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船舶（bó）發動機的（de）快速成型與快速製造技術

2015-2-16 來源：數控機床市場網作者：廣東交通職（zhí）業技術學院鍾更（gèng）進

摘要（yào）： 介紹了快速成型技術的發展現狀及其在船（chuán）舶發動機製造中的應用，以 SLS 技術為例，係統的闡述了應用快速成型技術製造船舶發動機零件（jiàn）的全過程（chéng），說明了該技術適合單件和小批量試製和生產的特點，可迅速（sù）響應市場和提供小批量產品進行檢測和試（shì）驗，有助於保證產品（pǐn）開發速度，提高產品的開發質量，降低開發成（chéng）本，提高產（chǎn）品更新換代的頻次。

關鍵詞：船舶；發動機；快速製造

快速（sù）成型( Rapi d Prot ot ypi ng, 簡稱 RP) 技術是（shì） 20 世紀 80 年（nián）代後期發展起來（lái）的（de）,是由 CAD 模型直接驅動的（de）快速製造任意複雜形狀三維物理實體的技術總（zǒng）稱。1986 年美國 3D Syst em s 公司率先推出了稱為St ereol i t hography Apparat us （簡稱 SLA）的（de）激光快速成型製造係統，引起工業界的廣泛興（xìng）趣並且 RP 得到了異乎（hū）尋常的迅猛發展。

目前美國（guó）在 RP 領域處於主導地位，德國、以色列、日本也處於國際領先水平。在 RP 領域國（guó）內有清華（huá）大學、西安交通大學、南京航空航（háng）天大學、華中（zhōng）科技（jì）大學，北京隆源公司等。

隨著小（xiǎo）型船舶產品更新（xīn）換代節奏的加快，對小（xiǎo）型船舶發動機新品的研發速度要求越來越高。市場競爭的愈演愈烈（liè）也急迫地（dì）要求開發商和製造商對其成本和質量進行（háng）有效地管控，這就把許多（duō）麵臨地問題（tí）歸結到（dào）製造技術（shù）和先進（jìn）的工藝上來。發動機本身的結（jié）構十分複雜，包括大量複雜（zá）的鑄件、鍛壓件等等，在發動機的開發過（guò）程中（zhōng）各種（zhǒng）零件模具的製造都是生產周（zhōu）期最長（zhǎng），花費最（zuì）多的環節之一。如果一旦發（fā）生設計更（gèng）改必須（xū）進行（háng）修模甚至重新製作模具，這使得一（yī）款新發動機的推出往往周（zhōu）期很長。

采（cǎi）用快速（sù）成型方法生（shēng）產發動機樣機省（shěng）略了製作（zuò）模具的工序，使發動機的研（yán）製周期大大縮短，一（yī）套發動機的主要部（bù）件，包括缸體、缸頭、進排氣管等在幾周內就（jiù）可製造完成，用於後期的試驗研究，如果設計需要更改，隻需更改（gǎi） CAD 數據，在很（hěn）短的時間（jiān）內就可製作出修改後（hòu）樣（yàng）機，進行進一步的（de）試驗評定。

1 快速（sù）成型技術

RP 技術基本原理：離（lí）散—堆積（疊（dié）加）。

快速成型的基本原理是離散疊加製造，一個零件不管其外形和內（nèi）腔是多（duō）麽複雜（zá），都可（kě）以用一組平行平麵去截該零（líng）件，得到一係列足夠薄的切片，這些薄切（qiē）片可以近似的看（kàn）作二維零（líng）件模型，用不同的使能技術將這些薄切片逐層製作，同時使這些薄片按照一定（dìng）的規則堆積起來就可以（yǐ）得到一個完整的零（líng）件。目前（qián）成熟的快速成型技術有很多，這裏僅（jǐn）介紹（shào）最適於發動機部件製作的選（xuǎn）區激光燒（shāo）結（簡稱 SLS ）方法。

選區激光燒結( Sel ect i ve LaserSi nt eri ng，SLS)是利用紅外（wài）激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材料以形（xíng）成三（sān）維零（líng）件。

