利用3D打印技術(shù)的成型特點(diǎn)，針對螺桿轉(zhuǎn)子的復(fù)雜成型過程及輕量化設(shè)計(jì)思路，提出了3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過對螺桿轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用聚乳酸(PLA)材料熔融堆積的方法，實(shí)現(xiàn)了新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子實(shí)體模型的建立，充分證明了3D打印技術(shù)在復(fù)雜工件成型過程中的優(yōu)勢，同時(shí)為螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)提供了新的參考。
作者簡介： 張永濤(1993-)，男，陜西長武人，在讀碩士研究生，研究方向:現(xiàn)代制造工藝及裝備。;
收稿日期：2020-06-03
Based on the molding characteristics of 3D printing technology,and in view of the complex molding process and lightweight design ideas of screw rotors,the application of 3D printing technology in screw rotor molding design is proposed in this paper. By designing the internal structure of the screw rotor and adopting the method of fusion deposition of polylactic acid( PLA) material,the solid model of a new honeycomb cavity screw rotor is established,which fully proves the advantages of 3D printing technology in the molding process of the complex workpieces. It provides a new reference for the optimization of screw rotor structure and lightweight design.
Received： 2020-06-03
3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它是以三維軟件設(shè)計(jì)模型為本體，通過相應(yīng)軟件對模型進(jìn)行切片離散化處理，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末金屬、塑料或液體等材料通過層層堆積粘結(jié)的方式，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)[1]。由于其在實(shí)體成型方面的前瞻性，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[2]。多年來的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)融入到了各行各業(yè)，對傳統(tǒng)制造業(yè)有著巨大的影響[3]，與傳統(tǒng)制造技術(shù)最大的差別是，3D打印技術(shù)可以將3D工業(yè)設(shè)計(jì)模型直接變?yōu)楫a(chǎn)品，非常符合樣品研發(fā)、式樣制造，其中的精準(zhǔn)度和效率非常高[4]，與之相比，傳統(tǒng)制造技術(shù)被稱作減材制造技術(shù)，通過車、銑、刨、磨等加工技術(shù)把材料從毛坯上進(jìn)行去除，從而制造出零件[5]。
螺桿壓縮機(jī)因具有排氣量穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)力脈沖小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、易于操作維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品、機(jī)械、醫(yī)療、化工、礦山、冶金、等各種工業(yè)領(lǐng)域[6]。螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍之廣，其核心部件是一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的加工精度決定了螺桿壓縮機(jī)的工作穩(wěn)定性以及工作效率等特性[7]。目前，螺桿壓縮機(jī)的諸多先進(jìn)技術(shù)都被國外壓縮機(jī)公司所掌握，并擁有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)[8]。由于國內(nèi)壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展比較晚，導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)方法還在雛形階段，加工方法相對比較落后。雖然螺桿轉(zhuǎn)子復(fù)雜曲面加工方法從銑削發(fā)展到滾削、磨削，但是受到如:刀具磨損、切削時(shí)熱量過高、砂輪磨損等因素的影響，這幾種方法或多或少存在一定的瓶頸，無法滿足螺桿轉(zhuǎn)子的精密加工[9]。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化建模的不斷提高，逐漸縮短了與各行業(yè)之間的距離，現(xiàn)階段各類三維建模軟件如UG、Pro-E、Soild Works、Auto-CAD等能夠?qū)崿F(xiàn)對螺桿壓縮機(jī)核心部件螺桿轉(zhuǎn)子模型的三維可視化建模，3D打印技術(shù)的發(fā)展為螺桿轉(zhuǎn)子實(shí)體建模提供了新的思路，在三維建模軟件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用3D打印技術(shù)研究螺桿轉(zhuǎn)子成型，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)體輸出[10]。
王躍等[11]提出了3D技術(shù)在缸體鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用;劉丹等[12]研究了3D打印在汽車行業(yè)上的應(yīng)用;姚榮等[13]對煤炭行業(yè)設(shè)備維修采用3D打印技術(shù)進(jìn)行了研究;邵珠強(qiáng)等[14]對金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合問題進(jìn)行了研究;劉李明等[15]提出了3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;趙高升等[16]對金屬零件3D打印技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了研究與論述;利用3D打印技術(shù)的成型優(yōu)勢，為探索3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型過程的有效性，提出一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并完成實(shí)物模型的制作。
