摘 要：本文圍繞液壓油管檢具開發(fā)，深入探討數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了液壓油管檢具的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，通過案例研究、數(shù)據(jù)對比及實際應(yīng)用展示技術(shù)優(yōu)勢。采用模塊化設(shè)計和光固化3D打印技術(shù)，實現(xiàn)檢具快速迭代，設(shè)計周期縮短40%，試制成本降低68.3%，定位精度達(dá)±0.08mm，檢測效率提升50%。該技術(shù)可顯著降低中小企業(yè)檢具開發(fā)門檻，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益，為液壓油管檢測領(lǐng)域提供理論與實踐參考，推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：液壓油管檢具 數(shù)字設(shè)計 增材制造 模塊化設(shè)計 成本控制 檢測精度

1 緒論

在現(xiàn)代工業(yè)中，液壓系統(tǒng)廣泛用于機(jī)械制造、汽車、航空航天等領(lǐng)域，是設(shè)備穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。液壓油管作為核心部件，其質(zhì)量關(guān)乎系統(tǒng)性能、可靠性和設(shè)備安全。因此，高效精準(zhǔn)的液壓油管檢測是確保系統(tǒng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)液壓油管檢具設(shè)計制造依賴手工繪圖、機(jī)械加工和模具制造，存在設(shè)計周期長、成本高、對復(fù)雜形狀油管適應(yīng)性差等問題。隨著數(shù)字化與增材制造技術(shù)的發(fā)展，為液壓油管檢具創(chuàng)新開發(fā)開辟了新路徑，能大幅提升檢具設(shè)計制造的效率和精度，滿足多樣化檢測需求。本文將通過案例分析、數(shù)據(jù)對比和實際應(yīng)用展示，探討數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)在液壓油管檢具開發(fā)中的具體應(yīng)用。

2 液壓油管檢具的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

液壓油管檢具主要由基礎(chǔ)定位安裝板、定位銷、支撐座、限位支撐塊組成。

基礎(chǔ)定位安裝板是檢具基礎(chǔ)平臺，選用優(yōu)質(zhì)鑄鐵或鋁合金等高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的材料，經(jīng)精密加工保證平面度和尺寸精度，表面設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化安裝孔和定位槽，方便其他部件安裝。

定位銷是精確定位被測油管的關(guān)鍵，本文將其分為單一和復(fù)雜空間角度定位銷。前者用于結(jié)構(gòu)簡單檢測位，通過精確設(shè)計長度、直徑和角度，插入油管端口實現(xiàn)單方向定位；后者針對復(fù)雜空間形狀檢測位，借助三維建模技術(shù)計算空間角度和位置，保證定位準(zhǔn)確。

支撐座固定支撐定位銷，確保檢測時穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)設(shè)計兼顧力學(xué)性能和安裝便利性，采用加強(qiáng)筋增強(qiáng)剛性，通過螺栓或焊接與基礎(chǔ)定位安裝板連接。

限位支撐塊輔助支撐和限位油管，保證其檢測時位置正確。形狀和位置依油管外形輪廓精確設(shè)計，多為可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)不同規(guī)格油管檢測。材料常選有彈性和耐磨性的橡膠或聚氨酯，避免損傷油管表面。

2.2 工作原理

液壓油管檢具基于精確限定和檢測油管空間位置工作。檢測時，將油管放于檢具上，基礎(chǔ)定位安裝板提供初始定位，定位銷插入油管端口或部位約束其空間位置，限位支撐塊從各方向支撐限位，防止油管位移晃動。

若油管加工尺寸和形狀合格，能與檢具定位結(jié)構(gòu)緊密配合，定位銷順利插入，油管與支撐部件間隙均勻且達(dá)標(biāo)；若油管存在變形、尺寸偏差等問題，會出現(xiàn)配合不良，如定位銷無法插入、油管與支撐塊間隙過大或干涉等，檢測人員借此快速判斷油管是否合格。

3 數(shù)字設(shè)計+增材制造技術(shù)應(yīng)用于液壓油管檢具開發(fā)

