蔡小葉，程宗輝，白 兵

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

在飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中，航空橡膠波紋管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)波紋管）可以隔離空氣中的灰塵，同時(shí)起著密封作用。其傳統(tǒng)成型工藝為模壓硫化，用于壓制成型的模具為模壓模具。傳統(tǒng)的波紋管模具如圖1所示，一般采用機(jī)械加工的方式進(jìn)行制造。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)外，需要綜合考慮機(jī)械加工的難易程度[1]。傳統(tǒng)的波紋管模具生產(chǎn)存在工序多、制造周期長(zhǎng)、型腔面加工難度大和笨重等缺點(diǎn)，因此研究者提出波紋管模具的輕量化設(shè)計(jì)與制造要求。

圖1 傳統(tǒng)的波紋管模具Fig.1 Traditional bellows mould

自A.G.M.MICHELL[2]提出拓?fù)鋬?yōu)化的概念之后，拓?fù)鋬?yōu)化在各個(gè)領(lǐng)域獲得了豐碩的研究和應(yīng)用成果[3-8]。柴象海等[9]以空心率為約束條件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，使得葉片空心率提高45%以上，同時(shí)顯著提升了葉片的抗沖擊性能。劉川等[10]將拓?fù)鋬?yōu)化與形狀優(yōu)化相結(jié)合用于金屬天線結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計(jì)。姜繆文等[11]提出基于拓?fù)鋬?yōu)化的軍用頭盔內(nèi)膽輕量化的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的產(chǎn)品在苛刻的條件下使用能夠保持良好的性能。目前，拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用研究仍是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由某種單胞通過(guò)大量相同的點(diǎn)陣單元周期性組合而成，具有超輕、高強(qiáng)、能量吸收和傳熱滲透等性能[12]，同時(shí)可以滿足韌性和耐久性等要求。作為信息化和制造技術(shù)的高度融合，金屬3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造。隨著3D打印技術(shù)的日漸成熟，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其增強(qiáng)單元由于具有拓?fù)漕?lèi)型簡(jiǎn)單和各向同性等特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)選區(qū)激光熔化成型工藝，備受關(guān)注。I.MASKERY等[13]通過(guò)理論研究得到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度，通過(guò)試驗(yàn)研究得到單胞尺寸和數(shù)量對(duì)材料力學(xué)性能的影響。柏龍等[14]采用Ti6Al4V鈦合金材料通過(guò)選區(qū)激光熔化成型方法制備了體心四方優(yōu)化結(jié)構(gòu)與體心立方參照結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣件，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)單向壓縮性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化的合理性。目前，可采用金屬3D打印技術(shù)快速制造橡膠模壓模具，但如果沿用傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)直接打印則意義不大，需要綜合模具結(jié)構(gòu)與金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行模具輕量化重構(gòu)。

本工作采用拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)波紋管模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合金屬3D打印技術(shù)和選區(qū)激光熔化成型工藝[15-16]，改變傳統(tǒng)波紋管模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，將輕量化理念引入到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證模具剛度、強(qiáng)度和使用性能不變的同時(shí)，減小模具質(zhì)量，縮短制造周期，同時(shí)提高材料利用率。

1 材料選擇

傳統(tǒng)機(jī)械加工的波紋管模具的上模、下模由45#鋼制造，模芯由4Cr13不銹鋼制造。目前應(yīng)用于金屬3D打印模具制造的鋼主要是馬氏體時(shí)效鋼和馬氏體時(shí)效不銹鋼，其3D打印用模具粉末主要有17-4PH，15-5PH，18Ni300和S-136等類(lèi)型。馬氏體時(shí)效鋼包括含鈷類(lèi)型（典型種類(lèi)有18Ni系18Ni200，18Ni250，18Ni300和18Ni350等）和無(wú)鈷類(lèi)型，無(wú)論含鈷或是無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼，耐腐蝕性較差是其最大的缺點(diǎn)。無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效不銹鋼有T-250和W-500等類(lèi)型，由于其既具有馬氏體時(shí)效鋼的優(yōu)點(diǎn)，又具有馬氏體時(shí)效鋼不具備的耐腐蝕性，因此本工作選擇該類(lèi)材料進(jìn)行輕量化波紋管模具的打印。

CX模具鋼是一種新型的馬氏體時(shí)效不銹鋼，本工作選用12Cr9Ni的CX模具鋼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CX鋼）進(jìn)行試驗(yàn)，其基礎(chǔ)元素為鐵元素，其他化學(xué)成分如表1所示，物理性能如表2所示。

表1 CX鋼的其他化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Tab.1 Other chemical composition mass fractions of CX steel %

