CN105834374B - 一种内燃机机架的3d打印无模铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，包括砂芯制造及组芯造型；砂芯制造包括规定机架3D打印砂芯制造过程中的分芯工艺，砂芯结构、吊运结构、装卡结构的设计及其模拟检验，组芯造型包括组芯平台的预备、下芯组芯方法和埋箱操作方法；以目前使用3D打印方法生产的一种机架为例进行介绍：该机架浇注方向是以缸口面向下，地脚面朝上浇注；浇注系统由机架缸口面侧边进流，每一缸分别布置一道内浇口在分芯面上，横浇道与内浇道之间放置一片过滤网；在机架顶端地脚面上放置液态冒口进行补缩和出气，同时在机架轴承座顶部引气道出气。本发明的有益效果是：节省了模具制作费用，大幅缩短了生产验证周期，操作简便。

Description

一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印技术应用于铸件生产中的内燃机机架铸造工艺，具体的涉及一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，属于工业铸造生产领域。

背景技术

内燃机机体主架(以下简称“机架”)是机车、船舶、汽车、陆用发电等领域的发动机主要零部件，用于支撑曲轴连杆机构运动并保持其相互位置的正确性。根据汽缸排列形式常见类型有V型机及直列机两种，其结构包括气缸体、曲轴箱、加强筋、冷却水套、润滑油道等，形状结构复杂，尺寸精度要求高。同时由于需要长期在高压、高负荷环境下工作，对内部缺陷控制要求较高，一般要经过严格UT/RT及渗漏测试，一直以来都被列为铸造行业最具技术含量与难度的产品之一。在该类铸件的造型方法上，目前普遍使用模具与树脂自硬砂进行铸型的制作：模具分外模与芯盒，前者用于造外型皮，后者用于制内腔芯，通过将内腔芯下入外型皮并合箱，形成完整铸型。为了控制铸造尺寸精度及稳定性，主机架的外模及芯盒一般都以金属模具为主，这种模具制作成本高昂，制作周期长，模具结构变更及维修难度大。同时为满足内腔砂芯局部复杂结构的起模及撤料，有时需要将内腔芯进一步拆分，砂芯数量增多，致使铸件披缝清理难度及尺寸精度控制难度增大。这使得机架产品在进行试验件或小批量件铸造时，会增加铸造成本与生产周期。

随着3D打印技术不断发展，目前通过3DP打印机可实现铸造用砂芯的打印制作，所得砂芯尺寸精度高，砂芯强度好。这种砂芯制造方法无需考虑传统工艺的起模和撤料问题，减少了工艺分芯数量，使披缝清理难度及尺寸控制难度降低。

为此，如何提供一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，代替模具制芯造型来进行机架类铸件的铸造生产，是本发明研究的目的所在。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，实现机架类产品的无模铸造，以达到节约模具制造成本，缩短铸造周期的目的，非常适合于机架产品试验件或小批量件的铸造，是一种高效、绿色、环保的铸造生产工艺。

为解决现有技术的问题，本发明提供的技术方案是：

一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，包括砂芯制造和组芯造型,其中,砂芯制造包括规定机架3D打印砂芯制造过程中的分芯工艺，砂芯结构的设计、吊运结构的设计和装卡结构的设计以及模拟检验，所述的分芯工艺为：在完成铸造工艺后，绘制一工艺部件整体尺寸为100mm的长方体，将铸件、浇冒系统整体包裹并分别进行求差，可得到一个整体的铸型，再将铸型拆分成符合打印尺寸的砂芯；所述工艺以每一缸为单位，采用垂直分芯方法从轴承座中心分芯，将砂芯分成数量等于缸数加二的砂芯，所得砂芯不分外型皮与内腔芯；

所述的砂芯结构设计为：分芯完成后，首先使用掏空和削减方法对砂芯局部厚大部位进行减重优化，同时增加砂芯拐角及尖角处过渡圆角， 所述的砂芯结构上不得存在飞边、薄皮的薄弱砂芯结构，所述的砂芯在顶部分芯面上需设计两个定位字母扣，对于局部清理及流涂困难的部位，可设计粘芯结构处理；

