楊 陽(yáng)，陳小虎，周 雷，祝 毅，楊華勇，龐 松

(1.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103；2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)械系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027； 3.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201699)

引言

選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的金屬增材制造技術(shù)，它基于離散-疊加成形原理，可以一次成形三維實(shí)體[1-2]，基本突破了傳統(tǒng)加工方式下的設(shè)計(jì)束縛，能夠成形體積更小、重量更輕、壓力損失更低的液壓元件，可以進(jìn)一步提高液壓元件的功重比，引起國(guó)內(nèi)外液壓行業(yè)的廣泛關(guān)注。

與傳統(tǒng)加工方式相比，SLM技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是大大提高了流道設(shè)計(jì)的自由度，圖1展示了行的部分工作，其中圖1a為傳統(tǒng)加工方式下的閥塊原型，圖1b則是在不改變?cè)偷墓ぷ髟?、工況要求的前提下重新設(shè)計(jì)并利用SLM技術(shù)成形的閥塊，與原型a相比，SLM成形閥塊b空間體積減小了50%左右，重量減輕了80%以上，同時(shí)，在同一工況下壓力損失降低了30%左右，實(shí)現(xiàn)了閥塊原型的小型化、輕量化，并改善了流動(dòng)性能。

圖1 閥塊對(duì)比圖

然而，閥塊中的流道一般是三維結(jié)構(gòu)且方向多變，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生懸垂結(jié)構(gòu)(成形時(shí)下方無(wú)實(shí)體支撐)，SLM技術(shù)在成形懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)為提高成形質(zhì)量、避免成形失敗，往往會(huì)添加支撐[3-4]。水平流道作為典型懸垂結(jié)構(gòu)成形時(shí)就需要添加支撐，但由于流道的特殊性，若為它添加支撐則無(wú)法通過(guò)后處理將其去除[5]，因此它的成形又必須在無(wú)支撐條件下進(jìn)行，異形截面流道(淚滴形、菱形等)可以減少支撐的使用[6]，但是比較而言圓形截面流道的通流能力更為優(yōu)良，應(yīng)力集中也更小，因此最好使用無(wú)支撐圓形流道。圖2a是利用SLM技術(shù)水平成形的無(wú)支撐圓形流道，為方便觀(guān)察與測(cè)量，將其圈出部分切下得到圖2b所示的局部細(xì)節(jié)圖，發(fā)現(xiàn)這樣成形的圓形流道往往存在較大的輪廓形狀誤差，并且在下表皮(流道水平擺放時(shí)內(nèi)壁面頂部，懸垂結(jié)構(gòu))存在較大的粗糙度，這在一些文獻(xiàn)中也有所闡述[5,7]。因此對(duì)于閥塊等采用SLM技術(shù)成形的液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此處的沿程壓力損失對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能量耗散乃至功重比的控制影響很大，然而在此情況下經(jīng)典的Moody圖幾乎無(wú)法正確預(yù)測(cè)沿程阻力系數(shù)，因此關(guān)于SLM條件下成形水平流道的沿程壓力損失的相關(guān)機(jī)理的探究就顯得非常迫切。

圖2 SLM成形無(wú)支撐圓形水平流道

SNYDER等[7-8]研究了成形方向?qū)Τ叽绻詈捅砻娲植诙鹊挠绊?，并且用氣體作為流體介質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)成形方向?qū)缀握`差和表面粗糙度的影響很大，并且導(dǎo)致了層流提前轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。STIMPSON等[9-10]研究了SLM成形的矩形通道，他們分析了材料、上表皮和下表皮對(duì)尺寸公差和表面粗糙度的影響。同時(shí)測(cè)定了沿程阻力系數(shù)，結(jié)果表明:在低雷諾數(shù)下，通道內(nèi)的沿程阻力系數(shù)高于層流理論的沿程阻力系數(shù)，但趨勢(shì)趨于一致，而在湍流區(qū)，通道內(nèi)的沿程阻力系數(shù)差別很大，同時(shí)他們還給出了沿程阻力系數(shù)與Ra/Dh之間的修正關(guān)系，然而，所有的研究工作都是基于微型流道(直徑小于2 mm)。大多數(shù)液壓行業(yè)中使用的流道直徑比這要大得多。