表2 CX鋼的物理性能Tab.2 Physical properties of CX steel

將45#，H13，18Ni300，S136和CX鋼試樣放入腐蝕溶液中，在48 h后觀察試樣狀態(tài)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，CX鋼耐腐蝕性能良好，能大幅降低快冷快熱給模具帶來(lái)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)以及橡膠硫化劑帶來(lái)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此本工作選擇CX鋼作為金屬3D打印材料。

圖2 不同鋼材試樣腐蝕48 h后的狀態(tài)Fig.2 States of different steel samples after 48 h corrosion

2 輕量化設(shè)計(jì)

2.1 3D建模

波紋管在機(jī)械密封中為一種補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，壓縮波紋管可以產(chǎn)生回彈，從而向密封環(huán)提供彈力。確定波紋管模具分型面主要考慮如下因素：不影響波紋管表面質(zhì)量和尺寸精度；有利于模具型腔氣體的排放；有利于波紋管毛刺飛邊的去除；有利于模壓硫化后啟模[1]。波紋管模具的設(shè)計(jì)核心在于實(shí)現(xiàn)模芯成型組合零件的一體化設(shè)計(jì)。本工作采用3D建模軟件設(shè)計(jì)并繪制波紋管模具，其3D模型如圖3所示。

圖3 波紋管模具的3D模型Fig.33D model of bellows mould

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

波紋管模具由上模、下模和模芯3部分組成，其上、下模結(jié)構(gòu)相同。本工作采用Solid Thinking Inspire軟件（以色列Altair公司產(chǎn)品）對(duì)波紋管模具的上、下模進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化：將構(gòu)建的上、下模的3D模型導(dǎo)入到軟件中，將默認(rèn)單位系統(tǒng)設(shè)置為SI制；定義結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間；在結(jié)構(gòu)仿真功能區(qū)施加約束，根據(jù)上、下模裝配要求和使用環(huán)境對(duì)模型受壓面施加20 MPa載荷，同時(shí)對(duì)底面施加約束；利用軟件優(yōu)化模塊對(duì)模型進(jìn)行初步減量?jī)?yōu)化，優(yōu)化參數(shù)如下：空間結(jié)構(gòu)總體積率為25%，厚度約束最小尺寸為5 mm、最大尺寸為10 mm，系統(tǒng)運(yùn)算得出初步優(yōu)化結(jié)果。

由于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)邊界融合困難、不光滑，需要對(duì)初步優(yōu)化的模型進(jìn)行PolyNURBS建模處理，將其內(nèi)部懸空結(jié)構(gòu)延伸至底面同時(shí)倒角化（平滑處理）。平滑處理為：首先打開(kāi)形狀探索器確認(rèn)拓?fù)浠瑝K，再創(chuàng)建剖切面，選擇包覆工具，在剖切面處創(chuàng)建PolyNURBS模型，重復(fù)此步驟直至所有懸空結(jié)構(gòu)全部得到處理。平滑處理后的波紋管模具模型如圖4所示。

圖4 平滑處理后的波紋管模具模型Fig.4 Bellows mould model after smoothing

2.3 點(diǎn)陣優(yōu)化

利用Magics軟件建立點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，將3D模型導(dǎo)入到Magic軟件中，選用晶格結(jié)構(gòu)（鉆石結(jié)構(gòu)、斜方柱結(jié)構(gòu)和楔形結(jié)構(gòu)）。將3種晶格結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)成拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同結(jié)構(gòu)晶格單元的拉伸強(qiáng)度Tab.3 Tensile strengths of different structure lattice units

鉆石結(jié)構(gòu)晶格單元拉伸強(qiáng)度最大，以此結(jié)構(gòu)晶格單元作為波紋管模具內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，同時(shí)添加外壁結(jié)構(gòu)，尺寸余量為5 mm，如圖5所示。

圖5 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of lattice structure

將拓?fù)鋬?yōu)化模型導(dǎo)入Magic軟件中，將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋬?yōu)化模型放置在一個(gè)坐標(biāo)系中，利用布爾運(yùn)算將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充到拓?fù)鋬?yōu)化模型中，形成輕量化模型，如圖6所示。

圖6 輕量化模型Fig.6 Lightweight model

3 金屬3D打印

3.1 材料準(zhǔn)備

金屬粉末采用CX鋼模具粉末（安徽哈特三維科技有限公司產(chǎn)品），其典型形態(tài)如圖7所示，粉末基本呈球形，存在少量衛(wèi)星粉。粉末基本性質(zhì)為：粒徑范圍 15～53 μm，松裝密度 3.92 Mg·m-3，振實(shí)密度 4.84 Mg·m-3，流動(dòng)性 0.704 s·g-1，累計(jì)分布10%的粒徑 20.9 μm，累計(jì)分布50%的粒徑 33.7 μm，累計(jì)分布90%的粒徑 53.2 μm。

