崔遷義，盧彬彬，劉 翠，王洪君

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

0 引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的提高，對(duì)其功能、耐久方面的要求也越來(lái)越高，迫使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商必須對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代，這就要求新產(chǎn)品開發(fā)周期不斷縮短，新產(chǎn)品樣件需求與樣件制造的匹配度高，樣件制造模式順應(yīng)產(chǎn)品高速發(fā)展的進(jìn)程而不斷改變。本文主要介紹了3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用，采用不同的快速成型工藝組合，能夠快速制造樣件毛坯，降低樣件制造成本、縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用

新產(chǎn)品開發(fā)所需的鑄造樣件需求數(shù)量少，傳統(tǒng)制造方法制造周期長(zhǎng)，制造成本高，樣件產(chǎn)品制造與批量產(chǎn)品制造在制造資源上易發(fā)生沖突。3D打印砂芯、尼龍塊等快速成型工藝克服了傳統(tǒng)樣件制造方法的缺點(diǎn)，并已有成功的應(yīng)用。

目前，快速成型工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我司發(fā)動(dòng)機(jī)零部件開發(fā)過(guò)程中，主要進(jìn)行全新產(chǎn)品鑄件快速成型、改進(jìn)產(chǎn)品局部砂芯打印快速成型以及工藝裝備快速修改鑄件快速成型。

1.1 全新產(chǎn)品鑄件快速成型

目前，鑄造行業(yè)個(gè)性化產(chǎn)品需求以及成熟產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，全新產(chǎn)品的快速開發(fā)制造模式也在逐步建立，全新鑄件快速制造主要基于如下幾個(gè)方面開展：

（1）鑄造三維工藝設(shè)計(jì)：針對(duì)需要開發(fā)的新產(chǎn)品，進(jìn)行鑄造快速成型三維工藝設(shè)計(jì)，快速成型工藝設(shè)計(jì)比較靈活，傳統(tǒng)工藝中分開的幾顆砂芯可以設(shè)計(jì)為一體砂芯，直接打印成型，可以減少砂芯數(shù)量及多次組芯帶來(lái)的鑄造偏差。

（2）CAE 仿真分析：在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)開發(fā)和鑄造缺陷分析各階段，充分應(yīng)用CAE 手段，進(jìn)行模擬澆注，提前發(fā)現(xiàn)鑄造問(wèn)題，制定解決方案，可有效優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并節(jié)約開發(fā)成本及周期。

（3）快速成型制造：集成以3D 打印技術(shù)為核心的增材制造、減材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)砂型芯的數(shù)字化無(wú)模快速制造，突破基于模具的等材制造的傳統(tǒng)鑄造模式，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品樣件及個(gè)性化需求鑄件的無(wú)模制造，同時(shí)具備變型產(chǎn)品局部砂芯打印快速制造、模具快速修改等能力，大大縮短開發(fā)周期并有效節(jié)約模具費(fèi)用。以新開發(fā)的某飛輪殼鑄件為例：鑄件重量42 kg，最大輪廓尺寸654 mm×604 mm×88 mm，應(yīng)用快速制造技術(shù)一次制造成功，砂型芯快速成型制造成本約2 萬(wàn)元，開發(fā)時(shí)間20 天，而傳統(tǒng)鑄造成本約為20 萬(wàn)、開發(fā)時(shí)間為90 天。圖1 為3D 打印上、下型砂塊三維模型，圖2 為鑄造工藝CAE 模擬，圖3 為3D 打印上、下型砂塊，圖4 為快速成型的飛輪殼鑄件。

圖2 鑄造工藝CAE 模擬

圖3 3D 打印上、下型砂塊

圖4 快速成型鑄件

目前，全新鑄件快速成型在機(jī)體、缸蓋、齒輪室、油底殼、前后端蓋、殼體類鑄件等均有成功應(yīng)用，很大程度的縮短了開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。以發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體為例，砂型芯快速成型制造成本約9 萬(wàn)元，開發(fā)時(shí)間25 天，而傳統(tǒng)鑄造成本約為160萬(wàn)、開發(fā)時(shí)間為120 天。此技術(shù)的應(yīng)用將產(chǎn)品從概念快速轉(zhuǎn)化為實(shí)物，是對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝開發(fā)的一次突破。

1.2 改進(jìn)產(chǎn)品局部砂芯打印快速成型

目前，在成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)的變型產(chǎn)品日益增多，結(jié)合快速成型的方法，僅對(duì)變型產(chǎn)品局部進(jìn)行3D 打印砂芯，其余借用成熟產(chǎn)品砂芯，如圖2 所示。圖5 為3D 打印氣道三維模型設(shè)計(jì)，圖6 為3D 打印氣道芯及其組芯。

圖6 3D 打印氣道芯及其組芯

此快速成型方式僅限局部砂芯3D 打印，鑄造工藝較成熟，成功率高，可以快速實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用缸蓋毛坯樣件生產(chǎn)，多應(yīng)用于氣缸蓋氣道性能開發(fā)樣件、成熟產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)修改試驗(yàn)樣件。

1.3 工藝裝備快速修改鑄件快速成型

產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)變更、結(jié)構(gòu)改進(jìn)新產(chǎn)品試驗(yàn)或鑄造工藝優(yōu)化需求等因素會(huì)導(dǎo)致鑄造工藝裝備的修改。傳統(tǒng)的鑄造模具修改通常采用電弧焊接或者加工金屬鑲塊的方式。這兩種修改方式需要焊接、多次數(shù)控編程加工、熱處理、裝配等工序。設(shè)備占用率高、工序繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、模具反復(fù)修改性差，模具離線修改期間不可避免的影響正常生產(chǎn)。

利用3D 打印技術(shù)，打印模具修改所需的隨型鑲塊進(jìn)行快速模具修改，在保證模具修改精度及強(qiáng)度的同時(shí)，可以不拆卸模具進(jìn)行在線修改、修改效率高，可大幅降低新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、不同工藝驗(yàn)證過(guò)程鑄造模具修改費(fèi)用。以某產(chǎn)品增加導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)為例，需要修改外模模具，圖7 為模具三維修改前后對(duì)比，圖8 為3D 打印尼龍塊及在模具上的應(yīng)用，圖9 為3D 打印尼龍塊快速成型鑄件。

圖7 模具三維修改前后對(duì)比

圖8 3D 打印尼龍塊及在模具上的應(yīng)用

圖9 3D 打印尼龍塊快速成型鑄件

2 結(jié)束語(yǔ)

在新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定恰當(dāng)?shù)目焖僦圃旒夹g(shù)路線，合理配置3D 打印設(shè)備資源，設(shè)計(jì)合理的快速成型工藝，與傳統(tǒng)制造模式相比將大幅降低車用發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造樣件的開發(fā)周期及制造成本。采用這種模式，在為批量制造積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還可以避免新產(chǎn)品樣件制造與訂單批量制造爭(zhēng)奪生產(chǎn)資源。