本研究主要研究了SLM成形不同直徑的無(wú)支撐水平流道的沿程壓力損失問(wèn)題，測(cè)量了輪廓誤差和表面粗糙度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)沿程阻力系數(shù)進(jìn)行了研究，該工作有助于為液壓流道的增材設(shè)計(jì)提供參考準(zhǔn)則。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)量

1.1 成形設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)流道使用英國(guó)雷尼紹的Renishaw AM250快速成形設(shè)備制造，圖3a為該系統(tǒng)的實(shí)物圖，它主要由激光及其控制系統(tǒng)、基板升降系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)5個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。激光及其控制系統(tǒng)作為該設(shè)備的核心系統(tǒng)，作用主要是將波長(zhǎng)為1071 nm的激光聚焦在一直徑為70 μm的光斑上，然后按照預(yù)設(shè)激光掃描路徑調(diào)整激光位置，實(shí)現(xiàn)激光的精確可控移動(dòng)，完成金屬粉末的熔化過(guò)程。基板升降系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)成形需要，控制基板上下移動(dòng)。鋪粉系統(tǒng)的主要作用是在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)金屬粉末的自動(dòng)供給，并利用刮刀將基板下降后形成的凹陷填平，為下一次激光掃描做準(zhǔn)備。惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)作用是利用氬氣等惰性氣體將原成形倉(cāng)內(nèi)的空氣趕出，以防止金屬粉末在高溫下熔化時(shí)與空氣中的氧氣等氣體發(fā)生反應(yīng)，影響成形件質(zhì)量。循環(huán)水冷卻系統(tǒng)則是導(dǎo)出快速成形系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，為成形系統(tǒng)提供接近恒溫的工作環(huán)境，使成形精度保持穩(wěn)定，同時(shí)保護(hù)高精密儀器設(shè)備，圖3b為該系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 Renishaw AM250快速成形設(shè)備

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)工況以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)材料強(qiáng)度要求較高，結(jié)合實(shí)驗(yàn)成本綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)選取316 L不銹鋼作為其成形材料，它具有高硬度和韌性、良好的耐腐蝕性等優(yōu)勢(shì)，在注塑和壓鑄模具、醫(yī)療植入物、手術(shù)工具及其他一般工程中均有廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)用316 L不銹鋼粉末粒徑在15～53 μm之間，其元素組成、各元素含量以及成形件機(jī)械性能在我們之前的研究工作中有所描述[11-13]。

1.2 流道設(shè)計(jì)與成形

圖4a為實(shí)驗(yàn)待測(cè)流道設(shè)計(jì)模型的剖面圖，其中A，B，C為壓力傳感器安裝插孔，AB，BC之間的距離均為70 mm，進(jìn)行沿程壓力損失實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將待測(cè)流道接入實(shí)驗(yàn)裝置，將壓力傳感器接入壓力傳感器安裝孔，當(dāng)含有一定壓力的液壓油流經(jīng)流道時(shí)，會(huì)通過(guò)靜壓孔將壓力傳遞到壓力傳感器的壓敏元件，通過(guò)壓力傳感器數(shù)顯即可獲得該處壓力，進(jìn)而獲得壓力損失值。由于工業(yè)液壓系統(tǒng)經(jīng)常使用4～16 mm內(nèi)徑的流道，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流道直徑分別為4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 mm，對(duì)于流道長(zhǎng)度，出于實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理要求及成形尺寸限制，每個(gè)流道的長(zhǎng)度為235 mm，壁厚則統(tǒng)一設(shè)置為5 mm，以保證強(qiáng)度要求及實(shí)驗(yàn)安全。此外，考慮到后處理加工以及裝配需求，還為待測(cè)流道設(shè)計(jì)了夾裝平面和扳手平面。

