郭西園 衛(wèi)鐘可 杜建國 趙黎明

基于3D打印的減速箱體拓?fù)鋬?yōu)化及應(yīng)用

郭西園1衛(wèi)鐘可1杜建國1趙黎明2

（1. 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長治 046000；2. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

針對航天地面設(shè)備產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化發(fā)展趨勢，以某減速箱零件為研究對象，構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化總體方案，通過仿真-拓?fù)?綜合-重建-仿真等技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)減速箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過零件打印及載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)基于3D打印的產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。

減速箱體；拓?fù)鋬?yōu)化；3D打印

1 引言

航天地面設(shè)備安全性要求高，常規(guī)的構(gòu)建思路是根據(jù)輸入要求，以體、柱、球、孔、槽等參數(shù)化特征組合成形，經(jīng)仿真驗(yàn)證滿足要求后確定最終零件尺寸，這種設(shè)計(jì)方法簡單、適于加工，但是材料利用率低，難以適應(yīng)受限空間或者限定重量的零件設(shè)計(jì)需求。

隨著設(shè)備集成化、輕量化的發(fā)展需求[1]，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此有必要開展新的構(gòu)建方法研究，在保證輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足剛度強(qiáng)度要求。

本文以減速箱零件為研究對象，通過材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化、仿真分析、3D打印、加工驗(yàn)證及載荷試驗(yàn)，開展基于3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用驗(yàn)證。

2 零件分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

減速箱為支撐結(jié)構(gòu)部件，交叉孔道，起到結(jié)構(gòu)固定、支撐傳載、承受載荷等作用，減速箱體現(xiàn)用材料為45#鋼，兩側(cè)面承受最大10t的壓力及拉力載荷，經(jīng)力學(xué)仿真分析，最大等效應(yīng)力為149MPa，結(jié)果如圖1所示。

圖1 減速箱結(jié)構(gòu)示意及額定載荷受力分析結(jié)果

2.2 方案選擇

減速箱外形尺寸241mm×148mm×250mm，整體偏小，其內(nèi)部孔道交叉、外部圓柱外形與方體特征相貫，其中外圓、內(nèi)孔等多為名義尺寸，傳動的加工需要采用鍛件毛坯或者大尺寸棒料以減材的方式實(shí)現(xiàn)，去除量大、機(jī)加工藝性較差、加工困難。同時(shí)通過受力分析結(jié)果可知，零件應(yīng)力主要分布在少數(shù)的交叉部位，其余結(jié)構(gòu)有很大的材料精簡空間，為零件輕量化設(shè)計(jì)提供可能。因此零件可采用高精度增材成型方式，將復(fù)雜特征尺寸直接生成，對于配合面留1～2mm機(jī)加余量即可，因此減速箱可以采用SLM的3D打印方式制備驗(yàn)證。

2.3 材料選型

對于SLM 3D打印來說，常用的粉材有鈦合金、鋁合金、高溫合金、不銹鋼、銅合金等，其中不銹鋼性能與45#鋼接近且應(yīng)用成熟，打印抗拉強(qiáng)度在600～700MPa，滿足載荷強(qiáng)度需要，故零件采用不銹鋼進(jìn)行制備，初選牌號為316L（022Cr17Ni12Mo2）。

3 優(yōu)化過程

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

減速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力簡單，可以面向增材制造的思維對零件模型進(jìn)行重構(gòu)，以拓?fù)涞姆绞竭M(jìn)行材料受力的分布優(yōu)化，并形成全新的構(gòu)型設(shè)計(jì)，通過SLM 3D打印，最終實(shí)現(xiàn)零件的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化區(qū)域、約束條件、求解參數(shù)等，獲得各種優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 減速箱各種拓?fù)浣Y(jié)果

3.2 正向再設(shè)計(jì)

零件的拓?fù)浣Y(jié)果雖然滿足產(chǎn)品的工況應(yīng)用，由于特征比較發(fā)散，不宜作為直接打印的模型，考慮工程實(shí)際應(yīng)用場景，一般需要參考拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行零件的再設(shè)計(jì)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果，選取幾種方案對零件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。

