航空发动机的砂铸工艺研究

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本文作者：孙野宗学文李涤尘工作单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

快速成型(RP)是20世纪80年代产生的一种先进制造技术，其成型原理是利用CAD模型的分层数据信息，进行分层制造并层层累积来制作零件。该技术的最大特点是成型速度快，不受零件复杂程度制约，形状越复杂，越能体现出该技术的优越性［1］。快速砂铸技术结合了快速成型和砂型铸造，该技术利用光固化成型(SL)制作出树脂件模具，代替传统木模或金属模，通过填砂制芯得到砂型/芯，最后组合砂型，合箱浇注得到金属铸件。快速砂铸技术能充分发挥快速成型技术的复杂形状制造、成型周期短、成型精度高，以及砂型铸造的制造成本低、工艺灵活性大、材料适用种类广泛的特点，通过快速制模结合砂型铸造实现更换材料的目的，大大提高了复杂铸件生产效率并获得高精度的铸件，为快速响应市场需求奠定了基础［2］。

1快速砂型铸造工艺流程

1.1铸件工艺分析及参数设计本文涉及某小型航空发动机的铝合金部件———缸体的快速砂铸工艺研究。其三维数模如图1。最大外形尺寸为114mm×114mm×88mm，主要壁厚约6.5mm，散热片结构的平均壁厚为1.5mm。其外形结构较为复杂，关键尺寸(缸体内圆直径、总高)精度要求达到CT6以内。同时要求铸件特别是关键部位不允许有裂纹、缩松、缩孔、夹杂等缺陷。考虑到散热片结构的平均厚度很薄，且铸件质量要求高，同时结合铸件的外形结构及铝合金的流动性、凝固方式、气孔倾向等特点，决定采用低压底注式浇注的方法，并在铸件的底部设置4个圆柱浇口。同时确定一些铸造工艺参数，包括：铸造收缩率、工艺余量、最小铸出孔及槽、铸造圆角等。参数的确定过程：零件中的螺孔大径为5mm，通孔直径8.5mm，根据文献［3］，决定将螺孔及通孔设定为不铸出孔。缸体顶端及底端平面要与其他零件装配以形成燃烧室，故参照GB/T6414-1999，确定其加工余量为2mm。缸体内壁要与活塞装配，以同样的方法选定加工余量为2mm。另外，一般生产中铝合金铸造收缩率为0.8%~1.0%，此缸体主要壁厚是6.5mm，且存在大量壁厚为1.5mm的散热片结构，故最终选择收缩率为

2分模设计

首先对零件分模并设计出该铸件对应的砂型。经综合考虑零件的形状结构，选择了多向开模，利用PRO/E设计出对应的砂型如图2。砂型共分为6部分，包括4个侧砂型及底座和顶盖各1个。结合砂型数模，再设计出对应的快速成型树脂件模具(即母模)以及填砂制芯所用的芯盒，如图3及图4。2.3树脂件模具及芯盒制作将设计好的树脂件模具的CAD模型导出成STL格式，再导入Magics软件进一步处理，包括加工位置的摆放、抽壳、加支撑等。全部处理完后将数据传输到快速成型机上进行加工制作。制作完成的树脂件，还需经过清洗、打磨等后处理才能投入使用。通常在制作树脂件时，为了降低成本，减少树脂的消耗，都会对制件进行抽壳处理。本例中需要注意的是，考虑到该零件存在大量薄壁散热片结构，其树脂件模具在脱模时会受到较大的脱模力，所以对其强度有较高要求，故未对模具进行抽壳处理。同时，选择好合适的材料，将设计好的芯盒板(如图4中所示)图纸交予厂家进行加工制作。2.4砂型/芯制作将树脂模具、芯盒组装好，在其工作表面均匀涂刷一层脱模剂并待其晾干。按一定比例向混砂机中加入原砂、呋喃树脂及固化剂，搅拌均匀后向芯盒中填砂。最后使用刮板将芯盒顶部冒出的树脂砂压实、刮平，并用长钉或卡片在适当位置扎出排气孔(槽)。把握好开模时间，待型砂固化后，开模取出砂芯。最后给砂型工作面均匀喷(刷)涂一层砂型铸造用涂料，降低其表面粗糙度，以提高铸件的表面质量［4］。制作所得的砂芯如图5。2.5浇注实验将处理完的砂芯与事先制作好的树脂砂浇道进行组合，再放入砂箱中，周围填满粘土砂并夯实。随后将整个砂箱吊装到低压浇注设备上，进行浇注。选择铝合金材料为ZL101A，浇注温度710℃，经历升液、充型、增压和保压等几个阶段共195s时间，浇注完成。待冷却到室温后，开箱取出铸件。