流道結(jié)構(gòu)、尺寸、裝配需求等設(shè)計(jì)完成后，利用上述設(shè)備成形實(shí)驗(yàn)流道，所有流道水平擺放，流道軸線(xiàn)與刮刀方向平行，成形方向如圖4b所示。所有流道均未添加內(nèi)部支撐，只在底部的部分懸垂外壁面處添加了外部支撐，以避免成形失敗，提高成形質(zhì)量。表1為流道成形過(guò)程工藝參數(shù)。

圖4 SLM成形流道

表1 流道成形工藝參數(shù)

1.3 成形流道輪廓及粗糙度測(cè)量

圖5a為成形流道輪廓及粗糙度待測(cè)試樣品，從流道內(nèi)壁頂部(即下表皮)位置處開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)较驅(qū)⑵鋬?nèi)壁面依次劃分為上、右、下、左4個(gè)部分。采用超聲波清洗機(jī)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行清洗，其后采用OKIO-3M三維掃描儀測(cè)量流道輪廓成形精度，如圖5b所示，測(cè)量精度為5 μm，掃描距離為0.04 mm，根據(jù)其掃描結(jié)果結(jié)合式(1)即可得到水力直徑Dh的值。圖5c為VK150共聚焦顯微鏡，用它來(lái)測(cè)量成形流道的表面粗糙度，濾波選擇高斯濾鏡，設(shè)置S濾鏡5 μm，L濾鏡2 mm。在流道內(nèi)表面上、右、下、左4個(gè)方向上分別選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量面積(1.394×1) mm2，最終分別取其平均值作為該部分粗糙度值。不同于2D粗糙度表征參數(shù)Ra，實(shí)驗(yàn)選取的粗糙度表征參數(shù)為ISO 25178 表面測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)給出的面平均粗糙度參數(shù)Sa，代表3D表面的算術(shù)平均高度，可以更有效地表征被測(cè)面的粗糙度。

(1)

式中，Dh—— 水力直徑

A—— 成形流道截面積

P—— 對(duì)應(yīng)的濕周

圖5 成形流道輪廓和表面粗糙度測(cè)量

1.4 沿程壓力損失實(shí)驗(yàn)

圖6a和圖6b分別為SLM成形流道沿程壓力損失測(cè)量裝置的原理圖和實(shí)物圖。以設(shè)計(jì)直徑為10 mm的流道實(shí)驗(yàn)裝置為例，在利用該裝置進(jìn)行沿程壓力損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將長(zhǎng)2 m、內(nèi)徑10 mm的316 L不銹鋼管通過(guò)轉(zhuǎn)接塊B與待測(cè)打印實(shí)驗(yàn)流道連接，其中長(zhǎng)不銹鋼管的作用是確保油流進(jìn)入待測(cè)打印實(shí)驗(yàn)流道前已充分發(fā)展，隨后通過(guò)轉(zhuǎn)接塊A和轉(zhuǎn)接塊C將左右兩端分別連接到軟管上，進(jìn)一步地連接至供油調(diào)壓調(diào)流量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。組裝好實(shí)驗(yàn)裝置后，設(shè)定輸入流量為230 L/min，當(dāng)液壓油流經(jīng)待測(cè)流道時(shí)，通過(guò)靜壓孔將壓力傳遞到壓力傳感器的測(cè)量位置，通過(guò)讀取壓力傳感器的值并計(jì)算它們之間的差值，得到壓力損失p0，隨后通過(guò)不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置的輸入流量，獲得一系列壓力損失值。沿程阻力系數(shù)λ可以用式(2)計(jì)算。

(2)

式中，λ—— 沿程阻力系數(shù)

p0—— 壓力損失

l—— 流道測(cè)壓段長(zhǎng)度

ρ—— 液壓油密度

v—— 速度

圖6 流道沿程壓力損失測(cè)量裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 輪廓及粗糙度測(cè)量結(jié)果

圖7給出了水力直徑Dh的計(jì)算結(jié)果及其與設(shè)計(jì)直徑D之間的相對(duì)誤差，結(jié)果清楚地表明幾何誤差σ隨著流道直徑的增大而減小，不過(guò)總體而言，設(shè)計(jì)流道與實(shí)際流道之間的直徑差不大。

