PA12GF40材料螺桿轉(zhuǎn)子快速成型試驗(yàn)及其性能研究*

王智博，楊定成，余霄駿

(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字工程學(xué)院，浙江 溫州 325300)

0 引 言

螺桿轉(zhuǎn)子作為螺桿泵的核心部件，一直都是相關(guān)企業(yè)和研究人員的重點(diǎn)研究對(duì)象。從市場(chǎng)上已有產(chǎn)品來看，螺桿轉(zhuǎn)子型線通常由圓弧、擺線以及漸開線等曲線段組合而成。從性能上看，螺桿轉(zhuǎn)子的理論型線大多能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，但國內(nèi)螺桿轉(zhuǎn)子的制造加工一直是業(yè)界的難題，是阻礙壓縮機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)的關(guān)鍵因素。螺桿轉(zhuǎn)子的主要工作部位是螺旋面，要想得到符合設(shè)計(jì)要求的螺桿轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)材料從毛坯到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)變過程，就必須重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)子螺旋面的加工方法。螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)加工制造的方法有車削、銑削、磨削、滾削等方法，其加工工藝復(fù)雜繁多、周期較長，需要精通掌握數(shù)控設(shè)備。目前，螺桿轉(zhuǎn)子制造原料一般采用圓柱形毛坯，通過普通機(jī)床或者數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削加工成型，而螺桿轉(zhuǎn)子最終表面處理采用磨削方法，在將棒料從毛坯轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的過程中，必須對(duì)棒料進(jìn)行大量原料切除，因而造成了資源浪費(fèi)，這是一個(gè)難以克服的行業(yè)難題。隨著社會(huì)工業(yè)發(fā)展，對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子的加工制造有了進(jìn)一步要求，急需一種能夠快速成型復(fù)雜加工表面的加工方法。

面對(duì)新一輪工業(yè)革命來襲，我國推出“中國制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃，意圖應(yīng)對(duì)新技術(shù)革命的洗禮、推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)高端制造業(yè)跨越式發(fā)展，促進(jìn)我國由工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國的蛻變[1]。當(dāng)今世界，增材制造技術(shù)發(fā)展日漸成熟，它不僅改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的加工方式，其無視結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、快速成型、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)也成為眾多行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。雖然我國起步較晚，但是各界投入大量精力與資本對(duì)其進(jìn)行研發(fā)，并取得了很大進(jìn)步，目前它已廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。因此，將增材制造技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到螺桿轉(zhuǎn)子的制造中具有重要的指導(dǎo)意義。

螺桿轉(zhuǎn)子的制造加工作為重點(diǎn)研究對(duì)象，研究者意圖得到加工效率、制造精度更高以及成本更低的設(shè)備及更加完善的工藝方法。何雪明為解決傳統(tǒng)加工切削熱現(xiàn)象，將無磨損、低切削熱的磨射流加工引入轉(zhuǎn)子的加工研究，并驗(yàn)證新方法的合理性[2]；Litvin and Fuentes 將包絡(luò)理論用于齒輪的設(shè)計(jì)及齒輪成形刀具的設(shè)計(jì)；魏靜等使用CBN 砂輪對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行精密成形磨削加工，由于CBN 砂輪具有良好的耐磨性，磨削加工質(zhì)量與效率有一定程度的提高，但是 CBN 砂輪價(jià)格昂貴并且不可修整，目前在螺桿轉(zhuǎn)子成形精密磨削中應(yīng)用并不廣泛。在齒輪嚙合原理基礎(chǔ)上，Yang 基于雙包絡(luò)法設(shè)計(jì)了單螺桿壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子成型刀具；N. Stosic 等在包絡(luò)理論的基礎(chǔ)上對(duì)不同轉(zhuǎn)子類型的雙螺桿壓縮機(jī)的成型刀具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，同時(shí)設(shè)計(jì)了成型滾刀和成型盤刀[3]；張?jiān)獎(jiǎng)自谘芯苛寺輻U轉(zhuǎn)子與成型刀具的加工過程，結(jié)合機(jī)床、螺桿轉(zhuǎn)子、成型刀具協(xié)同運(yùn)動(dòng)形成的關(guān)系，提出了一種螺桿轉(zhuǎn)子成型刀具設(shè)計(jì)新方法，該方法提高了成型刀具齒形設(shè)計(jì)的精確性[4]；高暉等為實(shí)現(xiàn)汽車尾門輕量化，利用3D打印鋼骨架加復(fù)合材料制造尾門[5]；陳勃生等分析了國內(nèi)外主流PA材料，通過對(duì)比其機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的PA材料，同樣具有良好的機(jī)械性能和熱變形性能，適合商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣，可以成為汽車、飛機(jī)等工業(yè)制造的主流材料[6]；STRATASYS推出FDM Nylon12材料與現(xiàn)有最堅(jiān)固的FDM材料相比，其抗折性能要高出5倍，可用于高性能零部件的增材制造[7]。

