CN114632950A - 一种发动机气缸体的增减材复合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造；采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工；增材制造采用熔丝工艺。本发明采用不同的方法加工不同形状结构的发动机气缸体流道结构，以及发动机气缸体主体部分和配合面，本发明能够完成的复杂结构气缸体成型，支撑去除方便，材料利用率更高。

Description

一种发动机气缸体的增减材复合制造方法
技术领域
本发明属于智能制造领域，具体涉及一种发动机气缸体的增减材复合制造方法。
背景技术
针对发动机气缸体而言，最普遍的制造技术为开模铸造。开模铸造存在的问题在于，材料利用率低，且迭代改进的成本过高。
近年来，随着增材制造技术的不断发展，有人尝试使用增材制造技术来制造包括发动机气缸体在内的航天航空大型零部件。其中，最适合的技术就是电弧熔丝增材制造技术。电弧熔丝增材制造技术就是将金属零件的三维模型按照焊接工艺的要求切分为一组平行的二维层片，再根据不同层片的轮廓信息规划焊枪的运动轨迹，之后由焊接电弧将金属材料熔化，按成形路径逐个堆积层片，最后在系统的控制下将金属层片堆积起来得到预期的金属零件。
电弧熔丝增材制造技术沉积效率高、制造成本低，对金属材质不敏感，可以成形铝合金和铜合金等对激光反射率高的材料，而且制造过程不受设备成型缸和真空炉体尺寸限制，所以在成形结构复杂的大尺寸零件时优势显著。
电弧熔丝增减材复合制造，由于涉及到热变形、支撑结构去除、干涉等问题，对于加工方案规划有着较高的要求，对于发动机气缸体这种结构尺寸大、结构复杂的零部件，目前尚无成熟的加工方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，本发明能够完成的复杂结构气缸体成型，支撑去除方便，材料利用率更高。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，包括以下过程：
采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
在加工复杂结构流道时，采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，则先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造；
采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工；
上述增材制造的过程采用熔丝工艺。
支撑结构采用石膏支撑或陶瓷支撑。
采用石膏支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据发动机气缸体的流道形状建立支撑模型，采用光固化技术成形树脂支撑；
第二步，利用完成的树脂支撑制造相应的模具，使用模具浇灌石膏作为石膏支撑；
第三步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，在下半流道上放入石膏支撑，在石膏支撑上继续进行增材制造，直至流道成形；
第四步，去除石膏支撑，完成发动机气缸体主体部分的流道成型。
石膏支撑通过3D打印技术制造而成。
使用模具浇灌石膏得到石膏支撑后，在石膏支撑表面喷涂铝膜；将表面喷涂有铝膜的石膏支撑放入下半流道，之后继续进行增材制造。
去除石膏支撑时，将发动机气缸体主体部分加水浸泡，再使用锤击装置在工件外表面进行锤击，最后用水流冲刷，直至去除所有的石膏。
采用陶瓷支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据动机气缸体的流道形状建立支撑模型，根据支撑模型采用3D打印技术打印出陶瓷支撑结构；
第二步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，然后在下半流道上放入陶瓷支撑结构，在陶瓷支撑结构上继续进行增材制造，直至流道成形；
第三步，去除陶瓷支撑，成发动机气缸体主体部分的流道成型。
陶瓷支撑上预先涂敷一层与动机气缸体材料相同的金属材料。
壁板采用熔丝增减材复合成形。
熔丝工艺的能量源采用电弧、激光、等离子弧或电子束。
与现有技术相比，本发明采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，则先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造；采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工。本发明采用不同的工艺方法加工不同形状结构的发动机气缸体流道结构，以及发动机气缸体主体部分和配合面。一般在铺粉、送丝等金属增材制造工艺中，最主要使用的是支撑方法是打印时采用同种材料打印出支撑结构，最后再用刀具去除掉支撑结构，但在制造气缸体的复杂内流道结构时，打印完成后刀具无法进入内流道进行加工，因此这种方法无法应用。为此本发明中采用预先打印支撑结构的方法，利用进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造，很好的解决了复杂内流道刀具不可达的问题。综上采用本发明能够完成的复杂结构气缸体成型，支撑去除方便，材料利用率更高，且迭代改进的成本更低。
进一步的，在石膏支撑表面喷涂铝膜，石膏熔点在1000度以上，表面喷敷铝粉形成的铝膜后，可在较短时间内满足在其表面上继续打印的需求，热积累一段时间后石膏会烧化，但此时金属表面已经成形，并不造成影响。
附图说明
图1为本发明实施例1中多方向增减材复合加工示意图；其中，(a)为采用分段边增边减的示意图，(b)为打印机体中间隔板及两侧结构的示意图；
图2为本发明实施例2中内流道形状的示意图；
图3为本发明实施例2中在下半流道上放入支撑的示意图；
图4为本发明实施例3中加工侧壁板的示意图；其中，(a)为无侧壁板，(b)为有侧壁板；
其中，1、发动机气缸体主体，2、内流道，3、侧壁板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明包括以下过程：
采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
在加工复杂结构流道时，采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，则先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造；
采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工；
上述增材制造的过程采用熔丝工艺。
支撑结构采用石膏支撑或陶瓷支撑。
采用石膏支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据发动机气缸体的流道形状建立支撑模型，采用光固化技术成形树脂支撑；
第二步，利用完成的树脂支撑制造相应的模具，使用模具浇灌或3D打印技术石膏作为石膏支撑；此外，还可以在石膏支撑的表面喷敷一层铝层，利用铝层能够延缓石膏支撑的熔化时间，以防止后续利用电弧熔丝进行增材制造时，石膏支撑过早的熔化；
第三步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，在下半流道上放入石膏支撑，在石膏支撑上继续进行增材制造，直至流道成形；
第四步，去除石膏支撑，完成发动机气缸体主体部分的流道成型；在本步骤中，去除石膏支撑时，可使用反复浸泡+锤击+压力水流冲刷的方式进行去除，解决复杂内流道刀具不可达的问题。
采用陶瓷支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据动机气缸体的流道形状建立支撑模型，根据支撑模型采用3D打印技术打印出陶瓷支撑结构；陶瓷支撑上预先涂敷一层与动机气缸体材料相同的金属材料。
第二步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，然后在下半流道上放入陶瓷支撑结构，在陶瓷支撑结构上继续进行增材制造，直至流道成形；
第三步，去除陶瓷支撑，成发动机气缸体主体部分的流道成型。
实施例1：
采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造。
进行多方向增减材复合加工，如图1(a)所示，打印时由下至上，采用分段边增边减的制造方案；随后如图1(b)所示，旋转90度，打印机体中间隔板及两侧结构，并完成加工。
实施例2：
采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造。
参见图2、图3，水平内流道结构需添加支撑，支撑方法如下：
第一步，根据机体流道形状建立支撑模型，采用光固化技术成形树脂支撑；
第二步，利用完成的树脂支撑制造相应的模具，使用模具浇灌石膏作为支撑；
第三步，制造时，先对下半流道进行增材制造，随后对下表面进行加工，然后在下表面上放入石膏支撑，在石膏支撑上继续进行增材制造，直至流道成形；
第四步，敲碎石膏去除支撑。竖直流道采用增减材复合方案成形即可。
打印完成后，采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工。
实施例3：
若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，则先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造。
参见图4，针对内表面有加工需求的两块侧壁板3，先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板3加工成型，再在发动机气缸体主体1上进行一体化复合制造。独立增减材复合制造时，侧壁板3用熔丝增减材复合成形方案，将其内侧筋板形状加工成型。
熔丝的能量源采用电弧、激光、等离子或电子束。

