一种气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构的制作方法

本实用新型涉及铸造技术领域，特别涉及一种借助3D打印成型工艺制作的气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构。

背景技术：

气缸盖是中速柴油发动机上的关键零部件之一，材质为HT300（合金），其结构如图1和图2所示，其内部型腔结构非常复杂，尤其进、排气道外壁为最小壁厚位置，壁厚仅为8mm。气缸盖铸件内部结构主要包括进气道、排气道、下水腔、侧水腔、喷油孔、四个螺栓孔4、铸件底部还有一个形状复杂的顶部凹陷部位1，铸件各方向的侧部有若干个向外侧不同方向和方位的外突部位,这些外突部位分别分布着进气道进口4，下水腔进口9，侧水腔进口8、下水腔出口5、侧水腔出口7，铸件底部分布有进气道出口10和排气道出口11。

现有技术中，气缸盖主要是采用手工造型铸造，内部复杂结构全部由形状复杂的砂芯拼接形成。气缸盖气道为空间曲面，水腔包裹在气道周围，形状呈空间多维曲面。由于铸件结构复杂，需要分成多个砂芯，砂芯形状复杂并且结构薄弱，制芯困难。对于水腔芯，砂芯还需在中间设置通气绳，以实现在浇注过程中及浇注后，给砂芯进行排气，其操作复杂，因此对制芯工人的技能要求极高。合箱下芯时，需要通过不断用专用卡板测量型腔尺寸，调整砂芯间隙，来实现气道和水腔的尺寸控制，操作繁琐，还需要制作专用卡板，一般需要由工作至少十年以上的老师傅才能完成。气缸盖成品铸件经常由于合箱过程中操作不当，出现夹杂物或者壁厚偏薄，最终铸件打压渗漏不合而报废，行业内铸件废品率平均达到20-40%。

随着3D打印的应用越来越普遍，目前也出现了采用3D打印技术生产砂型，砂型成形工艺的设计根据设计者的经验会有显著不同，甚至有个别制造企业直接采用手工模具生产的工艺来生产气缸盖铸件所用砂型、芯。申请号：201510163079.4，《柴油机缸盖的铸造砂芯》，设计为4块砂型（芯），其复合整体式砂芯集成底盘砂芯、进气道部、排气道部、上水套部、下水套部、挺杆孔部采用激光烧结成形方法，其他砂型基本上不包含铸件内部结构，全是简单形状，采用数字化无模成型机数铣加工出来，生产组织管理难度大，而且成形效率低。另外，其设计了数量众多清砂窗，还需要用专门的粘芯去密封，铸件底部会形成大量的批缝（飞边）。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中上述气缸盖铸件铸造工艺中砂芯数量多，结构复杂，制芯难度大，装配过程复杂并且组装精度难以控制等多方面问题，提供一种气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构，借助3D打印技术，将复杂的砂芯结构一体集成在上砂型和下砂型中，减少装配定位，简化装组过程，保证铸件壁厚尺寸均匀，质量稳定，提高铸造合格率。

为实现上述目的，本实用新型的一种气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构，包括3D打印而成的上砂型和下砂型，所述上砂型内包括有与砂型一体打印成型的顶面吊胎芯、喷油嘴芯、侧水腔芯和盖板芯，所述下砂型内包括有进气道芯、排气道芯、下水腔芯，四个螺栓孔芯和底板芯，所述上砂型和下砂型的分型面为便于观察砂型内部型腔部位的阶梯式分型面。

本实用新型的气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构，借助于3D打印整体成型砂型的技术，将将整体砂型分切为上砂型和下砂型，所述砂芯结构分别与上砂型和下砂型形成一体的砂型结构，即砂型内既形成铸件外形的轮廓，与形成了相应的砂芯结构，通过合理的设置阶梯式分型面，既便于合型操作，也减化合箱及夹固过程。本实用新型的结构完全颠覆了原有铸造砂型结构中砂芯和砂芯分别制作，再定位组芯合箱的砂型结构，，同时降低了砂型造型的难度，提高砂型精度，并且本实用新型上砂型和下砂型，在不同的制作批次中完全可以互换通用，减少废品率。

