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船舶發動機的快速成型（xíng）與快速製造技術

2015-2-16 來源（yuán）：數控機床（chuáng）市場網作者：廣東交通職業技術學院鍾更進

摘（zhāi）要： 介紹了快速成型（xíng）技術的發展現狀及其在船舶發動機製造中的應用，以 SLS 技術為例，係統的闡述了應用快速成型技術製造船舶發動機零件的全過程，說明了該技術適合單件（jiàn）和小批量試製和生產的特點（diǎn），可迅速響應市場和提供（gòng）小批量（liàng）產品進行檢測和試驗，有助於（yú）保（bǎo）證產品（pǐn）開發速度，提高產品的開發質量，降（jiàng）低開發成本，提高產品更新（xīn）換代的頻次（cì）。

關鍵詞：船舶；發動機；快速製造

快（kuài）速成型( Rapi d Prot ot ypi ng, 簡稱（chēng） RP) 技術是 20 世紀 80 年代後期發展起來的,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（gōng）司率先推出了稱為St ereol i t hography Apparat us （簡稱 SLA）的激光快速成型製造係（xì）統（tǒng），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（zhǔ）導地位，德國（guó）、以色（sè）列、日本也處於國際領先水平（píng）。在 RP 領域國內有清華大（dà）學、西安交通大學、南（nán）京航空航天大學、華中科技大學，北京隆源公司等。

隨著小型船舶產品更新換代節奏的（de）加快，對小（xiǎo）型船舶發動機新品的研發速度要求越（yuè）來（lái）越高。市場競爭的愈演愈烈也急迫地要（yào）求開（kāi）發商和製造（zào）商對（duì）其成本和質量進行有效地管控，這就把許（xǔ）多麵臨地問題歸（guī）結到（dào）製造技術和先進的工藝上來。發動機（jī）本身的結構十分複雜，包括大量複雜的鑄件、鍛壓件等等，在發動機的開（kāi）發過程中各種零（líng）件模具的製造都是（shì）生產（chǎn）周期最長，花費最多的（de）環節之（zhī）一。如果一旦發生設計更（gèng）改必須進行修模甚至重新製作模具，這使得（dé）一款（kuǎn）新發動（dòng）機（jī）的推出往往周期很長。

采用快速成型方（fāng）法生產（chǎn）發動機樣（yàng）機省略了製作模具的工序（xù），使發動機的研製周期大大縮短，一（yī）套發動機的主要部件，包括（kuò）缸體（tǐ）、缸頭（tóu）、進（jìn）排氣管（guǎn）等在（zài）幾周內就可製造完成，用於後期的試驗（yàn）研究，如果設計需要更改，隻需更改 CAD 數據，在很短的時間（jiān）內就可製作出修改後樣機，進行進一步的試驗評定。

1 快速成型技術

RP 技術基本原理：離散—堆積（疊加）。

快（kuài）速成型的基本原理是離散疊加製造，一個（gè）零件不管其外形和內腔是（shì）多麽複雜，都可以用一組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零件模（mó）型，用不同的使能技術將這（zhè）些薄切片逐層製作，同時使這些薄片按照一定的規則堆積起來（lái）就可以（yǐ）得到一個完整的（de）零件（jiàn）。目前成熟的快速成（chéng）型技術有很多，這裏僅介紹最適於（yú）發動機部件製作的選區激（jī）光燒結（簡稱 SLS ）方法。

選區激光燒結( Sel ect i ve LaserSi nt eri ng，SLS)是利用（yòng）紅外激光光（guāng）束所提供的熱量熔化熱塑性材料（liào）以形成（chéng）三維零件（jiàn）。

選區激光燒結的原理如圖 1 所示。加工開始時先將一層很薄( 100 μm ~ 250 μm )的熱塑（sù）性粉末均勻地鋪在工作（zuò）平台上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫度，在（zài）均（jun1）勻（yún）的粉末表麵，計算機控製激光按照零件當前層的信息掃描，激（jī）光掃（sǎo）描到的地方粉末燒（shāo）結形成固體，激光（guāng）未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一（yī）層的支撐並能在成型完成後去除。上一（yī）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（cóng）供粉活塞移到成型活塞，將粉體鋪平後即可掃描下一層（céng）。不斷重複這個輔粉和選區燒結過程直到最後一層，一（yī）個三維實體就製作出來了。

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

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）型與傳統鑄造技（jì）術有效結合快速製造複雜金屬零件的技（jì）術（shù）。發動機的（de）缸體、缸頭一般都是鑄造產品（pǐn），利用快速鑄造技術可以在很短時間內得到與最終產（chǎn）品材料一致、性能接近（jìn）的發動機產品供（gòng）測試與（yǔ）檢驗。

快速鑄造的工藝流程如圖 2 所示，利用選區激光燒結實現快速（sù）鑄造的途徑有二條（tiáo）：一種是通過激光（guāng）直接燒（shāo）結鑄造用熱固化樹脂砂，再通過砂型鑄造得到（dào）鑄件；另一種方法（fǎ）是用激（jī）光直接燒結可消失的（de）樹脂粉末或（huò）蠟粉（fěn），再（zài）通過精密鑄造工藝得到鑄件。這兩種方法的共同特點都是省略了模具製造。因此，如果用於（yú）單件或（huò）小批量的生產，生產周期大大縮短了。用快速成型的方（fāng）法製作（zuò）砂型（xíng），首先要根據零件的三維 CAD 毛坯模型設計出組（zǔ）合砂型模型。為了與後續的批量生產工藝（yì）靠近，砂型模型應盡（jìn）量與通過模具製作的砂型模型保（bǎo）持一致，將砂型模型的各部分經過軟件的分（fèn）層處理轉換（huàn）為快速成型（xíng）設備的加工文件，就可以進行（háng）激光燒結成型了。

