汽車發(fā)動機(jī)鋁合金核心零部件樣件快速制造工藝

    樣機(jī)制作和調(diào)試改進(jìn)階段要進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能的調(diào)試、可靠性和耐久性試驗、道路試驗，以便找出各零件在具體條件下的缺陷和最有效的改進(jìn)措施，并驗證每項措施的效果。這是發(fā)動機(jī)研制過程中最費時間和資金的階段?？焖俪尚渭夹g(shù)具有成形速度快、成本相對較低、設(shè)計修改方便并且能迅速轉(zhuǎn)化為實際樣件等優(yōu)點，適合單件、小批量試制和生產(chǎn)，可迅速搶占市場。提供小批量產(chǎn)品進(jìn)行檢測和試驗，有助于保證產(chǎn)品開發(fā)速度。

    本文在汽車零部件輕量化的背景下，通過歸納總結(jié)發(fā)動機(jī)上各零部件、常用材料類別和結(jié)構(gòu)特點，篩選出了發(fā)動機(jī)上鋁合金材質(zhì)的重要零部件；并在現(xiàn)有的成形工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合快速成形工藝和簡易模具技術(shù)，制定了發(fā)動機(jī)上鋁合金核心零部件樣件快速制造的工藝方法。

1 汽車發(fā)動機(jī)核心零部件

    1.1 發(fā)動機(jī)核心零部件種類及材料

    發(fā)動機(jī)是把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。汽車發(fā)動機(jī)以內(nèi)燃機(jī)為主。以汽油機(jī)為例，它分為兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)。兩大機(jī)構(gòu)包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)；五大系統(tǒng)分為燃料供給系、點火系、啟動系、冷卻系和潤滑系。隨著進(jìn)氣增壓及排污凈化等新技術(shù)的出現(xiàn)，又可將進(jìn)、排氣系統(tǒng)單獨作為其中的一大系統(tǒng)。主要零部件及其材料如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)各主要零部件及其常用材料

    1.2 需要快速制作樣件的零部件

    新品開發(fā)、設(shè)計更改、工藝改進(jìn)和質(zhì)量驗證等，通常需要進(jìn)行產(chǎn)品或零件的試制，以便找出設(shè)計中存在的缺陷，進(jìn)行有針對性的修改。制作樣件能避免直接開模具的風(fēng)險。模具設(shè)計制造的費用一般很高，較大的模具價值數(shù)十萬甚至數(shù)百萬。如果在開模具的過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理或其他問題，其損失難以承受；而制作樣件時所用的模具為簡易模具，開模成本相對較低，因此能避免這種損失。樣件制作具有快速性，能大大縮短新產(chǎn)品面世時間，在模具開發(fā)出來之前就可以利用樣件進(jìn)行產(chǎn)品宣傳；甚至用于前期的銷售、生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，有助于及早占領(lǐng)市場。

   快速成形技術(shù)將復(fù)雜的三維實體離散成一系列層片，大大降低了加工難度，具有如下突出特點：

    (1)成形過程快速，適合當(dāng)前激烈的市場競爭；

    (2)適用于復(fù)雜三維實體的成形；

    (3)用CAD模型直接驅(qū)動，實現(xiàn)設(shè)計與制造高度一體化；

    (4)成形過程無需專用夾具、模具、刀具，既節(jié)省了費用，又縮短了制作周期。

    這些優(yōu)點證明快速成形技術(shù)適合于發(fā)動機(jī)零部件的設(shè)計開發(fā)、快速單件及小批量制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具、模型設(shè)計與制造，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計檢查、裝配檢驗、性能試驗和快速反求工程等。

    發(fā)動機(jī)上一些重要的鋁合金零部件，需要制作樣件。它們的常用材料、常用成形工藝、開模費用如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)各鋁合金零件材料、工藝及模具費用 萬元

2 快速成形工藝的選擇

    2.1 快速成形工藝種類及特點

    2.1.1 SLA立體光固化成形

    SLA是指將特定的激光聚焦到光固化材料表面，使激光掃過的區(qū)域順序凝固，完成一個層面的成形；然后工作臺沿其垂直方向移動一層的厚度，再將這一個層面固化成形；這樣逐層疊加構(gòu)成一個三維實體。

    SLA的優(yōu)點：

    (1)出現(xiàn)的最早，工藝成熟；

    (2)由CAD模型直接成形，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削設(shè)備與模具；

    (3)適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳統(tǒng)方法很難成形的零件和模具；

    (4)可以快速制作零件模型或樣件，用于產(chǎn)品宣傳或試驗；

    (5)可以驗證和核對計算機(jī)仿真計算的結(jié)果；

    (6)能夠聯(lián)機(jī)操作和遠(yuǎn)程控制，有助于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

