金屬增材制造液壓閥塊內(nèi)部流道優(yōu)化設(shè)計研究

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(浙江大學(xué) 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

引言

液壓閥塊通常是液壓系統(tǒng)實現(xiàn)集成化的必要部分，簡化了管路連接，避免了大量的管接頭和復(fù)雜的管路連接。同時液壓閥塊降低了系統(tǒng)的振動和泄漏的可能性，也有利于液壓系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化[1]。傳統(tǒng)液壓閥塊以鍛鋼為材料，利用傳統(tǒng)的鉆、鏜等加工工藝，制造工藝復(fù)雜，加工周期長[2]。液壓閥塊的體積大，質(zhì)量重但有效體積小，而隨著液壓系統(tǒng)的輕量化和高效化趨勢，傳統(tǒng)的液壓閥塊已經(jīng)不能滿足流道性能的提升。增材制造與傳統(tǒng)的材料去除加工思路相反，采用自下而上逐層累加的加工方法，避免了材料的浪費，在保證結(jié)構(gòu)強度的同時，有效減少了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時，由于采用逐層累加的方法，克服了傳統(tǒng)的加工方法的局限性，增材制造特別適用于制造像液壓閥塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜中空的部件[3-5]。

增材制造根據(jù)材料及成型方法的不同可分為多種類型，以金屬粉末為加工材料的增材制造可以分為電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔融(SLM)、金屬激光熔融沉積(LDMD)和電子束熔絲沉積成型(EBF)。其中激光選區(qū)熔融(SLM)可以成形出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異、表面質(zhì)量良好的金屬部件，可以制造任意形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，特別適用于傳統(tǒng)加工方法無法直接成形的內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)零件[6-7]。

相比傳統(tǒng)加工方法，增材制造提供了更多的設(shè)計自由度，但輔助支撐和錨點的添加是不可避免的，這極大地限制了增材制造更廣泛的應(yīng)用[8]。針對以上問題，SIMONELLI等[9-10]研究了SLM與DMLS加工技術(shù)下，不同的成型角度對加工部件的機械性能的影響，同時采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)研究了微觀性能的影響，但是內(nèi)部流道的成型角度及部件的成型質(zhì)量的研究尚未涉及。SNYDER等[11]以燃?xì)廨啓C的內(nèi)部冷卻孔道為研究對象，明確了加工方向和截面形狀對小尺寸流道(508 μm)壓力損失的影響，但其采用的DMLS技術(shù)并不適用于內(nèi)部承受高壓的閥塊的設(shè)計加工。

目前國內(nèi)針對閥塊支撐問題的研究尤其是針對內(nèi)部流道支撐的去除還很有限。本研究擬采用不同的截面形狀，進(jìn)行流道支撐的優(yōu)化設(shè)計與研究，達(dá)到內(nèi)部流道無支撐的設(shè)計目標(biāo)。

1 問題分析

閥塊的典型流道一般分為短直管、直角轉(zhuǎn)彎管路、突擴(縮)管路和交叉管路[10]。由于直角轉(zhuǎn)彎管路和交叉管路在閥塊設(shè)計中十分普遍，因此選擇其為增材制造中流道優(yōu)化的設(shè)計對象。采用圓形流道截面的閥塊原型如圖 1所示，閥塊的幾何尺寸為70 mm×60 mm×50 mm(長度×寬度×高度)流道直徑φ0為8 mm，流道橫截面積A0為16π mm2。

圖1 閥塊原型

SNYDER和STRANO認(rèn)為加工表面與加工平臺之間的成型角θ是支撐添加的重要影響因素[11-12]，并推薦了不同加工條件下的閾值角θthreshold。加工件自身的材料特性使其具有一定的自支撐能力[13]。因此，本研究閥塊優(yōu)化設(shè)計的兩個原則可歸納為以下兩條：

(1) 取加工閾值角θthreshold=45°，當(dāng)θ>θthreshold時，不需要添加支撐；

(2) 無支撐最小成型孔φ0=2 mm。

實際上，閥塊的流道優(yōu)化設(shè)計是三維空間問題，給問題的解決增加了難度。而流道截面形狀在流道的延伸方向具有一致性，可以通過研究流道截面的成型角將三維空間問題簡化為二維平面問題。根據(jù)截面性質(zhì)，將其分為3個區(qū)間。以過圓心的水平線與圓的交點為分界點，分界點下部區(qū)間為A區(qū)間，上部區(qū)間為B區(qū)間。截面內(nèi)A區(qū)間在三維流道中具有+Z方向的法線，B區(qū)間在三維流道中具有-Z方向的法線，添加在A區(qū)間的支撐位于流道外，不予研究，B區(qū)間的支撐位于流道內(nèi)，是研究的對象。取B區(qū)間需要添加支撐的子區(qū)間為S區(qū)間，各區(qū)間示意如圖2所示(以θthreshold= 45°為例)。