进一步的，所述阶梯式分型面包括包括水平方向从上向下的第一分型面、第二分型面和第三分型面，所述第一分型面从铸件上部侧突部位对应的一侧开始沿铸件上侧突部位中下部对应的水平方向分型，所述第二分型面分型沿铸件其它侧向突出的部位的合适位置剖切经过，所述第三分型面从远离第一分型面砂型的另一侧沿与铸件底面平齐的水平方向剖切至距铸件型腔侧向一定距离，所述第一分型面与第二分型面之间的竖向连接面一及第二分型面与第三分型面之间的竖向连接面二分别与水平成95°～105°角度，以便于形成一定的下芯斜度。

所述底板芯内设有横浇道和内浇道，所述上砂型内设有直浇道，所述内浇道的进液位置位于铸件底面，横浇道位于铸件底面的外侧，所述横浇道的顶面与铸件底面平齐，所述第三分型面从砂型外侧剖切并通过横浇道顶面使横浇道顶面打开，内浇道从进气道下侧对应的铸件侧向与铸件型腔连通，所述直浇道、横浇道和内浇道的截面积比为1:1.8-2.2:2.0-2.5。

为便于砂型的合箱定位，所述下砂型对应的第二分型面上，进气道芯向铸件进气口外侧延伸方向设有芯头一，所述上砂芯对应的第二分型面上，所述侧水腔芯向侧水腔的出口方向延伸设有芯头二，所述侧水腔芯向侧水腔进口方向外侧延伸设有芯砂三。

为保证砂芯结构的完整性，所述第一分型面与第二分型面之间的连接面一为有转折的竖向连接面使芯头二的整体被第二分型面完全剖切。

附图说明

图1为气缸盖铸件的结构示意图一。

图2为气缸盖铸件的结构示意图二。

图3为气缸盖铸件及铸造工艺三维建模图。

图4为气缸盖铸件内部砂芯的爆炸图。

图5为本实用新型的气缸盖铸件的下砂型结构示意图。

图6为本实用新型的气缸盖铸件的上砂型结构示意图。

图7为砂型合箱示意图。

图8为砂型合箱后的剖面示意图。

其中，1顶部凹陷部位；2进气道进口；3排气道进口；4螺栓孔；5下水腔出口； 6上部侧突部位；7侧水腔出口； 8侧水腔进口； 9下水腔进口；10 进气道出口；11排气道出口；12冒口；13排气段；14直浇道； 15横浇道；16内浇道； 17排气道芯； 18侧水腔芯； 19顶面吊胎芯；20喷油嘴芯； 21下水腔芯； 22螺栓孔芯；23进气道芯； 24下水腔芯；25下砂型；26上砂型；27夹具；28集砂陷阱。

具体实施方式

实施例1

如图5至图8所示，为本实用新型的气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构，包括3D打印而成的上砂型26和下砂型25，上砂型26内包括有与砂型一体打印成型的顶面吊胎芯19、喷油嘴芯20、侧水腔芯18和盖板芯，下砂型25内包括有进气道芯23、排气道芯17、下水腔芯21，四个螺栓孔芯22和底板芯，上砂型26和下砂型25的分型面为便于观察砂型内部型腔各部位的阶梯式分型面。

进一步的，本实用新型的阶梯式分型面包括包括水平方向从上向下的第一分型面25A、第二分型面25B和第三分型面25C，第一分型面25A从铸件上部侧突部位6对应的一侧开始沿铸件上侧突部位中下部对应的水平方向分型，第二分型面25B分型沿铸件其它侧向突出的部位的合适位置剖切经过，第三分型面25C从远离第一分型面砂型的另一侧沿与铸件底面平齐的水平方向剖切至距铸件型腔侧向一定距离，第一分型面25A与第二分型面25B之间的竖向连接面一25D及第二分型面25B与第三分型面25C之间的竖向连接面二25E分别与水平成95°～105°角度，以便于形成一定的下芯斜度。

本实用新型的浇注系统中底板芯内设有横浇道15和内浇道16，上砂型内设有直浇道14，内浇道14的进液位置位于铸件底面，横浇道15位于铸件底面的外侧，横浇道的15顶面与铸件底面平齐，第三分型面25C从砂型外侧剖切并通过横浇道15顶面使横浇道顶面打开，内浇道14从进气道下侧对应的铸件侧向与铸件型腔连通，直浇道14、横浇道15和内浇道16的截面积比为1:1.8-2.2:2.0-2.5。