    SLA的缺點：

    (1)整套設(shè)備價格昂貴，使用和維護(hù)成本高；

    (2)由于SLA系統(tǒng)要對液體進(jìn)行操作，屬于精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求十分苛刻；

    (3)多用于樹脂類材料的成形，產(chǎn)品耐熱性、剛度和強(qiáng)度等比較低；

    (4)軟件系統(tǒng)的運(yùn)算量大，對加工效果影響很大；

    (5)軟件系統(tǒng)入門困難，操作繁瑣，文件格式通用性不強(qiáng)。

    2.1.2 SLS選擇性激光燒結(jié)

    SLS是采用激光選擇性地分層燒結(jié)固體粉末，通過燒結(jié)成形的固化層逐層疊加，生成三維實體零件。其工藝過程主要包括數(shù)字模型的建立、數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。

    選擇性激光燒結(jié)，較之其他快速成形方法，最突出的優(yōu)點是它適用的材料十分廣泛。從理論上講，任何有熱粘結(jié)性的粉末材料都可以用SLS工藝成形。已經(jīng)成功利用SLS工藝成形的材料有石蠟粉、金屬粉末、陶瓷粉末、高分子材料粉末以及一些復(fù)合粉末材料。SLS成形材料種類繁多、用料節(jié)省、成形件性能適用范圍廣、適合多種用途；另外SLS無需設(shè)計和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，入門簡單，操作方便，使SLS得到越來越廣泛的應(yīng)用。

 2.1.3 LOM分層實體制造

    LOM工藝采用片材，如紙片、塑料薄膜、金屬箔、陶瓷膜等；片材背面事先涂覆一層熱熔膠，利用熱壓裝置使新片層與其下已成形部分粘接在一起；激光切割器按照計算機(jī)軟件設(shè)定好的橫截面輪廓線軌跡，將涂有熱熔膠的片材切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，工作臺帶動已成形部分下降與片材分離，供料機(jī)構(gòu)將新的一層送到加工區(qū)域，利用熱粘壓裝置將其與已切割層粘合在一起，然后進(jìn)行切割。這樣逐層切割、粘接，最終形成三維零件。LOM不僅能夠制造模具、模型，而且能夠直接完成結(jié)構(gòu)件或功能件成形。其優(yōu)點是材料價格便宜、成本低。

    2.1.4 FDM熔相沉積成形

    FDM工藝使用絲狀材料，如鑄造用蠟、塑料、醫(yī)用ABD、人造橡膠、低熔點合金等；采用電加熱的方式，將絲狀材料加熱至略高于其熔點，噴頭按照計算機(jī)軟件設(shè)定好的輪廓線軌跡運(yùn)動，將熔溶的材料涂覆在工作臺上，待冷卻后即為零件的一層截面；然后噴頭或工作臺移動一個層高，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層涂覆、冷卻，堆積形成三維實體。這種成形工藝污染小，材料可以回收再利用，在中、小型工件的成形領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

    FDM的優(yōu)點：

    (1)運(yùn)行安全，占用空間相對較?。?/p>

    (2)工藝干凈、操作簡單且不產(chǎn)生垃圾，在辦公室可進(jìn)行；

    (3)成形件表面質(zhì)量好、易于裝配，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件；

    (4)原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換；

    (5)原料價格便宜，材料利用率高，可選用的材料較多。

    FDM的缺點：

    (1)精度較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件成形困難；

    (2)垂直于截面方向的強(qiáng)度小；

    (3)成形速度相對較慢，不適合大型件成形。

    以上四種典型的快速原型工藝的比較見表3。

表3 四種典型快速原型工藝的比較

    從以上四種快速成形工藝特點來看，缸蓋、缸體、排氣歧管、油底殼和活塞這些零件，利用SLS選擇性激光燒結(jié)工藝，通過計算機(jī)CAD模型直接驅(qū)動成形，或直接將其金屬模具燒結(jié)成形，是最為直接的方法。但是目前這種工藝所用的設(shè)備價格較貴，且制作的缸蓋、缸體、進(jìn)氣歧管等零件及其金屬模具還很難完全滿足性能上的要求。為獲得與最終產(chǎn)品性能相近的樣件，并快速形成一定批量的生產(chǎn)能力，可以利用快速成形技術(shù)制作成本相對較低、制作周期較短、適應(yīng)單件或小批量生產(chǎn)的模具。

