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        基于3D打印的大尺度零件的模塊化設(shè)計

        2017-09-01 16:05:59劉先梅張明存
        宿州學(xué)院學(xué)報 2017年6期
        關(guān)鍵詞:燕尾液壓機打印機

        劉先梅,張明存

        六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)系,六安,237158

        基于3D打印的大尺度零件的模塊化設(shè)計

        劉先梅,張明存

        六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)系,六安,237158

        為了克服3D打印機自身的成形空間限制,將大尺度零件在3D設(shè)計軟件中劃分成若干小模塊,在各模塊之間設(shè)計一種合理的接口,打印后組裝成完整的大尺度零件,以大型壓力機機身零件模型為例,將其合理地劃分成4個模塊,設(shè)計一種燕尾式接口模型,并進行有限元分析。最后利用 3D打印機將接口模型成功打印出來,實現(xiàn)了現(xiàn)場驗證。結(jié)果表明:這種接口組裝的模型具有強度足,組裝操作簡單、便于展示和攜帶等優(yōu)點。

        3D打印機;大尺度零件;接口設(shè)計;有限元分析

        3D打印可以服務(wù)于大尺度零件的產(chǎn)品銷售和產(chǎn)品設(shè)計工作。在銷售中,采用3D打印機將設(shè)計方案打印模型,方便用戶直接了解零件的結(jié)構(gòu)、運動過程、相互間的匹配過程和主要設(shè)計難點等問題[1];在產(chǎn)品設(shè)計中,采用3D打印機打印出縮小比例的模型,方便設(shè)計人員檢驗設(shè)計方案的正確性,及時發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計問題,糾正和調(diào)整設(shè)計圖樣,保證設(shè)計質(zhì)量。

        目前,3D打印機主要采用FDM、SLA、SLS、3DP等快速成形技術(shù)[2],但每一種打印機都有一定的成形空間,限制了大尺度零件模型的快速原型打印技術(shù)的發(fā)展。由于成型空間的限制,在現(xiàn)實打印過程中三維模型往往需經(jīng)過縮放或分割處理[3],使得模型在后處理階段操作變得繁瑣。實際上,可以將大尺寸零件數(shù)字模型進行整體劃分成單個模塊,在各個模塊之間設(shè)計一種接口,打印后通過接口組裝各模塊成整機零件。本文根據(jù)現(xiàn)有的塑料拼插件接口設(shè)計理論基礎(chǔ),采用理論論證和仿真分析相結(jié)合的方法,以典型框架式液壓機機身大尺度零件為例,建立三維模型劃分模塊,設(shè)計模塊之間的接口。

        1 大尺度零件

        1.1 框架式液壓機機身三維模型與結(jié)構(gòu)分析

        框架式液壓機的主要結(jié)構(gòu)包括框架上梁、主油缸、動梁(滑塊)、墊塊、下梁、頂出缸等部件(圖1)。

        圖1 框架式液壓機機身結(jié)構(gòu)

        根據(jù)中小型液壓機設(shè)計規(guī)范[4],三液壓缸框架式液壓機工作時的受力分析如圖2(a)所示,主液壓缸受力為P1,副液壓缸受力為P2,不考慮偏心載荷,可以簡化為單缸受力圖如圖2(b)所示,λ為折算系

        圖2 框架式液壓機整機受力分析

        數(shù),不影響最大應(yīng)力的求解,液壓機的整體彎矩圖如圖2(c)所示。其相應(yīng)的A點彎矩MA、B點彎矩MB公式計算如下:

        (1)

        (2)

        從圖2(c)可知,在上梁的兩端處和液壓缸處、下梁的兩端處和滑塊接觸處有比較大的彎矩,且都是正應(yīng)力危險部位,必須滿足強度要求[5],見式(3)。為了保證沖壓精度,垂直方向的位移形變也必須滿足剛度要求,見式(4)。

        (3)

        fL≤[fL]

        (4)

        1.2 組合框架式液壓機模型機結(jié)構(gòu)劃分

        圖3 結(jié)構(gòu)劃分

        根據(jù)圖1所示的模型尺寸,如果該尺度機身放進一般3D打印機進行打印,則無法打印;如果整體縮小10倍進行打印,則總體尺寸為346×193×173(mm3),機床結(jié)構(gòu)的局部細節(jié)難以表述,設(shè)計中的難點問題也不能有效表征,不能為用戶和設(shè)計人員接受,失去了3D打印的意義;如果整體縮小5倍進行打印,則總體尺寸為692×386×346(mm3),但是無法進入3D打印機進行打印,必須進行結(jié)構(gòu)劃分。

        由于框架式液壓機既是左右對稱的,也是前后對稱的,所以可以按如圖3(a)方式進行劃分。按照這種形式劃分,每一個打印件的高度減少一半,建模個數(shù)為2個,每個模型打印件數(shù)為2個,并進行兩次打印,且打印件結(jié)構(gòu)簡單,便于質(zhì)量控制。因此,可以依據(jù)模塊化設(shè)計思路[6],將大尺度的框架式液壓機劃分成4塊進行打印。