3D打印技術(shù)通過材料堆積方式及快速成型的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，筆者通過對螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行分析，與3D打印技術(shù)的優(yōu)勢相比較，得出復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工制造方案。進(jìn)一步通過三維實(shí)體建模、3D打印、結(jié)構(gòu)特性分析，為國內(nèi)壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了新的思路。
用盤型銑刀加工轉(zhuǎn)子時(shí)，刀具軸線與轉(zhuǎn)子軸線空間交錯(cuò)，兩者有一夾角。盤型銑刀繞其自身軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子則作螺旋運(yùn)動(dòng)。一般在臥式銑床上加工，也可以在普通萬能銑床上加工。由于轉(zhuǎn)子的螺旋角較大，模數(shù)大，齒數(shù)少，切線相當(dāng)長，故切削力大。在這種大螺旋角的工位下，使機(jī)身自身的剛度及穩(wěn)定性大大下降，僅適用于小批量生產(chǎn)。
滾削加工法在切削速度，加工精度方面都較銑削加工發(fā)優(yōu)越，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子齒面滾刀進(jìn)行加工時(shí)，其分齒實(shí)在切削齒面的同時(shí)連續(xù)進(jìn)行的，因而齒距誤差小，生產(chǎn)率高。但由于滾刀制造復(fù)雜，使得螺旋角大，直徑大的成型滾刀價(jià)格昂貴，因此僅適用于大批量生產(chǎn)的小型轉(zhuǎn)子。
轉(zhuǎn)子專用數(shù)控磨床自備砂輪修正器，可快速加工出新型線的轉(zhuǎn)子，大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。同時(shí)，采用磨削加工法還能地?zé)崽幚砗蟮挠昌X面進(jìn)行加工，從而提高成品轉(zhuǎn)子的精度和降低表面粗糙度。
3D打印技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)[13]，相對于傳統(tǒng)的材料切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)模型相匹配的制造方法，又因?yàn)榇祟惣夹g(shù)不需要相關(guān)模板、原坯，僅使用可粘合材料經(jīng)由相關(guān)的圖形數(shù)據(jù)便能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，故其往往比傳統(tǒng)加工技術(shù)擁有更高的效率[17]。
3D打印技術(shù)能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)圖紙直接轉(zhuǎn)換為實(shí)物模型，并且工作效率和質(zhì)量較高，因此能夠縮短零件生產(chǎn)周期。如果是簡單零件，通過3D打印技術(shù)幾小時(shí)之內(nèi)便可以完成制作。
目前，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造金屬零件需要的成本依然較高，但是應(yīng)用3D打印技術(shù)制造塑料零件需要的成本較低，總體而言，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還是能夠降低零件生產(chǎn)成本。在應(yīng)用傳統(tǒng)零件制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，零件生產(chǎn)應(yīng)用的材料較為昂貴，這就意味著一旦在制造過程中出現(xiàn)了微小的問題，都可能會(huì)造成材料的報(bào)廢，進(jìn)而增加制造成本;但是3D打印技術(shù)在零件制造中的應(yīng)用，則能夠提高設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)操作的靈活程度，設(shè)計(jì)人員可以就材料應(yīng)用進(jìn)行多次更改，降低因設(shè)計(jì)方式更改而導(dǎo)致的制造成本。
因?yàn)?D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠直接將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)圖紙打印為實(shí)物模型，因此可以減少零件制造中機(jī)床、刀具等設(shè)備的應(yīng)用。同時(shí)，能夠應(yīng)用到模具制造中的材料類型也在逐漸增多。這些均有利于推動(dòng)我國機(jī)械零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的發(fā)展，同時(shí)還能推進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。
3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件整體加工，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以通過3D打印的自由成型能力得到充分的發(fā)揮，可獲得細(xì)密均勻的集體組織，并使金屬零部件呈現(xiàn)良好的力學(xué)性能，整個(gè)制造過程與傳統(tǒng)制造相比較為簡短，可以極大提高金屬零件的輕量化水平。
傳統(tǒng)的加工制造業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新方面有著比較大的限制，我們現(xiàn)在使用的絕大部分產(chǎn)品基本上都是在能夠制造以及設(shè)計(jì)的理念下進(jìn)行生產(chǎn)的[18]。也就是說，一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造到生產(chǎn)都必須考慮這個(gè)產(chǎn)品的加工制造性[19]。而3D打印技術(shù)不僅僅能夠使得產(chǎn)品創(chuàng)意變?yōu)榭赡?，同時(shí)使各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工制造不受限制。
文中主要研究新型螺桿轉(zhuǎn)子的增材制造成型，所以在轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)上不作祥述，但所選取的轉(zhuǎn)子型線的依然遵守設(shè)計(jì)原則，以現(xiàn)有的單邊不對稱擺線———銷齒圓弧型線為研究對象建立螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子模型。所選螺桿壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子截面型線，如圖1所示。
