導(dǎo)語：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的砂鑄工藝研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：孫野宗學(xué)文李滌塵工作單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

快速成型(RP)是20世紀(jì)80年代產(chǎn)生的一種先進(jìn)制造技術(shù)，其成型原理是利用CAD模型的分層數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行分層制造并層層累積來制作零件。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是成型速度快，不受零件復(fù)雜程度制約，形狀越復(fù)雜，越能體現(xiàn)出該技術(shù)的優(yōu)越性［1］?？焖偕拌T技術(shù)結(jié)合了快速成型和砂型鑄造，該技術(shù)利用光固化成型(SL)制作出樹脂件模具，代替?zhèn)鹘y(tǒng)木模或金屬模，通過填砂制芯得到砂型/芯，最后組合砂型，合箱澆注得到金屬鑄件。快速砂鑄技術(shù)能充分發(fā)揮快速成型技術(shù)的復(fù)雜形狀制造、成型周期短、成型精度高，以及砂型鑄造的制造成本低、工藝靈活性大、材料適用種類廣泛的特點(diǎn)，通過快速制模結(jié)合砂型鑄造實(shí)現(xiàn)更換材料的目的，大大提高了復(fù)雜鑄件生產(chǎn)效率并獲得高精度的鑄件，為快速響應(yīng)市場需求奠定了基礎(chǔ)［2］。

1快速砂型鑄造工藝流程

1.1鑄件工藝分析及參數(shù)設(shè)計(jì)本文涉及某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁合金部件———缸體的快速砂鑄工藝研究。其三維數(shù)模如圖1。最大外形尺寸為114mm×114mm×88mm，主要壁厚約6.5mm，散熱片結(jié)構(gòu)的平均壁厚為1.5mm。其外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，關(guān)鍵尺寸(缸體內(nèi)圓直徑、總高)精度要求達(dá)到CT6以內(nèi)。同時(shí)要求鑄件特別是關(guān)鍵部位不允許有裂紋、縮松、縮孔、夾雜等缺陷。考慮到散熱片結(jié)構(gòu)的平均厚度很薄，且鑄件質(zhì)量要求高，同時(shí)結(jié)合鑄件的外形結(jié)構(gòu)及鋁合金的流動(dòng)性、凝固方式、氣孔傾向等特點(diǎn)，決定采用低壓底注式澆注的方法，并在鑄件的底部設(shè)置4個(gè)圓柱澆口。同時(shí)確定一些鑄造工藝參數(shù)，包括：鑄造收縮率、工藝余量、最小鑄出孔及槽、鑄造圓角等。參數(shù)的確定過程：零件中的螺孔大徑為5mm，通孔直徑8.5mm，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，決定將螺孔及通孔設(shè)定為不鑄出孔。缸體頂端及底端平面要與其他零件裝配以形成燃燒室，故參照GB/T6414-1999，確定其加工余量為2mm。缸體內(nèi)壁要與活塞裝配，以同樣的方法選定加工余量為2mm。另外，一般生產(chǎn)中鋁合金鑄造收縮率為0.8%~1.0%，此缸體主要壁厚是6.5mm，且存在大量壁厚為1.5mm的散熱片結(jié)構(gòu)，故最終選擇收縮率為

2分模設(shè)計(jì)

首先對零件分模并設(shè)計(jì)出該鑄件對應(yīng)的砂型。經(jīng)綜合考慮零件的形狀結(jié)構(gòu)，選擇了多向開模，利用PRO/E設(shè)計(jì)出對應(yīng)的砂型如圖2。砂型共分為6部分，包括4個(gè)側(cè)砂型及底座和頂蓋各1個(gè)。結(jié)合砂型數(shù)模，再設(shè)計(jì)出對應(yīng)的快速成型樹脂件模具(即母模)以及填砂制芯所用的芯盒，如圖3及圖4。2.3樹脂件模具及芯盒制作將設(shè)計(jì)好的樹脂件模具的CAD模型導(dǎo)出成STL格式，再導(dǎo)入Magics軟件進(jìn)一步處理，包括加工位置的擺放、抽殼、加支撐等。全部處理完后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C(jī)上進(jìn)行加工制作。制作完成的樹脂件，還需經(jīng)過清洗、打磨等后處理才能投入使用。通常在制作樹脂件時(shí)，為了降低成本，減少樹脂的消耗，都會(huì)對制件進(jìn)行抽殼處理。本例中需要注意的是，考慮到該零件存在大量薄壁散熱片結(jié)構(gòu)，其樹脂件模具在脫模時(shí)會(huì)受到較大的脫模力，所以對其強(qiáng)度有較高要求，故未對模具進(jìn)行抽殼處理。同時(shí)，選擇好合適的材料，將設(shè)計(jì)好的芯盒板(如圖4中所示)圖紙交予廠家進(jìn)行加工制作。2.4砂型/芯制作將樹脂模具、芯盒組裝好，在其工作表面均勻涂刷一層脫模劑并待其晾干。按一定比例向混砂機(jī)中加入原砂、呋喃樹脂及固化劑，攪拌均勻后向芯盒中填砂。最后使用刮板將芯盒頂部冒出的樹脂砂壓實(shí)、刮平，并用長釘或卡片在適當(dāng)位置扎出排氣孔(槽)。把握好開模時(shí)間，待型砂固化后，開模取出砂芯。最后給砂型工作面均勻噴(刷)涂一層砂型鑄造用涂料，降低其表面粗糙度，以提高鑄件的表面質(zhì)量［4］。制作所得的砂芯如圖5。2.5澆注實(shí)驗(yàn)將處理完的砂芯與事先制作好的樹脂砂澆道進(jìn)行組合，再放入砂箱中，周圍填滿粘土砂并夯實(shí)。隨后將整個(gè)砂箱吊裝到低壓澆注設(shè)備上，進(jìn)行澆注。選擇鋁合金材料為ZL101A，澆注溫度710℃，經(jīng)歷升液、充型、增壓和保壓等幾個(gè)階段共195s時(shí)間，澆注完成。待冷卻到室溫后，開箱取出鑄件。

