張永濤，黃崇莉，晁 瑞，王智博，支明宇，萬旭東

(陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它是以三維軟件設(shè)計模型為本體，通過相應(yīng)軟件對模型進行切片離散化處理，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末金屬、塑料或液體等材料通過層層堆積粘結(jié)的方式，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品的技術(shù)[1]。由于其在實體成型方面的前瞻性，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[2]。多年來的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)融入到了各行各業(yè)，對傳統(tǒng)制造業(yè)有著巨大的影響[3]，與傳統(tǒng)制造技術(shù)最大的差別是，3D打印技術(shù)可以將3D工業(yè)設(shè)計模型直接變?yōu)楫a(chǎn)品，非常符合樣品研發(fā)、式樣制造，其中的精準度和效率非常高[4]，與之相比，傳統(tǒng)制造技術(shù)被稱作減材制造技術(shù)，通過車、銑、刨、磨等加工技術(shù)把材料從毛坯上進行去除，從而制造出零件[5]。

螺桿壓縮機因具有排氣量穩(wěn)定、運行平穩(wěn)、動力脈沖小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、易于操作維護等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于食品、機械、醫(yī)療、化工、礦山、冶金、等各種工業(yè)領(lǐng)域[6]。螺桿壓縮機的應(yīng)用范圍之廣，其核心部件是一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的加工精度決定了螺桿壓縮機的工作穩(wěn)定性以及工作效率等特性[7]。目前，螺桿壓縮機的諸多先進技術(shù)都被國外壓縮機公司所掌握，并擁有知識產(chǎn)權(quán)保護[8]。由于國內(nèi)壓縮機技術(shù)發(fā)展比較晚，導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計方法還在雛形階段，加工方法相對比較落后。雖然螺桿轉(zhuǎn)子復(fù)雜曲面加工方法從銑削發(fā)展到滾削、磨削，但是受到如：刀具磨損、切削時熱量過高、砂輪磨損等因素的影響，這幾種方法或多或少存在一定的瓶頸，無法滿足螺桿轉(zhuǎn)子的精密加工[9]。隨著計算機行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化建模的不斷提高，逐漸縮短了與各行業(yè)之間的距離，現(xiàn)階段各類三維建模軟件如UG、Pro-E、SoildWorks、Auto-CAD等能夠?qū)崿F(xiàn)對螺桿壓縮機核心部件螺桿轉(zhuǎn)子模型的三維可視化建模，3D打印技術(shù)的發(fā)展為螺桿轉(zhuǎn)子實體建模提供了新的思路，在三維建模軟件的基礎(chǔ)上，運用3D打印技術(shù)研究螺桿轉(zhuǎn)子成型，實現(xiàn)模型的實體輸出[10]。

王躍等[11]提出了3D技術(shù)在缸體鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用；劉丹等[12]研究了3D打印在汽車行業(yè)上的應(yīng)用；姚榮等[13]對煤炭行業(yè)設(shè)備維修采用3D打印技術(shù)進行了研究；邵珠強等[14]對金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合問題進行了研究；劉李明等[15]提出了3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中的應(yīng)用；趙高升等[16]對金屬零件3D打印技術(shù)的進展進行了研究與論述；利用3D打印技術(shù)的成型優(yōu)勢，為探索3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型過程的有效性，提出一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并完成實物模型的制作。

3D打印技術(shù)通過材料堆積方式及快速成型的技術(shù)優(yōu)點，筆者通過對螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)加工方法進行分析，與3D打印技術(shù)的優(yōu)勢相比較，得出復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工制造方案。進一步通過三維實體建模、3D打印、結(jié)構(gòu)特性分析，為國內(nèi)壓縮機螺桿轉(zhuǎn)子的研發(fā)設(shè)計提供了新的思路。

1 螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)加工方法

1.1 銑削加工法

用盤型銑刀加工轉(zhuǎn)子時，刀具軸線與轉(zhuǎn)子軸線空間交錯，兩者有一夾角。盤型銑刀繞其自身軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子則作螺旋運動。一般在臥式銑床上加工，也可以在普通萬能銑床上加工。由于轉(zhuǎn)子的螺旋角較大，模數(shù)大，齒數(shù)少，切線相當長，故切削力大。在這種大螺旋角的工位下，使機身自身的剛度及穩(wěn)定性大大下降，僅適用于小批量生產(chǎn)。

1.2 滾削加工法

滾削加工法在切削速度，加工精度方面都較銑削加工發(fā)優(yōu)越，這是因為轉(zhuǎn)子齒面滾刀進行加工時，其分齒實在切削齒面的同時連續(xù)進行的，因而齒距誤差小，生產(chǎn)率高。但由于滾刀制造復(fù)雜，使得螺旋角大，直徑大的成型滾刀價格昂貴，因此僅適用于大批量生產(chǎn)的小型轉(zhuǎn)子。