選區激光燒結的原理如圖 1 所示。加工開始時先（xiān）將一層很薄( 100 μm ~ 250 μm )的熱塑性粉末均勻（yún）地（dì）鋪在工作平台上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫度，在均勻的粉末（mò）表麵，計算機控製激光按照零件當前（qián）層的信息掃描，激光掃描到的地方粉末燒結形成（chéng）固體（tǐ），激光未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐並能在成型完成後去除。上一層製作完畢後成（chéng）型活塞（sāi）下降一層，供粉活塞上升，用鋪粉滾筒將粉體從供粉活塞移到成型活塞，將粉體鋪平後即可掃描下一層。不斷重複（fù）這個輔粉和選區燒結過程直到（dào）最後一層，一個三維實體就製作出來了。

選（xuǎn）區激光（guāng）燒（shāo）結的最大特點：一是成型過程與複雜程度無關，因此特別適合（hé）於內部結構極其複雜的發（fā）動（dòng）機缸（gāng）體、缸蓋、進排氣管等（děng）部件；另一個重要的特點是成型材料廣泛，特別（bié）是可以用鑄造的樹脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通過與鑄造技術結合，快速（sù）鑄造出發動機的部件（jiàn）。

2 快速鑄造技術（shù）

快速（sù）鑄造（Qui ck Cast i ng 或 Rapi d Cast i ng ）技術是將快（kuài）速成（chéng）型（xíng）與傳統鑄造技（jì）術有效（xiào）結合快速製造複雜金屬零件的技術（shù）。發（fā）動機的缸體、缸頭（tóu）一般都是鑄造產品，利用（yòng）快速鑄（zhù）造技術可以在很短時間（jiān）內（nèi）得到與最終產（chǎn）品（pǐn）材料一（yī）致、性能接近的發動機產品供測試與檢驗（yàn）。

快速鑄造的（de）工藝流程如圖 2 所示，利用選（xuǎn）區激光燒結實（shí）現快速鑄造的途徑有二條：一種是通過激光直接燒結鑄造用熱固化樹脂砂，再通過砂（shā）型鑄造得到鑄件；另一（yī）種方法是用（yòng）激光直接燒（shāo）結可消失的樹脂（zhī）粉（fěn）末或蠟粉，再通過精密鑄造工藝得到鑄件（jiàn）。這兩種方法的共同特點都是省略了模具（jù）製造。因此，如果用於單件或小（xiǎo）批量的生產，生產周期大大縮短了。用快速成型的方法製作砂型，首先要根據零件的三維（wéi） CAD 毛坯模型設（shè）計出組合（hé）砂型模型。為了與後續的批量生產工藝靠近，砂型模型應盡量與通過模具製作的砂型模型保持一（yī）致，將砂型模型的各部分經過軟件（jiàn）的分層處理轉換為快速成型設備的加（jiā）工文件，就可以進（jìn）行激光燒結成（chéng）型了（le）。

圖 3 是激光燒結成（chéng）型（xíng）的一（yī）個複雜砂型。成型（xíng）用（yòng）的樹脂砂與（yǔ）通常使用的熱固（gù）化樹脂砂極為相（xiàng）似，隻不過對（duì）砂的粒徑分布（bù）和形態，樹脂成分及表麵處理等方麵有更嚴格的指標。成型時的層厚一般為 0. 2 m m ，精度可控製（zhì）在0. 25 m m 以內。由於（yú）激光掃描的速度很快，樹脂在成型時不能達到完全固化。成型後將未燒結的浮砂清除後，砂型一（yī）般要放到加熱箱中進行（háng）二（èr）次固（gù）化。經二次（cì）固（gù）化（huà）後的砂型可（kě）達到與射芯（xīn）機製得的（de）砂型相同的性（xìng）能。由於發動機的部件大多采用砂型鑄造，因此快速砂型鑄造已（yǐ）成為（wéi）發動機樣（yàng）機試製的最常用和最有效的方法。