        2 模塊接口設(shè)計

        大尺度的框架式液壓機屬大型較規(guī)則的箱體類零件,由于劃分的模塊較多,接口數(shù)量、類型也較多。單一的接口通常滿足不了多方位的組裝需求。以圖3(a)中斷面1的連接接口為例。由于該零件尺寸值太大,故將零件模型縮小5倍處理,這樣1面移出截面的尺寸如圖3(b)所示。對于斷面1而言,它與結(jié)構(gòu)之間屬于大平面接觸,可以參考燕尾槽設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),考慮用燕尾槽式接口組裝[7]。

        圖4 燕尾槽前后截面圖

        考慮3D打印工藝,對于斷面1接口,在燕尾槽結(jié)構(gòu)上稍作改進,即將燕尾槽根部U型槽改為圓弧型槽,讓槽身有一定的斜度,以達到限位的目的。其中燕尾槽、凸臺前后兩剖面形狀如圖4、5所示,利用Pro/E軟件設(shè)計燕尾式接口,三維效果如圖6所示。

        圖5 燕尾凸臺前后截面圖

        圖6 燕尾式接口三維效果及組裝

        3 燕尾式接口連接穩(wěn)定性分析

        由于上述燕尾式接口主要用于對液壓機身3D模型連接組裝,所以對其定位要求低。目前,在3D打印中常用的材料有ABS和PLA,均具有高強度、低重量的特點,打印完成的模型都要進行打磨和拋光處理,但處理后的模型表面精度仍較低,摩擦系數(shù)高。同時,如圖4、5燕尾槽與凸臺前后截面圖所示,燕尾式接口前后端是作變截面處理,而二者裝配采用過盈配合處理,以保證接口在連接時具有足夠的穩(wěn)定性。

        4 燕尾式接口的強度分析

        4.1 有限元分析

        燕尾式接口3D幾何模型是在Pro/E三維軟件中建立,再將模數(shù)據(jù)型直接導(dǎo)入ANSYS 14.0軟件進行剛強度分析[8]。在3D打印過程中,用ABS塑料打印接口零件模型,其楊氏模量為2.0e8 Mpa,泊松比為0.394,密度為1.1 g/cm3,抗拉強度為70~90 Mpa。

        表1 燕尾凸臺的云圖分析數(shù)據(jù)

        表2 燕尾槽的云圖分析數(shù)據(jù)

        根據(jù)表1、2,可以得出下列結(jié)論:

        (1)燕尾凸臺和燕尾槽的等效彈性應(yīng)變量、總應(yīng)變量和等效應(yīng)力會隨著施加載荷的增大而增大;

        (2)相同大小的載荷作用下,燕尾槽的等效彈性應(yīng)變量、總應(yīng)變量和等效應(yīng)力大于燕尾凸臺;

        (3)考慮實際工況,燕尾凸臺和燕尾槽接口經(jīng)組裝后在外界載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變量和應(yīng)力能滿足要求,能維持大尺度零件模塊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

        4.2 吊重物實驗

        經(jīng)3D打印機打印成形的接口模型如圖7所示,總尺寸為900×870×420(mm3)。為了減少昂貴的材料,將模型內(nèi)部處理成網(wǎng)格狀,組裝接口模型總質(zhì)量僅有150 g。對于接口組裝強度問題,進行現(xiàn)場“吊重物實驗”,如圖8所示。重物總質(zhì)量為30 kg,觀察接口模型的變形情況和組裝穩(wěn)定性;同時,測試在外力摔打的情況下接口之間是否容易脫落或出現(xiàn)間隙增大的現(xiàn)象,均能具有良好力學(xué)性能。

        圖7 接口模型

        圖8 吊重物實驗

        5 結(jié)束語

        這種燕尾槽式接口可用于該框架式機身零件3D打印模型組裝,經(jīng)現(xiàn)場模擬測試,模型接口在載荷作用下仍具有良好的力學(xué)性能和連接穩(wěn)定性。由此可見,類似機身大尺度零件的模型能夠通過有效地劃分模塊單元,設(shè)計可行模塊接口能實現(xiàn)快速打印,并具有組裝操作簡單、便于展示和攜帶等優(yōu)點。

        [1]張楠,李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響[J].機械設(shè)計,2013,30(7):97-99[2]盧秉恒,李滌塵.增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化,2013,42(4):1-4

        [3]孫柏林.試析“3D打印技術(shù)”的優(yōu)點與局限[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2013 (6):1-6

        [4]楊兆忠,翟華,柯尊忠.自動精密校直液壓機系列化產(chǎn)品 CAD 集成系統(tǒng)[J].機床與液壓,2008,36(4):146-148

        [5]Charles F.Kirschman,Jr.Automated support structuce design for stereolitho-graphic parts[D].South Carolina,USA:The Graduate School of Clemson University,1991:443-448

        [6]許靜,紀(jì)楊建,祁國寧,等.基于模塊化產(chǎn)品平臺的技術(shù)對象重用建模技術(shù)研究[J].中國機械工程,2012,23(14):1681-1687

        [7]吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:27-28

        [8]王思國,翟華,夏鏈,等.大型落地鏜銑床滑枕的有限元分析[J].汽車科技,2011(4):71-73

        (責(zé)任編輯:汪材印)

        10.3969/j.issn.1673-2006.2017.06.028

        2017-03-18

        安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目“基于3D打印機打印大尺度零件模塊化接口研究”(KJ2016A688)。

        劉先梅(1981-)女,安徽六安人,碩士,講師,研究方向:數(shù)字化設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計理論。

        TH12

        A

        1673-2006(2017)06-0105-04

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