為加快開發(fā)進度，降低開發(fā)成本，在整體氣缸蓋開發(fā)過程中，采用3D打印砂芯進行樣件試制。由于形成該缸蓋內(nèi)腔的水套砂芯單薄，為降低試制失敗風(fēng)險，采用A、B兩個打印廠家的砂芯進行試驗開發(fā)。對兩個生產(chǎn)廠家的3D打印試塊抗拉強度、發(fā)氣量、發(fā)氣速度、高溫性能等參數(shù)進行了對比檢測，制定3D打印砂芯生產(chǎn)樣件的試制工藝方案，在第一次試制結(jié)果基礎(chǔ)上采取了優(yōu)化措施，制定了多重方案進行試制，從而得到合格鑄件。
筆者公司生產(chǎn)的一種整體氣缸蓋為六缸一蓋，工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。為提升產(chǎn)品綜合性能和競爭力，需對該整體氣缸蓋進行優(yōu)化升級，升級后的氣缸蓋水套內(nèi)腔和氣道形狀均有改變，材質(zhì)由原HT300變?yōu)镽uT450。按照傳統(tǒng)鑄件開發(fā)模式，需要重新設(shè)計、制作及調(diào)試工裝和模具，產(chǎn)品試制成本高，且生產(chǎn)驗證周期較長。為及時提供試驗樣件，采用3D打印砂芯進行樣件開發(fā)，通過3D打印技術(shù)，按優(yōu)化后的砂芯三維模型打印出3D砂芯，然后進行組芯、浸涂、澆注。
1.1 鑄件結(jié)構(gòu)
該整體氣缸蓋鑄件尺寸768 mm×220 mm×118 mm，鑄件質(zhì)量84.8 kg，主要壁厚5 mm，六缸一蓋。鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝分別如圖1、圖2所示。
圖1 鑄件3D模型
圖2 鑄造工藝示意圖
1.2 現(xiàn)鑄造工藝方案
該氣缸蓋所用砂芯包括托盤芯、下水套芯、進氣道芯、排氣道芯、上水套芯、挺桿芯。各砂芯均單獨制芯，組芯時使用水玻璃膠進行組芯。氣缸蓋下平面和內(nèi)腔由砂芯形成，上表面由外模形成。造型時一箱兩件，左右對稱布置（如圖2），用下芯夾具、吊取托盤芯進行自動下芯。采用底注式澆注系統(tǒng)，托盤芯底部留有內(nèi)澆道，鐵液從托盤芯底部內(nèi)澆道進入并充型。
由于該整體氣缸蓋進行優(yōu)化、升級只改變鑄件內(nèi)腔形狀結(jié)構(gòu)，與形狀、結(jié)構(gòu)改變相關(guān)的砂芯及芯盒無法繼續(xù)使用，需采用3D打印砂芯方式試制。鑄件外部形狀并無改變，造型用的外?？梢岳^續(xù)使用。
經(jīng)過對砂芯3D打印市場考察了解，確定了A、B兩個廠家生產(chǎn)的3D打印砂芯進行樣件開發(fā)，樣件試制前對兩家公司提供的3D打印試樣從基本物理屬性、抗拉強度、發(fā)氣量、發(fā)氣速度、高溫膨脹率等進行了檢測，并與原砂芯檢測結(jié)果進行對比。3D打印試樣浸涂時使用水基涂料，涂料粘度34 °Bé，烘干溫度125 ℃，烘干時間2.5 h。2.1 試樣基本物理屬性
對A、B兩個廠家提供的3D打印“8”字型試塊的重量、外觀顏色、主要組分和平均細(xì)度等檢測，基本物理屬性具體見表1。正常砂芯配方制作“8”字型試塊質(zhì)量66.3 g，比兩個廠家3D打印“8”字型試塊偏重，A廠用砂平均細(xì)度比B廠小。表1 基本物理屬性對比
2.2 試樣抗拉強度
使用智能型砂強度機對3D打印的“8”字型試塊進行檢測。分別檢測初始試塊、不浸涂烘干和浸涂烘干試塊的抗拉強度，檢測結(jié)果見表3。烘干溫度125 ℃，烘干時間2.5 h。
由表3可知：與初始“8”字型試塊相比，不浸涂烘干后的試塊抗拉強度增加明顯，浸涂烘干后的試塊抗拉強度略微降低。若砂芯抗拉強度不足，澆注充型過程中易造成砂芯斷裂。表2 抗拉強度對比
2.3 試樣發(fā)氣量和發(fā)氣速度
使用型芯砂檢測工作站，檢測3D打印試樣浸涂前和浸涂烘干后的發(fā)氣情況。測試時間300 s，試塊發(fā)氣情況見表3、圖4。根據(jù)檢測結(jié)果可知：A廠試塊發(fā)氣量比B廠小，發(fā)氣速度基本一致，50 s時累積發(fā)氣量達(dá)到總發(fā)氣量的65%左右，100 s時累積發(fā)氣量達(dá)到總發(fā)氣量的86%左右；試塊浸涂烘干比不浸涂烘干總發(fā)氣量大。發(fā)氣量大、發(fā)氣速度快對排氣提出更高要求，氣體不能及時排出，易造成嗆火、氣孔缺陷。表3 總發(fā)氣量
