大尺寸齿轮室铸件的快速制造工艺设计与实施

齐建，陈鹏

(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

为了缩短柴油机的开发周期，部分公司开始将铸件的快速制造技术应用到柴油机开发过程中。使用快速制造工艺生产的铸件主要进行加工、装配验证以及柴油机的部分性能试验，如喷油量、温度等标定，冷启动试验，外特性曲线验证等；一般不能进行耐久试验和疲劳试验等考核。

根据公司要求，需要对一种新型大尺寸齿轮室铸件进行快速制造工艺开发，该齿轮室将用于装配柴油机展机，并进行柴油机的部分性能试验。从柴油机齿轮室产品零件到铸件的实现主要包括三部分工作，分别是三维工艺设计、砂芯砂型快速制作和铸件研箱浇注清理。

1 三维工艺设计

1.1 零件简介

齿轮室零件长宽厚尺寸为1569.5mm×1402.5mm×217mm，主要壁厚为10mm，材质为HT280。内腔包括齿轮室腔、水腔、油腔等，结构示意见图1。

1.2 铸件三维设计

图1 齿轮室零件示意图

齿轮室铸件采用3D增材制造/减材制造生产砂芯砂型、单件生产工艺，铸造公差等级可达CT10，加工余量按照MA-E级设计，主要加工余量为4mm～5mm。齿轮室铸件图如图2所示。

图2 齿轮室铸件示意图

1.3 收缩率设计

齿轮室铸件采用公司企业标准材质HT280，为高强度合金铸铁，收缩倾向大；铸件为有芯结构，且为厚大的冷芯砂芯，凝固收缩时阻力大。综合考虑上述因素，齿轮室收缩率设计为1.0%。

1.4 浇冒系统设计

图3 齿轮室铸件浇冒系统示意图

齿轮室铸件为扁平箱体结构，一般分型面设计在厚度方向的中间位置，浇注系统为中注式。生产实践证明，箱体类铸件砂型铸造以快浇为宜，铸件质量（m）为495kg，可按公式1计算确定浇注时间：

阻留截面积按下列公式计算：

式中，K为经验常数，取值范围为：1.1～2.0，取值原则是小型气缸体及厚壁简单者取上限，大型气缸体及复杂薄壁者取下限。

各组元截面的比例按照直：横：内=1.13：1.0：1.15进行设计，封闭开放式浇注系统阻留截面之前封闭，其后开放，即有利于挡渣，又使充型平稳，兼有封闭式和开放式的优点。

使用铸造模拟软件进行铸造CAE模拟仿真，通过对铸造缺陷的分析，进行工艺优化。图3为齿轮室铸件的三维浇冒系统设计和CAE铸造模拟仿真结果。

1.5 砂芯砂型设计

砂芯砂型设计除了传统砂型铸造的要求外，还需要重点考虑砂芯砂型的快速制造方式以及设备的制作范围。

受到快速制造设备制作范围的限制，齿轮室铸件上下砂型各分割成4颗砂型，中间的齿轮腔分割成2颗砂芯，侧面的长油腔分割成2颗砂芯。中间齿轮腔芯周边设计溢流冒口，中间芯头设计排气通道，其余砂芯上芯头均设计排气通道。铸件采用手工组芯研箱工艺生产，8颗砂型周边设计有把紧螺栓槽，用于砂芯砂型紧固。经过分模设计，砂芯砂型示意图见图4。

图4 齿轮室铸件砂芯砂型三维工艺图

2 砂芯砂型快速制造

齿轮室复杂铸件的砂芯砂型采用增材制造和减材制造两种方式生产。齿轮室8颗砂型和2颗齿轮腔芯结构厚大，适合采用效率高的减材制造方法，即采用预成型的碱性酚醛树脂砂块作为加工坯料，采用数控切削技术制作。齿轮室内腔薄弱砂芯如水腔芯、油腔芯等适合用增材制造的方法，以宝珠覆膜砂为原料，采用选择性激光烧结成型机制作。齿轮室铸件砂型成型方式见表1。