为便于砂型的合箱定位，下砂型25对应的第二分型面25B上，进气道芯23向铸件进气口外侧延伸方向设有芯头一23A，上砂芯26对应的第二分型面上，侧水腔芯18向侧水腔的出口方向延伸设有芯头二18A，侧水腔芯18向侧水腔进口方向外侧延伸设有芯砂三18C。

为保证砂芯结构的完整性，所述第一分型面25A与第二分型面25B之间的连接面一25D为有转折的竖向连接面使芯头二18A的整体被第二分型面完全剖切。

本实用新型的气缸盖铸件的芯型一体式砂型结构，借助于3D打印整体成型砂型的技术，将将整体砂型分切为上砂型和下砂型，所述砂芯结构分别与上砂型和下砂型形成一体的砂型结构，即砂型内既形成铸件外形的轮廓，与形成了相应的砂芯结构，通过合理的设置阶梯式分型面，既便于合型操作，也减化合箱及夹固过程。本实用新型的结构完全颠覆了原有铸造砂型结构中砂芯和砂芯分别制作，再定位组芯合箱的砂型结构，，同时降低了砂型造型的难度，提高砂型精度，并且本实用新型上砂型和下砂型，在不同的制作批次中完全可以互换通用，减少废品率。

实施例2

如图3—图8所示，为图1—2中的气缸盖铸件的芯型一体式造型方法，包括如下步骤：

步骤一,在三维软件中三维建模气缸盖铸件的三维模型，在模型上进行铸造工工艺的三维设置，铸造工艺设计包括冒口设计、浇注系统设计和排气系统设计，如图3所示。其中，冒口设计时，在铸件顶面最大壁厚的部位分别设置两个高于铸件的冒口12，两个冒口12的补缩量为铸件体积的3%，两冒口向上设有一个公共的出气段13，出气段13下侧的反向伸延段设有集砂陷阱28，用于防止外部异物从排气口进行型腔造成铸件夹杂。本实用新型的冒口结构中，分段设置补缩段和共用的出气段，可以节约补缩液量，出气冒口部位设计集砂陷阱28，防止散砂进入型腔；除冒口公用的排气段外，根据需要在铸件顶部其它部位根据需要也适当设置其它的排气孔。浇注系统设计时采用底注式开放及比例浇注系统，浇注系统的进液位置位于铸件底面，具体包括从铸件外侧竖直延伸入铸件底侧的直浇道14，水平的横浇道15和内浇道16，直浇道14、横浇道15和内浇道16的截面积比为1:1.8-2.2:2.0-2.5，横浇道16位于铸件底面的外侧，横浇道16的顶面与铸件底面平齐。

步骤二，根据铸件的结构和铸造工艺结构，进行砂型三维设计，在三维软件中建一长方体砂坯，使三维铸造工艺的外围轮廓外周吃砂量为80-150mm，砂坯顶面比直浇道、出气冒口顶面低30-80mm，以整个三维铸造工艺作为刀具，与长方体砂坯求差，形成具有完整型腔的整体砂型。

