【機床商務網欄目 科技動態(tài)】缸蓋內部結構復雜，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金屬模具再進行生產的，生產周期很長，費用大。快速鋁合金缸蓋生產方法是分別打印砂型和砂芯，再進行多塊組型、組芯，然后進行砂型重力鑄造或低壓鑄造。這種方法生產的缸蓋質量較差，尺寸精度低于C10，表面粗糙度Ra12.5μm，內部有大量的缺陷，裝配和打壓經常出問題。
 

　　目前，中小批量高質量快速缸蓋需求比較大，汽車、無人機、艦船等節(jié)能環(huán)保的鋁合金缸蓋研制任務比較重，迫切需要找到一種新的制造方法，快速高質量地制造缸蓋。
 

　　本文提供一種快速制造鋁合金缸蓋的方法，通過3D打印砂型、蠟型解決復雜鋁合金缸蓋模具的問題。通過3D打印SLS技術制作的鋁合金缸蓋蠟型和石膏型工藝獲得鑄型，通過3D打印3DP技術制作的鋁合金缸蓋砂型獲取鑄芯，將鑄芯裝配到石膏鑄型上可實現無模具澆注。方法包括：鋁合金缸蓋分型方法、鋁合金缸蓋蠟型質量控制方法、鋁合金缸蓋砂型質量控制方法、蠟型和砂型打印方法、型芯裝配方法、鋁合金缸蓋熱節(jié)處理方法、澆注方法等。整個過程有四個關鍵的點。
 

　　1.缸蓋拆分
 

　　缸蓋拆分是將鑄造工藝設計模擬優(yōu)化后的缸蓋毛坯進行分型面和定位工裝設計，確保缸蓋外型和內腔分離，缸蓋外型能實現蠟模打印，缸蓋內腔能實現砂型打印，通過試驗方法確定蠟模和砂型收縮率、變形，將試驗數據反饋到設計中，確定佳的分型面和定位工裝位置、形狀、尺寸。將完成鑄造的工藝設計分離成缸蓋外型和內部型腔；根據缸蓋外型結合內部型腔裝配關系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面面配合的工裝，保證佳裝配方式，石膏型和砂型裝配面光滑，裝配精度為0.2-0.5mm；尺寸精密度優(yōu)于CT7級，如圖1所示。
 

圖1 復合鑄型和內外冷鐵裝配圖
 

　　1-石膏型 2-內冷鐵 3-外置冷鐵 4-打印砂芯 5-內冷鐵面 6-砂型冒口圈
 

　　2. 3D打印SLS蠟模技術
 

　　3D打印蠟模是采用激光選區(qū)燒結方法(SLS工藝)將蠟或PS蠟材料通過合理的參數進行層層燒結，再進行后處理表面光潔，得到缸蓋外型及定位工裝，如圖2、圖3所示。
 

圖2   缸蓋外形3D打印蠟模及定位工裝設計方案
 

　　1-定位工裝 2-直澆道 3-內冷鐵輔助工裝 4-內冷鐵輔助工裝 5-砂芯頭工裝
 

圖3  三缸缸蓋外形3D打印蠟模焙燒制成石膏型
 

　　1-打印蠟模翻制石膏型長度定位工裝  2-打印蠟模翻制石膏型寬度定位工裝
 

　　選用自制專用蠟型3D打印設備(見圖4)，特點在于成型小壁厚小于1.5mm，成型精度為100±0.1mm，零件綜合尺寸優(yōu)于CT6級，表面質量Ra優(yōu)于3.2μm。通過大量試驗，3D打印缸蓋外形蠟模佳參數：激光功率18-20W，環(huán)境溫度為89-92℃，掃描速度1200-1400mm/S，層厚0.12mm，收縮率為0.95。
 

圖4  3D打印SLS蠟模系統(tǒng)
 

　　3. 3D打印3DP砂型技術
 

　　3D打印砂型是采用選區(qū)噴涂樹脂或固化膠的方法(3DP工藝)，采用合理的打印工藝將焙燒砂粘在一起，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案
 

　　1-砂型寬度定位工裝 2-砂型長度定位工裝 3-鑄件內腔砂芯 4-砂芯頭工裝 5-砂芯排氣系統(tǒng) 6-澆注系統(tǒng)
 

　　選用自制專用砂型3D打印設備HLS-1000(見圖6)，特點是采用冷成型，無收縮和變形，成型精度受尺寸大小影響不大，精度優(yōu)于±0.5mm，零件綜合尺寸優(yōu)于CT8級，表面質量Ra優(yōu)于10μm；打印缸蓋內腔砂芯參數：樹脂量0.9-1%，環(huán)境溫度為20-25℃，噴射速度120-140mm/S，層厚0.2mm，固化時間大于6小時。
 

圖6  3D打印3DP砂型打印系統(tǒng)
 

　　4. 石膏型電磁真空增壓鑄造技術
 

　　石膏型真空增壓鑄造是采用蠟模作為零件型腔，石膏漿料灌制干燥作為鑄型，通過高溫焙燒將蠟模熔出形成空腔，在真空環(huán)境下電磁澆注，在壓力下凝固；石膏型有很好的復模性和尺寸穩(wěn)定性，成型產品表面和內部質量很好。
 

　　復模小為0.02mm，蠟型轉制成石膏后尺寸影響控制在0.5mm內，石膏型和砂型裝配面光滑，裝配精度為0.2-0.5mm；石膏型真空增壓鑄造具有保溫性好、冷鐵工藝靈活、壓力補縮距離長等特點，保證ZL114A缸體抗拉強度大于350MPa，延伸率大于5%，硬度大于100HB。如圖7、圖8所示。
 

圖7  復合鑄型和內外冷鐵裝配圖
 

　　1-石膏型 2-內冷鐵 3-冒口砂型圈 4-3D打印砂型
 

圖8  電磁真空增壓鑄造系統(tǒng)
 

　　5. 生產現場
 

　　生產現場如圖9-圖12所示。
 

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  處理后缸蓋
 

　　通過數據處理、打印、石膏型焙燒、鑄型組合、澆注、清理、熱處理、表面處理等工序，通過將3D打印技術與先進的鑄造技術相融合，實現了不開模具制造鋁合金缸蓋。通過對缸蓋的檢查，綜合尺寸優(yōu)于CT6級，表面質量Ra優(yōu)于5.0μm，內部質量良好，打壓0.6MPa無浸漏。
 

　　6. 結論
 

　　實踐證明：3D打印蠟模和石膏型結合解決了缸蓋復雜外形尺寸和表面粗糙度問題；3D打印砂型解決了缸蓋復雜內腔形狀和尺寸精度問題；缸蓋分型面、定位工裝設計和3D打印砂型與石膏型配合解決了缸蓋外形與內腔位置問題；3D打印砂型一體化打印解決了缸蓋內腔相對位置精度問題；石膏型真空增壓鑄造工藝通過真空環(huán)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。
 

　　鋁合金缸蓋快速無模制造是生產尺寸精度高、表面質量和內部質量好的一種制造方法。解決了缸蓋質量不穩(wěn)定、制造周期長、加工量大、補焊、尺寸不穩(wěn)定、內部缺陷多、反修次數多等現有制造問題，該技術在缸蓋類復雜內腔新產品開發(fā)，單件、小批量/復雜零部件生產等方面優(yōu)勢明顯。