    基于快速成形技術(shù)間接制造的模具，一般分為硬質(zhì)模具和軟質(zhì)模具兩大類。硬質(zhì)模具是指材料為鋼材制作的模具。在發(fā)動機(jī)研發(fā)階段，由于需要多次制作樣件，試驗并修改零件結(jié)構(gòu)形狀，直接開鋼制模具經(jīng)濟(jì)性較差，一般不會采用硬質(zhì)模具。軟質(zhì)模具是因其所使用的材料相對于鋼材較軟而得名。常見的材料有硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點合金、鋅合金、鋁等，但是不能用這些材料的模具來澆鑄發(fā)動機(jī)上的鋁合金零部件。

    利用砂型鑄造發(fā)動機(jī)零部件的技術(shù)成熟，鑄件質(zhì)量好，用于性能測試結(jié)果可靠，且砂型模具制造成本相對較低。為了與后續(xù)的批量生產(chǎn)工藝接近，考慮采用快速成形技術(shù)制作砂型的方式，來迅速獲得表1中零件的樣件?？焖偕靶丸T造是發(fā)動機(jī)樣機(jī)試制最常用和最有效的方法，一種方法是通過SLS直接燒結(jié)鑄造用砂。首先根據(jù)零件的三維模型設(shè)計出組合砂型的CAD三維模型為了使樣件與后續(xù)批量產(chǎn)品工藝相近，砂模應(yīng)與最終生產(chǎn)時使用的模具盡量保持一致。），將砂型CAD模型各部分利用軟件分層處理，轉(zhuǎn)換為快速成形設(shè)備的加工文件，最后進(jìn)行激光燒結(jié)成復(fù)雜砂型。這種砂型一般要放到加熱箱中進(jìn)行二次固化，以達(dá)到與射芯機(jī)所制的砂型相同的性能。王春風(fēng)等人僅7d左右就快速制作了KlO型氣缸蓋完整的全套覆膜砂芯，并成功澆鑄了合格的KlO缸蓋鑄件。國內(nèi)用這種方法來澆鑄鋁合金的案例還較為少見，值得去深入研究。另一種方法是采用鋁模間接制造砂模，將在下一節(jié)詳細(xì)論述。

    2.2 發(fā)動機(jī)重要零部件快速成形工藝

    2.2.1 缸體、缸蓋樣件的快速成形工藝

    根據(jù)設(shè)計的缸體、缸蓋的三維模型、鑄造工藝特點和重力澆注的特性，確定其鑄造工藝及相關(guān)參數(shù)，完成鑄件的整套模具設(shè)計，并建模具各部分的三維模型。模具的各部分經(jīng)過分層處理軟件，轉(zhuǎn)換為快速成形設(shè)備的加工文件，利用SLS工藝將模具各部分燒結(jié)成形。SLS工藝直接燒結(jié)樹脂砂時，由于激光掃描的速度很快，樹脂完全固化。模具各部分成形后，先將未燒結(jié)的浮砂清除，然后把砂型放到加熱箱中進(jìn)行二次固化，這樣直接燒結(jié)的砂型性能可達(dá)到與射芯機(jī)所制砂型相同的水平。砂型準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行裝配，把熔溶的鋁合金澆鑄到模具型腔中，待冷卻后即可取出鑄件。最后通過CNC精加工便可得到缸蓋和缸體的樣件。工藝過程如圖1所示。

圖1 缸蓋缸體快速砂型鑄造工藝方框圖

    這種快速制造砂模的工藝方法，在進(jìn)行多個樣件制作或小批量生產(chǎn)時，由于設(shè)備、材料、技術(shù)水平等方面的限制，很多時候其優(yōu)越性并不能顯示出來。所以通常情況下，采取先制作快速鋁模，再利用鋁模制備整套砂模進(jìn)行鋁合金澆鑄，這樣能夠迅速獲得多個樣件甚至進(jìn)行中小批量生產(chǎn)。

    由于鋁合金有很好的機(jī)加工性能，所以可以利用數(shù)控機(jī)床直接加工獲得砂型的鋁合金模具。其工藝流程為：缸蓋、缸體模具各部分CAD建模一模具設(shè)計一模具數(shù)控編程一加工仿真一CNC數(shù)控加工一鋁合金模具一鋁合金模具制作砂模一澆鑄成形。這種工藝的缺點是材料消耗較多。