步骤三，分析铸件结构及砂芯结构，通过上述步骤建模成型的整体砂型内除形成了铸件所有的外轮廓开腔外，砂型内还含有与砂型连接形成一体顶面吊胎芯19，喷油嘴芯20，侧水腔芯18，下水腔芯21、四个螺絟孔芯22，进气道芯17和排气道芯17等主体砂芯及其它连带部位的铺助芯。根据各砂芯在砂型内部的位置关系，对整体砂型进行阶梯式分型，将整体砂型分型为从分型面不同方位便于观察内部型腔各部位的上砂型26和下砂型25，，分型后的下砂型内包括有进气道芯23、排气道芯17、下水腔芯24，四个螺栓孔芯22和与砂坯一体的底板芯，底板芯内包括有浇注系统的横浇道15和内浇道16，并且形成铸件的底部的轮廓，上砂型26内包括铸件顶面凹陷部位1对应的的顶面吊胎芯19、喷油嘴芯20、侧水腔芯18和用于成形铸件顶部结构的盖板芯。上砂型26和下砂型25的分型面为阶梯状分型面，阶梯状分型面沿水平方向从上向下设有第一分型面25A、第二分型面25B和第三分型面25C，第一分型面25从铸件上部侧突部位6对应的一侧开始沿铸件上侧突部位中下部对应的水平方向分型，第二分型面25B沿铸件其它侧向突出的部位的合适位置剖切经过，确定第二分型面位置时，应使分型后的上砂型和下砂型沿分型面不同方位均能观察到砂型内部型腔的各部位，以方便砂型成型后内部清砂、施涂等的观察，另外，确定第二分型面时，还要兼顾在分型面的适当部位设置芯头，以便于砂型合箱时的定位，本实施例中，在下砂型中，将进气道芯23对应的进气口部位的上半部向铸件进气口外侧延伸形成半圆柱形芯头一23A，在上砂型中将侧水腔芯18向侧水腔的出口方向延伸形成芯头二18A，侧水腔芯18像侧水腔进口方向外侧延伸形成芯砂三18B，对应的上砂型26和下砂型25的相应部位分别设有与芯头的凸出部位配合的凹面配合部位。确定第三分型面25C时从远离第一分型面25A砂型的另一侧，也就是靠近横浇道的一侧的外侧沿与铸件底面平齐的水平方向剖切至距铸件型腔侧向一定距离，使第三分型面与横浇道顶面平齐，将横浇道顶部打开，以方便横浇道内砂料的清理；为使三个水平分型面合理过渡连接，第一分型面25A与第二分型面25B之间的通过竖向连接面一25D连接，第二分型面25B与第三分型面25C之间通过竖向连接面二25E连接，第三连接面和第三连接面分别与水平成95°～105°角度，以便于形成一定的下芯合箱斜度；另外，为保证芯头二结构的完整，因芯头二18A的伸出方向是斜向伸出的，第一分型面与第二分型面之间的连接面一为芯头二的伸出方向有一定角度的转折，其转折角度与芯对二的伸出方向一至并与芯头二保持适当的距离，这样可以保证芯头二的完整性，使芯头二整体分布在同一个砂型中。

步骤四，通过3D打印机整体打印成型上砂型26和下砂型25，在三维软件中利用缩放体命令将砂型的缩尺添加到砂型上，导出STL数据，按照打印层厚进行切片，将切片后的三维数据导入3D打印机，设置3D打印参数，分别打印上砂型26和下砂型25；

步骤五，将打印后的上砂型和下砂型清砂，清砂后的下砂型如图5所示，上砂型如图6所示，可以分型面各合适的方位和角度观察砂型内部各处的型腔轮廓和砂芯轮廓，然后进行各砂型的施涂、烘干、烘干后将上砂型26和下砂型25合箱，合箱后的整体砂型外部通过夹具装卡夹紧固定。即完成本实施例的气缸盖铸件的芯型一体式造型。

本实用新型的上述气缸盖铸件的芯型一体式造型方法中，对铸件内部腔道结构分析，进气道和排气道分别有两个呈“人”字形的腔道，从进口端向出口端由一个进口分别向底侧分支为两个出口，下水腔包裹进气和排气道，在整机运行时，对进气道和排气道（内部有高温气体）进行冷却，侧水腔与喷油孔连通；下水腔、侧水腔彼此不连通；四个螺栓孔两端头加工，但中间段为毛面直接铸造成型后两端再精加工；根据上述结构特点，在通过三维建模铸件及铸造工艺结构，并在三维软件中通过满足铸造要求尺寸在砂坯进行求差，以形成整体的砂型，一次性通过软件系统生成铸件所需要型腔、砂芯及铸造工艺的复杂结构，免除了铸型、制芯、组芯等复杂的传统过程；然后根据铸件内部结构对整体砂型通过三维软件直接进行阶梯式剖切，将整体砂型分切为上砂型和下砂型，所述砂芯结构分别与上砂型和下砂型形成一体的砂型结构，即砂型内既形成铸件外形的轮廓，与形成了相应的砂芯结构，通过合理的设备阶梯式分型面，既便于合型操作，也减化合箱及夹固过程。三维设备好砂型后，只需将上砂型、下砂型的三维数据导入3D砂型打印机，设置好打印参数，启动打印机，即可完成上砂型、下砂型的3D打印成形，完全替代原来的造型、制芯工序，同时降低了砂型造型的难度，提高砂型精度，并且通过本实用新型的方法制作的各上砂型和下砂型，在不同的制作批次中完全可以互换通用，减少废品率。