠟模及定位工裝設計方（fāng）案

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

圖3 三缸（gāng）缸蓋外形3D打印蠟模焙燒製（zhì）成石膏型

1-打印蠟模翻製石膏型長（zhǎng）度定位工裝 2-打印蠟模翻製石膏型寬度定位工裝

選用自（zì）製專用蠟型3D打（dǎ）印設備（見圖4），特點在於（yú）成型最小壁厚小於1.5mm，成型精（jīng）度為100±0.1mm，零（líng）件綜合尺寸優於CT6級，表麵質量Ra優於3.2μm。通過大（dà）量試驗，3D打印缸蓋外形蠟模最佳參數：激光功率18-20W，環境溫度為89-92℃，掃描（miáo）速度1200-1400mm/S，層厚0.12mm，收縮率為（wéi）0.95。

圖4 3D打印SLS蠟模係統

3. 3D打印（yìn）3DP砂型技術

3D打印砂型是采用選區噴塗樹脂或固化膠的方法（3DP工藝），采用合理的打印（yìn）工藝將焙燒砂（shā）粘（zhān）在一起，得到缸蓋內腔及定位工裝，如圖5所示。這種成型工藝是冷成型，成型砂型不（bú）容易變形，強度比較大。

圖5 缸蓋外形3D打印砂型及定位工裝設計方（fāng）案

1-砂型寬度定位工裝 2-砂型長（zhǎng）度定位工裝（zhuāng）3-鑄件內（nèi）腔砂芯 4-砂芯頭工裝 5-砂芯排氣係統 6-澆（jiāo）注係統

選用自製專（zhuān）用砂型3D打（dǎ）印設備HLS-1000（見圖6），特點是（shì）采用冷成型，無收縮和變形，成型（xíng）精度受尺寸大小影響不大，精度優於±0.5mm，零件綜合尺寸優於CT8級，表麵質量Ra優於10μm；打（dǎ）印缸蓋（gài）內腔砂芯參數：樹脂量0.9-1%，環境溫度為20-25℃，噴射速度120-140mm/S，層厚0.2mm，固化時間大於6小時。

圖6 3D打印3DP砂（shā）型打印係統

4. 石膏型電磁真空增壓（yā）鑄造技術

石膏型（xíng）真空增壓鑄造是采用蠟模（mó）作為零件型（xíng）腔，石膏漿（jiāng）料灌製（zhì）幹燥作為鑄型，通過高溫焙燒將蠟模熔出形成空腔（qiāng），在真空環境下電磁澆（jiāo）注，在壓力下凝固；石膏型（xíng）有很好的複模性和尺寸穩（wěn）定性，成型產品表麵和內部質量很好（hǎo）。

複模最小為0.02mm，蠟型轉製成石膏後尺寸影響控（kòng）製（zhì）在（zài）0.5mm內，石膏型和砂型裝配麵光滑，裝（zhuāng）配精度為0.2-0.5mm；石膏型（xíng）真空（kōng）增壓鑄造具（jù）有保溫性好、冷鐵工藝靈活、壓力補縮距離長等特點，保證ZL114A缸（gāng）體抗拉強度大於350MPa，延伸率大於5%，硬度大於100HB。如（rú）圖（tú）7、圖8所（suǒ）示。

圖7 複（fù）合鑄型和內（nèi）外冷鐵裝配圖

1-石膏型 2-內冷鐵 3-冒口砂型圈 4-3D打印砂型

圖8 電磁真空增壓鑄（zhù）造（zào）係統

5. 生產現場

生產現場如圖9-圖12所（suǒ）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 處理後缸蓋

通過數據處理、打印、石膏型焙燒、鑄型組合、澆注、清理、熱處理、表麵處理等工序，通過將3D打印技（jì）術與先進的鑄造技術相融合，實現了不開（kāi）模具製造鋁合（hé）金缸蓋。通過對缸蓋（gài）的檢查，綜合尺寸優（yōu）於CT6級，表麵質量Ra優於5.0μm，內部質量良好，打壓0.6MPa無（wú）浸（jìn）漏。

6. 結論（lùn）

實踐證明：3D打印（yìn）蠟模和石膏型結合解決了缸蓋複雜外形尺寸和表麵粗糙度問題；3D打（dǎ）印砂（shā）型解（jiě）決了缸（gāng）蓋複雜內腔形狀和尺寸精（jīng）度問題；缸蓋分型麵（miàn）、定位工裝設計和3D打印砂型與石膏（gāo）型配合解決（jué）了缸蓋外形與內（nèi）腔位置問題；3D打（dǎ）印砂型一體化打印解決了缸蓋內腔（qiāng）相對位置精度問題（tí）；石膏型真空增壓鑄造工藝通過真空環境澆注、凝固過程加壓補縮、內置冷鐵等工藝手段，解決了缸體內部質量問題。

鋁合金缸蓋快（kuài）速無模製造是（shì）生產尺寸（cùn）精度高、表（biǎo）麵質（zhì）量和內部質量好的（de）一種製造方法。解決了缸蓋質量不穩定、製造周期長、加工量大、補焊、尺寸不穩定、內部缺陷多、反修次數（shù）多等現有製（zhì）造問題，該技術在缸蓋類複雜（zá）內腔新產品開發，單件、小批（pī）量/複雜零部件生產等方麵優勢明顯。

（宋彬北京北方恒利科技（jì）發展有限（xiàn）公司）

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