周志軍
(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通226010)
船舶在航行過(guò)程中,特別是在遠(yuǎn)洋航行期間,船舶零部件因故障受損給航運(yùn)公司造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。由于船舶配套零部件的生產(chǎn)批量小、形狀復(fù)雜、參數(shù)化設(shè)計(jì)困難,以及受傳統(tǒng)制造技術(shù)工藝的影響,與船舶配套的機(jī)械零部件的修理和建造急需要更新的設(shè)計(jì)方式和更快捷的生產(chǎn)方式。
對(duì)于船舶制造業(yè)來(lái)說(shuō),3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速成型及打印初始原型,減少船舶配件制造企業(yè)的船舶備件的種類和數(shù)量,南通航運(yùn)職業(yè)學(xué)院機(jī)電系承接江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,借助3D打印技術(shù)快速成型的特點(diǎn),分析船舶配套典型零件的設(shè)計(jì)與制造的工作任務(wù),利用CAD/CAM將三維模型轉(zhuǎn)化成可打印的格式后發(fā)送到3D打印機(jī),再打印成實(shí)物原型。最后,與船企PDM工藝流程無(wú)縫對(duì)接進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與案例應(yīng)用。項(xiàng)目組同學(xué)利用訓(xùn)練體系進(jìn)行創(chuàng)新與改革,從傳統(tǒng)的技能訓(xùn)練逐步拓展為先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用,促進(jìn)船舶配套零件設(shè)計(jì)的優(yōu)化研發(fā),方便了船舶配套零件的設(shè)計(jì)和制造。
我院和長(zhǎng)三角地區(qū)大量船舶制造、船舶設(shè)計(jì)企業(yè)合作建立了校企合作機(jī)制,學(xué)校設(shè)有船舶配套設(shè)計(jì)中心、CAD/CAM、數(shù)控加工等多個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室,為企業(yè)船舶配套零件的設(shè)計(jì)與制造維護(hù)提供了有利的技術(shù)支撐;同時(shí),學(xué)校非常重視實(shí)踐創(chuàng)新研究,并建有一批校企合作實(shí)訓(xùn)基地,提供該項(xiàng)目所需的一切硬件條件,其中有3D打印快速成型實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代設(shè)計(jì)三維仿真實(shí)訓(xùn)室,建立了在線開(kāi)放平臺(tái),并給予經(jīng)費(fèi)支持。
項(xiàng)目組成員為我院機(jī)電創(chuàng)新研究社成員、數(shù)控技術(shù)專業(yè)在校大二學(xué)生,能熟練應(yīng)用CAD/CAM軟件;熟悉船舶典型零件制造原理和設(shè)計(jì)方法,具備金加工、數(shù)控加工等實(shí)踐應(yīng)用能力,經(jīng)過(guò)船舶零件數(shù)控加工培訓(xùn),積累了大量自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作的經(jīng)驗(yàn),具有較好的創(chuàng)新實(shí)踐能力,為項(xiàng)目研究提供了強(qiáng)有力的理論和實(shí)操基礎(chǔ)。
項(xiàng)目研究的目標(biāo)是將3D打印技術(shù)與船舶配套零件設(shè)計(jì)制造結(jié)合起來(lái),優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì),整理形成系統(tǒng)化數(shù)據(jù)庫(kù),在此基礎(chǔ)上,熟悉3D打印技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用案例,最終實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接企業(yè)CAD/CAM設(shè)計(jì)制造流程,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主的船舶零件設(shè)計(jì)與制作能力以及綜合創(chuàng)新能力。研究的具體內(nèi)容有:
(1)通過(guò)理論研究,熟悉船舶配套零件設(shè)計(jì)制造流程;
(2)選擇合理三維設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)并計(jì)算出典型船舶配套零件三維模型,含標(biāo)準(zhǔn)通用件和復(fù)雜專用件等;
(3)利用現(xiàn)有的3D打印機(jī)FDM成型,分層切割,打印實(shí)體零件;
(4)收集數(shù)據(jù),測(cè)試不同的零件參數(shù)應(yīng)用,形成船舶配套零件制造工藝,最終組建船舶配套零件的CAD/CAM應(yīng)用平臺(tái)。
項(xiàng)目的研究主要是以學(xué)生和指導(dǎo)老師團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式進(jìn)行船舶配套零件的CAD設(shè)計(jì)和CAM實(shí)體制造,項(xiàng)目實(shí)施框架如圖1所示。
圖1 船舶配套件3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目研究框架
船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其主要裝置包括船舶主機(jī)、輔機(jī)、燃油供應(yīng)系統(tǒng)、舵機(jī)裝置、制冷和空調(diào)裝置、船用泵和管路系統(tǒng)、液壓機(jī)械設(shè)備等[1],因此,船用零部件種類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大小不一,根據(jù)其在加工制造工藝的不同,又可分為通用標(biāo)準(zhǔn)件、專用結(jié)構(gòu)件、特種零件等類型。
在項(xiàng)目研究過(guò)程中,通過(guò)前期的準(zhǔn)備工作,項(xiàng)目組成員群策群力,最終確定以船用齒輪和汽輪機(jī)葉片為典型案例進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,通過(guò)確定相關(guān)形狀、尺寸、技術(shù)要求等設(shè)計(jì)參數(shù),完成CAD/CAM相關(guān)計(jì)算,為3D打印實(shí)體件提供三維虛擬模型。
齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶的高速動(dòng)力裝置中必須配置的典型部件之一,其在船舶航行動(dòng)力裝置中起著重要的作用,如船舶調(diào)速、動(dòng)力傳遞等,齒輪配件的正常運(yùn)行是保證船舶安全航行的基本條件。
項(xiàng)目組通過(guò)運(yùn)用CAD/CAM系統(tǒng)UG的function功能建立了某船用標(biāo)準(zhǔn)齒輪件的齒廓漸開(kāi)線運(yùn)動(dòng)方程[2]。
式中,rb為基圓半徑;θ為角度值;t為在 UG中設(shè)置的遍歷參數(shù);xt、yt、zt分別為齒輪漸開(kāi)線齒廓三維坐標(biāo)。并基于UG線框計(jì)算和實(shí)體填充,生成齒輪三維模型,如圖2所示。