所述的吊运结构设计为：通过对砂芯设置吊柄，实现砂芯的吊运、流涂翻转过程，所述的吊柄设置于砂芯重心或过重心处，使用吊带环套吊柄起吊；吊柄设计计算公式F＝1.2*τ*a*b*c，其中：F是根据砂芯重量G及吊运方向长度L计算出的最大剪切力，a、b是吊柄截面的长宽尺寸，c是吊柄数量，τ是打印砂芯的剪切应力，1.2为安全系数；所述的吊柄按工作性质分别设置水平吊柄与垂直吊柄；

所述的装卡结构制造：是在所述的砂芯上设置装卡槽，所述的装卡槽在砂芯两侧设置，所述的装卡槽结构包括Φ30螺杆槽与螺母紧固槽，呈上下错位分布；

所述的模拟检验为：砂芯制造完成后，通过计算机CAE模拟分析对每块砂芯进行应力分析，确定砂芯应力集中部位并进行强度评估，确认所制造的砂芯外围吃砂量及吊柄稳定性；

组芯造型是规定机架所有3D打印砂芯形成铸型的全过程，包括以下内容：①组芯平台的预备：预备一个组芯平台，所述的组芯平台上设置简易定位台进行下芯定位；②下芯组芯方法：根据砂芯编号顺序进行下芯，先下中间芯最后下边芯，下芯过程首先使用吊带环套水平吊柄将砂芯水平放置，再吊运垂直吊柄将砂芯垂直起吊后依次下芯，中间芯全部下完后，使用压缩空气将内腔的散砂及杂质全部吹出，然后下最后两块边芯，每下一块芯子，需检验定位是否干涉，相邻砂芯配 合面是否平齐；确认所述的下芯到位后，使用螺杆将砂芯卡紧，最后在直浇道与冒口处粘接瓷管与冒口套；

③埋箱操作方法：待下芯全部完成后，使用与组芯平台相同大小的砂箱中圈及上盖将所有砂芯围套，并使用卡子将砂箱与平台整体装卡，上盖顶平面需与直浇道顶部平齐，然后使用树脂砂将砂箱填满，待树脂砂硬化后，座水口即可浇注；最后等到冷却至打箱温度后进行打箱，即得到所需铸件。

进一步的，在所述分芯制造工艺中，所述砂芯的主体砂芯包含有铸件内外腔结构、浇注系统结构、冒口及出气结构，冷铁和冒口预留槽，所述的砂芯在水平方向排列可形成机架整体铸型。

进一步的，在所述的组芯造型方法中，所述的组芯平台是铸铁托盘、钢板或大出砂芯整体尺寸的砂胎。

本发明的有益效果是：节省了模具制作费用，大幅缩短了生产验证周期，操作难度与劳动强度大幅降低，同时提高了铸件生产的安全性。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，包括砂芯制造和组芯造型；为便于描述技术方案，以目前使用3D打印方法生产的一种机架为例进行介绍：该机架浇注方向是以缸口面向下，地脚面朝上浇注；浇注系统由机架缸口面侧边进流，每一缸分别布置一道内浇口在分芯面上，横浇道与内浇道之间放置一片过滤网；在机架顶端地脚 面上放置液态冒口进行补缩和出气，同时在机架轴承座顶部引气道出气。该机架需在轴承座、端面加工脐子等热节部位铺设冷铁来减少缩松。

砂芯制造，是规定机架3D打印砂芯设计过程中对分芯工艺、砂芯结构的设计、吊运结构的设计、装卡结构的设计及模拟检验，包含内容如下：

①分芯工艺：由于3D打印方法无需考虑传统工艺的起模和撤料问题，在完成铸造工艺后(铸造工艺是对铸造浇注位置、加工量、浇注系统、补缩及出气的设计过程)，绘制一大出工艺部件整体尺寸为100mm的长方体，将铸件、浇冒系统整体包裹并分别进行求差，可得到一个整体的铸型，再将铸型拆分成符合打印尺寸的砂芯即可。由于机架每缸结构相对独立(机架缸口面圆柱形空腔即为气缸，气缸向下延伸为曲轴箱，整体为半封闭的腔体)，故以每一缸为单位，采用垂直分芯方法从轴承座中心分芯，将砂芯分成数量等于缸数加2的砂芯(多出2块芯为端头边芯)，所得砂芯不分外型皮与内腔芯，主体砂芯需包含有铸件内外腔结构、浇注系统结构、冒口及出气结构，冷铁和冒口预留槽等，所有砂芯在水平方向排列便形成机架整体铸型。