3.1 模塊化設(shè)計流程

采用“掃描-建模-驗證”三階段標(biāo)準(zhǔn)化流程：三維掃描時，使用工業(yè)級三維掃描儀獲取油管點云數(shù)據(jù)，精度達(dá)0.05mm，為后續(xù)建模提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；參數(shù)化建模，選用1200×800mm、平面度≤0.05mm的鋁合金基板作為基礎(chǔ)平臺，保證穩(wěn)定性和精度，定位模塊采用組合式銷套結(jié)構(gòu)，有Φ8/Φ10/Φ12三種規(guī)格以適應(yīng)不同管徑油管定位，限位機(jī)構(gòu)選用邵氏硬度70±5A的聚氨酯墊塊，既能有效限位又能保護(hù)油管表面；虛擬驗證則通過SolidWorks Motion模擬油管裝配過程，提前發(fā)現(xiàn)干涉問題，優(yōu)化設(shè)計方案，降低后期修改成本。

3.2 光固化打印工藝

采用光敏樹脂3D打印機(jī)制造檢具部件，關(guān)鍵參數(shù)如下：層厚設(shè)定為0.1mm，在保證精度的同時兼顧打印效率；曝光時間為12s/層，以此確保層間結(jié)合牢固，提高零件整體強(qiáng)度；后固化處理在60℃環(huán)境下進(jìn)行2h，用以提升零件的尺寸穩(wěn)定性，減少變形。

3.3 開發(fā)思路和技巧的實踐探索

基礎(chǔ)定位安裝板的創(chuàng)建：運用UG、SolidWorks、CATIA等數(shù)字設(shè)計軟件，依據(jù)油管整體尺寸、檢測工藝及設(shè)備集成需求，精確設(shè)計基礎(chǔ)定位安裝板的形狀與尺寸。通過有限元分析（FEA）模擬力學(xué)性能，優(yōu)化加強(qiáng)筋布局和厚度，減重降本。合理規(guī)劃安裝孔和定位槽，考慮裝配公差，保障連接準(zhǔn)確穩(wěn)定。

被測零件的空間位置布局：對液壓油管精確三維建模，利用軟件運動模擬和空間分析功能，綜合油管彎曲形狀、端口位置、重心分布及檢測便利性，確定其在檢具上的最佳位置布局。借助虛擬裝配模擬安裝過程，提前排查干涉問題并優(yōu)化，確保油管檢測時放置穩(wěn)定，便于操作，提升檢測效率與準(zhǔn)確性。

創(chuàng)建安裝基準(zhǔn)和找正被測零件：在數(shù)字設(shè)計環(huán)境設(shè)定統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)面，作為檢具設(shè)計與裝配的基準(zhǔn)。通過坐標(biāo)定位和角度調(diào)整功能，找正油管模型，使其在檢具坐標(biāo)系中的位置精度達(dá)標(biāo)。實際裝配時，借助三坐標(biāo)測量儀等高精度儀器，依據(jù)設(shè)計基準(zhǔn)精確安裝校準(zhǔn)油管，為檢測提供可靠位置基礎(chǔ)。

單一空間角度定位銷及其支撐座創(chuàng)建：根據(jù)油管端口形狀、尺寸和位置，運用三角函數(shù)與幾何計算，精確設(shè)計單一空間角度定位銷的長度、直徑和角度參數(shù)。利用軟件參數(shù)化設(shè)計功能優(yōu)化尺寸，同時設(shè)計支撐座，考慮其與定位銷的配合精度、與安裝板的連接方式及支撐強(qiáng)度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀（如采用十字筋或蜂窩狀結(jié)構(gòu)）減輕重量。

復(fù)雜空間角度定位銷及其支撐座創(chuàng)建：針對復(fù)雜空間形狀的油管，利用軟件高級建模和空間坐標(biāo)變換功能，精確計算復(fù)雜空間角度定位銷的形狀和角度。模擬定位銷與油管端口的配合過程并多次優(yōu)化，確保其適應(yīng)油管復(fù)雜結(jié)構(gòu)。具備技術(shù)條件時，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計支撐座，根據(jù)定位銷受力和安裝要求，生成最優(yōu)結(jié)構(gòu)，解決安裝和固定難題，保證檢測準(zhǔn)確可靠。

