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船舶發動機（jī）的快速成（chéng）型與快速製造技術（shù）

2015-2-16 來源：數控機床市場網作者：廣東（dōng）交通（tōng）職業技術學院鍾更進

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

關鍵詞：船舶；發動機；快速（sù）製造

快速成型( Rapi d Prot ot ypi ng, 簡（jiǎn）稱 RP) 技術是 20 世紀 80 年代後期發展起（qǐ）來的,是由 CAD 模型直接驅（qū）動的快速製造任意複雜形狀三維物理實體的技術總稱。1986 年美國 3D Syst em s 公司率先推出了稱（chēng）為St ereol i t hography Apparat us （簡稱 SLA）的激（jī）光快速成型製造係統，引起工業界的廣泛興趣並且 RP 得到了異乎尋常的迅猛發展。

目前美國在 RP 領域處於主導地位，德國、以色列（liè）、日本也處於國（guó）際領先水平。在（zài） RP 領域國內有清華大學、西安交通大學、南（nán）京航空航天大學、華（huá）中科技大學，北（běi）京隆（lóng）源公司等。

隨著小型船舶（bó）產品更（gèng）新換代節奏的加快，對小型船舶發動機新品的研發速度要求越來越（yuè）高。市場競爭的愈演（yǎn）愈烈也急迫地要求開（kāi）發（fā）商和製造商對其成本和質量進行有效（xiào）地管控（kòng），這（zhè）就把許多麵（miàn）臨地問題歸結到製造技術和先（xiān）進的工藝上來。發動機本身的結構十分複雜，包（bāo）括大量複雜（zá）的鑄件、鍛壓（yā）件（jiàn）等等，在發動機的開發過程中各種零（líng）件模具的製造都是生（shēng）產周期最長，花費最多的環節之一（yī）。如果一旦發（fā）生設計更改必須（xū）進行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期很長。

采用快（kuài）速成型方法（fǎ）生產發動（dòng）機樣機省略了製作模具的（de）工序，使發動機的研製周（zhōu）期（qī）大大縮短，一套發動機的主要部件，包括缸體、缸頭、進（jìn）排氣管等在幾周內就可製造完成，用（yòng）於後期的試驗研究，如果設計需要更改，隻需更改（gǎi） CAD 數據，在很短的時（shí）間內就可製作出修改後樣機，進行進一步的試驗評定。

1 快速（sù）成型技術

RP 技術（shù）基本原理：離（lí）散—堆積（疊加）。

快速（sù）成型的基本原理是離（lí）散疊加（jiā）製造，一（yī）個零件不（bú）管其外形和內腔是多麽複雜，都可以用一組（zǔ）平行平麵去截該零件，得到一係列足夠薄的切片，這些薄切片（piàn）可以近似的看作二維（wéi）零件模型，用不（bú）同的（de）使能技術將這些薄切片逐（zhú）層製作，同時使（shǐ）這些薄片按照一定（dìng）的規（guī）則堆積起（qǐ）來就可以得到一個完整的零（líng）件（jiàn）。目前成熟的（de）快速成型（xíng）技（jì）術有很多，這裏僅介紹（shào）最適於發動機（jī）部件製作（zuò）的選區激光燒結（簡稱 SLS ）方（fāng）法（fǎ）。

選區激光燒結( Sel ect i ve LaserSi nt eri ng，SLS)是（shì）利用紅外激光光束所提供的熱（rè）量熔化熱塑（sù）性材料以形成三維零件。

選區激（jī）光燒結的原（yuán）理如圖 1 所示。加工開始時先將一（yī）層（céng）很薄( 100 μm ~ 250 μm )的熱塑（sù）性粉末均勻地鋪在工（gōng）作平台上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫（wēn）度，在均勻的粉（fěn）末表麵，計算機控製激光按照零件當（dāng）前層的信息掃描，激光掃描到的地（dì）方（fāng）粉末燒結形成固（gù）體，激光未掃描到的地方仍（réng）是粉（fěn）末，可以（yǐ）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型活（huó）塞下降（jiàng）一層，供粉（fěn）活塞上升，用鋪粉（fěn）滾筒將（jiāng）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。不斷重複這個輔粉和選區燒結過程（chéng）直到（dào）最後一層，一（yī）個三維實體就製（zhì）作出來了。

選區激光燒結的最大特點：一是成型過（guò）程（chéng）與複雜程度無關，因此特別適合於內部結構極其複雜的發（fā）動機缸體、缸蓋、進排氣管等部件；另一個重要的特點（diǎn）是成型材料廣泛（fàn），特別是可以用鑄造的樹脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可（kě）以通過與鑄造技術結合，快速鑄造（zào）出發動機的部件。

2 快速鑄造技術

快速鑄造（Qui ck Cast i ng 或 Rapi d Cast i ng ）技術是將快速成（chéng）型與傳（chuán）統鑄（zhù）造技術有效（xiào）結合快速製造複雜金屬零件的技術。發動機的缸體、缸頭一般都（dōu）是鑄造產（chǎn）品，利用快速鑄造技（jì）術可以在很短時間內得到與最終產品材料一致、性能接近的發動機產品供測（cè）試與檢驗。

快速鑄造的工藝流程如圖 2 所示，利（lì）用選區激光燒結實現快速鑄造的途徑有二條：一種是通過激光（guāng）直接燒結鑄造用熱固（gù）化（huà）樹脂砂，再通過砂型鑄造得到鑄（zhù）件；另（lìng）一種方法是（shì）用激光直接燒結可消失的樹脂粉末或（huò）蠟粉，再通過精密鑄（zhù）造工藝得到鑄件。這兩種（zhǒng）方法的共同特點都是省略了模具製造。因此，如果用於單件或小批量的生產，生產周期大大縮短了。用快（kuài）速成型的方法製作砂型，首先要（yào）根據零件的三維 CAD 毛坯模（mó）型設計出組合砂（shā）型模（mó）型。為了與後續的批量生產工藝靠（kào）近，砂型模型應盡量與通過模具（jù）製（zhì）作的砂型模型保持一致，將（jiāng）砂型模型的各部（bù）分經過軟件的分層處理轉換（huàn）為快速成型設備的加工文件，就可以進行激光（guāng）燒結成型了。

