玉柴鑄造集成式復合氣缸蓋砂芯組中的3D打印技術
談到3D打印用于鑄造業，通常用的兩種技術一種是通過3D打印來制造鑄造的熔模母模，一種是通過3DP技術或SLS技術直接打印砂型。而通過3DP技術或SLS技術直接打印砂型直觀的好處包括，一是可以用來打印非常復雜的組件；二是可以用來打印拓撲優化的“另類”設計，這樣的設計通常與我們習以為常的設計在外觀上有著明顯的差別。不過，除了這二者，我們容易忽略的一個應用是，通過3DP技術或SLS技術打印部分砂型，再將這些砂型與傳統制造的砂型組合起來。本期，與網友一起來看國內玉柴在3D打印鑄造集成式復合氣缸蓋的砂芯組中的探索成果。
圖片：3D打印應用在發動機鑄造的不同途徑
3DP粘接劑噴射3D打印技術中的3DP顧名思義就是3D printing, 也就是現今3D打印技術的名稱來源。3DP工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。3DP技術可以用來打印均勻顆粒的砂子，從而制造出鑄造所用的砂模。
SLS工藝將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接。SLS工藝可以用來燒結覆膜砂，從而制造出鑄造所用的砂模。
傳統的氣缸蓋一般是個幅板式箱狀結構，內腔由氣道、氣門安裝結構、氣缸蓋螺栓孔柱子、噴油器孔座、氣孔柱子及這些結構周圍的水套空腔組成，結構復雜，鑄造困難。發動機工作時水套空腔充滿冷卻液，對氣門及氣門座圈、氣缸蓋底板進行必要的冷卻，其鑄造方法通常是側鑄或平鑄。
廣西玉柴在鑄造集成式復合氣缸蓋的砂芯組方面進行了積極的探索，成功鑄造出零件復雜程度高的集成式復合氣缸蓋。集成式復合氣缸蓋的復雜性包括進排氣道、噴油器安裝孔、缸蓋上水套、缸蓋下水套、氣缸孔、缸孔水套和凸輪挺桿孔。
砂芯組用來成型集成式復合氣缸蓋鑄件，砂芯組包括：
臨時砂芯組，其由一體式底盤砂型、前砂型、后砂型、右砂型、凸輪挺桿砂型和左砂型組裝而成，一體式底盤砂型上集成有氣缸孔的缸孔成型部；
缸孔水套砂型，其組裝在臨時砂芯組上，缸孔水套砂型豎直放置，缸孔水套砂型與氣缸孔的缸孔成型部之間的間隙可調整；組合砂型，其包括缸蓋上水套砂型、缸蓋下水套砂型、進氣道砂型和排氣道砂型，組合砂型組裝在缸孔水套砂型上；蓋盤砂型，蓋盤砂型與前砂型、后砂型、右砂型和左砂型共同用于成型集成式復合氣缸蓋的頂面和四圍形狀；澆系砂型，澆系砂型包括：直澆道，其豎立設置，直澆道的上端具有澆口杯，直澆道位于集成式復合氣缸蓋鑄件的長度方向的一側，直澆道的下段部分形成于前砂型內部，直澆道的上段部分由澆注砂型提供；
主橫澆道，其兩端設置有濾網，直澆道的底端與主橫澆道連通，主橫澆道與集成式復合氣缸蓋鑄件的寬度方向平行，主橫澆道形成于一體式底盤砂型的前端內部；
兩個分橫澆道，該兩個分橫澆道并列設置且與集成式復合氣缸蓋鑄件的長度方向平行，該兩個分橫澆道處于集成式復合氣缸蓋鑄件的下方的兩側，兩個分橫澆道的一端分別與主橫澆道的兩端連通，兩個分橫澆道與主橫澆道組成U形狀，兩個分橫澆道的另一端分別設有集渣包，兩個分橫澆道分別形成于右砂型和左砂型的內部；
若干個L形內澆道，其均勻的設置在兩個分橫澆道的內側，每個L形內澆道的出口端為漸縮狀，該若干個L形內澆道用來將金屬液導入鑄型中，若干個L形內澆道分別形成于右砂型和左砂型的內部。
玉柴的這一技術特點是通過一體式底盤，四向合型，組合砂型，逐層組芯的方式組裝的整個砂型，使得集成式復合氣缸蓋的缸孔水套砂型以豎直姿態(即直列式柴油機缸孔工作狀態)保持在鑄型中，易于獲得壁厚均勻且變形小的缸孔形狀，組合砂型的應用集成了多種砂芯，簡化了組型工藝及組型次數，組型更簡單準確，進排氣道在澆鑄過程中不會上浮，進排氣道壁厚更均勻，氣道性能更優。
具體來說，3D打印在其中發揮的作用是組合砂型的缸蓋上水套砂型、缸蓋下水套砂型、進氣道砂型和排氣道砂型是由3D打印出來的。
這種組合砂型在金屬鑄造中的優勢體現為：
-金屬液一直流動到分橫澆道未端的集渣包，金屬液殘留的細小渣會集到時集渣包內。
-金屬液流經“八”字型時金屬液的流速由快減慢，達到金屬液快速到達緩速充型的效果，有利于金屬液充型快而平穩，不是噴射激進充型，有利于型腔氣排出，鑄件不易產生氣孔的鑄造缺陷。
-金屬液能快速平穩進入鑄型，澆鑄時間快，金屬液的最終溫度高，鑄件不易產生冷隔的鑄造缺陷。
- 過濾擋渣效果良好，進入鑄型的金屬液干凈，鑄件不易產生渣眼的鑄造缺陷。以實現充型平穩均勻，擋渣效果好，排氣順暢，缸孔水套壁厚均勻，進排氣道澆鑄中不上浮，且進排氣道壁厚均勻、成品率高、出品率高、產品質量好。
在本案例中，采用3D打印成型技術一次成型，能夠精確的保證砂型的形狀尺寸，以及形狀之間的相對位置，能夠保證鑄件的壁厚均勻，特別是進排氣道與缸蓋水套的進排氣道外殼的復雜形狀相應匹配及壁厚的均勻。而且缸蓋上水套、缸蓋下水套、進氣道、排氣道一次精確成型，能夠成功確保進排氣道在澆鑄過程中無上浮，能夠解決各個氣道位置一致性的問題，從而確保氣道參數良好性。
本文參考專利：
CN106111912A用于鑄造集成式復合氣缸蓋砂芯組
WO/2016/075521A1:CYLINDER HEAD OF MULTI-CYLINDER ENGINE
US20160138438:CYLINDER HEAD ARRANGEMENT FOR VARIABLE VALVE ACTUATION ROCKER ARM ASSEMBLIES
文章來源：3D科學谷
(責任編輯：admin)
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