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WMEM|基于3D打印快速制造鋁合金缸蓋的方法


缸蓋内部結構複雜,對尺寸和内部質量要求很高,通常鋁合金缸蓋都是通過開設金屬模具再進行生産的,生産周期很長,費用大。快速鋁合金缸蓋生産方法是分别打印砂型和砂芯,再進行多塊組型、組芯,然後進行砂型重力鑄造或低壓鑄造。這種方法生産的缸蓋質量較差,尺寸精度低于C10,表面粗糙度Ra12.5μm,内部有大量的缺陷,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、艦船等節能環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、蠟型解決複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,将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、鋁合金缸蓋熱節處理方法、澆注方法等。整個過程有四個最關鍵的點。

1.缸蓋拆分

缸蓋拆分是将鑄造工藝設計模拟優化後的缸蓋毛坯進行分型面和定位工裝設計,确保缸蓋外型和内腔分離,缸蓋外型能實現蠟模打印,缸蓋内腔能實現砂型打印,通過試驗方法确定蠟模和砂型收縮率、變形,将試驗數據反饋到設計中,确定最佳的分型面和定位工裝位置、形狀、尺寸。将完成鑄造的工藝設計分離成缸蓋外型和内部型腔;根據缸蓋外型結合内部型腔裝配關系設計芯頭和定位工裝,在外型蠟模和内部型芯模頭上加輔助中心線和面面配合的工裝,保證最佳裝配方式,石膏型和砂型裝配面光滑,裝配精度為0.2-0.5mm;尺寸精密度優于CT7級,如圖1所示。

1 複合鑄型和内外冷鐵裝配圖

1-石膏型 2-内冷鐵 3-外置冷鐵 4-打印砂芯 5-内冷鐵面 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燒結方法(SLS工藝)将蠟或PS蠟材料通過合理的參數進行層層燒結,再進行後處理表面光潔,得到缸蓋外型及定位工裝,如圖2、圖3所示。


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-内冷鐵輔助工裝 4-内冷鐵輔助工裝 5-砂芯頭工裝


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),特點在于成型最小壁厚小于1.5mm,成型精度為100±0.1mm,零件綜合尺寸優于CT6級,表面質量Ra優于3.2μm。通過大量試驗,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℃,掃描速度1200-1400mm/S,層厚0.12mm,收縮率為0.95


4  3D打印SLS蠟模系統

3. 3D打印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),采用合理的打印工藝将焙燒砂粘在一起,得到缸蓋内腔及定位工裝,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。


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-鑄件内腔砂芯 4-砂芯頭工裝 5-砂芯排氣系統 6-澆注系統

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,精度優于±0.5mm,零件綜合尺寸優于CT8級,表面質量Ra優于10μm;打印缸蓋内腔砂芯參數:樹脂量0.9-1%,環境溫度為20-25℃,噴射速度120-140mm/S,層厚0.2mm,固化時間大于6小時。


6  3D打印3DP砂型打印系統

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,石膏漿料灌制幹燥作為鑄型,通過高溫焙燒将蠟模熔出形成空腔,在真空環境下電磁澆注,在壓力下凝固;石膏型有很好的複模性和尺寸穩定性,成型産品表面和内部質量很好。

複模最小為0.02mm,蠟型轉制成石膏後尺寸影響控制在0.5mm内,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。


7  複合鑄型和内外冷鐵裝配圖

1-石膏型 2-内冷鐵 3-冒口砂型圈 4-3D打印砂型


8  電磁真空增壓鑄造系統

5. 生産現場

生産現場如圖9-12所示。


9  3D打印蠟件和組樹工藝                     10  3D打印3DP砂芯


11  石膏型型腔                     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、表面處理等工序,通過将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,綜合尺寸優于CT6級,表面質量Ra優于5.0μm,内部質量良好,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複雜外形尺寸和表面粗糙度問題;3D打印砂型解決了缸蓋複雜内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内腔位置問題;3D打印砂型一體化打印解決了缸蓋内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境澆注、凝固過程加壓補縮、内置冷鐵等工藝手段,解決了缸體内部質量問題。

鋁合金缸蓋快速無模制造是生産尺寸精度高、表面質量和内部質量好的一種制造方法。解決了缸蓋質量不穩定、制造周期長、加工量大、補焊、尺寸不穩定、内部缺陷多、反修次數多等現有制造問題,該技術在缸蓋類複雜内腔新産品開發,單件、小批量/複雜零部件生産等方面優勢明顯。

宋彬  北京北方恒利科技發展有限公司


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