汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析

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1、汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析 汽車發(fā)動機連桿激光3D打印工藝分析 2017/06/28 《激光與紅外》2017年第5期 摘要：為了研究汽車發(fā)動機連桿激光3-D打印制造工藝，采用連桿打印試驗的方法，建立了連桿3-D數(shù)據(jù)模型，進行分層切片處理，掃描S型掃描和輪廓偏移規(guī)劃兩種連桿加工路徑。選用鐵基合金粉末以及相應的工藝參數(shù)，在激光3-D打印系統(tǒng)中進行連桿打印試驗，掃描單層軌跡用時4min30s~4min56s，總用時4h20min。結果表明，連桿成形

2、區(qū)底部的金相組織主要是柱狀晶和樹枝晶，中上部是細小的等軸晶，層間致密搭接，形成良好的冶金結合；成形連桿顯微硬度為450~490HV，屈服強度為754MPa，抗拉強度為1189MPa，延伸率為9%。連桿激光3-D打印成形制坯相比于鍛造、粉鍛制造工藝，減少了工裝成本支出并縮短了生產準備工時，其屈服強度、抗拉強度等力學性能超過鋼鍛連桿，與國外粉鍛連桿相比差別不大，能滿足連桿制坯要求。 關鍵詞：激光技術；發(fā)動機連桿；3-D打印；工藝研究；試驗 引言 連桿是活塞式內燃機傳遞動力和轉換運動的核心零件，連桿在工作中承受著氣體壓力、往復慣性力等大小、方向周期性變

3、化的交變載荷，因此成形連桿的尺寸精度和機械性能要求極高。目前，國內外大量使用的發(fā)動機連桿主要采用模鍛錘、熱模鍛壓力機、電液錘等設備模鍛成形，美國、德國和日本也有采用粉末鍛造工藝批量生產連桿并實現(xiàn)裝機[1]。然而，汽車行業(yè)競爭的日益激烈要求了汽車包括內燃機技術的快速升級換代，但由于連桿模鍛和粉鍛工藝中長達數(shù)月的模具研制周期以及模具使用的高損耗，都在一定程度上阻礙了內燃機樣機的開發(fā)速度。激光3D打印技術是在基于快速原型技術的基礎上結合自動送粉、激光熔覆所發(fā)展起來的一種快速制造技術[2]，通過計算機輔助設計軟件（CAD-ComputerAidedDesign，CAD）設計模型采用材料逐層堆積的原理成

4、形實體零件。與傳統(tǒng)模鍛、粉末鍛造工藝相比，激光3D打印具有的無模具、短周期以及快速響應能力將更適于技術快速換代的多品種、變批量零件加工。 激光3D打印直接成形金屬零件實現(xiàn)了形狀、尺寸接近或等同成品，能夠有效減少后續(xù)機械加工工序和加工量。目前國內外眾多學者對變徑回轉體模型[3-4]、薄壁結構模型[5-6]的激光3D打印成形工藝參數(shù)控制，以及采用不同粉末配方的激光熔覆層顯微組織和性能[7-11]進行了大量的研究。在金屬零件激光直接快速成形方面，北京航空航天大學制造出了TA15、TC18、TC21等鈦合金材料的飛機大型整體主承力構件以及A100等超高強度鋼飛機起落架關鍵構件[12]，

5、西安交通大學對激光熔化鎳基合金的沉積凝固過程進行了長期研究，并制造出高尺寸精度和高表面質量的空心葉輪樣件[13]。目前，金屬零件激光直接快速成形的研究主要集中于航天、航空、石油、船舶等現(xiàn)代化高端裝備的高性能大型金屬構件的生產制造[12]。在汽車金屬零部件制造領域，激光3D打印技術應用較少。本文選取汽車發(fā)動機連桿，建立了連桿激光3D打印數(shù)據(jù)模型，并采用該模型在激光3D打印系統(tǒng)中實現(xiàn)成形，并分析了3D打印成形連桿不同截面的微觀組織和顯微硬度分布。 1連桿激光3D打印模型 根據(jù)某普及型轎車發(fā)動機連桿設計參數(shù)，建立圖1（a）所示的三維模型并轉化為三角形網(wǎng)格（STereo

