【摘? 要】針對傳統(tǒng)新產品開發(fā)制造工藝復雜且周期長的問題，本文將鑄造技術與數(shù)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(fā)動機為例，將3D打印增材制造與數(shù)字化無模精密成型減材制造以及計算機數(shù)值模擬分析技術結合起來，成功快速開發(fā)出六缸柴油發(fā)動機缸體，實現(xiàn)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(fā)周期，降低開發(fā)成本，為復雜產品開發(fā)提供一種新的制造方法。

【關鍵詞】發(fā)動機;模擬分析;增材制造;減材制造。

引言

隨著汽車行業(yè)競爭的日趨激烈，以及汽車燃油排放標準的越來越高，發(fā)動機整機零部件更新?lián)Q代的速度不斷加快，短周期、小批量的新產品開發(fā)成為一種趨勢。不論是發(fā)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(tǒng)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(shù)字化無模精密鑄造成形技術是鑄造、數(shù)控、計算機等技術的系統(tǒng)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(shù)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(shù)字化、綠色化和柔性化的特點。

1.數(shù)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(wěn)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(tǒng)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(shù)，通過查表取值為1;帶入數(shù)值計算得澆注時間約為26.25秒。

其澆鑄系統(tǒng)最小截面積采用公式（2）：

式中ΣF阻為澆注系統(tǒng)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(shù)，通過查表取值為0.24;t為鑄件有效澆注時間，s;帶入數(shù)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(fā)動機缸體的澆鑄過程進行模擬，根據(jù)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(fā)現(xiàn)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(jù)模擬分析結果顯示，鑄件基本能實現(xiàn)順序凝固，補縮也相對充分，未發(fā)現(xiàn)明顯的縮孔縮松等不良現(xiàn)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(jù)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(shù)字化成型

本發(fā)動機缸體制造工藝采用3D打印與數(shù)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(yōu)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(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)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(fā)動機缸體的增減材數(shù)字化復合成型工藝技術的研究，成功制造出了合格的發(fā)動機缸體金屬件，上下模采用數(shù)字化無模鑄造方法直接進行數(shù)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(fā)的過程中無需復雜的模具，可以實現(xiàn)更低成本、更高效率和更快速度的完成新產品試制和開發(fā)，為發(fā)動機整機開發(fā)提供了一種新的方法。此外，結合數(shù)值模擬分析技術的應用，可以避免出現(xiàn)縮孔縮松等鑄造缺陷，實現(xiàn)了三維CAD/CAE/CAM的集成應用，同時也進一步驗證數(shù)字化制造的可行性，為復雜零部件的開發(fā)提供了一種更加先進的具有數(shù)字化、綠色化以及更加柔性的制造方法。

參考文獻

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[3]周建新，殷亞軍，鑄造充型凝固過程數(shù)值模擬系統(tǒng)及應用，機械工業(yè)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。