原標題：金屬3D打印及真空技術(shù)在曲軸箱開發(fā)上的應(yīng)用

隨著全球節(jié)能減排要求的不斷提高和汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車用鋁合金壓鑄件要求功能集成化、輕量化，導(dǎo)致了發(fā)動機內(nèi)部的零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，關(guān)鍵零件的密封要求越來越高，出現(xiàn)了較多壁厚差別非常大而且密封要求高的零件。在鑄造這類零件時，壁厚的差異導(dǎo)致其不能順序凝固，常在厚壁部位出現(xiàn)燒傷粘鋁缺陷。同時，壁厚差異也導(dǎo)致填充過程中卷入氣體，造成密封區(qū)域機加工后出現(xiàn)密集小氣孔的缺陷。由于缺陷區(qū)域范圍寬，零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無法采用局部擠壓措施來解決缺陷問題，只能通過改善冷卻系統(tǒng)與改善抽真空工藝解決此類缺陷。在CAE模擬軟件誕生之前，壓鑄改善措施及效果沒有足夠的數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致技術(shù)人員基本上憑借經(jīng)驗確定改善的方案，會耗費較多的時間和資源。

本研究以某汽車鋁合金零件曲軸箱的品質(zhì)改善為例，以減少連接濾清器部位的燒傷及密封面氣孔為目標，對改善方案進行虛擬試驗。經(jīng)過計算機自動運算、結(jié)果對比，分析改善方案對零件的內(nèi)部品質(zhì)的改善效果，從而確定最佳的改善方案，縮短零件的開發(fā)周期，提高經(jīng)濟效益。

圖文結(jié)果

圖1為某汽車鋁合金零件曲軸箱的壓鑄方案示意圖。結(jié)合鑄件投影面積及設(shè)備情況，選定IDRA16500kN壓鑄機。根據(jù)鑄件特點，對鑄件澆排和工藝參數(shù)初步計算：內(nèi)澆口面積為1 005 mm²，沖頭直徑為120 mm，沖頭與內(nèi)澆口的面積比為11.25。鋁液填充時間為0.058 s，鑄造總質(zhì)量為9.68 kg，通過內(nèi)澆口質(zhì)量為6.6 kg。沖頭慢速為0.2 m/s，快速為4 m/s。鋁液在內(nèi)澆口速度為45 m/s。壓室有效長度為700 mm，充滿度為38.3%。理論高低速切換點為485 mm，高速區(qū)距離為184 mm。

圖1 鋁合金曲軸箱壓鑄方案示意圖

圖2為鑄件連接濾清器局部位置圖。根據(jù)初步分析，該鑄件連接濾清器的部位結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，紅色區(qū)域（基于原圖為彩色描述，下同）較深且狹小（深26 mm，寬7 mm）。該位置的模具鑲件用傳統(tǒng)技術(shù)加工出來的冷卻水道不能深入底部并環(huán)繞一周，冷卻效果差，造成紅圈區(qū)域燒傷嚴重并且漏氣。同類型鑄件不僅在該位置的燒傷比較嚴重，而且有機加工后出現(xiàn)氣孔外露的現(xiàn)象。圖3為同類型鑄件的缺陷圖所示，紅圈為氣孔缺陷，藍圈為燒傷缺陷。因此如何提高該區(qū)域的冷卻效率及減少氣孔是整個壓鑄工藝設(shè)計的難點。

圖2 鑄件連接濾清器局部位置圖

圖3 同類型鑄件的缺陷圖

同類型鑄件連接濾清器局部燒傷缺陷是模具的熱量過高導(dǎo)致，而安裝面的氣孔缺陷是鋁液內(nèi)含氣量過高造成，兩種缺陷造成的因素相互獨立，所以先用Magma軟件模擬金屬3D打印隨形冷卻鑲件和傳統(tǒng)冷卻鑲件對燒傷缺陷的影響效果，然后在冷卻效果比較好的能解決濾清器局部燒傷缺陷的鑲件基礎(chǔ)上再做一個抽真空與否的模擬對比，從而得出最優(yōu)的解決缺陷的組合方案。

初步確定采用金屬3D打印工藝制造隨形冷卻水道的鑲件，提高冷卻效率以解決燒傷缺陷。為了保證設(shè)計的有效性，使用CAD設(shè)計了兩套方案。圖4為隨形冷卻鑲件與傳統(tǒng)冷卻鑲件圖，藍色為冷卻水道。在Magma模擬軟件導(dǎo)入兩種鑲件的壓鑄方案進行模擬仿真。通過模擬結(jié)果對比，分析兩種方案對風(fēng)險位置的影響，從而判定金屬3D打印隨形冷卻鑲件的方案對解決鑄件連接濾清器局部的燒傷缺陷是否可行。圖5為兩個方案的鑲件溫度模擬對比圖，表1為兩個方案的鑲件取點溫度對比數(shù)據(jù)表。從仿真軟件顯示的鑲件溫度分析，鋁液在型腔100%填充后，通過鑲件成形位置的取點測量可知方案1比方案2的溫度低，溫度數(shù)據(jù)差值平均低約73.3 ℃。

