發動機缸體增減材數字化復合成型工藝研究及應用

【摘? 要】針對傳統新產品開發制造工藝復雜且周期長的問題，本文將鑄造技術與數字化技術相結合，提出一種增減材復合成型工藝，以復雜零部件發動機為例，將3D打印增材制造與數字化無模精密成型減材制造以及計算機數值模擬分析技術結合起來，成功快速開發出六缸柴油發動機缸體，實現了三維CAD/CAE/CAM的集成應用，在新產品試制階段，可有效縮短產品開發周期，降低開發成本，為復雜產品開發提供一種新的制造方法。

【關鍵詞】發動機;模擬分析;增材制造;減材制造。

引言

隨著汽車行業競爭的日趨激烈，以及汽車燃油排放標準的越來越高，發動機整機零部件更新換代的速度不斷加快，短周期、小批量的新產品開發成為一種趨勢。不論是發動機零部件還是工程機械零部件，質量要求越來越高，除強調少（無）余量鑄造以外，還要求鑄件結構的整體化與集成化。傳統有模鑄造難以滿足其復雜程度高、精度高、周期短等要求。3D打印砂型增材制造和數字化無模精密鑄造成形技術是鑄造、數控、計算機等技術的系統集成，不需要模具，直接運用三維CAD模型驅動專用設備進行砂型打印和直接數控切削加工砂型，合模組裝得到鑄型，快速澆鑄出金屬件，整個過程具有數字化、綠色化和柔性化的特點。

1.數字化設計

該缸體輪廓尺寸1088 * 556 * 454mm，材質：HT300，缸體質量;358kg，缸徑80mm，缸體壁厚5.5mm，高壓油缸壁厚6mm，零件結構特征如圖1所示：

基于該缸體的結構特征，綜合考慮采用半封閉式澆注工藝，從而增大橫澆道斷面，減緩金屬液在橫澆道的流動速度，提高沖型穩定性，同時在橫澆道末端設置集渣孔從而強化擋渣能力。其澆鑄系統結構設計如圖3所示：

鑄造所需澆鑄時間采用公式（1）：

式中G 件為鑄件重量，358Kg; δ為平均壁厚，5.5mm;f為材質系數，通過查表取值為1;帶入數值計算得澆注時間約為26.25秒。

其澆鑄系統最小截面積采用公式（2）：

式中ΣF阻為澆注系統最小截面積，cm?;G 件為鑄件重量，Kg;ρ為鑄件材質密度，kg/cm3;g為重力加速度，980cm/S^2;δ鑄件主要壁厚（常指最薄壁厚），mm;W為材質系數，通過查表取值為0.24;t為鑄件有效澆注時間，s;帶入數值計算得到阻流截面積為內澆道截面積2796mm^2，橫澆道截面積3914mm^2，直澆道截面積 3355mm^2; ∑A內：∑A橫：∑A直=1：1.4：1.2，屬于半封閉式澆注工藝。

利用華鑄CAE模擬分析軟件對發動機缸體的澆鑄過程進行模擬，根據其壁厚設置澆鑄溫度為1350度，模擬體積充填，色溫充填，以及基于耦合的凝固，借助模擬分析軟件可以提前預測并發現鑄造可能出項的缺陷，從而對影響其形成的因素進行有效的控制，部分模擬分析結果如圖5所示。

方案經過多次模擬驗證，同時根據模擬分析結果顯示，鑄件基本能實現順序凝固，補縮也相對充分，未發現明顯的縮孔縮松等不良現象。因此鑄造工藝方案基本可行。

在工藝方案定型完成后，根據三維模型通過UG設計軟件進行布爾運算得到鑄造所需的三維模型如圖6所示

2.增減材數字化成型

本發動機缸體制造工藝采用3D打印與數控切削兩種方式成型，上下模采用三軸型腔銑的加工方式，為了便于設備及時清理廢砂，粗加工選擇層優先方式，單邊預留0.3毫米余量，精加工采用輪廓銑方式，去除余量至型腔表面，上下模加工時間僅為120小時，刀軌如圖7-1所示，實物如圖7-2所示：

除了上下模，內芯為了保證尺寸精度全部采用3D打印一體成型方式，缸筒芯和側板芯采用噴墨成型工藝，油道芯為保證強度采用激光燒結成型工藝，所有內芯加工時間僅為55小時，如圖8所示：

所有鑄型加工完畢后，將加工好的鑄型刷好涂料進行裝配、澆鑄，得到鑄件，如圖9、圖10、圖11所示，鑄件經劃線檢測尺寸精度達到鑄件尺寸公差GB/T 6414-1999中的CT7-CT8級精度，通過X光探傷檢測內部質量優良，未發現縮孔及大面積氣孔等缺陷，力學性能符合技術要求，缸體鑄件表面粗糙度也相對較好。

3.結論

本文進行了直列六缸柴油發動機缸體的增減材數字化復合成型工藝技術的研究，成功制造出了合格的發動機缸體金屬件，上下模采用數字化無模鑄造方法直接進行數控切削加工成型，復雜內芯采用3D打印工藝一次成型，在新產品開發的過程中無需復雜的模具，可以實現更低成本、更高效率和更快速度的完成新產品試制和開發，為發動機整機開發提供了一種新的方法。此外，結合數值模擬分析技術的應用，可以避免出現縮孔縮松等鑄造缺陷，實現了三維CAD/CAE/CAM的集成應用，同時也進一步驗證數字化制造的可行性，為復雜零部件的開發提供了一種更加先進的具有數字化、綠色化以及更加柔性的制造方法。

參考文獻

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[2]中國機械工程學會鑄造分會? 組編，張伯明主編鑄造手冊（第三版，第一卷）。

[3]周建新，殷亞軍，鑄造充型凝固過程數值模擬系統及應用，機械工業出版社。

[4]中國機械工程學會鑄造分會? 組編，李新亞主編鑄造手冊（第三版，第5卷）。

作者簡介：王金剛（1988-），男，本科學歷，助理工程師，研究方向為先進制造技術。