②砂芯结构的设计：分芯完成后，首先使用掏空和削减等方法对砂芯局部厚大部位进行减重优化，同时增加砂芯拐角及尖角处过渡圆角，砂芯结构上不得存在飞边、薄皮等薄弱砂芯结构。对于局部清理及流涂困难的部位，可设计粘芯结构处理(如横浇道末端集渣包结构)。砂芯在顶部分芯面上需设计2个定位字母扣，以保证下芯过程定位。

③吊运结构设计：由于3D打印砂芯无法预埋芯鼻，故对砂芯吊运方法需慎重考虑。通过对砂芯设计吊柄，可实现砂芯的吊运、流涂翻转过程。吊柄设置于砂芯重心或过重心处，使用吊带环套吊柄起吊，可实现砂芯平稳吊运。吊柄设计计算公式F＝1.2*τ*a*b*c(F是根据砂芯重量G及吊运方向长度L计算出的最大剪切力；a、b是吊柄截面的长宽尺寸；c是吊柄数量；τ是打印砂芯的剪切应力，可由实验测得；1.2为安全系数)。机架砂芯吊柄分水平吊柄与垂直吊柄，前者用于砂芯的起吊、运输及流涂翻转，后者用于砂芯的垂直下芯过程吊运。

④装卡结构设计：为保证砂芯下芯后在水平方向上贴合，以减小铸件长度方向上的尺寸偏差，需要在砂芯上设置装卡槽。装卡槽在砂芯两侧设计，结构包括Φ30螺杆槽与螺母紧固槽，呈上下错位分布，以实现砂芯的两两装卡。最终通过Φ30螺杆与配套垫片装卡紧固可实现砂芯的整体装卡。

⑤模拟检验为：砂芯所有结构制造完成后，需通过计算机CAE模拟分析对每块砂芯进行应力分析，确定砂芯应力集中部位并进行强度评估，确认所设计砂芯的外围吃砂量及吊柄不得存在吊运风险。所述组芯造型方法，是规定机架所有3D打印砂芯形成铸型的全过程，包括组芯平台的预备、下芯组芯方法、埋箱操作方法。具体包含内容如下：

①组芯平台的预备：为保证所有砂芯在下芯过程中获得一个水平的下芯基准，首先要预备一个平整度较高的组芯平台(该平台可以是铸铁托 盘、钢板或大出砂芯整体尺寸的砂胎)。为提高下芯准确度，组芯平台上还可制作简易定位台进行下芯定位。

②下芯组芯方法：根据砂芯编号顺序进行下芯，先下中间芯最后下边芯。下芯过程首先使用吊带环套水平吊柄将砂芯水平放置，再吊运垂直吊柄将砂芯垂直起吊后依次下芯，中间芯全部下完后，使用压缩空气将内腔的散砂及杂质全部吹出，然后下最后2块边芯，每下一块芯子，需检验定位是否干涉，相邻砂芯配合面是否平齐。确认下芯到位后，使用螺杆将砂芯卡紧。最后在直浇道与冒口处粘接瓷管与冒口套。

③埋箱操作方法：下芯全部完成后，使用与组芯平台相同大小的砂箱中圈及上盖将所有砂芯围套，并使用卡子将砂箱与平台整体装卡，上盖顶平面需与直浇道顶部平齐。然后使用树脂砂将砂箱填满，待树脂砂硬化后，座水口即可浇注。最后等到冷却至打箱温度后进行打箱，即可得到所需铸件。