1.3 磨削加工法

轉(zhuǎn)子專用數(shù)控磨床自備砂輪修正器，可快速加工出新型線的轉(zhuǎn)子，大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。同時，采用磨削加工法還能地熱處理后的硬齒面進行加工，從而提高成品轉(zhuǎn)子的精度和降低表面粗糙度。

2 3D打印技術(shù)工作原理及優(yōu)勢

2.1 工作原理

3D打印技術(shù)是通過計算機設(shè)計數(shù)據(jù)，采用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)[13]，相對于傳統(tǒng)的材料切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。3D打印技術(shù)實現(xiàn)了與設(shè)計模型相匹配的制造方法，又因為此類技術(shù)不需要相關(guān)模板、原坯，僅使用可粘合材料經(jīng)由相關(guān)的圖形數(shù)據(jù)便能實現(xiàn)對產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，故其往往比傳統(tǒng)加工技術(shù)擁有更高的效率[17]。

2.2 3D打印技術(shù)優(yōu)勢

2.2.1 加工周期縮短

3D打印技術(shù)能夠?qū)⒂嬎銠C三維設(shè)計圖紙直接轉(zhuǎn)換為實物模型，并且工作效率和質(zhì)量較高，因此能夠縮短零件生產(chǎn)周期。如果是簡單零件，通過3D打印技術(shù)幾小時之內(nèi)便可以完成制作。

2.2.2 生產(chǎn)成本降低

目前，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造金屬零件需要的成本依然較高，但是應(yīng)用3D打印技術(shù)制造塑料零件需要的成本較低，總體而言，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還是能夠降低零件生產(chǎn)成本。在應(yīng)用傳統(tǒng)零件制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，零件生產(chǎn)應(yīng)用的材料較為昂貴，這就意味著一旦在制造過程中出現(xiàn)了微小的問題，都可能會造成材料的報廢，進而增加制造成本；但是3D打印技術(shù)在零件制造中的應(yīng)用，則能夠提高設(shè)計人員設(shè)計操作的靈活程度，設(shè)計人員可以就材料應(yīng)用進行多次更改，降低因設(shè)計方式更改而導(dǎo)致的制造成本。

2.2.3 推動產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展

因為3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠直接將計算機中的設(shè)計圖紙打印為實物模型，因此可以減少零件制造中機床、刀具等設(shè)備的應(yīng)用。同時，能夠應(yīng)用到模具制造中的材料類型也在逐漸增多。這些均有利于推動我國機械零件產(chǎn)品設(shè)計工作的發(fā)展，同時還能推進3D打印技術(shù)的發(fā)展。

2.2.4 力學(xué)性能優(yōu)勢

3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)零件整體加工，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計理念中的點陣結(jié)構(gòu)、拓撲優(yōu)化技術(shù)可以通過3D打印的自由成型能力得到充分的發(fā)揮，可獲得細密均勻的集體組織，并使金屬零部件呈現(xiàn)良好的力學(xué)性能，整個制造過程與傳統(tǒng)制造相比較為簡短，可以極大提高金屬零件的輕量化水平。

2.2.5 創(chuàng)新化

傳統(tǒng)的加工制造業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新方面有著比較大的限制，我們現(xiàn)在使用的絕大部分產(chǎn)品基本上都是在能夠制造以及設(shè)計的理念下進行生產(chǎn)的[18]。也就是說，一個產(chǎn)品的設(shè)計、制造到生產(chǎn)都必須考慮這個產(chǎn)品的加工制造性[19]。而3D打印技術(shù)不僅僅能夠使得產(chǎn)品創(chuàng)意變?yōu)榭赡?，同時使各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工制造不受限制。

3 螺桿轉(zhuǎn)子三維實體模型建立

3.1 陽轉(zhuǎn)子截面型線選取

文中主要研究新型螺桿轉(zhuǎn)子的增材制造成型，所以在轉(zhuǎn)子型線設(shè)計上不作祥述，但所選取的轉(zhuǎn)子型線的依然遵守設(shè)計原則，以現(xiàn)有的單邊不對稱擺線——銷齒圓弧型線為研究對象建立螺桿壓縮機陽轉(zhuǎn)子模型。所選螺桿壓縮機陽轉(zhuǎn)子截面型線，如圖1所示。

3.2 螺桿轉(zhuǎn)子三維數(shù)字建模

3.2.1 實體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子建模

在轉(zhuǎn)子建模過程中主要采用的是UG三維建模軟件。由于在型線設(shè)計過程中，是通過MATLAB計算得到一系列離散的點，將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG中進行數(shù)據(jù)擬合會得到一個完整的齒形，然后通過圓周陣列，得到陽轉(zhuǎn)子的截面型線，如圖1所示。通過螺旋掃掠拉伸得到陽轉(zhuǎn)子三維實體結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 陽轉(zhuǎn)子型線 圖2 實體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子3維模型

