[发明专利]汽车发动机连杆激光3D打印工艺

说明书

本发明公开了一种汽车发动机连杆激光3D打印工艺，采用连杆打印试验的方法，建立了连杆3‑D数据模型，进行分层切片处理，扫描S型扫描和轮廓偏移规划两种连杆加工路径；选用铁基合金粉末以及相应的工艺参数，在激光3‑D打印系统中进行连杆打印试验，扫描单层轨迹用时4min30s～4min56s，总用时4h20min。结果表明，连杆成形区底部的金相组织主要是柱状晶和树枝晶，中上部是细小的等轴晶，层间致密搭接，形成良好的冶金结合；成形连杆显微硬度为450～490HV，屈服强度为754MPa，抗拉强度为1189MPa，延伸率为9％。连杆激光3‑D打印成形制坯相比于锻造、粉锻制造工艺。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及汽车发动机连杆激光3D打印工艺。

背景技术

连杆是活塞式内燃机传递动力和转换运动的核心零件，连杆在工作中承受着气体压力、往复惯性力等大小、方向周期性变化的交变载荷，因此成形连杆的尺寸精度和机械性能要求极高。目前，国内外大量使用的发动机连杆主要采用模锻锤、热模锻压力机、电液锤等设备模锻成形，美国、德国和日本也有采用粉末锻造工艺批量生产连杆并实现装机。然而，汽车行业竞争的日益激烈要求了汽车包括内燃机技术的快速升级换代，但由于连杆模锻和粉锻工艺中长达数月的模具研制周期以及模具使用的高损耗，都在一定程度上阻碍了内燃机样机的开发速度。激光3D打印技术是在基于快速原型技术的基础上结合自动送粉、激光熔覆所发展起来的一种快速制造技术，通过计算机辅助设计软件CAD-Computer AidedDesign，CAD)设计模型采用材料逐层堆积的原理成形实体零件。与传统模锻、粉末锻造工艺相比，激光3D打印具有的无模具、短周期以及快速响应能力将更适于技术快速换代的多品种、变批量零件加工。激光3D打印直接成形金属零件实现了形状、尺寸接近或等同成品，能够有效减少后续机械加工工序和加工量。目前国内外众多学者对变径回转体模型、薄壁结构模型的激光3D打印成形工艺参数控制，以及进行了大量的研究。在金属零件激光直接快速成形方面，北京航空航天大学制造出了A15、TC18、TC21等钛合金材料的飞机大型整体主承力构件以及A100等超高强度钢飞机起落架关键构件，西安交通大学对激光熔化镍基合金的沉积凝固过程进行了长期研究，并制造出高尺寸精度和高表面质量的空心叶轮样件。目前，金属零件激光直接快速成形的研究主要集中于航天、航空、石油、船舶等现代化高端装备的高性能大型金属构件的生产制造。在汽车金属零部件制造领域，激光3D打印技术应用较少。

发明内容

基于上述问题，本发明提出了一种汽车发动机连杆激光3D打印工艺,建立了连杆激光3D打印数据模型，并采用该模型在激光3D打印系统中实现成形，并分析了3D打印成形连杆不同截面的微观组织和显微硬度分布。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种汽车发动机连杆激光3D打印工艺，先建立了连杆3-D数据模型，进行分层切片处理，扫描S型扫描和轮廓偏移规划两种连杆加工路径；然后选用铁基合金粉末以及相应的工艺参数，在激光3-D打印系统中进行连杆打印试验，扫描单层轨迹用时4min30s～4min56s，总用时4h20min。

先根据轿车发动机连杆设计参数，建立连杆的三维模型并转化为三角形网格文件格式，利用三角形面片表征连杆实体模型表面轮廓，生成三角形面片单元776个，三角形顶点2328个；识别连杆模型特征截面及特征线进行分层切片处理，确定模型内外轮廓尺寸，补偿激光3D打印系统采用的直径1mm圆形激光光斑。

单一片层成形过程就是对内外轮廓线包络区域扫描填充的过程；根据连杆结构特点，采用S型扫描和轮廓偏移扫描，S型扫描是采用等间距平行线往复扫描的方式填充轮廓内部区域；轮廓偏移扫描是将单一片层内外轮廓线向实体内部等距偏移并逐段连接，从而形成填充线；激光3D打印模型的分层切片高度和填充路径间距；参数是由连杆的设计尺寸和3D打印系统工艺实验决定。