限位支撐塊創(chuàng)建：依據(jù)油管形狀和檢測要求，在數(shù)字設(shè)計軟件中規(guī)劃限位支撐塊的位置和形狀。利用模擬分析功能評估不同位置和形狀下的支撐限位效果并優(yōu)化。限位支撐塊設(shè)計考慮與油管的接觸面積、摩擦力及表面保護(hù)，采用彈性材料和特殊表面處理工藝，提升支撐限位性能，避免損傷油管。

支撐座安裝定位銷和螺紋孔的創(chuàng)建：在支撐座設(shè)計中，精確標(biāo)注尺寸、控制公差，創(chuàng)建安裝定位銷的孔和螺紋孔。利用軟件精度控制功能，確?？椎某叽?、位置精度和垂直度符合設(shè)計要求。根據(jù)連接螺栓規(guī)格和擰緊力矩要求，選擇合適的螺紋規(guī)格和螺距，模擬擰緊過程優(yōu)化螺紋孔深度和牙型，保證連接可靠穩(wěn)定。

檢具各模塊的增材制造及技術(shù)要點：將數(shù)字設(shè)計完成的檢具模塊模型導(dǎo)入增材制造設(shè)備，根據(jù)模塊功能、性能要求和使用環(huán)境選擇材料。高精度定位銷和關(guān)鍵支撐部件選用高精度樹脂或金屬基復(fù)合材料，高強(qiáng)度復(fù)雜結(jié)構(gòu)件采用鋁合金、鈦合金等。制造時嚴(yán)格控制層厚（0.05-0.2mm）、打印速度和溫度。根據(jù)材料特性和零件要求調(diào)整打印速度，避免材料堆積、變形。對熱塑性材料嚴(yán)格控溫，保證材料結(jié)晶度和力學(xué)性能穩(wěn)定。利用支撐結(jié)構(gòu)生成功能并結(jié)合人工優(yōu)化，為復(fù)雜形狀模塊合理設(shè)置支撐。打印后進(jìn)行去除支撐、打磨、拋光等后處理，提升零件表面質(zhì)量和尺寸精度。

安裝調(diào)校與三坐標(biāo)檢測驗證：安裝增材制造完成的各模塊，使用激光干涉儀、電子水平儀等高精度工具調(diào)校，確保部件間相對位置精度達(dá)標(biāo)。安裝后用三坐標(biāo)測量儀全面檢測檢具關(guān)鍵尺寸、形位公差等參數(shù)，與設(shè)計圖紙對比分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，如調(diào)整定位銷位置、補(bǔ)償支撐座高度等，確保檢具性能最優(yōu)，滿足油管高精度檢測需求。

3.4 設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)和要點

數(shù)字設(shè)計的精確性：數(shù)字設(shè)計是檢具開發(fā)基礎(chǔ)，其精確性關(guān)乎檢具質(zhì)量與性能。建模嚴(yán)格依油管實際尺寸和公差要求，精確至微米級。充分考量部件裝配關(guān)系與空間干涉，經(jīng)多次模擬裝配和運動分析優(yōu)化設(shè)計，保障可行性與準(zhǔn)確性。借助軟件參數(shù)化設(shè)計功能，便捷修改優(yōu)化模型，提升設(shè)計效率。建立完善設(shè)計文檔管理系統(tǒng)，詳細(xì)記錄設(shè)計參數(shù)與修改，方便追溯查詢。

增材制造的工藝控制：增材制造工藝控制是保證檢具質(zhì)量的關(guān)鍵。針對不同材料特性，深入研究打印工藝參數(shù)，建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫。制造時，通過實時監(jiān)控系統(tǒng)，對溫度、濕度、打印速度等參數(shù)實時監(jiān)測并調(diào)整。運用光學(xué)、超聲波等先進(jìn)檢測技術(shù)，在線檢測零件，及時發(fā)現(xiàn)并解決孔隙、裂紋等缺陷。持續(xù)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與后處理工藝，提升零件表面質(zhì)量和尺寸精度。