圖7 CX鋼模具粉末形貌Fig.7 Powder morphologies of CX steel mould

3D打印前必須對(duì)CX鋼模具粉末進(jìn)行篩分和烘干處理，使用AVI-S400超聲波振動(dòng)篩篩分粉末，過(guò)濾掉大顆粒；使用DZF-6050真空干燥箱烘干粉末，烘粉溫度為100 ℃，時(shí)間為4 h。

3.2 打印成型

利用Quantam軟件對(duì)輕量化的波紋管模具STL（立體光刻）模型進(jìn)行擺放、切片分層、設(shè)計(jì)合理掃描路徑和選擇成型工藝參數(shù)。成型工藝參數(shù)如下：激光功率 300 W，掃描間距 110 μm，掃描速度 60 mm·s-1，層厚 50 μm。

使用Renishaw AM 500E型金屬3D打印設(shè)備（英國(guó)雷尼紹公司產(chǎn)品，見(jiàn)圖8）進(jìn)行成型，成型過(guò)程如下：首先清潔成型艙、保護(hù)振鏡、安裝刮刀和基板并調(diào)平；其次培養(yǎng)氣氛，保護(hù)氣體采用體積分?jǐn)?shù)為99.99%的氬氣，同時(shí)預(yù)熱基板至170 ℃；開(kāi)始打印，即刮刀將一定層厚的金屬粉末鋪在基板上，觀察前幾層的鋪粉情況并調(diào)節(jié)送粉量，每加工完1層金屬粉末后工作平臺(tái)下降1層厚度的高度，然后刮刀在已經(jīng)加工好的當(dāng)前層上再均勻鋪設(shè)1層金屬粉末，繼續(xù)進(jìn)行打印，如此循環(huán)直至金屬零件被加工完成。

圖8 金屬的3D打印設(shè)備Fig.83D printing equipment for metal

3.3 后處理

在打印成型后的4 h內(nèi)對(duì)輕量化波紋管模具連同基板進(jìn)行熱處理退火，退火工藝為波紋管模具和基板在530 ℃下保溫4 h后隨爐冷卻。退火的目的是消除波紋管模具成型過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，以改善波紋管模具組織結(jié)構(gòu)，提高其綜合性能。

對(duì)經(jīng)過(guò)退火的輕量化波紋管模具和基板采用線切割的方式進(jìn)行切割，并對(duì)選區(qū)激光熔化成型的輕量化模具進(jìn)行二次精加工，使模具型腔表面光潔度滿足指標(biāo)要求（型腔面表面光潔度Ra為0.8 μm，其余面Ra為3.2 μm）?？焖僦圃斐龅妮p量化波紋管模具如圖9所示。

圖9 輕量化的波紋管模具Fig.9 Lightweight bellows mould

4 模壓硫化試驗(yàn)及結(jié)果分析

使用XLB-D600×600×4平板硫化機(jī)（磐石油壓工業(yè)有限公司產(chǎn)品）對(duì)輕量化波紋管模具進(jìn)行模壓硫化試驗(yàn)，使用PS5360硅橡膠膠料，硫化條件為（170±3） ℃/（11～15） MPa×15 min。使用CNC200型自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x（美國(guó)OPG公司產(chǎn)品）檢測(cè)輕量化波紋管產(chǎn)品（見(jiàn)圖10）尺寸，結(jié)果如表4所示。

圖10 輕量化波紋管Fig.10 Lightweight bellows

表4 輕量化波紋管尺寸Tab.4 Sizes of lightweight bellows mm

從表4可以看出，使用輕量化波紋管模具模壓制造的波紋管尺寸滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)測(cè)量，傳統(tǒng)機(jī)械加工的波紋管模具質(zhì)量為41.5 kg，輕量化波紋管模具質(zhì)量為28.1 kg，輕量化波紋管模具質(zhì)量減小32.29%。

5 結(jié)語(yǔ)

基于拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)輕量化波紋管模具的上、下模，并采用金屬3D打印和選區(qū)激光熔化成型技術(shù)替代傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)制造，不僅模具質(zhì)量大大減小，提高了材料的利用率，同時(shí)可提高模具成型效率，縮短其制造周期。

采用輕量化波紋管模具模壓硫化制備的波紋管尺寸滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。