    除此之外，缸蓋、缸體砂模的鋁模，還可以通過陶瓷型鑄造快速獲得。將模具的CAD模型轉(zhuǎn)換成STL文件格式，然后送到紙質(zhì)LOM快速原形機(jī)，最終形成模具的快速原型紙質(zhì)件。制備陶瓷型前，用水玻璃砂制好底套，在已做好的快速原型件表面涂上脫模劑，然后準(zhǔn)備好的陶瓷漿料澆灌，經(jīng)焙燒后獲得模具的陶瓷型，這樣可以減小成本。再利用陶瓷型澆鑄出鋁模，經(jīng)少量的精加工，便可以用來制作最終澆鑄缸蓋、缸體樣件的砂型。

    2.2.2 進(jìn)氣歧管的快速成形工藝

    進(jìn)氣歧管為薄壁復(fù)雜零件，采用重力鑄造澆注成形。鑄件模具分型面不規(guī)則，采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心制模，切削量大、成本高；石膏型復(fù)制性好，可獲得尺寸精度高，表面粗糙度低的鑄件；石膏型導(dǎo)熱率低，適合鑄造薄壁、復(fù)雜、整體的鋁合金精密鑄件，能澆注出比陶瓷型精鑄壁厚更薄的鑄件，有利于薄壁鑄件在壓力下結(jié)晶凝固，澆注出壁厚不均的薄壁精鑄件而不產(chǎn)生縮松和縮子孔。該模具特別適合用快速原型與石膏型鑄造相結(jié)合的方法，制造近凈成形毛坯，達(dá)到降低加工余量，縮短工期，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。為了避免開發(fā)階段因石膏型鑄造的尺寸精度與表面粗糙度控制不好，對進(jìn)氣歧管鑄造模具的制造進(jìn)度產(chǎn)生影響，可采用石膏型鑄造近凈成形與數(shù)控精加工相結(jié)合的工藝方法。

    關(guān)鍵步驟及注意事項如下：

    (1)仿照進(jìn)氣歧管的工作環(huán)境，利用ANSYS等模擬軟件對進(jìn)氣歧管內(nèi)的流場進(jìn)行模擬，找出設(shè)計中的不足并加以改進(jìn)；根據(jù)進(jìn)氣歧管的三維模型、鑄造工藝特點和重力澆注的特性，確定其鑄造工藝及相關(guān)參數(shù)，完成鑄件的整套模具設(shè)計，并用Procast等軟件進(jìn)行澆鑄模擬，找出設(shè)計中的不足并進(jìn)行改進(jìn)。最終獲得不存在已知設(shè)計缺陷的進(jìn)氣歧管三維CAD模型。

    (2)采用SLS工藝，選擇50~80um的可消失樹脂粉末或蠟粉為原料，將零件的三維CAD模型直接進(jìn)行分層處理后，用激光將粉末燒結(jié)做成石膏型工藝母模。

    (3)根據(jù)石膏型漿料的水粉比，先量取適量自來水，水溫以15~-25℃為宜，先浸泡1~2min，再將石膏粉均勻撒入水中攪拌2~5min，把準(zhǔn)備好的石膏漿料注入裝配好母模的型箱內(nèi)石膏漿料的攪拌和灌漿最好在真空下進(jìn)行）；待石膏縮水硬化并放置24h使其充分凝固后再進(jìn)行脫蠟，石膏鑄型應(yīng)在不超過750℃的溫度下進(jìn)行焙燒，以去除石膏鑄型中的殘余蠟料。為了縮短制做石膏型的周期、提高其濕強(qiáng)度，可以采用聚合物快干硅溶膠，如PVA、CMC等。

    (4)裝配石膏型，將熔溶鋁合金澆鑄到模具中，冷卻凝固后打碎石膏型取出鑄件。合金熔煉的好壞決定著鑄件的質(zhì)量，為了獲得好的熔煉效果，建議先往熔溶鋁合金中通惰性氣體，利用坩堝內(nèi)葉輪的旋轉(zhuǎn)切割將大氣泡打碎成直徑約為0.5mm的小氣泡，再將粉狀熔劑以惰性氣體作載體均勻噴入合金液，增加熔劑與合金液接觸面積，同時增強(qiáng)除渣作用。鋁合金進(jìn)氣歧管可以采用重力鑄造和反重力鑄造。若采用石膏型重力鑄造，須在真空下進(jìn)行澆注，且難以實現(xiàn)對充型壓力的良好控制，鑄件易產(chǎn)生欠鑄、疏松、氧化夾雜等缺陷。采用反重力鑄造，則可較準(zhǔn)確的控制充型壓力，避免一些鑄造缺陷的產(chǎn)生。