定位與檢測精度：定位銷和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造精度是檢具檢測精度的關(guān)鍵。精確計算定位銷尺寸和角度，確保與油管配合精度達(dá)標(biāo)。制造時采用電火花加工、研磨等高精度工藝和測量手段，保證制造精度。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計兼顧力學(xué)性能與穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀和材料選擇，增強(qiáng)剛性與抗變形能力。安裝調(diào)校時，運用激光跟蹤儀測量、攝影測量等高精度儀器和方法，精確測量并調(diào)整部件位置精度，使檢具整體定位精度達(dá)±0.05mm以內(nèi)，實現(xiàn)對液壓油管的準(zhǔn)確檢測。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 Φ25mm油管檢具成本對比

與傳統(tǒng)工藝相比，采用數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)在成本控制方面具有顯著優(yōu)勢，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 性能驗證

經(jīng)2000次檢測循環(huán)測試（檢測壓力5MPa），新型檢具在定位銷磨損量、基板平面度變化和誤檢率等方面表現(xiàn)優(yōu)異，具體數(shù)據(jù)如下。定位銷磨損量：僅為0.02mm，而傳統(tǒng)工藝為0.12mm，新型檢具的定位銷耐磨性更好，使用壽命更長?；迤矫娑茸兓簝H0.01mm，傳統(tǒng)工藝為0.08mm，新型檢具的基板穩(wěn)定性更高，保證了檢測精度的長期穩(wěn)定性。誤檢率：≤1.5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝的≥8%，有效提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 典型應(yīng)用案例

5.1 工程機(jī)械多規(guī)格油管檢測

某工程機(jī)械制造企業(yè)需同時檢測6種規(guī)格（Φ20 - Φ40mm）的油管。采用數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)，開發(fā)了可調(diào)式定位銷套組件，并采用快拆式限位塊設(shè)計。通過這些措施取得顯著成效：開發(fā)周期從14天縮短至5天，單件檢測時間從120s縮短至55s，大大提高了檢測效率，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求。

5.2 新能源汽車復(fù)雜油管檢測

新能源汽車液壓油管存在5處空間彎折（最小彎曲半徑R = 2D）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，檢測難度大。針對這一挑戰(zhàn)，采用分段式定位銷設(shè)計（誤差補(bǔ)償±0.1mm）和柔性支撐結(jié)構(gòu)（聚氨酯 + 彈簧復(fù)合）。應(yīng)用結(jié)果顯示，檢測合格率從82%提升至97%，避免了單批次50萬元的返工損失，有效保障了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

6 國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)對比

6.1 設(shè)計周期對比

國外研究指出，運用數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)開發(fā)液壓油管檢具，平均設(shè)計周期較傳統(tǒng)方法縮短約40% - 50%。這得益于其先進(jìn)數(shù)字設(shè)計軟件強(qiáng)大的智能化建模與快速模擬分析功能，能快速優(yōu)化復(fù)雜檢具設(shè)計方案，且增材制造設(shè)備自動化程度高，打印效率和精度領(lǐng)先，可快速將設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物。國內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，采用相同技術(shù)，設(shè)計周期平均縮短35% - 45%。雖與國外有差距，但隨著國內(nèi)自主研發(fā)數(shù)字設(shè)計軟件的完善、功能增強(qiáng)，以及增材制造設(shè)備技術(shù)提升，差距正縮小。國內(nèi)通過產(chǎn)學(xué)研合作、引進(jìn)國外技術(shù)和人才，提升技術(shù)創(chuàng)新能力，為縮短設(shè)計周期打基礎(chǔ)。

6.2 制造成本對比

國外研究表明，數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)使液壓油管檢具制造成本較傳統(tǒng)方法降低30% - 40%。原因在于增材制造無需昂貴模具，減少模具相關(guān)成本，數(shù)字設(shè)計能避免設(shè)計失誤，降低材料浪費和返工成本，且該技術(shù)材料利用率高，能精準(zhǔn)控制材料添加量，降低材料成本。國內(nèi)實踐中，成本降低幅度在25% - 35%。國內(nèi)在材料和設(shè)備成本上有優(yōu)勢，但工藝成熟度和生產(chǎn)規(guī)模有待提高。隨著增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，材料供應(yīng)體系完善，材料成本有望降低，通過提升生產(chǎn)效率和優(yōu)化工藝，制造成本降低空間較大。