本发明通过发明内燃机机架的3D打印铸造方法，可实现机架类产品的无模铸造，以达到节约模具制造成本，缩短铸造周期的目的，非常适合于机架产品试验件或小批量件的铸造。此方法的发明，将实现3D打印技术在高端铸件生产领域的应用，形成该类铸件的高效、绿色、环保的铸造生产模式

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改 变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (3)

1.一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，其特征在于：包括砂芯制造和组芯造型，其中，砂芯制造包括规定机架3D打印砂芯制造过程中的分芯工艺，砂芯结构的设计、吊运结构的设计和装卡结构的设计以及模拟检验；

所述的分芯工艺为：在完成铸造工艺后，绘制一工艺部件整体尺寸为100mm的长方体，将铸件、浇冒系统整体包裹并分别进行求差，可得到一个整体的铸型，再将铸型拆分成符合打印尺寸的砂芯；所述工艺以每一缸为单位，采用垂直分芯方法从轴承座中心分芯，将砂芯分成数量等于缸数加二的砂芯，所得砂芯不分外型皮与内腔芯；

所述的砂芯结构设计为：分芯完成后，首先使用掏空和削减方法对砂芯局部厚大部位进行减重优化，同时增加砂芯拐角及尖角处过渡圆角，所述的砂芯结构上不得存在飞边、薄皮的薄弱砂芯结构，所述的砂芯在顶部分芯面上需设计两个定位子母扣，对于局部清理及流涂困难的部位，设计粘芯结构处理；

所述的吊运结构设计为：通过对砂芯设置吊柄，实现砂芯的吊运、流涂翻转过程，所述的吊柄设置于砂芯重心或过重心处，使用吊带环套吊柄起吊；吊柄设计计算公式F＝1.2*τ*a*b*c，其中：F是根据砂芯重量G及吊运方向长度L计算出的最大剪切力，a、b是吊柄截面的长宽尺寸，c是吊柄数量，τ是打印砂芯的剪切应力，1.2为安全系数；所述的吊柄按工作性质分别设置水平吊柄与垂直吊柄；

所述的装卡结构制造：是在所述的砂芯上设置装卡槽，所述的装卡槽在砂芯两侧设置，所述的装卡槽结构包括Φ30螺杆槽与螺母紧固槽，呈上下错位分布；所述的模拟检验为：砂芯制造完成后，通过计算机CAE模拟分析对每块砂芯进行应力分析，确定砂芯应力集中部位并进行强度评估，确认所制造的砂芯外围吃砂量及吊柄稳定性；

组芯造型是规定机架所有3D打印砂芯形成铸型的全过程，包括以下内容：

①组芯平台的预备：预备一个组芯平台，所述的组芯平台上设置简易定位台进行下芯定位；

②下芯组芯方法：根据砂芯编号顺序进行下芯，先下中间芯最后下边芯，下芯过程首先使用吊带环套水平吊柄将砂芯水平放置，再吊运垂直吊柄将砂芯垂直起吊后依次下芯，中间芯全部下完后，使用压缩空气将内腔的散砂及杂质全部吹出，然后下最后两块边芯，每下一块芯子，需检验定位是否干涉，相邻砂芯配合面是否平齐；确认所述的下芯到位后，使用螺杆将砂芯卡紧，最后在直浇道与冒口处粘接瓷管与冒口套；

③埋箱操作方法：待下芯全部完成后，使用与组芯平台相同大小的砂箱中圈及上盖将所有砂芯围套，并使用卡子将砂箱与平台整体装卡，上盖顶平面需与直浇道顶部平齐，然后使用树脂砂将砂箱填满，待树脂砂硬化后，座水口即可浇注；最后等到冷却至打箱温度后进行打箱，即得到所需铸件。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，其特征在于：在所述分芯工艺中，所述砂芯的主体砂芯包含有铸件内外腔结构、浇注系统结构、冒口及出气结构，冷铁和冒口预留槽，所述的砂芯在水平方向排列可形成机架整体铸型。

3.根据权利要求1所述的一种内燃机机架的3D打印无模铸造方法，其特征在于：在所述的组芯造型方法中，所述的组芯平台是铸铁托盘、钢板或大出砂芯整体尺寸的砂胎。