圖2 船用齒輪三維實(shí)體造型
葉片類零件是具有代表性的復(fù)雜曲面船舶配套零件,廣泛應(yīng)用在汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)等領(lǐng)域,對(duì)于復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì),參數(shù)化設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)其設(shè)計(jì)的優(yōu)越性,項(xiàng)目組利用葉片樣條曲線方程,對(duì)葉片截面進(jìn)行插值運(yùn)算,
式中i=0,1,…,n為葉片曲面頂點(diǎn)數(shù),運(yùn)用 UG的CAD/CAM模塊以及二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)Open API技術(shù),完成了船用汽輪機(jī)葉片三維建模,如圖3所示。
圖3 船用汽輪機(jī)葉片三維實(shí)體造型
我院機(jī)電系快速成型實(shí)訓(xùn)室配備三臺(tái)Einstart3D桌面3D打印機(jī),其能有效的和UG、Pro/E、CATIA等主流CAD/CAM系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接,生成STL格式文件。采用ABS或PLC絲狀熱熔性材料FDM熔融沉積成型,其組件輕便,操作簡(jiǎn)易,易于裝配調(diào)試,結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 F D M-3D打印機(jī)及其組件結(jié)構(gòu)
船舶配件FDM的3D打印過(guò)程分以下幾個(gè)步驟:
(1)CAD/CAM建模。利用模型結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行逼近數(shù)值處理,形成數(shù)據(jù)文件;
(2)STL格式的轉(zhuǎn)換。利用UG等CAD/CAM三維造型軟件的STL文件輸出功能進(jìn)行數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換;
(3)分層處理信息。將三維CAD模型沿z軸縱向分解為一系列二維平面層,確定的輪廓曲線軌跡,生成數(shù)控代碼;
(4)逐層打印。根據(jù)分層的輪廓信息,熔絲加熱噴出,按照預(yù)定軌跡,做 x-y橫向運(yùn)動(dòng),以固定速率進(jìn)行沉積。每完成一層,工作臺(tái)z向下降一個(gè)層厚進(jìn)行新一層堆疊,如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型,生成三維模型;
(5)后處理。清理零件表面,等待熱固冷卻成型,去除輔助支撐結(jié)構(gòu)。
熔融沉積3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)零件制造方法,可以快速、準(zhǔn)確地將船舶配套件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)變?yōu)樵蛯?shí)物,如圖5所示。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的零部件時(shí),利用3D打印快速成型,學(xué)生在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)時(shí)可以同時(shí)拿出多種方案,通過(guò)不同方案的對(duì)比,實(shí)時(shí)創(chuàng)新修改,進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)試,為后續(xù)數(shù)據(jù)收集,建立豐富的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了有力的保障。
圖5 F D M船舶配套件成型實(shí)物
船舶配件在設(shè)計(jì)、工藝編制及制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)文件,包括船舶配套件的CAD零件圖、裝配圖、技術(shù)要求等圖文信息;三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件、STL代碼、數(shù)控加工代碼等建模信息;加工參數(shù)、工序與工步等工藝信息,船舶配件的制造工藝不便于管理以及配件的二次開(kāi)發(fā)。
因此,項(xiàng)目組利用齒輪、葉片等船舶典型配件建立基本制造流程,測(cè)試不同的零件實(shí)際配套應(yīng)用,收集數(shù)據(jù),分析了協(xié)同設(shè)計(jì)的任務(wù)關(guān)聯(lián),把與制造相關(guān)的文件上傳至教學(xué)平臺(tái),建立了船舶配件設(shè)計(jì)PDM(Product Data Management)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)[3],按照PDM流程進(jìn)行工藝校對(duì)、對(duì)模型和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整,形成流程方案,如圖6所示。
圖6 船舶配件P D M流程方案
通過(guò)實(shí)施船舶配套零部件PDM流程,可以加快船舶行業(yè)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造速度,提高生產(chǎn)效率,有利于對(duì)船舶配件的全生命制造周期進(jìn)行管理,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在線平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,有利于組織船企實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化設(shè)計(jì)制造。
船舶配套零件CAD/CAM 3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目,不需機(jī)械加工或任何模具,以CAD/CAM建模為基礎(chǔ),利用FDM實(shí)體3D打印建立PDM流程,即使是較大的船體零件設(shè)計(jì)也可以通過(guò)比例縮小的方式快速制作模型。項(xiàng)目組成員從船舶配套零件概念設(shè)計(jì)到原型制造的一般工藝流程都能實(shí)施參與,利用3D打印機(jī),學(xué)生們可以真正地測(cè)試所設(shè)計(jì)的零部件,即使是枯燥的設(shè)計(jì)建模知識(shí)的學(xué)習(xí),也能融入新工藝、新技術(shù)、新材料的實(shí)踐內(nèi)容,促進(jìn)了學(xué)科交叉融合,培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。
[1]船舶的主要設(shè)備配件 [EB/OL].[2013-05-14]www.cnship.org/new_view.asp id=12067.
[2]曹麗娜.船舶零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015(37):230-231
[3]李偉林.基于三維CAD與PDM的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué),2012.