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(浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

引言

液壓閥塊通常是液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化的必要部分，簡(jiǎn)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(shí)液壓閥塊降低了系統(tǒng)的振動(dòng)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(zhǎng)[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(shì)，傳統(tǒng)的液壓閥塊已經(jīng)不能滿(mǎn)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(fèi)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，有效減少了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時(shí)，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(lèi)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(wú)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(jì)自由度，但輔助支撐和錨點(diǎn)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(duì)以上問(wèn)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(duì)加工部件的機(jī)械性能的影響，同時(shí)采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)研究了微觀(guān)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(jī)的內(nèi)部冷卻孔道為研究對(duì)象，明確了加工方向和截面形狀對(duì)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(jì)加工。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)閥塊支撐問(wèn)題的研究尤其是針對(duì)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(jì)與研究，達(dá)到內(nèi)部流道無(wú)支撐的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 問(wèn)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(kuò)(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(jì)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(jì)對(duì)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(zhǎng)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(tái)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(jì)的兩個(gè)原則可歸納為以下兩條：

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

(2) 無(wú)支撐最小成型孔φ0=2 mm。

實(shí)際上，閥塊的流道優(yōu)化設(shè)計(jì)是三維空間問(wèn)題，給問(wèn)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(guò)研究流道截面的成型角將三維空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題。根據(jù)截面性質(zhì)，將其分為3個(gè)區(qū)間。以過(guò)圓心的水平線(xiàn)與圓的交點(diǎn)為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)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(xiàn)，B區(qū)間在三維流道中具有-Z方向的法線(xiàn)，添加在A(yíng)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(duì)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(píng)價(jià)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(zhǎng)度

lwidth——區(qū)間B在水平方向的投影長(zhǎng)度，即流道截面的寬度

對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究提出3種不同的截面形狀，通過(guò)分析對(duì)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(xiàn)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(duì)應(yīng)的邊界曲線(xiàn)方程：

la：x2+y2=16，y>0

(2)

建立邊界曲線(xiàn)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(mǎn)足無(wú)支撐條件，需要添加支撐。圓形截面對(duì)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(xiàn)方程lc:

(4)

圖4 圓形截面的S面分析

建立邊界曲線(xiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)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(duì)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(duì)應(yīng)的支撐體積小是必然的。另一方面，流道長(zhǎng)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(shí)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(duì)比，差異可以采用上面兩點(diǎn)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(duì)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(shí)驗(yàn)效果的目的。實(shí)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(méi)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(shí)際打印效果對(duì)比