6.3 檢測精度對比

國外研究中，該技術(shù)制造的檢具檢測精度能控制在±0.05mm - ±0.1mm。這依賴于先進(jìn)制造工藝、高精度測量設(shè)備和完善質(zhì)量控制體系。國外企業(yè)在關(guān)鍵部件制造上采用高精度加工工藝和先進(jìn)檢測手段，保證檢具高精度。國內(nèi)研究成果顯示，檢測精度可達(dá)±0.08mm - ±0.12mm。盡管與國外有差距，但國內(nèi)加大檢測精度提升研究投入，通過改進(jìn)制造工藝、優(yōu)化設(shè)計方案、引進(jìn)高精度測量設(shè)備等措施，檢測精度逐步提高。國內(nèi)積極開展產(chǎn)學(xué)研合作，加強(qiáng)國際交流，借鑒國外經(jīng)驗，縮小檢測精度差距。

7 技術(shù)優(yōu)勢

7.1 快速響應(yīng)

借助數(shù)字設(shè)計軟件的強(qiáng)大功能以及增材制造技術(shù)的快速成型特性，可在3日內(nèi)完成設(shè)計修改迭代。當(dāng)企業(yè)產(chǎn)品型號發(fā)生變化或?qū)z具提出新的需求時，能夠迅速調(diào)整設(shè)計并制造出相應(yīng)的檢具，極大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的周期，使企業(yè)能夠快速響應(yīng)市場變化，搶占市場先機(jī)。

7.2 成本可控

在小批量生產(chǎn)場景下，相較于傳統(tǒng)制造工藝，成本降低60%以上。這主要源于數(shù)字設(shè)計減少了設(shè)計失誤和變更帶來的成本增加，增材制造避免了昂貴的模具費用，且材料利用率更高。對于中小企業(yè)而言，這顯著降低了檢具開發(fā)和生產(chǎn)成本，減輕了企業(yè)的資金壓力，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

7.3 操作便捷

新型檢具設(shè)計充分考慮了操作的便利性，單人即可完成檢測工作，而傳統(tǒng)檢具往往需要2人配合。這不僅減少了人力成本，還降低了因人員協(xié)作問題可能導(dǎo)致的檢測誤差，提高了檢測效率和準(zhǔn)確性，使檢測工作更加高效、便捷。

7.4 維護(hù)簡易

檢具采用模塊化設(shè)計，當(dāng)某個部件損壞時，可單獨更換損壞部件，無需對整個檢具進(jìn)行大規(guī)模維修或更換。這種設(shè)計方式使得維修成本降低75%，同時縮短了檢具的維修時間，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性，減少了因檢具故障導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯損失。

8 結(jié)論與展望

光固化3D打印技術(shù)用于液壓油管檢具制造，制造精度可達(dá)±0.08mm，滿足多數(shù)檢測精度需求，融入模塊化設(shè)計理念后，檢具開發(fā)周期縮短至傳統(tǒng)方法的40%，極大提高開發(fā)效率。數(shù)字設(shè)計與增材制造技術(shù)在液壓油管檢具開發(fā)中，于成本控制、檢測效率、操作便捷性和維護(hù)簡易性等方面優(yōu)勢顯著，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，降低中小企業(yè)檢具開發(fā)門檻，推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。展望未來，計劃進(jìn)一步開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化模塊庫，通過豐富完善模塊庫實現(xiàn)檢具設(shè)計快速選型組合，縮短開發(fā)周期、提高設(shè)計效率；探索金屬嵌件復(fù)合打印工藝，結(jié)合金屬材料特性與增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力，制造更優(yōu)檢具部件，滿足更高檢測需求，加速技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，推動行業(yè)協(xié)同發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王華，等.數(shù)字設(shè)計技術(shù)在液壓零部件檢具創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程，2023，52（8）：35-42.

[2]陳剛，趙亮，劉燕.增材制造技術(shù)在汽車液壓管路檢具制造中的應(yīng)用與實踐[J].汽車工藝與材料，2022（12）：40-45.

[3]李梅，孫強(qiáng)，周偉.基于數(shù)字孿生與增材制造融合的復(fù)雜檢具開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2021.