圖4 隨形冷卻鑲件與傳統(tǒng)冷卻鑲件圖

圖5 鑲件溫度模擬對比圖

表1 鑲件取點溫度對比數(shù)據(jù)表(%)

圖6為兩個方案的熱節(jié)模擬對比圖，表2為兩個方案的取點熱節(jié)對比數(shù)據(jù)表。從仿真顯示的鑄件凝固的熱節(jié)分析，通過風(fēng)險位置附近的取點測量可知使用方案1比方案2的鑲件熱節(jié)數(shù)值低，熱節(jié)數(shù)據(jù)差值平均低約0.22 s，因熱節(jié)引起的縮孔風(fēng)險降低。

圖7為兩個方案的燒傷粘模對比圖，表3為取點燒傷粘模對比數(shù)據(jù)表。從鑄件凝固的燒傷粘模分析，通過風(fēng)險位置取點測量可知使用方案1比方案2的鑲件燒傷粘模數(shù)值低，燒傷粘模數(shù)據(jù)平均低約0.62 s，因燒傷粘模引起的風(fēng)險降低。

圖6 熱節(jié)模擬對比圖

表2 取點熱節(jié)對比數(shù)據(jù)表

圖7 燒傷粘模對比圖

表3 取點燒傷粘模對比數(shù)據(jù)表

在采用冷卻效果比較好且能解決連接濾清器位置局部燒傷缺陷的金屬3D打印隨形冷卻鑲件的方案基礎(chǔ)上，在Magma模擬軟件中增加兩個邊界條件，即抽真空與常規(guī)大氣排氣，再通過模擬結(jié)果對比來驗證抽真空工藝與常規(guī)大氣排氣對濾清器安裝面氣孔的影響，從而得出優(yōu)化解決兩個缺陷的組合方案。

從模擬結(jié)果分析，根據(jù)鑄件的填充氣壓對比，通過對濾清器安裝面的取點測量可知使用方案3抽真空工藝比使用方案4大氣排氣的氣壓數(shù)值低，氣壓數(shù)值平均低約131.8 kPa，因高氣壓引起的氣孔外露風(fēng)險降低。圖8為兩個方案的氣壓模擬對比圖，表4為兩個方案的取點氣壓對比數(shù)據(jù)表。方案3為抽真空排氣模擬，方案4為常規(guī)大氣排氣模擬。

圖8 2種方案的氣壓對比圖

表4 氣壓對比數(shù)據(jù)表

綜上，通過Magma軟件的模擬結(jié)果對比可知，采用高真空工藝比采用常規(guī)大氣排氣工藝時濾清器安裝面的氣壓數(shù)值低，對改善氣孔缺陷效果明顯。同時，采用金屬3D打印隨形冷卻鑲件和抽真空工藝結(jié)合是解決鑄件連接濾清器局部燒傷及濾清器連接面機加工后出現(xiàn)氣孔外露缺陷的理想組合方案。

在壓鑄生產(chǎn)過程中，針對鑄件連接濾清器的成形位置，決定采用高碳高合金鋼W360為金屬3D打印隨形冷卻鑲件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8418材料的直冷鑲件，冷卻效果得到很好的改善，使用壽命也比傳統(tǒng)的8418材料長。為提高模具抽氣效果，增強模具的密封性能，在定模模芯與模架分型處開一條密封槽，并在密封槽內(nèi)加裝耐高溫密封圈；動模墊板后面增設(shè)一塊可固定在動模墊板上的密封板，并在密封板上開設(shè)了密封槽及緩沖氣槽。

使用3D金屬打印技術(shù)制造的隨形冷卻的鑲件與抽真空工藝結(jié)合進行壓鑄試制，該鑄件連接濾清器的部位的角位燒傷引起的漏氣報廢率跟同類型鑄件相比由原來的10%變?yōu)?%，加工面氣孔外露的報廢率跟同類型鑄件相比由原來的6%變?yōu)?.5%，綜合報廢率跟同類型鑄件相比由原來的16%變?yōu)?.5%，完全符合客戶的使用要求。表5為報廢率對比，圖9為連接濾清器位置實物圖。

表5 報廢率對比

圖9 連接濾清器位置實物圖

針對模具由于結(jié)構(gòu)原因局部冷卻效率低及機加工面氣孔外露的問題，采用金屬3D打印技術(shù)制造隨形冷卻的鑲件與抽真空工藝技術(shù)組合，能大大提高模具局部的冷卻效率并降低鑄件的含氣量，提升鑄件的品質(zhì)和節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短鑄件的開發(fā)周期，提高經(jīng)濟效益。壓鑄高真空技術(shù)比較成熟，廣泛應(yīng)用在壓鑄模具中，但3D打印技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，還有很多問題需要解決，如材料的性能、打印的精度、效率、壽命及成本等。

《金屬3D打印及真空技術(shù)在曲軸箱開發(fā)上的應(yīng)用》

葛旺生1 安肇勇2
1. 肇慶技師學(xué)院；2. 廣東鴻圖科技股份有限公司

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》