筆者針對(duì)傳統(tǒng)螺桿轉(zhuǎn)子加工工藝繁瑣、加工周期長和原材料浪費(fèi)等問題，以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，利用高性能復(fù)合材料作為加工原料，此方法利用率高，成本低，且成型效率高，不僅為壓縮機(jī)制造行業(yè)提供了新的制造手段，同時(shí)也為其他制造領(lǐng)域提供了借鑒，具有深刻的實(shí)踐與探索意義。

1 螺桿轉(zhuǎn)子三維建模

常用三維建模軟件有UG、SolidWorks和Pro/E等，由于螺桿轉(zhuǎn)子端面型線由多段不同曲線組成，復(fù)雜且不規(guī)則，根據(jù)已知型號(hào)螺桿轉(zhuǎn)子端面型線的離散幾何特點(diǎn)，選用UG建模更為方便。文中主要以已知型號(hào)陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子為建模對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所列。

表1 轉(zhuǎn)子主要參數(shù)

將陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子某一段端面型線離散數(shù)據(jù)點(diǎn)文件分別導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，通過幾何特征陣列生成陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子的完整端面型線，如圖1所示；然后根據(jù)陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)參數(shù)要求插入各自對(duì)應(yīng)的螺旋線，通過掃掠命令生成陰、陽轉(zhuǎn)子的幾何模型，至此完成陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子的三維建模，并根據(jù)陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子嚙合條件進(jìn)行裝配。由于陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中并不是直接接觸，而是留有一定間隙，完成裝配后需要對(duì)其進(jìn)行干涉檢查，確保無干涉面，能夠正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)子及裝配圖如圖2所示。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)子端面型線

圖2 螺桿轉(zhuǎn)子幾何建模

2 打印材料及方式選擇

2.1 打印材料選擇

常用的增材制造材料有ABS、PC、PEEK、EP和PA等，其材料主要優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合如表2所列。ABS和PC材料具有良好的硬度、沖擊性能，主要應(yīng)用在汽車零件制造領(lǐng)域；EP材料柔軟性能極佳，具有較高的彈性，廣泛應(yīng)用于生活用品制造；PEEK材料由于其獨(dú)特的生物相容性，與人骨的密度有著較高的相似相溶，主要應(yīng)用于醫(yī)療上，進(jìn)行仿生人骨制造；PA材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度高，比ABS高出50%。因此PA材料雖然為塑膠材料，但是其性能堪比金屬。

表2 工程材料主要優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合

常見PA材料有PA6、PA66、PA11、PA12等，在節(jié)能、環(huán)保、輕量化的趨勢(shì)之下，為進(jìn)一步強(qiáng)化材料的機(jī)械性能和耐高溫耐摩擦等特性，PA材料會(huì)在配制過程中增加玻璃纖維，按照加入玻璃纖維的百分比，可分為PA/GF10、PA/GF20、PA/GF30、PA/GF40和PA/GF50。隨著玻纖含量增加，材料的性能改善越顯著，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定比例時(shí)其性能改善趨勢(shì)逐漸減緩。因此，文中選取打印材料是加入40%玻璃珠的PA12，此比例玻纖可以獲得試驗(yàn)所需的最佳機(jī)械性能。

2.2 打印方式

常用復(fù)合材料的增材制造方式有選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積等，需要根據(jù)使用材料的特點(diǎn)、性能和打印所需環(huán)境選擇設(shè)備。激光燒結(jié)常用于粉末狀打印材料，而熔融沉積適用的打印材料為絲狀、熔點(diǎn)相對(duì)較低的材料，所以其工作原理也大不相同。

(1) 選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)工作原理是利用激光作為能源，將打印材料粉末融化，將其打印材料均勻地平鋪在打印工作臺(tái)表面，然后根據(jù)打印設(shè)置的分層進(jìn)行燒結(jié)，逐層進(jìn)行，直至所有分層打印結(jié)束后，除去鋪粉過程多余的材料，完成打印工作，其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 選擇性激光燒結(jié)工作原理示意圖

(2) 熔融沉積(FDM)技術(shù)

熔融沉積是不需要激光作為熱源的加工方法，工作原理是把打印材料加熱到略高于材料熔點(diǎn)，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡通過打印噴嘴擠出材料到打印平臺(tái)。在FDM成型過程中，打印噴嘴的X方向和Y方向主要完成單層掃描，通過Z方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)逐層累加，完成模型打印，其工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 熔融沉積工作原理示意圖

(3) 多射流熔融(MJF)技術(shù)