6、Lithography，STL）文件格式，利用三角形面片表征連桿實體模型表面輪廓，生成三角形面片單元776個，三角形頂點2328個。識別連桿模型特征截面及特征線進行分層切片處理，確定模型內外輪廓尺寸，補償激光3D打印系統(tǒng)采用的直徑1mm圓形激光光斑，連桿模型分層切片結果如圖1（b）所示。單一片層成形過程就是對內外輪廓線包絡區(qū)域掃描填充的過程。根據(jù)連桿結構特點，采用如圖2（a）所示的S型掃描和圖（b）所示的輪廓偏移掃描。S型掃描是采用等間距平行線往復掃描的方式填充輪廓內部區(qū)域；輪廓偏移掃描是將單一片層內外輪廓線向實體內部等距偏移并逐段連接，從而形成填充線。激光3D打印模型的分層切片高度和填充路徑

7、間距等參數(shù)是由連桿的設計尺寸（圖3）和3D打印系統(tǒng)工藝實驗決定。連桿3D打印模型切片高度為0.3mm，單層等距掃描，規(guī)劃S型掃描和輪廓偏移掃描填充路徑如圖4所示。掃描路徑坐標點不能直接輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器執(zhí)行，將路徑代碼與激光功率、掃描速度、送粉速率等相關工藝參數(shù)進行組合后輸出控制文件。 2連桿激光3D打印工藝試驗 2.1試驗材料 試驗基體為尺寸300mm200mm20mm的板材，表面進行打磨處理以減少激光反射，粉末選用JG-3型Fe基合金粉末。 2.2試驗設備 主要作用是控制加工系統(tǒng)的運動軌跡、激光功率、送

8、粉速率以及監(jiān)控激光實際功率、冷卻水溫度等各項指標；圖（c）為三軸式數(shù)控工作臺，采用廣州數(shù)控GSK980MDc加工設備，配以激光發(fā)射器、光外側向同軸送粉頭等裝置；圖（d）為YFL1000-CS大功率光纖激光器，激光束通過光學元件擴束、聚焦，在加工表面形成直徑1mm的圓形光斑；圖（e）為載氣式送粉裝置，圖（f）為循環(huán)水冷裝置。 2.3工藝參數(shù) 連桿模型的加工軌跡規(guī)劃形成了兩種掃描路徑，S型掃描形成的填充線運行軌跡簡單，但由于激光熔化金屬粉末快速凝固形成橢圓形熔道，片層內單一方向熔道多次搭接會直接影響成形件的徑向力學性能，并且填充線方向相同會引起收縮方向應力一致，導致

9、表面翹曲程度增加，甚至在填充線方向突變處出現(xiàn)“結瘤”現(xiàn)象，從而影響成形件的成形精度和表面光滑度。輪廓偏移填充線的掃描方向不斷變化，成形區(qū)域內應力發(fā)散，能有效減小收縮率，而且成形件內外表面輪廓線是一條完整的封閉曲線，以模型主要尺寸確定的內外輪廓向成形件內部等距偏置規(guī)劃填充路徑，能提高成形件的尺寸精度，減少后續(xù)加工余量。試驗選取連桿輪廓偏移掃描路徑。試驗表明，激光功率、送粉速率和掃描速度等工藝參數(shù)對熔池形貌以及性能有顯著影響[14-15]。多道搭接熔覆過程中，每道熔覆層相互影響，熔覆層及其整體內部的應力狀態(tài)相對復雜[16]。結合激光3D打印系統(tǒng)的單道熔覆實驗數(shù)據(jù)及相關結論。 2.4