建立流道截面的評價系數(shù)截面支撐區(qū)間率Sl:

(1)

式中，ls——區(qū)間S在水平方向的投影長度

lwidth——區(qū)間B在水平方向的投影長度，即流道截面的寬度

對于某一截面而言，該值越小，區(qū)間S越小，流道所需的支撐越少。

圖2 截面區(qū)間劃分示意圖

2 模型建立

以截面支撐區(qū)間率為評價指標(biāo)，本研究提出3種不同的截面形狀，通過分析對比得到最優(yōu)的截面形狀。以閥塊原型為基礎(chǔ)建立不同的截面形狀，形狀尺寸如圖3所示。取各截面的B區(qū)間并建立邊界曲線方程并分析截面支撐區(qū)間率S1。

圖3 三種流道截面形狀

根據(jù)圓的方程，可以得到圓形截面圖3aB區(qū)間對應(yīng)的邊界曲線方程：

la：x2+y2=16，y>0

(2)

建立邊界曲線la的斜率方程：

(3)

令：

得到x=±2.83 mm，故圓形截面的S區(qū)間為 [-2.83,2.83]，如圖4所示。該范圍內(nèi)的成型角θ<45°，不滿足無支撐條件，需要添加支撐。圓形截面對應(yīng)的截面支撐區(qū)間率：

根據(jù)圖3b圓角正方形截面，顯然Sb=0。

建立橢圓截面圖3cB區(qū)間邊界曲線方程lc:

(4)

圖4 圓形截面的S面分析

建立邊界曲線方程lc的曲率方程：

(5)

令：

得到x=±1.54 mm，故橢圓截面的S區(qū)間為[-1.54,1.54]，如圖5所示。得到橢圓截面對應(yīng)的截面支撐區(qū)間率：

圖5 橢圓截面形狀的截面支撐區(qū)間率

將圖3不同的截面形狀相關(guān)特性匯總?cè)绫?所示。

表1 不同截面形狀的比較

3 模型仿真

建立以上截面對應(yīng)的三維流道的仿真模型，利用Autodesk Netfabb Premium?進(jìn)行仿真分析。Autodesk Netfabb Premium?是Autodesk公司推出的3D打印輔助軟件，可對打印部件提供基本的幾何分析，Support Structures支撐結(jié)構(gòu)功能可為選擇性激光熔融(SLM)、光固化和DLP技術(shù)生成支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)目標(biāo)零部件的不同幾何形狀提供桿支撐(Bar Support)、折線支撐(Polyline Support)和體支撐(Volume Support)。

采用結(jié)構(gòu)化填充的體支撐，仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。三種截面的支撐仿真結(jié)果如圖6所示。

表2 Netfabb仿真設(shè)置參數(shù)

圖6 Netfabb支撐仿真結(jié)果對比

將以上三種截面形狀的數(shù)據(jù)比較匯總于表3。

4 結(jié)論

圓形截面流道與橢圓形截面流道相比，其水平投影面積、懸垂面積和支撐的體積都較大。造成此現(xiàn)象的原因一方面是橢圓截面流道在水平面的投影面積小，對應(yīng)的支撐體積小是必然的。另一方面，流道長度一致的情況下橢圓截面下流道懸垂面積/投影面積的值比圓截面流道小，橢圓截面確實有效收縮了S區(qū)間的范圍，進(jìn)而減少了支撐體積。

表3 不同的截面形狀的Netfabb仿真結(jié)果

同理，將圓形截面流道與圓角正方形截面流道對比，差異可以采用上面兩點進(jìn)行分析。但其效果遠(yuǎn)好于橢圓截面流道與圓形截面流道的對比，表3數(shù)據(jù)與表2數(shù)據(jù)的一致性表明兩組效果差異的主要原因歸結(jié)于流道截面支撐率之間的差異。

為突出圓角正方形的打印效果，在以上分析的基礎(chǔ)上，采用不添加支撐的打印方式以達(dá)到放大實驗效果的目的。實際打印效果如圖7所示，可以明顯看出與圓形和橢圓形截面流道相比，在沒有添加外部支撐的條件下，圓角正方形截面的成型效果良好，與理論分析吻合。

圖7 實際打印效果對比