玉柴铸造集成式复合气缸盖砂芯组中的3D打印技术
谈到3D打印用于铸造业，通常用的两种技术一种是通过3D打印来制造铸造的熔模母模，一种是通过3DP技术或SLS技术直接打印砂型。而通过3DP技术或SLS技术直接打印砂型直观的好处包括，一是可以用来打印非常复杂的组件；二是可以用来打印拓扑优化的“另类”设计，这样的设计通常与我们习以为常的设计在外观上有着明显的差别。不过，除了这二者，我们容易忽略的一个应用是，通过3DP技术或SLS技术打印部分砂型，再将这些砂型与传统制造的砂型组合起来。本期，与网友一起来看国内玉柴在3D打印铸造集成式复合气缸盖的砂芯组中的探索成果。
图片：3D打印应用在发动机铸造的不同途径
3DP粘接剂喷射3D打印技术中的3DP顾名思义就是3D printing, 也就是现今3D打印技术的名称来源。3DP工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。3DP技术可以用来打印均匀颗粒的砂子，从而制造出铸造所用的砂模。
SLS工艺将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接。SLS工艺可以用来烧结覆膜砂，从而制造出铸造所用的砂模。
传统的气缸盖一般是个幅板式箱状结构，内腔由气道、气门安装结构、气缸盖螺栓孔柱子、喷油器孔座、气孔柱子及这些结构周围的水套空腔组成，结构复杂，铸造困难。发动机工作时水套空腔充满冷却液，对气门及气门座圈、气缸盖底板进行必要的冷却，其铸造方法通常是侧铸或平铸。
广西玉柴在铸造集成式复合气缸盖的砂芯组方面进行了积极的探索，成功铸造出零件复杂程度高的集成式复合气缸盖。集成式复合气缸盖的复杂性包括进排气道、喷油器安装孔、缸盖上水套、缸盖下水套、气缸孔、缸孔水套和凸轮挺杆孔。
砂芯组用来成型集成式复合气缸盖铸件，砂芯组包括：
临时砂芯组，其由一体式底盘砂型、前砂型、后砂型、右砂型、凸轮挺杆砂型和左砂型组装而成，一体式底盘砂型上集成有气缸孔的缸孔成型部；
缸孔水套砂型，其组装在临时砂芯组上，缸孔水套砂型竖直放置，缸孔水套砂型与气缸孔的缸孔成型部之间的间隙可调整；组合砂型，其包括缸盖上水套砂型、缸盖下水套砂型、进气道砂型和排气道砂型，组合砂型组装在缸孔水套砂型上；盖盘砂型，盖盘砂型与前砂型、后砂型、右砂型和左砂型共同用于成型集成式复合气缸盖的顶面和四围形状；浇系砂型，浇系砂型包括：直浇道，其竖立设置，直浇道的上端具有浇口杯，直浇道位于集成式复合气缸盖铸件的长度方向的一侧，直浇道的下段部分形成于前砂型内部，直浇道的上段部分由浇注砂型提供；
主横浇道，其两端设置有滤网，直浇道的底端与主横浇道连通，主横浇道与集成式复合气缸盖铸件的宽度方向平行，主横浇道形成于一体式底盘砂型的前端内部；
两个分横浇道，该两个分横浇道并列设置且与集成式复合气缸盖铸件的长度方向平行，该两个分横浇道处于集成式复合气缸盖铸件的下方的两侧，两个分横浇道的一端分别与主横浇道的两端连通，两个分横浇道与主横浇道组成U形状，两个分横浇道的另一端分别设有集渣包，两个分横浇道分别形成于右砂型和左砂型的内部；
若干个L形内浇道，其均匀的设置在两个分横浇道的内侧，每个L形内浇道的出口端为渐缩状，该若干个L形内浇道用来将金属液导入铸型中，若干个L形内浇道分别形成于右砂型和左砂型的内部。
玉柴的这一技术特点是通过一体式底盘，四向合型，组合砂型，逐层组芯的方式组装的整个砂型，使得集成式复合气缸盖的缸孔水套砂型以竖直姿态(即直列式柴油机缸孔工作状态)保持在铸型中，易于获得壁厚均匀且变形小的缸孔形状，组合砂型的应用集成了多种砂芯，简化了组型工艺及组型次数，组型更简单准确，进排气道在浇铸过程中不会上浮，进排气道壁厚更均匀，气道性能更优。
具体来说，3D打印在其中发挥的作用是组合砂型的缸盖上水套砂型、缸盖下水套砂型、进气道砂型和排气道砂型是由3D打印出来的。
这种组合砂型在金属铸造中的优势体现为：
-金属液一直流动到分横浇道未端的集渣包，金属液残留的细小渣会集到时集渣包内。
-金属液流经“八”字型时金属液的流速由快减慢，达到金属液快速到达缓速充型的效果，有利于金属液充型快而平稳，不是喷射激进充型，有利于型腔气排出，铸件不易产生气孔的铸造缺陷。
-金属液能快速平稳进入铸型，浇铸时间快，金属液的最终温度高，铸件不易产生冷隔的铸造缺陷。
- 过滤挡渣效果良好，进入铸型的金属液干净，铸件不易产生渣眼的铸造缺陷。以实现充型平稳均匀，挡渣效果好，排气顺畅，缸孔水套壁厚均匀，进排气道浇铸中不上浮，且进排气道壁厚均匀、成品率高、出品率高、产品质量好。
在本案例中，采用3D打印成型技术一次成型，能够精确的保证砂型的形状尺寸，以及形状之间的相对位置，能够保证铸件的壁厚均匀，特别是进排气道与缸盖水套的进排气道外壳的复杂形状相应匹配及壁厚的均匀。而且缸盖上水套、缸盖下水套、进气道、排气道一次精确成型，能够成功确保进排气道在浇铸过程中无上浮，能够解决各个气道位置一致性的问题，从而确保气道参数良好性。
本文参考专利：
CN106111912A用于铸造集成式复合气缸盖砂芯组
WO/2016/075521A1:CYLINDER HEAD OF MULTI-CYLINDER ENGINE
US20160138438:CYLINDER HEAD ARRANGEMENT FOR VARIABLE VALVE ACTUATION ROCKER ARM ASSEMBLIES
文章来源：3D科学谷
(责任编辑：admin)
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