    (5)進(jìn)行吹掃并去除多余的澆注系統(tǒng)，最后進(jìn)行CNC精加工得到所需的樣件。工藝流程如圖2所示。

圖2 石膏型鑄造進(jìn)氣歧管工藝過程方框圖

    2.2.3 油底殼、水泵體、機(jī)油泵體的快速成形工藝

    油底殼、水泵體、機(jī)油泵體的形狀相對簡單，沒有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們的樣件宜采用陶瓷型鑄造。陶瓷型和石膏型的制備過程類似，其過程可參照圖2。其中主要工藝步驟和注意事項如下：

    (1)建立不存在已知設(shè)計缺陷的油底殼、水泵體、機(jī)油泵體的三維CAD模型。

    (2)采用SLS工藝或者LOM工藝，將零件的三維CAD模型直接進(jìn)行分層處理后，制作工藝母模。母模材料可用優(yōu)質(zhì)木材、塑料、橡膠、石膏、蠟料、金屬等材料。

    (3)制作陶瓷型簡易模具。若填料采用礬土、剛玉、金剛砂、石墨等耐火材料，粘接劑采用硅酸乙酯，制作的整體陶瓷鑄型，能夠多次澆鑄鋁合金油底殼、水泵體、機(jī)油泵體的樣件。陶瓷耐火漿料澆灌后會左右，其強(qiáng)度即可達(dá)到脫模中和脫模后再沒有變形的程度，便可以取出母模。取模時應(yīng)防止取模不平衡往某一邊偏斜對鑄型造成的損壞。取模時間應(yīng)綜合現(xiàn)場溫度和濕度決定，溫度一般控制在25～28℃，濕度一般控制在16% - 19%。取模時間過早取模會導(dǎo)致陶瓷型強(qiáng)度不夠，損壞型面并使其產(chǎn)生裂紋；過晚易使陶瓷型自行裂開，造成廢品。陶瓷型在膠凝后仍有彈性，只要有30'~3°的拔模斜度，即可順利地脫模；當(dāng)有型芯時，芯頭拔取斜度按3~6°即可。

    陶瓷型起模后應(yīng)進(jìn)行噴燒，使鑄型中形成很多微小孔隙，這些孔隙冷卻后會形成均布的網(wǎng)狀裂紋，能提高鑄型的透氣性，也可以防止陶瓷型收縮時產(chǎn)生大裂紋。噴燒時間為1～2min，噴燒時應(yīng)注意防止局部過熱，防止狹縫、角落等地方未被噴燒到。

    (4)裝配陶瓷型，進(jìn)行鋁合金澆鑄。

    (5)待其冷卻后，取出鑄件，去除澆注系統(tǒng)、簡單修整。

    (6)CNC少量精加工，即可得到所需的樣件。

3 結(jié)語

    采用快速成形技術(shù)結(jié)合簡易模具制作產(chǎn)品，可在短時間內(nèi)迅速獲得產(chǎn)品樣件，發(fā)現(xiàn)并完善設(shè)計中的缺陷，以便制造出滿足用戶需求的產(chǎn)品。發(fā)動機(jī)上一些重要的零部件，需要進(jìn)行小批量的試生產(chǎn)，找出批量里的不足并進(jìn)行改進(jìn)。這些零部件通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、需采用模具成形。如果直接利用實際生產(chǎn)使用的鋼模，不僅設(shè)計制造周期長、費用高、而且出現(xiàn)問題修改困難，大大浪費人力、物力和時間；而樣件通常是少數(shù)的樣品，制作周期短、損耗人力物力少、經(jīng)濟(jì)節(jié)約，很快地找出產(chǎn)品設(shè)計中的不足進(jìn)而改善，為產(chǎn)品定型量產(chǎn)提供充分的依據(jù)。

    快速原型工藝和簡易模具制造技術(shù)搭配的方式很多，在發(fā)動機(jī)重要零部件樣件制作階段，應(yīng)該根據(jù)本單位設(shè)備的現(xiàn)狀及周圍能夠利用的設(shè)備、資源，靈活合理的選擇樣件的成形工藝。另外對于部分零件，采用傳統(tǒng)加工工藝，也能找到較為經(jīng)濟(jì)的制作方法。總之，在充分利用現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，解放思想，勇于創(chuàng)新，就一定能夠找到一種最適合本單位、快速制作發(fā)動機(jī)重要零部件樣件的工藝方法。