砂芯砂型成型部分设计有涂料层0.4mm，都可以通过调整快速制造工艺中的参数实现。制得的部分砂芯砂型见图5。

表1 齿轮室铸件砂芯成型方式明细表

3 铸件研箱浇注清理

砂芯砂型制备后，需要进行研箱浇注清理，该部分与传统砂芯铸造工艺相同。齿轮室铸件生产可以选择组芯工艺或者砂箱扣箱工艺，考虑到上砂型和下砂型各分为4颗，为了保证铸件尺寸精度，避免铸件浇注过程中跑火，齿轮室铸件采用了砂箱扣箱工艺。

3.1 造型

造型即将4颗上砂型、4颗下砂型使用砂箱分别组装在一起，形成一整个上砂型、下砂型。

首先在下砂箱中填入自硬砂，使用刮板刮平。吊起4颗下砂型，依次下入砂箱，通过各砂型之间的定位结构放置到位。在4颗下砂型周围填入自硬砂，使用刮板刮平，如图6所示。

然后将支撑砂芯如齿轮腔芯1、齿轮腔芯2等下入砂型中，如图7所示。

依次将4颗上砂型吊起，组装到砂箱上，扣入上砂箱，填入自硬砂，如图8所示。砂型固化后，将上箱吊起，完成上砂型、下砂型造型。

3.2 组芯研箱

分别将整体上砂型、整体下砂型以及各砂芯刷涂料，点燃表干。依次将齿轮腔芯1、齿轮腔芯2、水腔芯、弯管芯、油腔芯1、油腔芯2和油腔芯3下入整体下砂型，打封箱膏，芯头上方放入石棉绳，如图9所示，合入整体上砂型。

图5 齿轮室铸件砂芯砂型

图6 齿轮室下砂型组装

图7 齿轮室齿轮腔芯组装

图8 齿轮室上砂型组装

图9 齿轮室组芯

3.3 浇注清理

合箱后进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注时间34s。待铸件冷却完全后，打箱清理铸件，去除浇冒口，打磨细清并进行抛丸处理，得到毛坯件，上箱位置出现轻微气孔，经修复后回用，铸件如图10所示。

4 结论

采用快速制造技术生产的齿轮室铸件顺利完成加工装配，并完成初步性能试验。下面针对快速制造工艺的实施谈一下几点认识。

（1）采用快速制造工艺生产铸件主要包括三维工艺设计、砂芯砂型制作（试装）、研箱浇注清理三个步骤。与传统的通过铸造模具生产铸件相比，节省了模具设计和模具验证的时间，约1个月时间，如表2所示。

图10 齿轮室铸件

表2 快速制造与传统铸造工艺过程对比表

（2）快速制造技术应充分发挥不同工艺各自的优势，搭配使用选择性激光烧结工艺、数控切削减材工艺以及3D增材冷芯工艺。采用选择性激光烧结工艺制作结构薄弱、形状复杂、尺寸较小的砂芯，能够保证足够的强度；采用数控切削减材工艺和3D增材冷芯工艺制作结构简单、尺寸厚大的砂芯，成型效率高。

（3）快速制造技术在铸件生产应用中还需注意一些问题。特别是砂块坯料和覆膜砂的树脂加入量，条件允许的情况下应尽量低，可以减小砂芯砂型的发气量和变形量。通过齿轮室铸件的快速制造过程发现，砂芯砂型的装配存在过紧和不准确的情况，该工艺的尺寸精度还需要进一步提高。砂芯砂型快速制造技术与铸造技术需要有一个摸索融合过程，铸造工艺对砂芯砂型快速制造的工艺要求，需要转换成制造要求。

（4）目前快速制造技术还无法实现批量生产，使用快速制造技术生产的铸件一般应用于装配样机、柴油机技术研究等方面，用于柴油机耐久考核、疲劳考核的铸件还需要通过模具生产。

（5）本次铸件生产采用扣箱工艺，不利于砂芯砂型排气，容易产生气孔缺陷。如果上砂型与下砂型可以采用整体制作，后续研箱可以采用组芯工艺，使用螺栓、压铁等紧固砂芯砂型，可以提高铸件的尺寸精度，简化铸造研箱过程。