多射流熔融技術(shù)是由惠普研發(fā)的一款高效、高精度、低成本的3D打印技術(shù)，僅適用于惠普研發(fā)的3D打印設(shè)備，其工作過程由兩個(gè)噴墨模塊構(gòu)成，多個(gè)動(dòng)作協(xié)同工作，首先由一個(gè)左右移動(dòng)動(dòng)作完成實(shí)體對(duì)象鋪粉，接著由另外一個(gè)動(dòng)作噴射細(xì)化劑和輔助融化劑，保證打印邊緣輪廓精度；最后施加熱源打印模型，往復(fù)逐層進(jìn)行此過程，直至完成模型打印，其工作原理示意圖如圖5所示。

圖5 多射流熔融工作原理示意圖

3 成型試驗(yàn)及研究

3.1 成型設(shè)備

根據(jù)成型材料特性，文中選擇使用的是HP Jet Fusion 3D Printer打印設(shè)備，如圖6所示，型號(hào)為HP MJF 3D 4200，具體參數(shù)如表3所列。此設(shè)備由多個(gè)工作噴頭協(xié)同進(jìn)行，其成型速度是普通增材制造速度的10倍之多，本次成型零件打印材料顆粒為60 μm，鋪層厚度為1 000 μm，打印速度為4 000 cm3/h。將螺桿轉(zhuǎn)子的三維模型導(dǎo)入設(shè)備之中，對(duì)其進(jìn)行快速成型。

圖6 打印設(shè)備

表3 打印設(shè)備參數(shù)

3.2 成型后處理

成型后的零件并不是最終的成品零件，此時(shí)零件有較大的殘余應(yīng)力，還需要進(jìn)行后處理，這樣能夠有效提高零件的性能。不同打印材料會(huì)有不同的處理方式和處理參數(shù)，應(yīng)該合理選擇后處理方式，增材制造常見的后處理方式有砂紙打磨、拋光、上色、噴砂。

成型后的轉(zhuǎn)子選擇噴砂的后處理方式，主要是以壓縮空氣為動(dòng)力形成高速噴射束，將噴料高速噴射到工件表面，可以完善打印凹陷，去除表面毛刺和打印殘留物，使工件外表面發(fā)生變化，還可以增強(qiáng)表面應(yīng)力、消除殘余應(yīng)力、改善配合件的潤滑條件以及硬化工件表面、提高工件的耐磨性能和抗疲勞性能等，經(jīng)過后處理的成型轉(zhuǎn)子如圖7所示。

圖7 后處理后的成型轉(zhuǎn)子

3.3 致密度檢測(cè)

增材制造零件致密度與材料的孔隙率息息相關(guān)，成型工件的孔隙數(shù)量越少，成型零件的致密度就越高，成型零件的抗疲勞和抗斷裂性能也就越高，致密度是判斷打印質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此，要保證成型零件致密度最大化。

對(duì)于成型零件致密度的檢測(cè)，通常采用排水法和體積法進(jìn)行檢測(cè)，由于體積法檢測(cè)容易產(chǎn)生誤差，測(cè)的致密度精確度、準(zhǔn)確度不高，因此文中選用排水法測(cè)量試樣的致密度。對(duì)致密度進(jìn)行測(cè)量的試樣如圖8所示，其尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

圖8 致密度試樣

排水法測(cè)量致密度用到以下公式：

(1)

(2)

式中：ρv為試樣體積密度；m1為試件干燥測(cè)得質(zhì)量；m2為試件液體測(cè)得質(zhì)量；ρL為水的密度；ρr為試樣致密度；ρt為試樣理論密度。

本次試樣質(zhì)量的測(cè)量使用量程為220 g、精度為0.000 1 g的電子天平，得到其質(zhì)量與致密度如表4所列。由表可知，試樣的致密度平均值為93.046%，增材制造零部件致密度不可能達(dá)到100%，屬于較高的致密度成型工件。

表4 試樣質(zhì)量與致密度

3.4 尺寸精度

在理想情況下，增材制造能夠制造出符合尺寸要求的工件，但在實(shí)際制造過程中，由于熱脹冷縮和材料收縮率等問題，結(jié)果與理論尺寸有所偏差，因此，需要對(duì)試樣的成型尺寸進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算公式如下：

長度誤差計(jì)算公式：

(3)

式中：δL為長度誤差；L1為平均實(shí)際長度；L0為理論長度。

寬度誤差計(jì)算公式：

(4)

式中：δW為寬度誤差；W1為平均實(shí)際寬度；W0為理論寬度。

高度誤差計(jì)算公式：

(5)

式中：δH為高度誤差；H1為平均實(shí)際高度；H0為理論高度。

同樣利用尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的正方體試樣對(duì)其進(jìn)行尺寸誤差測(cè)量，得到數(shù)據(jù)如表5所列。