10、試驗過程及結果 按照確定的工藝方案，將加工路徑與工藝參數(shù)組合生成控制文件，輸入激光3D打印系統(tǒng)控制器。試驗前對基板進行預熱，減小初始打印過程中熔覆層與基板間的溫度梯度，完成對刀后啟動控制程序打印發(fā)動機連桿。圖6（a）~（c）為激光3D打印連桿不同時刻的形貌，隨著加工過程的推進，連桿片層不斷堆積，成形高度增大，整體三維結構逐漸顯現(xiàn)。圖6（d）為激光3D打印連桿，激光掃描單層軌跡用時為4min30s~4min56s，連桿毛坯模型總層數(shù)為50層，打印總用時4h20min。 3成形連桿性能分析 3.1試樣的選取制備 連桿打印成形后，根據(jù)連

11、桿不同工況下受力狀況的理論分析確定危險截面，選取如圖7a所示的連桿大頭截面A-A、B-B、E-E，連桿桿身截面C-C、D-D，以及連桿小頭截面E-E制備試樣，采用電火花線切割切取表面積10mm10mm的試樣進行組織結構與性能分析。選用粒度由小到大的金相砂紙進行打磨，然后在金相研磨機上用拋光劑對試樣表面進行拋光，采用HV-1000A顯微硬度計測試其維氏硬度，加載壓力500g，保持時間5s。拋光后的金相試樣用現(xiàn)配王水（鹽酸和硝酸按照3：1比例混合物）進行金相腐蝕，然后立即用水沖洗、無水乙醇洗凈、吹風機吹干，采用金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織形貌。在桿身處制備室溫拉伸試樣（GB/T228.1-2010

12、），取樣位置如圖7a所示，試樣標距L0=8mm。用Reger電子萬能試驗機進行室溫拉伸實驗，拉伸時加載變形速率為0.5mm/min。 3.2試樣截面微觀組織及其成因 激光3D打印過程熔池內傳熱、傳質情況復雜，同時還伴隨著組織相變的發(fā)生。圖7b為低倍鏡下連桿截面試樣的微觀形貌，可以看出，層內、層間熔道相互致密搭接，形成良好的冶金結合。圖中部分區(qū)域存在少量氣孔，產生的原因主要是合金粉末在激光加工前氧化、受潮或者有的元素在高溫下發(fā)生氧化反應，多道搭接過程的搭接率等工藝參數(shù)設置不合理也會導致孔洞的產生。為了提高成形連桿質量，可以采取的工藝措施有優(yōu)化激光加工系統(tǒng)，設置保護

13、氣氛，粉末輸送前烘干去濕。圖7c為連桿截面試樣底部的金相組織，可以看出靠近基體的底部組織為柱狀晶，且生長方向與基體結合面垂直。由金屬凝固理論可知，溫度梯度與凝固速率的比值G/R決定凝固組織的形貌[17]。連桿堆積初始基體材料溫度較低，熔池主要依靠基體傳導散熱，熔池與基體之間的界面結合處存在較大的正溫度梯度G，并且溫度梯度和主熱流方向主要沿沉積方向，即垂直于基體結合面，晶粒長大過程中，與主熱流方向偏差較大的晶粒被淘汰。圖7d為連桿截面試樣中部的金相組織，可以看出底層中部組織為垂直于基體結合面方向的樹枝晶，由于Fe基合金粉末熔化凝固過程中各種成分的凝固點不同，熔點高的溶質元素先凝固，凝固過程伴隨著

14、固液界面前沿溶質的再分配，溶質濃度發(fā)生變化導致金屬液體凝固溫度的改變，即成分過冷。隨著距固液界面的距離增大，溫度梯度G減小，成分過冷增大，在連桿截面中部形成樹枝晶組織。圖7e為連桿截面試樣中上部的金相組織，為細小的等軸晶。連桿多層堆積成形的部分已經具有了較高的溫度，并且在連桿成形上部，熱量通過熱傳導、熱輻射以及空氣對流等多種方式散發(fā)，溫度梯度與凝固速率的比值G/R逐漸減小，成分過冷極大，在固液界面前沿生成許多沿各個方向生長的晶核，晶粒自由生長形成細小的等軸晶。由于成分及組織分布不均會在熔覆層內部形成組織應力和相變應力，影響成形連桿質量，在后續(xù)工序中會配套相應的熱處理工藝，消除內應力。