3鑄件澆注缺陷控制

3.1澆不足缺陷及初步改進(jìn)第1次澆注所得的鑄件存在較明顯的缺陷，主要是散熱片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)澆不足。缺陷位置表面光亮平滑，首先想到的原因是，由于樹脂砂透氣性差且發(fā)氣量高，而該組砂型本身沒有設(shè)計(jì)專門的排氣通道，所以澆注時(shí)產(chǎn)生了憋氣。提出的解決辦法是，在填砂制芯過程中，于4個(gè)側(cè)砂芯壁上開出厚度2~3mm的連通型腔的排氣槽。3.2澆注模擬及澆注工藝的進(jìn)一步改進(jìn)為保險(xiǎn)起見，我們還使用鑄造模擬軟件ProCAST對缸體的澆注過程進(jìn)行了模擬，所設(shè)置的邊界條件盡量與實(shí)際情況相吻合。圖6(b)顯示了缸體充型的過程。由于所設(shè)置的澆口的位置關(guān)系，見圖6(a)，散熱片結(jié)構(gòu)的邊沿部分總是4角先充滿，中間部位最后充滿。因而想到，缺陷不僅僅是因?yàn)楸餁庠斐?，還可能是因?yàn)榻饘僖撼湫湍芰^差或冷卻時(shí)間過早，散熱片的邊沿中部還未充滿時(shí)，金屬液就已經(jīng)冷卻凝固了。針對此情況，改進(jìn)了原有的澆口，使之成為2條長條形澆口加兩個(gè)圓柱澆口的形式，如圖6(c)。同時(shí)使用ProCAST再次模擬該情況下的充型過程如圖6(d)?？梢钥吹缴崞Y(jié)構(gòu)的4角部分和邊沿中部幾乎同時(shí)充滿，消除了前后時(shí)間間隔，而且改進(jìn)后的澆口能大大減小金屬液的充型阻力。另外，我們還將這次的澆注溫度提高到720℃，并適當(dāng)增加澆注各階段的壓力。澆注后的結(jié)果如圖7?？梢钥吹剑舜蔚蔫T件散熱片結(jié)構(gòu)全部充型成功。

4鑄件精度控制及其尺寸精度評(píng)價(jià)

4.1鑄件精度控制總結(jié)多次填砂造型及澆注實(shí)驗(yàn)，得出一些可能導(dǎo)致鑄件精度誤差的因素，并提出相應(yīng)對策以減小鑄件的精度偏差。這些因素包括：①SL模具制造誤差；②SL模具與芯盒之間固定不牢靠；③芯盒本身的變形及加工誤差；④砂型/芯組合裝配誤差。首先，受光固化成型機(jī)理的影響，成型出的制件的水平表面可能出現(xiàn)較大的翹曲變形。為了保證鑄件的精度，在進(jìn)行加工位置擺放時(shí)，應(yīng)盡力避免樹脂件的上述表面處于水平位置。其次，要盡量保證SL模具與芯盒之間的定位可靠性。因此，采用了模具與芯盒之間的銷孔定位加螺釘緊固的方式。本例選擇了不易變形且表面質(zhì)量好的有機(jī)玻璃板制作芯盒。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制板材在各個(gè)方向上的尺寸精度，要求板材的加工尺寸精度在±0.1mm以內(nèi)。最后，要確保砂型/芯之間的組合裝配精度。采用了砂型之間臺(tái)階定位的方法。即砂型上的突出部分對應(yīng)凹進(jìn)部分。而砂型上的臺(tái)階正是由圖4所示的芯盒側(cè)板上的缺口所形成的。4.2鑄件尺寸精度評(píng)價(jià)為評(píng)價(jià)快速砂鑄工藝所能達(dá)到的精度水平，對這批缸體鑄件共5件進(jìn)行了關(guān)鍵尺寸的測量分析。具體步驟是：①用游標(biāo)卡尺測量鑄件上選定的關(guān)鍵尺寸，每個(gè)尺寸測量3次取平均值；②將測量均值與設(shè)計(jì)值比較，得到誤差；③對照GB/T6414-1999中的鑄件公差等級(jí)表找出對應(yīng)的公差等級(jí)；④統(tǒng)計(jì)公差等級(jí)及其數(shù)量，分析結(jié)果。對選定的6項(xiàng)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量分析，所得結(jié)果統(tǒng)計(jì)后如圖8?？梢钥吹?，80%的尺寸都在CT7以內(nèi)，且沒有超過CT9的尺寸，這與傳統(tǒng)砂型鑄造(小批量或單件生產(chǎn)、手工造型)所能達(dá)到的CT10~CT12相比，精度有很大的提高。

5總結(jié)

借助快速砂鑄工藝實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜形狀缸體零件的快速開發(fā)試制。除了介紹該鋁合金缸體的快速砂鑄工藝過程外，還提出并解決了兩個(gè)關(guān)鍵問題，即鑄件精度控制和鑄件缺陷控制。對應(yīng)措施可以總結(jié)為以下幾條：①制作樹脂件模具時(shí)盡量避免將重要表面水平放置；②保證模具與芯盒之間可靠的定位；③保證有機(jī)玻璃板芯盒的尺寸精度；④砂型/砂芯組合時(shí)要精準(zhǔn)到位；⑤使用先進(jìn)的數(shù)值模擬手段來預(yù)測可能出現(xiàn)的鑄造缺陷并對工藝方案加以改進(jìn)。