3.3 仿真驗(yàn)證

針對各種設(shè)計(jì)方案，以2倍安全系數(shù)為目標(biāo)，進(jìn)行2倍載荷下力學(xué)強(qiáng)度仿真驗(yàn)證，結(jié)果見表1。

表1 各種方案仿真結(jié)果

綜合對比3種優(yōu)化方案，方案C應(yīng)力變形最小，因此選擇該方案作為本次打印的最終模型。

針對方案C，繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)載荷下的仿真驗(yàn)證，優(yōu)化后模型在標(biāo)準(zhǔn)載荷下最大應(yīng)力為138MPa，原始模型在標(biāo)準(zhǔn)載荷下的最大應(yīng)力為149MPa，說明通過優(yōu)化不僅降低了零件的體積重量，同時(shí)通過材料再分布降低了零件的最大應(yīng)力值，使零件的受力更均勻，材料利用更均衡，也提高了零件的安全裕度。

4 打印制造

4.1 打印結(jié)果

零件采用SLM方式制造，經(jīng)過模型處理、支撐設(shè)置、打印參數(shù)設(shè)置、增材工藝仿真、打印過程、后處理、檢測、加工等步驟，實(shí)現(xiàn)零件的最終成形，結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果與實(shí)際加載試驗(yàn)應(yīng)力測點(diǎn)位置

4.2 性能驗(yàn)證

對隨爐打印試料加工并進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 隨爐打印試料拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，試料的抗拉強(qiáng)度多在611～656MPa之間，屈服應(yīng)力遠(yuǎn)大于2倍載荷下的仿真最大應(yīng)力，故判定該打印件滿足零件2倍安全系數(shù)要求。

4.3 加載驗(yàn)證

零件加工完成后，進(jìn)行加載試驗(yàn)，驗(yàn)證受力的合理性。加載按照2倍載荷工況進(jìn)行，結(jié)合仿真結(jié)果及應(yīng)變片布局空間，設(shè)置7個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，加載結(jié)果如表3所示。

表3 2倍工作載荷（20t）加載試驗(yàn)結(jié)果 MPa

根據(jù)加載結(jié)果可知，7個(gè)測點(diǎn)的數(shù)值中，大部分與仿真結(jié)果符合且偏小，由此判定優(yōu)化后模型仿真最大應(yīng)力極限合理且小于材料屈服強(qiáng)度，故優(yōu)化后產(chǎn)品滿足安全性能使用需求。

5 結(jié)束語

本文以減速箱為對象，進(jìn)行了復(fù)雜受力零件的增材制造研究，經(jīng)分析選擇SLM增材制造方式，通過選材及仿真確定材料的可行性，并利用拓?fù)鋬?yōu)化及重新建模，實(shí)現(xiàn)面向增材制造的零件再設(shè)計(jì)，優(yōu)化后零件體積減少21%、最大等效應(yīng)力降低10MPa且受力更均勻。經(jīng)過打印、測量、加工、檢測、試驗(yàn)等，證明拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印方案的可行性。

1 董鵬，梁曉康，趙衍華，等. 激光增材制造技術(shù)在航天構(gòu)件整體化輕量化制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 航天制造技術(shù)，2018(1)：7～11

Topology Optimization and Application of Gearbox Based on 3D Printing

Guo Xiyuan1Wei Zhongke1Du Jianguo1Zhao Liming2

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000; 2. Beijing Institute of Space launch Technology, Beijing 100076)

With the trend of miniaturization, lightweight and integration of aerospace ground equipment, build a overall scheme topology optimization by gearbox part. through the technology path of simulation-topology-rebuild-simulation, get the optimization design. Through the verification of 3D printing and load test, confirm the feasibility of topology optimization design method by 3D printing.

gearbox；topology optimization；3D printing

TH137

C

郭西園（1987），高級工程師，航空宇航制造工程專業(yè)；研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

2022-09-21