Claims (10)

1.一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用旋转工件方向的方法，进行不同方向直线流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
在加工复杂结构流道时，采用预先打印支撑结构的方法，进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造；
若发动机气缸体主体部分的内部结构需要加工侧壁板，则先采用独立增减材复合制造的工艺将侧壁板加工成型，再在发动机气缸体主体上进行一体化复合制造；
采用减材精加工的方法，对发动机气缸体主体外部的配合面进行加工；
上述增材制造的过程采用熔丝工艺。
2.根据权利要求1所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，支撑结构采用石膏支撑或陶瓷支撑。
3.根据权利要求2所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，采用石膏支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据发动机气缸体的流道形状建立支撑模型，采用光固化技术成形树脂支撑；
第二步，利用完成的树脂支撑制造相应的模具，使用模具浇灌石膏作为石膏支撑；
第三步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，在下半流道上放入石膏支撑，在石膏支撑上继续进行增材制造，直至流道成形；
第四步，去除石膏支撑，完成发动机气缸体主体部分的流道成型。
4.根据权利要求3所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，石膏支撑通过3D打印技术制造而成。
5.根据权利要求3所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，使用模具浇灌石膏得到石膏支撑后，在石膏支撑表面喷涂铝膜；将表面喷涂有铝膜的石膏支撑放入下半流道，之后继续进行增材制造。
6.根据权利要求3所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，去除石膏支撑时，将发动机气缸体主体部分加水浸泡，再使用锤击装置在工件外表面进行锤击，最后用水流冲刷，直至去除所有的石膏。
7.根据权利要求2所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，采用陶瓷支撑进行复杂结构流道的发动机气缸体主体部分的增减材复合制造的具体方法如下：
第一步，根据动机气缸体的流道形状建立支撑模型，根据支撑模型采用3D打印技术打印出陶瓷支撑结构；
第二步，对下半流道进行增材制造，下半流道完成后，然后在下半流道上放入陶瓷支撑结构，在陶瓷支撑结构上继续进行增材制造，直至流道成形；
第三步，去除陶瓷支撑，成发动机气缸体主体部分的流道成型。
8.根据权利要求2或7所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，陶瓷支撑上预先涂敷一层与动机气缸体材料相同的金属材料。
9.根据权利要求1所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，侧壁板采用熔丝增减材复合成形。
10.根据权利要求9所述的一种发动机气缸体的增减材复合制造方法，其特征在于，熔丝工艺的能量源采用电弧、激光、等离子弧或电子束。
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