3.2.2 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子建模

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它是將數(shù)據(jù)通過掃描噴涂熱熔材料，經(jīng)過3D打印機層層堆積疊加的方式逐層制造出產(chǎn)品。從3D打印成形技術(shù)的特點出發(fā)，在實體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部進行了蜂窩狀空腔化處理，蜂窩結(jié)構(gòu)各參數(shù)見表1所列，蜂窩結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、密度小、強度高、剛性好等特點，且滿足對螺桿轉(zhuǎn)子的輕量化設(shè)計。根據(jù)以上特點，建立新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3維模型，如圖4所示。

表1 蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 蜂窩結(jié)構(gòu)單元

圖4 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3維模型

4 螺桿轉(zhuǎn)子3D打印

由于螺桿轉(zhuǎn)子為復(fù)雜曲面類零件，因其成型復(fù)雜、零件精細，有較高的精度，采用FDM熔融堆積的3D打印技術(shù)，以保證主體結(jié)構(gòu)的強度韌性，減少變形。此次打印選用的是Z++ 3D PRINTER ,如圖5所示，它具有操作簡單，使用便利，穩(wěn)定性好，并且機身采用容易更換的MakerBot Replicator智能噴頭，打印精度可以控制在100 μm。

圖5 Z++ 3D PRINTER

文中主要研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的成型，所以根據(jù)3D打印技術(shù)的成型特點選擇聚乳酸(PLA)作為原材料進行試驗。將新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子三維模型生成STL格式文件通過ideaMaker軟件對零件進行切片處理，層高0.1 mm，壁厚2 mm，填充密度25%，打印溫度215 ℃，填充速度50 mm/s，走線寬度1.75 mm。首先，將標準塞尺放入打印噴頭和打印平臺之間，調(diào)節(jié)打印平臺下方調(diào)平按鈕，使打印噴頭輕微壓緊塞尺，水平移動塞尺確認無誤后調(diào)平完成；然后進入設(shè)置菜單選擇原點歸零并在主菜單中選擇機器控制界面點擊進料、退料，最后在主菜單中選擇需打印文件，Z++ 3Dprinter 在打印之前會進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達215 ℃左右開始打印，最終獲得新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的實體模型，如圖6所示。

圖6 新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子3D打印實體

從圖6中可以看出，新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)與實體結(jié)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)子并無差別，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，同比相同結(jié)構(gòu)實體螺桿轉(zhuǎn)子體積質(zhì)量減少18.34%，實現(xiàn)了對螺桿轉(zhuǎn)子的輕量化設(shè)計同時也是螺桿轉(zhuǎn)子加工成型方法及螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種全新嘗試。

5 結(jié)構(gòu)特性分析

通過對新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子進行3D打印成型實驗驗證后，利用ANSYS Workbench根據(jù)轉(zhuǎn)子實際工作情況進行力學(xué)特性分析，研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子是否滿足壓縮機的工作需求。某公司螺桿壓縮機所采用的電動機型號為TYPE LY-250M3-2，額定轉(zhuǎn)速為2 960 r/min，額定功率為132 kW。在對應(yīng)設(shè)計功率下，改變不同工作轉(zhuǎn)速得到不同扭矩對新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子的變形影響。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，陽轉(zhuǎn)子所受扭矩不斷減小，轉(zhuǎn)子的最大變形量也隨之減??；隨著轉(zhuǎn)速不斷增大，扭矩不斷減小，轉(zhuǎn)子最大等效應(yīng)力也隨之減小，滿足壓縮機的工作需求；分析得出1 500～3 000 r/min下的轉(zhuǎn)子變形量，其變形云圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子變形云圖

6 結(jié) 論

(1) 結(jié)合3D打印技術(shù)通過材料堆積方式及快速成型的技術(shù)優(yōu)點，研究了3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型過程中的應(yīng)用，面向螺桿轉(zhuǎn)子大批量、造型復(fù)雜的特征，3D打印技術(shù)在螺桿轉(zhuǎn)子成型制作過程中具有明顯的優(yōu)勢，能極大地縮減實物模型的制作時間及整個設(shè)計流程周期。

(2) 3D打印的全過程是數(shù)字化制造過程，數(shù)字模型的創(chuàng)建、優(yōu)化與轉(zhuǎn)化是3D打印的核心基礎(chǔ)，設(shè)計師需要培養(yǎng)面向3D打印技術(shù)原理的數(shù)字化設(shè)計思維。

(3) 針對輕量化問題，設(shè)計了一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉(zhuǎn)子，通過三維數(shù)字建模及實體模型打印，且中空的結(jié)構(gòu)減去了大部分的重量達到了輕量化設(shè)計的目的。此類研究方法為國內(nèi)壓縮機螺桿轉(zhuǎn)子的研發(fā)設(shè)計提供了新的思路，是螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一種新方法。