圖3 發(fā)氣速度
2.4 試樣高溫性能
使用型芯砂檢測工作站，分別檢測3D打印試塊的高溫性能。把3D打印的φ12 mm×20 mm試塊放進加熱爐并升溫至1 000 ℃環(huán)境中進行檢測，檢測結(jié)果見表2。
根據(jù)檢測結(jié)果可知：A廠試塊高溫膨脹率比B廠大，A廠試塊膨脹達(dá)到極值時間和高溫耐熱時間比B廠短。高溫膨脹率大、膨脹達(dá)到極值時間和高溫耐熱時間短，說明砂芯抵抗變形能力差，砂芯在高溫狀態(tài)下時易變形斷裂。表4 高溫性能
3.1 樣件試制
（1）組芯
由于3D打印砂芯質(zhì)量較輕、易斷，組芯及搬運過程需要輕拿輕放。組芯時增加水玻璃膠點膠位置，增加砂芯間粘結(jié)強度。組好的整組芯如圖5所示。
圖5 整組芯
（2）浸涂和烘干
3D打印砂芯浸涂、烘干使用原工藝，各砂芯組芯后為整組芯，整組芯浸涂時人工浸涂，使用水基涂料，涂料粘度34 °Bé，涂層厚度約0.25 mm。整組芯烘干溫度125 ℃、烘干時間2.5 h。出爐后檢查殘余水分含量0.25%～0.43%。
（3）造型
樣件生產(chǎn)時，使用原外模進行造型。使用下芯胎具、吊具等自動下芯。
（4）熔煉澆注
樣件試制采用RuT450材質(zhì)，鐵液澆注溫度1 410 ℃，單箱澆注時間22 s，澆注時自動點火引氣。
3.2 試制結(jié)果
第一次試制使用了A、B廠打印3D砂芯進行試驗，澆注過程中伴隨嚴(yán)重嗆火現(xiàn)象。澆注后開箱發(fā)現(xiàn)所有鑄件下水套芯均漂芯斷裂（如圖6）、上水套芯噴油器孔部位斷裂（如圖7）。圖6 漂芯
圖7 砂芯斷裂
根據(jù)第一次試制情況進行如下改進：
（1）為減少托盤芯底部內(nèi)澆道鐵液對下水套芯的直接沖刷，把托盤芯上內(nèi)澆道位置向中心移動8 mm（如圖8）以避開下水套芯。
（2）后續(xù)打印3D砂芯時，托盤芯與下水套芯打印成一體，增加砂芯間連接強度。
（3）水套芯相對比較單薄，強度較低，為避免澆注時水套芯浮力較大而造成砂芯單薄處破損，部分方案的上、下水套芯之間放置芯撐。
（4）原氣缸蓋噴油器處為實心結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)氣缸蓋上水套芯增加噴油器孔部位，新增噴油器孔部位堵塞外模上方明氣針排氣通道，氣體和鐵液流向至頂部明氣針時，此處砂芯壓力增加，優(yōu)化上水套芯噴油器孔部位尺寸（如圖9），加大此處排氣通道，減少上水套芯噴油器孔部位承受壓力。
圖8 內(nèi)澆道位置優(yōu)化
圖9 噴油器孔部位優(yōu)化
為有效對比A、B兩個廠家的3D砂芯試制情況，在下芯時，同一砂箱一組使用原工藝砂芯，另一組使用3D打印砂芯，并做好標(biāo)記。澆注后開箱檢查對比鑄件下水套芯漂芯、上水套芯噴油器孔斷裂、內(nèi)腔質(zhì)量等。
第二次試制方案及鑄件質(zhì)量情況見表5，使用A廠3D打印砂芯試制鑄件下水套芯均出現(xiàn)漂芯現(xiàn)象，整組芯浸涂后烘干時，上水套芯噴油器孔部位有斷裂情況；使用B廠3D打印砂芯試制鑄件質(zhì)量無異常。表5 試制方案及鑄件質(zhì)量情況
根據(jù)試制件質(zhì)量確定采用B廠家3D打印砂芯不浸涂、不烘干工藝進一步試制驗證，試制結(jié)果是試制件外觀和尺寸滿足要求，對試制件本體取樣檢測，強度和金相均滿足要求。（1）利用3D打印砂芯進行鑄件開發(fā)，能夠節(jié)約試制工裝、模具開發(fā)成本，同時省去工裝、模具開發(fā)和試模時間，且在設(shè)計更改時，只需更改三維數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)新砂芯的生產(chǎn)，為后續(xù)工裝、模具開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。
（2）3D打印砂芯用砂粒度較小，砂芯表面致密、光潔，整組芯不浸涂和浸涂后鑄件內(nèi)腔粗糙度一致，砂芯無燒結(jié)，使用3D打印砂芯時可以減少砂芯浸涂工序。
（3）由于3D打印砂芯發(fā)氣量大，在樣件試制時需要考慮增加排氣措施，減少嗆火和氣孔缺陷。
（4）提升3D打印砂芯抗拉強度和高溫性能，有助于減少澆注充型時砂芯斷裂風(fēng)險。
