原标题：金属3D打印及真空技术在曲轴箱开发上的应用

随着全球节能减排要求的不断提高和汽车技术的迅速发展，汽车用铝合金压铸件要求功能集成化、轻量化，导致了发动机内部的零件结构越来越复杂，关键零件的密封要求越来越高，出现了较多壁厚差别非常大而且密封要求高的零件。在铸造这类零件时，壁厚的差异导致其不能顺序凝固，常在厚壁部位出现烧伤粘铝缺陷。同时，壁厚差异也导致填充过程中卷入气体，造成密封区域机加工后出现密集小气孔的缺陷。由于缺陷区域范围宽，零件结构比较复杂，无法采用局部挤压措施来解决缺陷问题，只能通过改善冷却系统与改善抽真空工艺解决此类缺陷。在CAE模拟软件诞生之前，压铸改善措施及效果没有足够的数据支撑，导致技术人员基本上凭借经验确定改善的方案，会耗费较多的时间和资源。

本研究以某汽车铝合金零件曲轴箱的品质改善为例，以减少连接滤清器部位的烧伤及密封面气孔为目标，对改善方案进行虚拟试验。经过计算机自动运算、结果对比，分析改善方案对零件的内部品质的改善效果，从而确定最佳的改善方案，缩短零件的开发周期，提高经济效益。

图文结果

图1为某汽车铝合金零件曲轴箱的压铸方案示意图。结合铸件投影面积及设备情况，选定IDRA16500kN压铸机。根据铸件特点，对铸件浇排和工艺参数初步计算：内浇口面积为1 005 mm²，冲头直径为120 mm，冲头与内浇口的面积比为11.25。铝液填充时间为0.058 s，铸造总质量为9.68 kg，通过内浇口质量为6.6 kg。冲头慢速为0.2 m/s，快速为4 m/s。铝液在内浇口速度为45 m/s。压室有效长度为700 mm，充满度为38.3%。理论高低速切换点为485 mm，高速区距离为184 mm。

图1 铝合金曲轴箱压铸方案示意图

图2为铸件连接滤清器局部位置图。根据初步分析，该铸件连接滤清器的部位结构较复杂，红色区域（基于原图为彩色描述，下同）较深且狭小（深26 mm，宽7 mm）。该位置的模具镶件用传统技术加工出来的冷却水道不能深入底部并环绕一周，冷却效果差，造成红圈区域烧伤严重并且漏气。同类型铸件不仅在该位置的烧伤比较严重，而且有机加工后出现气孔外露的现象。图3为同类型铸件的缺陷图所示，红圈为气孔缺陷，蓝圈为烧伤缺陷。因此如何提高该区域的冷却效率及减少气孔是整个压铸工艺设计的难点。

图2 铸件连接滤清器局部位置图

图3 同类型铸件的缺陷图

同类型铸件连接滤清器局部烧伤缺陷是模具的热量过高导致，而安装面的气孔缺陷是铝液内含气量过高造成，两种缺陷造成的因素相互独立，所以先用Magma软件模拟金属3D打印随形冷却镶件和传统冷却镶件对烧伤缺陷的影响效果，然后在冷却效果比较好的能解决滤清器局部烧伤缺陷的镶件基础上再做一个抽真空与否的模拟对比，从而得出最优的解决缺陷的组合方案。

初步确定采用金属3D打印工艺制造随形冷却水道的镶件，提高冷却效率以解决烧伤缺陷。为了保证设计的有效性，使用CAD设计了两套方案。图4为随形冷却镶件与传统冷却镶件图，蓝色为冷却水道。在Magma模拟软件导入两种镶件的压铸方案进行模拟仿真。通过模拟结果对比，分析两种方案对风险位置的影响，从而判定金属3D打印随形冷却镶件的方案对解决铸件连接滤清器局部的烧伤缺陷是否可行。图5为两个方案的镶件温度模拟对比图，表1为两个方案的镶件取点温度对比数据表。从仿真软件显示的镶件温度分析，铝液在型腔100%填充后，通过镶件成形位置的取点测量可知方案1比方案2的温度低，温度数据差值平均低约73.3 ℃。