在轉(zhuǎn)子建模過程中主要采用的是UG三維建模軟件。由于在型線設(shè)計(jì)過程中，是通過MATLAB計(jì)算得到一系列離散的點(diǎn)，將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合會(huì)得到一個(gè)完整的齒形，然后通過圓周陣列，得到陽轉(zhuǎn)子的截面型線，如圖1所示。通過螺旋掃掠拉伸得到陽轉(zhuǎn)子三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。
3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它是將數(shù)據(jù)通過掃描噴涂熱熔材料，經(jīng)過3D打印機(jī)層層堆積疊加的方式逐層制造出產(chǎn)品。從3D打印成形技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，在實(shí)體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部進(jìn)行了蜂窩狀空腔化處理，蜂窩結(jié)構(gòu)各參數(shù)見表1所列，蜂窩結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、密度小、強(qiáng)度高、剛性好等特點(diǎn)，且滿足對螺桿轉(zhuǎn)子的輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)以上特點(diǎn)，建立新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3維模型，如圖4所示。
由于螺桿轉(zhuǎn)子為復(fù)雜曲面類零件，因其成型復(fù)雜、零件精細(xì)，有較高的精度，采用FDM熔融堆積的3D打印技術(shù)，以保證主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度韌性，減少變形。此次打印選用的是Z++3D PRINTER，如圖5所示，它具有操作簡單，使用便利，穩(wěn)定性好，并且機(jī)身采用容易更換的Maker Bot Replicator智能噴頭，打印精度可以控制在100μm。
文中主要研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的成型，所以根據(jù)3D打印技術(shù)的成型特點(diǎn)選擇聚乳酸(PLA)作為原材料進(jìn)行試驗(yàn)。將新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子三維模型生成STL格式文件通過idea Maker軟件對零件進(jìn)行切片處理，層高0.1 mm，壁厚2 mm，填充密度25%，打印溫度215℃，填充速度50 mm/s，走線寬度1.75 mm。首先，將標(biāo)準(zhǔn)塞尺放入打印噴頭和打印平臺之間，調(diào)節(jié)打印平臺下方調(diào)平按鈕，使打印噴頭輕微壓緊塞尺，水平移動(dòng)塞尺確認(rèn)無誤后調(diào)平完成;然后進(jìn)入設(shè)置菜單選擇原點(diǎn)歸零并在主菜單中選擇機(jī)器控制界面點(diǎn)擊進(jìn)料、退料，最后在主菜單中選擇需打印文件，Z++3Dprinter在打印之前會(huì)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)215℃左右開始打印，最終獲得新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，如圖6所示。
從圖6中可以看出，新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)與實(shí)體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子并無差別，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，同比相同結(jié)構(gòu)實(shí)體螺桿轉(zhuǎn)子體積質(zhì)量減少18.34%，實(shí)現(xiàn)了對螺桿轉(zhuǎn)子的輕量化設(shè)計(jì)同時(shí)也是螺桿轉(zhuǎn)子加工成型方法及螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種全新嘗試。
通過對新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行3D打印成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，利用ANSYS Workbench根據(jù)轉(zhuǎn)子實(shí)際工作情況進(jìn)行力學(xué)特性分析，研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子是否滿足壓縮機(jī)的工作需求。某公司螺桿壓縮機(jī)所采用的電動(dòng)機(jī)型號為TYPE LY-250M3-2，額定轉(zhuǎn)速為2 960 r/min，額定功率為132 k W。在對應(yīng)設(shè)計(jì)功率下，改變不同工作轉(zhuǎn)速得到不同扭矩對新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的變形影響。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，陽轉(zhuǎn)子所受扭矩不斷減小，轉(zhuǎn)子的最大變形量也隨之減小;隨著轉(zhuǎn)速不斷增大，扭矩不斷減小，轉(zhuǎn)子最大等效應(yīng)力也隨之減小，滿足壓縮機(jī)的工作需求;分析得出1 500～3 000 r/min下的轉(zhuǎn)子變形量，其變形云圖如圖7所示。
(1)結(jié)合3D打印技術(shù)通過材料堆積方式及快速成型的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研究了3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型過程中的應(yīng)用，面向螺桿轉(zhuǎn)子大批量、造型復(fù)雜的特征，3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型制作過程中具有明顯的優(yōu)勢，能極大地縮減實(shí)物模型的制作時(shí)間及整個(gè)設(shè)計(jì)流程周期。
(2) 3D打印的全過程是數(shù)字化制造過程，數(shù)字模型的創(chuàng)建、優(yōu)化與轉(zhuǎn)化是3D打印的核心基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)師需要培養(yǎng)面向3D打印技術(shù)原理的數(shù)字化設(shè)計(jì)思維。
(3)針對輕量化問題，設(shè)計(jì)了一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子，通過三維數(shù)字建模及實(shí)體模型打印，且中空的結(jié)構(gòu)減去了大部分的重量達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。此類研究方法為國內(nèi)壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了新的思路，是螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種新方法。
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