圖（tú） 3 是激光（guāng）燒結成型（xíng）的一個複雜砂型。成型用的（de）樹脂砂與通常使用的熱固化樹脂砂極為相似，隻不過對砂的粒徑（jìng）分布和（hé）形態，樹脂成分及表麵處理等（děng）方麵有更嚴格的（de）指標。成型時的（de）層厚一（yī）般為 0. 2 m m ，精度可控製在0. 25 m m 以內。由於（yú）激光掃描的速度很快，樹脂（zhī）在成型時不能達到完全固化。成型後將未（wèi）燒結的浮（fú）砂清除後，砂型一般要放（fàng）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（jī）製得的砂型相同的性能。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成為發動機樣機試製的（de）最常用和最有效的方法。

采（cǎi）用熔模快速鑄造的方法是用 50 ~ 80 μm 的可消失樹脂粉末或蠟粉為原料，將零件的三維 CAD毛坯模型直接進行分層處理後，用（yòng）激光將粉末直接逐層燒結成與零件毛坯一致的精密熔模，再將（jiāng）熔模直接通過石膏型或陶瓷型殼鑄造得到所（suǒ）需要的（de）鑄件。采用快速精密鑄造製（zhì）作的零件表麵質量好，精度高，不需要設計砂型模型（xíng）等步驟（zhòu），工藝過程相對簡單。同（tóng）時由於零件毛坯的體積往往小於砂型的體積，因此用 SLS 直接成型熔模較之成型砂型速度更快，成本（běn）相對更低。但（dàn）是熔模鑄造一般比較適合於薄壁零件，對於厚壁（bì）零（líng）件往往因冷（lěng）卻速度慢導致出現縮鬆等鑄造缺陷，因此這種方法在發動機部件的（de）製作中一般用於進排氣管等相對壁厚較（jiào）薄（báo）的零件，圖（tú） 4 是用可消失樹脂粉直接燒結成（chéng）型的發動機進氣管的鑄造熔模。

3 應用實例

鋁合金進氣管零件的快速製造（zào）。從收到零件的三維 CAD 數據到毛坯完成僅 10 天時（shí）間，其中零件熔（róng）模的（de）快速成型 1 天（tiān），熔模鑄造 7 天，其他後處理（lǐ）及檢驗 2 天。進氣道是發動（dòng）機極其（qí）重要的組成部分，由複雜（zá）的自由（yóu）曲麵構成，其對提高進氣（qì）效率，改善燃燒過程有十分重要的影響。在發動（dòng）機的設計過程中，需要對不同的進氣道方案進（jìn）行氣道試驗。傳統的方法（fǎ）是加工出（chū）十幾個（gè）或（huò）幾十個截（jié）麵的氣道木模或（huò）石（shí）膏模，再翻製成（chéng）砂模（mó）鑄（zhù）造出氣道。對氣道進行試驗找出不足後，還要重新修改模（mó）型。如此反複，費時費力，而（ér）且精（jīng）度難以保證。采用快速成型（xíng）方法，可一次性（xìng）地提供一組不同（tóng）曲麵的 CAD 數據，通過快速鑄造，同時得（dé）到（dào）一組進氣管零件。經過測試，得（dé）到一組不同氣道結構的全麵的數據，從而篩選出最佳的氣道方（fāng）案，加快了研製速度，如圖 5 所示（shì）。

相對於小（xiǎo）型船舶進氣管，發（fā）動機的缸體和缸蓋結（jié）構更為複（fù）雜，但是快速成（chéng）型的最大優點就是與複雜程度（dù）無關，越複雜的零件越適合快速成型（xíng）製作。由於缸體、缸蓋的（de）內部（bù）結構複雜且（qiě）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（sù）砂（shā）型鑄造獲得（dé）的一組缸體（tǐ）和缸蓋的鋁鑄件。此類零件（jiàn）的製作周期平均約 2 ~ 3 周。由於鑄造（zào）工藝（yì）與（yǔ）最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精度和機械性能與最終產品（pǐn）零件具有很強的可（kě）比性。因（yīn）此，快速砂（shā）型鑄造（zào）的缸體缸蓋可直接用於（yú）發動機的各種評價試驗，如對氣道進行流動分析，對水道進行冷卻性能測試。

4 結束語

快（kuài）速成型與鑄造技術結合，衍生出（chū）快（kuài）速鑄造技（jì）術，其工藝特征是簡捷、準確、可（kě）靠和具有延（yán）展性，可有效地應用於發動機設計開發（fā）階段中樣機的快速製（zhì）造。其（qí）適合單件和小批量試製和（hé）生產的特點，可迅速響應市場（chǎng）和提供小批（pī）量（liàng）產品進行檢測和試驗，有助於保證（zhèng）產品開（kāi）發速度。其成型工藝過程的可控性，可在設計開發階段低成本地即時修改，以便檢驗（yàn）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（de）多元性，為產品開發階段提供（gòng）了不同地（dì）工藝組合，由（yóu）於 SLS 原材料的國產化和成型工（gōng）藝可與傳統工藝有機結合，有助（zhù）於降低開發成本，其組合工藝的快捷（jié）性，支持產（chǎn）品更新（xīn）換代頻次的提高（gāo），有助於推動產品（pǐn）早日進入市場。

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