图4 随形冷却镶件与传统冷却镶件图

图5 镶件温度模拟对比图

表1 镶件取点温度对比数据表(%)

图6为两个方案的热节模拟对比图，表2为两个方案的取点热节对比数据表。从仿真显示的铸件凝固的热节分析，通过风险位置附近的取点测量可知使用方案1比方案2的镶件热节数值低，热节数据差值平均低约0.22 s，因热节引起的缩孔风险降低。

图7为两个方案的烧伤粘模对比图，表3为取点烧伤粘模对比数据表。从铸件凝固的烧伤粘模分析，通过风险位置取点测量可知使用方案1比方案2的镶件烧伤粘模数值低，烧伤粘模数据平均低约0.62 s，因烧伤粘模引起的风险降低。

图6 热节模拟对比图

表2 取点热节对比数据表

图7 烧伤粘模对比图

表3 取点烧伤粘模对比数据表

在采用冷却效果比较好且能解决连接滤清器位置局部烧伤缺陷的金属3D打印随形冷却镶件的方案基础上，在Magma模拟软件中增加两个边界条件，即抽真空与常规大气排气，再通过模拟结果对比来验证抽真空工艺与常规大气排气对滤清器安装面气孔的影响，从而得出优化解决两个缺陷的组合方案。

从模拟结果分析，根据铸件的填充气压对比，通过对滤清器安装面的取点测量可知使用方案3抽真空工艺比使用方案4大气排气的气压数值低，气压数值平均低约131.8 kPa，因高气压引起的气孔外露风险降低。图8为两个方案的气压模拟对比图，表4为两个方案的取点气压对比数据表。方案3为抽真空排气模拟，方案4为常规大气排气模拟。

图8 2种方案的气压对比图

表4 气压对比数据表

综上，通过Magma软件的模拟结果对比可知，采用高真空工艺比采用常规大气排气工艺时滤清器安装面的气压数值低，对改善气孔缺陷效果明显。同时，采用金属3D打印随形冷却镶件和抽真空工艺结合是解决铸件连接滤清器局部烧伤及滤清器连接面机加工后出现气孔外露缺陷的理想组合方案。

在压铸生产过程中，针对铸件连接滤清器的成形位置，决定采用高碳高合金钢W360为金属3D打印随形冷却镶件代替传统的8418材料的直冷镶件，冷却效果得到很好的改善，使用寿命也比传统的8418材料长。为提高模具抽气效果，增强模具的密封性能，在定模模芯与模架分型处开一条密封槽，并在密封槽内加装耐高温密封圈；动模垫板后面增设一块可固定在动模垫板上的密封板，并在密封板上开设了密封槽及缓冲气槽。

使用3D金属打印技术制造的随形冷却的镶件与抽真空工艺结合进行压铸试制，该铸件连接滤清器的部位的角位烧伤引起的漏气报废率跟同类型铸件相比由原来的10%变为0%，加工面气孔外露的报废率跟同类型铸件相比由原来的6%变为0.5%，综合报废率跟同类型铸件相比由原来的16%变为0.5%，完全符合客户的使用要求。表5为报废率对比，图9为连接滤清器位置实物图。

表5 报废率对比

图9 连接滤清器位置实物图

针对模具由于结构原因局部冷却效率低及机加工面气孔外露的问题，采用金属3D打印技术制造随形冷却的镶件与抽真空工艺技术组合，能大大提高模具局部的冷却效率并降低铸件的含气量，提升铸件的品质和节省生产成本，缩短铸件的开发周期，提高经济效益。压铸高真空技术比较成熟，广泛应用在压铸模具中，但3D打印技术目前还处于发展阶段，还有很多问题需要解决，如材料的性能、打印的精度、效率、寿命及成本等。

《金属3D打印及真空技术在曲轴箱开发上的应用》

葛旺生1 安肇勇2
1. 肇庆技师学院；2. 广东鸿图科技股份有限公司

本文转载自《特种铸造及有色合金》