气缸体3D打印工艺开发

唐 松 夏 蘩

(四川共享铸造有限公司，四川641300)

1 产品概述

气缸体属于中小型铸铁件(见图1)，铸件尺寸466 mm×335 mm×375 mm，材质为HT250。近年来气缸体的结构要求越来越高，一些结构集成在气缸体上，内部结构越来越复杂，壁厚降到4～5 mm；产品力学性能要求也随之提高：抗拉强度≥265 MPa；铸件上任何部位硬度都要求达到190～240HBW；金相组织要求片状珠光体含量≥95%，铁素体≤5%，石墨形态以1-A-4为主，同时限制B、D类型分布数量，碳化铁和自由石墨含量≤1%；水道、油道内不允许有粘砂、批缝等影响液体流动的缺陷，还要做气压试验，不许泄漏。

图1 铸件三维图Figure 1 3D drawing of casting

2 铸造工艺方案

气缸体对铸造工艺的要求逐步提高，传统手工造型已不能满足生产要求，射芯工艺方案的投入成本太高。气缸体采用3D打印工艺，可以大幅度减少砂芯数量，简化操作，同时节约各项成本，生产成本可以减少25%～35%。

2.1 砂芯设计

考虑到气缸体结构紧凑，尺寸精度要求高，砂芯设计可从以下几个方面进行分析：

(1)砂芯分型。气缸体内腔结构复杂，内腔砂芯至少要分解成6个砂芯，传统手工造型至少需要12个砂芯才能完成整体造型，砂芯数量多，模型成本高[1]。应用3D打印技术，可避免对内腔砂芯进行过多的拆分，部分内腔结构可以整体打印出来，大幅度减少砂芯数量，气缸体采用3D打印技术只需要分成4个砂芯(见图2)。

(2)砂芯强度。气缸体的水套砂芯较为薄弱，部分砂芯根部只有∅14 mm，缸孔间砂芯厚度只有3.3 mm，不能放置芯骨，浇注过程中容易发生断裂导致呛火，造成铸件报废。为保障水套芯的强度，把它和厚大的主体芯连在一起。水套砂芯的强度要达到一定的标准才能使用。

(3)尺寸精度。传统手工造型通过卡板、调整砂芯位置等来控制壁厚，操作繁琐；定位过多造成累计误差，难以保证壁厚均匀及尺寸公差要求，造成铸件偏芯、穿皮报废。气缸体的主体壁厚为5 mm，尽可能减少砂芯数量，将内腔结构单元组成整体砂芯，减少定位，避免组芯带来的累计误差，对巩固薄弱砂芯也起到保障作用。

图2 分型示意图Figure 2 Sand core parting scheme

(4)清砂。3D打印需要特别注意的就是砂芯的清理，要保证将砂芯的内腔的每个角落清理干净，不能有浮砂。在分型分芯和砂芯设计时，避免出现清砂死角。砂芯存在很多曲面，要保障表面能流上涂料，涂料可以顺利倒出来，无涂料堆积。

2.2 补贴

除了在加工面放加工量外，考虑铸件整体壁薄以及涂料厚度，依据尺寸公差要求对铸件壁厚及砂芯薄弱部分放置补贴，避免穿皮、冷隔等缺陷。

2.3 浇注系统及化学成分控制

采用底注式-开放式浇注系统，ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1∶1.8～2.2∶1.8～2.2。铸件从底部开设8道内浇道，铁水自底部逐渐充满整个型腔，充型平稳，对砂型冲刷力小，有效避免了冷隔的出现，同时也防止了冲砂造成的夹砂等缺陷。

浇注温度为1360～1380℃，浇注时间20～30 s。适当提高浇注温度，可有效避免冷隔的出现。

为了保证铸件高强度、高硬度，按要求控制铁水成分，以便保证产品的性能要求。熔炼化学成分控制见表1。

表1 熔炼化学成分控制(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of smelting (Mass, %)

3 生产试制验证

采用国际先进、国内一流的3D打印技术生产气缸体，外观质量良好，批缝少且容易处理。经划线验证，铸件尺寸精度可以达到GB/T 6414 CT9级，内腔壁厚均匀。共投产50件，未出现冷隔、穿皮等缺陷，气孔报废2件，废品率为4%。 相对手工造型与射芯结合的工艺，产品质量有大幅度提升。

4 结论

(1)3D打印技术，可节约模具等各项成本，降低劳动强度，提高生产效率。

(2)对结构复杂铸件，3D打印技术明显减少砂芯数量，减少组芯的误差累计。有效的控制铸件壁厚，提高产品的尺寸精度。

(3)气缸体采用3D打印技术，外观质量良好，废品率低，采用合理的工艺方案有效避免了冷隔、穿皮等铸造缺陷。

(4)下一步工作计划，从铸件铸造工艺、熔炼工艺等方面进行模拟优化、试验改进，提高产品质量，缩短生产周期，实现项目产品产业化目标。

[1] 中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册[M]. 北京：机械工业出版社，2011.