15、 3.3力學性能 對成形連桿不同截面試樣的分層高度方向上和單層軌跡內取點測試了維氏硬度，以結合面中心為原點，沿縱向和橫向每間隔0.5mm選取有限個點，硬度分布曲線如圖8所示?？芍?，顯微硬度從結合區(qū)-連桿打印區(qū)呈梯度分布，結合區(qū)顯微硬度較低，F(xiàn)e基合金粉末中添加了大量Cr、Si等元素，激光加熱熔化合金粉末生成金屬化合物，進入熔池迅速擴散并凝固形成硬質點，造成連桿打印區(qū)顯微硬度大幅度提高。連桿打印區(qū)的顯微硬度由低到高、再由高到低不斷變化，是由于在激光按照加工軌跡成形每一層時，使已經凝固成形的上一層熔池發(fā)生部分重熔，相互間形成冶金結合，成形部分熱傳導使縱向上分別形成回火區(qū)和重熔

16、區(qū)，顯微硬度逐漸降低。單層軌跡內顯微硬度值變化不大、較為均勻，穩(wěn)定在450~490HV。由于激光3D打印成形精度較高，其形狀、尺寸接近成形連桿，配套后續(xù)銑削、磨削等機械加工工序，提高連桿的幾何精度和表面質量。目前，以超細晶粒硬質合金為基體的涂層刀具的銑削硬度可達510HV[18]，且成本較低，采用高速銑削工藝能夠對激光3D打印連桿進行高效的后處理。室溫拉伸實驗結果表明，F(xiàn)e基粉末激光3D打印連桿的屈服強度為754MPa，抗拉強度為1189MPa，延伸率為9%。將獲得的激光3D打印連桿的硬度、拉伸性能與模鍛、粉鍛連桿的性能進行比較，如表3所示。連桿模鍛工藝常用材料有調質鋼40Cr、35CrMo，

17、非調質鋼36MnVS4、C70S6[19]；粉鍛工藝通常采用3Cu5C、3Cu6C、3Cu7C等Fe-C-Cu系合金粉末[20]?？梢钥闯觯現(xiàn)e基合金粉末激光3D打印連桿的硬度稍高，屈服強度、抗拉強度以及延伸率與3Cu7C粉末鍛造連桿相當。 4結論 （1）選用 Fe基合金粉末、激光功率1000W、掃描速度1000mm/min、送粉速率15g/min的工藝參數(shù)，采用輪廓偏移掃描規(guī)劃的連桿加工路徑，在激光3D打印系統(tǒng)中進行連桿激光3D打印試驗，得到成形連桿，掃描單層軌跡用時4min30s~4min56s，連桿激光3D打印成形總用時4h20min，相比

18、于鍛造、粉鍛制造工藝，減少了模具制造成本和周期。 （2）激光 3D打印成形連桿層間致密搭接，形成良好的冶金結合。連桿成形區(qū)底部由于與基體存在較大的溫度梯度，金相組織主要是柱狀晶，隨著距固液相的距離逐漸變大，溫度梯度減小，成分過冷增大，中部形成樹枝晶組織，連桿成形上部晶粒自由生長成細小的等軸晶。 （3）測試激光 3D打印連桿各方向的顯微硬度，由于激光成形過程中熔池重熔的原因，顯微硬度在分層方向上出現(xiàn)規(guī)律性波動。對比激光3D打印連桿與傳統(tǒng)制造工藝成形連桿的力學性能，發(fā)現(xiàn)其屈服強度、抗拉強度高于鋼鍛連桿，與粉鍛連桿相差不大。結果表明，激光3D打印連桿經過后續(xù)配套的銑削、磨削等機械加工工序后，提高成形連桿的幾何精度和表面質量，能達到連桿制造的要求。