圖 3 是激光燒結成型的一個複雜砂型。成型用的樹脂砂與通（tōng）常（cháng）使用（yòng）的熱固化樹脂砂極（jí）為相似，隻不過對砂的粒徑（jìng）分布和形態，樹脂成分及表麵處理（lǐ）等方麵有更嚴格的指標。成型時的層厚一般（bān）為 0. 2 m m ，精度可控製在（zài）0. 25 m m 以內。由於激光（guāng）掃描的速度很快，樹（shù）脂（zhī）在成型時不能（néng）達到完（wán）全固化。成型後將未燒結的浮砂清除後，砂型一般要放到加熱箱中進行二次固化。經二次固化後的砂型可達到與射芯機製得的砂（shā）型相同的性能。由於發動機（jī）的部（bù）件大多采用砂型鑄造，因此快速砂型鑄造已成為發動機樣機試（shì）製的最常用和最有效（xiào）的方法。

采用熔模（mó）快速鑄（zhù）造的（de）方法（fǎ）是用 50 ~ 80 μm 的可消失樹脂粉末或蠟粉為原料，將零件的三維（wéi） CAD毛坯（pī）模型直接進行分層處理後（hòu），用激光將粉末直接逐層燒結成與（yǔ）零件毛坯一致的精密熔模，再將熔模直（zhí）接通過石膏型或（huò）陶瓷型殼鑄造得到所需（xū）要的鑄件。采用（yòng）快速精密鑄造製作的零件表麵（miàn）質量好，精度高，不需要設計砂型模型等步驟，工藝過程相對（duì）簡單。同時由於零件毛坯的體積往往小於砂型的（de）體積，因此用 SLS 直接成（chéng）型熔模較之成型砂型速度更快，成本（běn）相對更低。但是熔模鑄造一般比較適合於薄壁零件，對於厚壁零件往往因冷卻速度慢導（dǎo）致出現縮鬆等鑄造缺陷，因此（cǐ）這種方法在發動機部（bù）件的（de）製作中一般用於進排氣管等相對壁厚較薄的零件，圖 4 是用可（kě）消失樹（shù）脂粉直接燒（shāo）結成型的發動機進氣管的（de）鑄造熔模。

3 應用實（shí）例

鋁合金進氣（qì）管零（líng）件的快速製造。從收到零件的三維 CAD 數據到（dào）毛坯（pī）完成僅 10 天時間，其中零件熔模的快速成（chéng）型 1 天，熔（róng）模鑄造 7 天，其（qí）他後處（chù）理及檢驗 2 天。進（jìn）氣道是發動機極（jí）其重要的組成部分，由複雜的自由曲麵構成，其對提高進氣效率，改善燃（rán）燒（shāo）過程有十（shí）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案進行氣道試驗。傳（chuán）統的方法是加工出十幾個或幾十個截（jié）麵的（de）氣道木模或石膏模，再翻製成砂模鑄造出氣道。對氣道進行試驗找出不（bú）足後，還要重新（xīn）修改（gǎi）模型。如此反複，費時費力（lì），而且精度難以保證。采（cǎi）用快速成型方法，可一次性地提供一組（zǔ）不同曲麵的 CAD 數據，通過快速鑄造，同時得（dé）到一組（zǔ）進氣管（guǎn）零件。經過測試（shì），得到一組不同（tóng）氣道結構的全麵的數據，從而（ér）篩選出最佳的氣道方案，加快了研製速度，如圖 5 所示。

相對於（yú）小型船舶（bó）進氣管，發動機的缸體和缸蓋結構更為複雜，但是快速成型（xíng）的最大優點就是與複雜（zá）程度無關，越複雜的零（líng）件越適（shì）合快速成型製作。由於缸體、缸蓋的內部結構複雜且壁厚相對較厚，製作這些零件的最佳方法是快速砂型鑄造。圖 6 是用快速砂型鑄造獲得的一組缸體和缸蓋的鋁鑄件。此類零（líng）件的製作周期平均約 2 ~ 3 周。由於鑄造工藝與最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精（jīng）度和（hé）機械性能與最終產品零件具有很強的可比性。因此（cǐ），快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用於發動機的各種評價試驗，如對氣道（dào）進行（háng）流動分（fèn）析，對水道進行冷卻性能測（cè）試。

4 結束語

快速成型與鑄造技術結合（hé），衍生出快速鑄造技（jì）術，其工（gōng）藝特征是簡捷、準確、可靠（kào）和具有延（yán）展性，可有效地應用於發（fā）動機設計開發階段（duàn）中樣機（jī）的快速製造。其適合單件和小批量試製和生產的特點，可（kě）迅速響應市（shì）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。其成型工藝過程的可控（kòng）性，可在設計開發階段低成本地即（jí）時修改，以便檢驗設計或提供裝配模型，其有助於提高產品的開發品質，其快速成型原材料的多元性，為產品（pǐn）開發階段（duàn）提供了不同（tóng）地工（gōng）藝組合，由於 SLS 原（yuán）材料（liào）的國產化和成型工藝可與傳統工藝（yì）有機結合（hé），有助於（yú）降低開發成本，其組合工藝的快捷性，支持產品更新換代（dài）頻次（cì）的提高，有助於推動（dòng）產品早日進入市場。

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