基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)研究

張鈺柱 莫茜

摘 要：3D打印技術(shù)是近年來(lái)飛速發(fā)展的一種增材制造技術(shù)，其以高效一體化成型、可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)勢(shì)，在考古、醫(yī)療、藝術(shù)、工業(yè)、服裝、軍事、建筑、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并在智能高端裝備制造中的地位愈加彰顯。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);機(jī)械零件;增材設(shè)計(jì);曲軸

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

3D打印技術(shù)具有高效、一體化成型、可生產(chǎn)復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)勢(shì)。隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，該技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，并取得了良好的應(yīng)用效果。在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)科實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)加工的輕量化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而滿(mǎn)足機(jī)械零件性能生產(chǎn)加工目標(biāo)。文章基于3D打印在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的應(yīng)用展開(kāi)討論，主要分析基于3D打印技術(shù)下的軸套類(lèi)零件、盤(pán)蓋類(lèi)零件、箱體類(lèi)零件、叉架類(lèi)零件的設(shè)計(jì)，并結(jié)合曲軸這一典型機(jī)械零部件為例進(jìn)行分析。

1 3D打印技術(shù)的概念和原理

3D打印技術(shù)是增材制造概念的延伸。3D打印技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理及打印等幾個(gè)環(huán)節(jié)。高度自由化是3D打印技術(shù)的重要特征，是基于功能目標(biāo)而進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，以功能、外觀目標(biāo)為導(dǎo)向，以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，在不考慮加工工藝、加工設(shè)備性能的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，因此，在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)具有良好的應(yīng)用和實(shí)踐優(yōu)勢(shì)。具體而言，基于3D打印技術(shù)的零件設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1.1 自由設(shè)計(jì)制造

基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)，以零件功能為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要考慮加工工藝、加工刀具、加工機(jī)械性能對(duì)零件加工的影響，實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)的“所想即所得”。

1.2 縮短成型周期

基于3D打印技術(shù)的零件設(shè)計(jì)，不需要對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行鉚接或焊接加工，可通過(guò)熱熔材料或黏結(jié)劑特性實(shí)現(xiàn)零件一次成型，在設(shè)計(jì)期間不需要考慮加工試生產(chǎn)的問(wèn)題，在零件設(shè)計(jì)完成后即可進(jìn)行成型，針對(duì)成型后的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，因此，基于3D打印技術(shù)的零件設(shè)計(jì)與成型是連續(xù)的，零件成型周期縮短，極大縮短了工業(yè)零件設(shè)計(jì)與加工周期。

1.3 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)最大的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)高度自由化，尤其是在復(fù)雜零件設(shè)計(jì)中，3D打印技術(shù)通過(guò)三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)切片逐層疊加實(shí)現(xiàn)三維模型直接成型。而相對(duì)于3D打印技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而言，傳統(tǒng)零件設(shè)計(jì)中，隨著零件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提高，傳統(tǒng)減材和等材加工難度提高，進(jìn)而制約了傳統(tǒng)機(jī)械零件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

1.4 材料復(fù)雜性

傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)中，減材、等材加工一般采用單一材料，而針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)，一般通過(guò)裝配方式加以實(shí)現(xiàn)。而在3D打印技術(shù)中，借助3D打印技術(shù)特性，可通過(guò)不同材料的變換實(shí)現(xiàn)多種材料的融合應(yīng)用，大大提高了機(jī)械零件應(yīng)用的靈活性、復(fù)雜性。

1.5 簡(jiǎn)化零件裝配

在傳統(tǒng)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)、加工中，一般采用鉚接、焊接、栓接等方式實(shí)現(xiàn)零件裝配，而基于3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成型，大大降低了零件裝配、連接的工作量，簡(jiǎn)化了零件流程，提高了機(jī)械加工制造能力。

2 基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)研究

基于3D打印技術(shù)的零件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、加工流程的簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的集成化設(shè)計(jì)和一次成型。根據(jù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)形狀、功能等分類(lèi)，可將機(jī)械零件設(shè)計(jì)分為軸套類(lèi)零件、叉架類(lèi)零件、箱體類(lèi)零件和盤(pán)蓋類(lèi)零件。在3D打印技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)程序基本相同，首先，根據(jù)零件功能目標(biāo)確定零件設(shè)計(jì)成型方向，并施加相應(yīng)的支撐，再將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)械零件設(shè)計(jì)模型。在機(jī)械零件成型加工后，通過(guò)全面清洗去除零件打印中出現(xiàn)的毛刺。最后，針對(duì)成型后的零件進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)不同零件設(shè)計(jì)具體分析如下。