圖7 水力直徑測(cè)量結(jié)果

各直徑流道內(nèi)壁的上、右、下、左4個(gè)位置的表面粗糙度Sa測(cè)量結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，頂部的粗糙度很高，Sa值基本在60 μm到80 μm之間，其他3個(gè)部位的粗糙度Sa值相差不大，均在10 μm附近。對(duì)于液壓系統(tǒng)的金屬流道采用機(jī)加工生產(chǎn)的，其流道表面粗糙度一般在20 μm以下。因此，與傳統(tǒng)加工的流道相比，SLM流道頂部的表面粗糙度產(chǎn)生了較大差異。

圖8 表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

2.2 沿程壓力損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于制造上的差異，流道輪廓的尺寸精度也發(fā)生了變化。 因此，在計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)使用的直徑D對(duì)于SLM成形流道而言不是恒定的。這種差異與一些制造因素有關(guān)，例如工藝參數(shù)、成形方向、流道結(jié)構(gòu)等。由于流道直徑的影響不能完全用雷諾數(shù)表示，因此繪制了沿程阻力系數(shù)與流道直徑和雷諾數(shù)的3D映射圖?？傮w而言，圖9中各直徑曲線(xiàn)的趨勢(shì)類(lèi)似于經(jīng)典的Moody圖，不過(guò)層流和湍流中的沿程阻力系數(shù)都更高。流道由層流向湍流的轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)出現(xiàn)在4000附近，轉(zhuǎn)變點(diǎn)在圖9中用五角星標(biāo)出，這一值大于經(jīng)典理論值，后期改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置后會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖9 直徑-雷諾數(shù)-沿程阻力系數(shù)三維圖

2.3 對(duì)流道設(shè)計(jì)的啟發(fā)

(1) 圓形無(wú)支撐流道的成形尺寸可以很大，上述實(shí)驗(yàn)流道最大為14 mm，此前研究團(tuán)隊(duì)成功成形過(guò)直徑為20 mm的圓形無(wú)支撐流道，可以滿(mǎn)足液壓領(lǐng)域絕大部分場(chǎng)合使用要求，因此設(shè)計(jì)過(guò)程幾乎不用考慮流道直徑帶來(lái)的支撐約束；

(2) 頂面(下表皮)粗糙度比其他幾個(gè)壁面的粗糙度要大得多，因此在設(shè)計(jì)多流道液壓元件時(shí)，應(yīng)該讓流道懸垂壁面面積所占比例盡可能小。

3 結(jié)論

自行設(shè)計(jì)并利用SLM技術(shù)成形了4, 6, 8, 10, 12, 14 mm直徑的實(shí)驗(yàn)流道，測(cè)量完輪廓和表面粗糙度后采用實(shí)驗(yàn)和經(jīng)典理論相結(jié)合的方法研究了成形流道的沿程阻力系數(shù)，這項(xiàng)研究可以得出以下結(jié)論:

(1) 所有成形流道水力直徑比設(shè)計(jì)直徑?。?/p>

(2) 頂部(下表皮)的表面粗糙度很高，至少是其余部分的5倍；

(3) 流道的沿程阻力系數(shù)高于Moody圖的理論預(yù)測(cè)值，其中層流區(qū)域的繪制曲線(xiàn)與經(jīng)典Moody圖層流區(qū)域曲線(xiàn)基本平行；

(4) 輪廓對(duì)沿程阻力系數(shù)的影響比表面粗糙度對(duì)沿程阻力系數(shù)的影響更大。

此外，未來(lái)還有很多重要工作要繼續(xù)進(jìn)行：通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)提高成形質(zhì)量，提高輪廓成形精度，降低表面粗糙度；研究流道不同成形方向與沿程阻力系數(shù)的關(guān)系；對(duì)SLM成形流道層流區(qū)域、湍流區(qū)域的沿程阻力系數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立計(jì)算模型；最終建立起一套完整的SLM成形流道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。