3铸件浇注缺陷控制

3.1浇不足缺陷及初步改进第1次浇注所得的铸件存在较明显的缺陷，主要是散热片结构出现浇不足。缺陷位置表面光亮平滑，首先想到的原因是，由于树脂砂透气性差且发气量高，而该组砂型本身没有设计专门的排气通道，所以浇注时产生了憋气。提出的解决办法是，在填砂制芯过程中，于4个侧砂芯壁上开出厚度2~3mm的连通型腔的排气槽。3.2浇注模拟及浇注工艺的进一步改进为保险起见，我们还使用铸造模拟软件ProCAST对缸体的浇注过程进行了模拟，所设置的边界条件尽量与实际情况相吻合。图6(b)显示了缸体充型的过程。由于所设置的浇口的位置关系，见图6(a)，散热片结构的边沿部分总是4角先充满，中间部位最后充满。因而想到，缺陷不仅仅是因为憋气造成，还可能是因为金属液充型能力较差或冷却时间过早，散热片的边沿中部还未充满时，金属液就已经冷却凝固了。针对此情况，改进了原有的浇口，使之成为2条长条形浇口加两个圆柱浇口的形式，如图6(c)。同时使用ProCAST再次模拟该情况下的充型过程如图6(d)。可以看到散热片结构的4角部分和边沿中部几乎同时充满，消除了前后时间间隔，而且改进后的浇口能大大减小金属液的充型阻力。另外，我们还将这次的浇注温度提高到720℃，并适当增加浇注各阶段的压力。浇注后的结果如图7。可以看到，此次的铸件散热片结构全部充型成功。

4铸件精度控制及其尺寸精度评价

4.1铸件精度控制总结多次填砂造型及浇注实验，得出一些可能导致铸件精度误差的因素，并提出相应对策以减小铸件的精度偏差。这些因素包括：①SL模具制造误差；②SL模具与芯盒之间固定不牢靠；③芯盒本身的变形及加工误差；④砂型/芯组合装配误差。首先，受光固化成型机理的影响，成型出的制件的水平表面可能出现较大的翘曲变形。为了保证铸件的精度，在进行加工位置摆放时，应尽力避免树脂件的上述表面处于水平位置。其次，要尽量保证SL模具与芯盒之间的定位可靠性。因此，采用了模具与芯盒之间的销孔定位加螺钉紧固的方式。本例选择了不易变形且表面质量好的有机玻璃板制作芯盒。同时，应严格控制板材在各个方向上的尺寸精度，要求板材的加工尺寸精度在±0.1mm以内。最后，要确保砂型/芯之间的组合装配精度。采用了砂型之间台阶定位的方法。即砂型上的突出部分对应凹进部分。而砂型上的台阶正是由图4所示的芯盒侧板上的缺口所形成的。4.2铸件尺寸精度评价为评价快速砂铸工艺所能达到的精度水平，对这批缸体铸件共5件进行了关键尺寸的测量分析。具体步骤是：①用游标卡尺测量铸件上选定的关键尺寸，每个尺寸测量3次取平均值；②将测量均值与设计值比较，得到误差；③对照GB/T6414-1999中的铸件公差等级表找出对应的公差等级；④统计公差等级及其数量，分析结果。对选定的6项关键尺寸进行测量分析，所得结果统计后如图8。可以看到，80%的尺寸都在CT7以内，且没有超过CT9的尺寸，这与传统砂型铸造(小批量或单件生产、手工造型)所能达到的CT10~CT12相比，精度有很大的提高。

5总结

借助快速砂铸工艺实现了对复杂形状缸体零件的快速开发试制。除了介绍该铝合金缸体的快速砂铸工艺过程外，还提出并解决了两个关键问题，即铸件精度控制和铸件缺陷控制。对应措施可以总结为以下几条：①制作树脂件模具时尽量避免将重要表面水平放置；②保证模具与芯盒之间可靠的定位；③保证有机玻璃板芯盒的尺寸精度；④砂型/砂芯组合时要精准到位；⑤使用先进的数值模拟手段来预测可能出现的铸造缺陷并对工艺方案加以改进。