采用熔模快速鑄造的方法是用 50 ~ 80 μm 的可消失樹脂粉（fěn）末或蠟粉為原（yuán）料，將零件的三維 CAD毛坯模型直接進行分層處理後，用激光將粉末直接逐（zhú）層燒（shāo）結（jié）成與零件毛（máo）坯一致的精密熔模，再將熔模直接通過石膏型或陶瓷型（xíng）殼鑄造得到所需要的（de）鑄件。采用快速精密鑄造製作的零（líng）件表麵質量好，精度高（gāo），不（bú）需要（yào）設計砂型（xíng）模型等步驟，工藝過程（chéng）相對簡單。同時由於（yú）零件毛坯的體積往往（wǎng）小於砂型的體積，因此用 SLS 直接（jiē）成型熔模較之（zhī）成型砂型速度更快，成本（běn）相對更低（dī）。但（dàn）是熔模鑄造一般比較適合於薄壁零件，對於（yú）厚壁零件往往因冷卻速度慢導致出現縮鬆等鑄（zhù）造缺陷，因此這種方法在發動機（jī）部件（jiàn）的製作中一般用於進（jìn）排氣管等相對壁厚較薄的零件，圖 4 是（shì）用可消失樹脂粉直接燒結成型的發動機進氣管的鑄造熔模。

3 應用實例

鋁合金進氣管零件（jiàn）的快速製造。從收到零件的（de）三維 CAD 數據到（dào）毛（máo）坯完成僅 10 天時間，其中（zhōng）零件熔模的（de）快速成（chéng）型 1 天，熔模鑄造 7 天，其他後處理及檢驗 2 天。進氣道是發動機極其重要的組成部分（fèn），由複雜（zá）的自由曲麵構成，其（qí）對提高（gāo）進氣效率，改善燃燒過程（chéng）有十分重要的影響。在發動機的設計過程中，需要對不同的進氣道方（fāng）案進（jìn）行氣道試驗（yàn）。傳統的方法是加工出（chū）十幾個或幾十個截麵（miàn）的氣道木模或石膏模，再翻製成砂模鑄造出氣（qì）道。對（duì）氣道進行試驗找出不足後，還要重新修改模型。如（rú）此反複，費時費力（lì），而且精度難以保證。采用快速成型方法（fǎ），可一次性地提供一組不同曲麵的 CAD 數據，通過快速鑄造，同時得到一組進氣管零件。經過測（cè）試，得到一組不同氣道結構的（de）全麵的數據，從而篩選出最（zuì）佳的氣道（dào）方案，加快了研製速度（dù），如（rú）圖 5 所（suǒ）示。

相對於小型船（chuán）舶進氣管，發動機的缸體和（hé）缸蓋結構更為複（fù）雜，但是快速（sù）成型的最大優點就（jiù）是與複（fù）雜程度無關（guān），越複雜（zá）的零件越適（shì）合快速成（chéng）型製作。由於缸體、缸蓋的內部結構複雜且壁厚相對較厚（hòu），製作（zuò）這（zhè）些零件的最佳方法（fǎ）是快速砂型鑄（zhù）造。圖（tú） 6 是用快速（sù）砂型鑄造獲得的一組缸體（tǐ）和缸蓋的鋁鑄（zhù）件（jiàn）。此類零件的（de）製作周期平均約（yuē） 2 ~ 3 周。由於鑄造工（gōng）藝與最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精（jīng）度和機械性能與（yǔ）最（zuì）終產（chǎn）品零件具有很強的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用於發動機（jī）的各種（zhǒng）評價（jià）試驗，如對氣道進行（háng）流動分析，對水道進行冷卻性能測試。

4 結束語（yǔ）

快速成型與鑄造技術結合，衍生出快速鑄（zhù）造技術（shù），其工藝特征是簡捷、準確、可靠（kào）和具有延展性，可有效地應用於發動機（jī）設（shè）計開發階段中樣機的快速製（zhì）造。其適合單件和小批量試製和生產的特點，可（kě）迅速響應市場和提供小批量產品進行（háng）檢測和試驗，有助於保（bǎo）證產品開發速度（dù）。其成（chéng）型工藝過程的可控性，可在（zài）設計開發（fā）階段（duàn）低成本地即時（shí）修改，以便檢驗（yàn）設計或提供裝配模型（xíng），其（qí）有助於提高產品的開發品質，其（qí）快速成型原材（cái）料的多元性（xìng），為產品開發階段提供了不同地工藝組合（hé），由於 SLS 原材料（liào）的國產化和成型（xíng）工藝可與（yǔ）傳統工藝有機結合，有助於降低開發成本（běn），其組（zǔ）合（hé）工藝的快捷（jié）性，支持產品更新（xīn）換代頻次的提高，有助於推動產品早日進入市場。

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