2.1 基于3D打印技術(shù)的軸套類(lèi)零件設(shè)計(jì)

在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，軸套類(lèi)零件主要為同軸旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，如絲杠、套筒、軸等，軸套類(lèi)類(lèi)零件一般徑向尺寸小于軸向尺寸。相對(duì)于傳統(tǒng)的軸套類(lèi)零件設(shè)計(jì)與加工，3D打印技術(shù)適用于非批量化的生產(chǎn)，主要面向個(gè)性化要求較高或機(jī)械零件設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中的非標(biāo)零件，在這個(gè)過(guò)程中，3D打印技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得以凸顯。

在軸套類(lèi)零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，3D打印技術(shù)以功能需求為基礎(chǔ)，注重重要零件的必要功能，盡可能減少零件設(shè)計(jì)中的非必要結(jié)構(gòu)。以軸零件為例，其主要功能為傳遞扭矩與支撐，在零件設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮其扭矩、受力情況，并以此確定軸的規(guī)格尺寸，并以此作為軸零件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)軸零件的一體化設(shè)計(jì)。針對(duì)軸的輕量化設(shè)計(jì)中，可將軸內(nèi)部的實(shí)心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為格柵結(jié)構(gòu)或者夾層結(jié)構(gòu)，恰當(dāng)?shù)目招慕Y(jié)構(gòu)不但可以增加軸的強(qiáng)度，而且可大大降低軸的重量。

2.2 基于3D打印技術(shù)的叉架類(lèi)零件設(shè)計(jì)

在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，叉架類(lèi)零件一般為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)形式呈多樣化、復(fù)雜化，如搖臂、連桿、杠桿等，零件功能主要為連接、支撐、操作或傳動(dòng)等。針對(duì)叉架類(lèi)零件設(shè)計(jì)與加工，傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)、加工工序較為復(fù)雜且連續(xù)性較差。同時(shí)，此類(lèi)零件一般需要加工高精度的孔，在零件材質(zhì)剛性不高的情況下，零件加工過(guò)程中可能出現(xiàn)零件變形、偏斜等問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的加工方式需要借助不同的夾具、刀具進(jìn)行加工，一定程度上提高了叉架類(lèi)零件的加工工藝復(fù)雜程度。而基于3D打印技術(shù)的叉架類(lèi)零件設(shè)計(jì)，可通過(guò)設(shè)計(jì)、成型一體化，不需要考慮夾具、刀具的問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了叉架類(lèi)零件設(shè)計(jì)與加工難度。

2.3 基于3D打印技術(shù)的箱體類(lèi)零件設(shè)計(jì)

在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，箱體類(lèi)零件主要是泵體、閥體、缸體等，此類(lèi)零件一般內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部形狀較為復(fù)雜?；?D打印技術(shù)的零件設(shè)計(jì)中，在零件設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮何須加工工藝，可通過(guò)個(gè)性化、高度自由化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)此類(lèi)零件的設(shè)計(jì)與加工，進(jìn)而提高了箱體類(lèi)零件的加工精度、功能要求。

2.4 基于3D打印技術(shù)的盤(pán)蓋類(lèi)零件設(shè)計(jì)

盤(pán)蓋類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)多為方形或者圓形的扁平盤(pán)狀，徑向尺寸要遠(yuǎn)大于軸向尺寸。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，盤(pán)蓋類(lèi)零件需要設(shè)置相應(yīng)的凹坑、螺孔或者凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)車(chē)削或者鑄鍛造毛坯加工成型。

基于3D打印技術(shù)下的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于盤(pán)蓋類(lèi)零件中，其功能主要涉及軸向定位、密封、支撐以及防塵等。在創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)中，先要確定盤(pán)蓋類(lèi)零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，比如，軸承端蓋可以將拔模斜度刪減掉，并對(duì)盤(pán)蓋類(lèi)零件的免裝配設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步簡(jiǎn)化零件的裝配工序。

3 基于3D打印技術(shù)下曲軸創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

通過(guò)創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)曲軸的必要功能，簡(jiǎn)化不必要功能。如曲軸的退刀槽、止推面等結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工過(guò)程的必要結(jié)構(gòu)，3D打印加工曲軸時(shí)，這些輔助結(jié)構(gòu)均可簡(jiǎn)化。3D打印技術(shù)加工曲軸最大優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化加工工序，節(jié)約時(shí)間成本，降低加工難度。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)可以有效提升機(jī)械零件的功能與價(jià)值，在未來(lái)應(yīng)用中有巨大前景。通過(guò)本文的分析可知，基于3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)機(jī)械零件的功能進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)中突出零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，并對(duì)零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械零件加工的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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