基于3D打印技術(shù)新型螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析*

張永濤，黃崇莉，晁 瑞，王智博，支明宇，萬(wàn)旭東

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

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(guò)相應(yīng)軟件對(duì)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(guò)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(lái)的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)融入到了各行各業(yè)，對(duì)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(guò)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(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)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(guó)外壓縮機(jī)公司所掌握，并擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)[8]。由于國(guó)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(duì)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(guò)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(wú)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、SoildWorks、Auto-CAD等能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合問(wèn)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(duì)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(shì)，為探索3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型過(guò)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(guò)材料堆積方式及快速成型的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，筆者通過(guò)對(duì)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(shì)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(guò)三維實(shí)體建模、3D打印、結(jié)構(gòu)特性分析，為國(guó)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。

1 螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)加工方法

1.1 銑削加工法

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(wàn)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(zhǎng)，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)。

1.2 滾削加工法

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。

1.3 磨削加工法

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(kāi)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。

2 3D打印技術(shù)工作原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 工作原理

3D打印技術(shù)是通過(guò)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(duì)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(duì)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]。

2.2 3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.2.1 加工周期縮短

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(jiǎn)單零件，通過(guò)3D打印技術(shù)幾小時(shí)之內(nèi)便可以完成制作。

2.2.2 生產(chǎn)成本降低

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(guò)程中出現(xiàn)了微小的問(wèn)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。

2.2.3 推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展

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(guó)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。

2.2.4 力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)

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(guò)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(guò)程與傳統(tǒng)制造相比較為簡(jiǎn)短，可以極大提高金屬零件的輕量化水平。

2.2.5 創(chuàng)新化

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(shuō)，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。

3 螺桿轉(zhuǎn)子三維實(shí)體模型建立

3.1 陽(yáng)轉(zhuǎn)子截面型線選取

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(duì)稱擺線——銷齒圓弧型線為研究對(duì)象建立螺桿壓縮機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子模型。所選螺桿壓縮機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子截面型線，如圖1所示。

3.2 螺桿轉(zhuǎn)子三維數(shù)字建模

3.2.1 實(shí)體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子建模

在轉(zhuǎn)子建模過(guò)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(guò)程中，是通過(guò)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(guò)圓周陣列，得到陽(yáng)轉(zhuǎn)子的截面型線，如圖1所示。通過(guò)螺旋掃掠拉伸得到陽(yáng)轉(zhuǎn)子三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線 圖2 實(shí)體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子3維模型

3.2.2 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子建模

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(guò)掃描噴涂熱熔材料，經(jīng)過(guò)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(duì)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(jiàn)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(duì)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。

表1 蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 蜂窩結(jié)構(gòu)單元

圖4 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3維模型

4 螺桿轉(zhuǎn)子3D打印

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(jiǎn)單，使用便利，穩(wěn)定性好，并且機(jī)身采用容易更換的MakerBot Replicator智能噴頭，打印精度可以控制在100 μm。

圖5 Z++ 3D PRINTER

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(guò)ideaMaker軟件對(duì)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(tái)之間，調(diào)節(jié)打印平臺(tái)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(wú)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(kāi)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。

圖6 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3D打印實(shí)體

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(wú)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(duì)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。

5 結(jié)構(gòu)特性分析

通過(guò)對(duì)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(hào)為TYPE LY-250M3-2，額定轉(zhuǎn)速為2 960 r/min，額定功率為132 kW。在對(duì)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(duì)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(yáng)轉(zhuǎn)子所受扭矩不斷減小，轉(zhuǎn)子的最大變形量也隨之減??；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。

圖7 轉(zhuǎn)子變形云圖

6 結(jié) 論

(1) 結(jié)合3D打印技術(shù)通過(guò)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(guò)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(guò)程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(guò)程是數(shù)字化制造過(guò)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(duì)輕量化問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子，通過(guò)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(guó)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。