表5 尺寸誤差 /mm

把數(shù)據(jù)結(jié)果帶入式(3)～(5)，計(jì)算得到長度誤差、寬度誤差、高度誤差分別為0.2%、0.16 %、0.4%，尺寸成型精度較高?？梢钥闯鲩L度尺寸、寬度尺寸小于理論尺寸，高度尺寸大于理論尺寸，這是由于試樣成型沿Z方向累層鋪粉，因此在高度上存在大于理論尺寸的誤差。

3.5 表面粗糙度

文中選用的粗糙度測(cè)試儀主要由主機(jī)、檢測(cè)探頭、升降裝置、試驗(yàn)平臺(tái)以及傳感器組成，如圖9所示。

圖9 表面粗糙度檢測(cè)儀

試樣經(jīng)過多次不同成型方向重復(fù)粗糙度測(cè)量，取測(cè)量平均值，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所列。

表6 試樣表面粗糙度 /μm

由表可知，XY方向成型試樣粗糙度優(yōu)于縱向成型試樣粗糙度；XY方向成型試樣粗糙度取值在5.974～6.480 μm范圍內(nèi)，平均值為6.0912 μm；Z向成型試樣粗糙度取值在5.712～7.625 μm范圍內(nèi)，平均值為6.8278 μm。

3.6 溫室拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，選擇Ⅰ型試樣，材料拉伸試樣的尺寸如圖10所示。

圖10 試樣尺寸

抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式：

(6)

式中：σ1為抗拉強(qiáng)度，MPa；F為拉伸載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

材料的拉伸試驗(yàn)是檢測(cè)零件力學(xué)特征的常見方法之一，是評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，因此材料性能檢測(cè)是保證工件安全的重要保障手段。拉伸試驗(yàn)設(shè)備包括拉伸試驗(yàn)機(jī)、靜態(tài)應(yīng)變以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，試樣拉伸機(jī)以及拉伸試樣如圖11所示。

圖11 拉伸設(shè)備及試樣

對(duì)XY向成型試樣以及Z向成型試樣進(jìn)行多次重復(fù)拉伸試驗(yàn)，得到拉伸載荷與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖12所示。

由圖12可知，拉伸試樣經(jīng)過彈性變形階段，未出現(xiàn)屈服階段，進(jìn)入塑性變形階段，當(dāng)達(dá)到最大應(yīng)力點(diǎn)時(shí)直接斷裂，XY向成型試樣有較長的塑性變形階段，Z向成型試樣的塑性變形階段很短，且XY向成型試樣斷裂需要的拉伸載荷高于Z向拉伸載荷，將得到的拉伸載荷帶入式(6)計(jì)算得到不同成型方向抗拉強(qiáng)度，如表7所列。

圖12 試樣拉伸載荷-時(shí)間曲線圖

表7 拉伸試樣性能

由表7可知，對(duì)不同成型方向的試樣進(jìn)行多次拉伸得到其抗拉強(qiáng)度，并對(duì)其求平均值，得到試樣的抗拉強(qiáng)度：XY方向試樣平均拉伸強(qiáng)度為26.64 MPa、Z方向試樣平均拉伸強(qiáng)度為21.8 MPa，可以看出試樣沿XY方向成型的拉伸性能優(yōu)于沿Z方向成型的拉伸性能。

4 結(jié) 論

文中主要利用增材制造技術(shù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子模型和試樣進(jìn)行快速成型，并對(duì)試樣的致密度、成型精度、表面粗糙度、拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，得到以下結(jié)論。

(1) 基于增材制造技術(shù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行加工，不僅實(shí)現(xiàn)快速成型，而且在成型過程中避免原料浪費(fèi)，從而降低制造成本。

(2) 利用排水法對(duì)成型試樣進(jìn)行零件致密度檢測(cè)，多次測(cè)量試樣致密度平均值為93.05 %，具有較高致密度。

(3) 對(duì)試樣的尺寸精度和表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)試樣長、寬、高進(jìn)行尺寸誤差計(jì)算，其誤差分別為0.2%、0.16%、0.4%，成型尺寸精度較高；對(duì)XY向與Z向試樣粗糙度進(jìn)行多次測(cè)量，平均值分為6.091 2 μm、6.827 8 μm，表面粗糙度較大，需要進(jìn)一步進(jìn)行處理。

(4) 在拉伸試驗(yàn)中，由拉伸載荷與時(shí)間曲線關(guān)系圖，得到XY方向成型試樣拉斷試樣所需載荷大于Z方向試樣載荷，且XY方向成型試樣的塑性變形階段較長；試樣沿XY方向成型抗拉強(qiáng)度高于沿Z方向成型的抗拉強(qiáng)度。