基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)的思考

張德龍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天水 741001）

3D打印技術(shù)具有一體化成型優(yōu)勢，能夠進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，適用于多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用技術(shù)較為成熟。在工業(yè)制造行業(yè)，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械零件加工的輕量化和免裝配，大大提高了機(jī)械零件的性能。但是，大部分學(xué)者將3D打印技術(shù)的研究重點(diǎn)放在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和服裝領(lǐng)域，很少有工業(yè)制造領(lǐng)域的研究。因此，本文對3D打印技術(shù)下的機(jī)械零件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 3D打印技術(shù)與自由設(shè)計(jì)分析

3D打印技術(shù)可以看作是增材制造概念的延伸，設(shè)計(jì)人員會(huì)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行零件三維模型圖的設(shè)計(jì)和繪制，然后通過切片軟件進(jìn)行切片處理，以此得到零件不同截面的二維數(shù)據(jù)。在二維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用設(shè)備成型頭進(jìn)行熱熔材料或者黏結(jié)劑的掃描機(jī)噴涂，從而得出零件不同截面的輪廓，并將各個(gè)截面疊加在一起，形成設(shè)計(jì)的零件。自由設(shè)計(jì)是在3D打印技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)的全新設(shè)計(jì)方法，是將實(shí)現(xiàn)功能作為目標(biāo)，根據(jù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法?；?D打印技術(shù)的自由設(shè)計(jì)并不需要考慮加工工藝和加工設(shè)備的影響，只要能夠?qū)⒘慵O(shè)計(jì)出來，3D打印技術(shù)就能夠進(jìn)行零件的加工生產(chǎn)。具體而言，基于3D打印技術(shù)的自由設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)。

1.1 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工制造，并不會(huì)受到加工工藝的約束，尤其是個(gè)性化需求較高的產(chǎn)品，如多孔結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)或者中空結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)能夠在保障產(chǎn)品具備功能與價(jià)值的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的加工制造。

1.2 實(shí)現(xiàn)精簡化設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)不需要應(yīng)用刀具和夾具就可以進(jìn)行產(chǎn)品的加工，可以省略鑄造過程中的起模斜度以及車削加工過程中的退刀槽等工具，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工的精簡化。

1.3 實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品加工中，因?yàn)榧庸すに嚨募s束，其難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化。3D打印技術(shù)可以進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改造，通過格柵結(jié)構(gòu)或者多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品的自重，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的輕量化。

1.4 實(shí)現(xiàn)免組裝設(shè)計(jì)

基于3D打印技術(shù)的自由設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)免組裝設(shè)計(jì)，在加工過程中不需要進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的組裝，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一次性加工，簡化了多個(gè)加工工序[1]。

2 基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，需要全面考慮零件的加工和裝配等多種功能。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以簡化零件的裝配流程，由多個(gè)零件裝配而成的機(jī)械零件可以一次成型。根據(jù)機(jī)械零件的形狀與作用，可以將其分為軸套類零件、叉架類零件、箱體類零件以及盤蓋類零件這四種。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)與加工時(shí)，這四類零件的加工工序基本相同：設(shè)計(jì)人員首先要明確零件的成型方向，并施加相應(yīng)的支撐；然后導(dǎo)入零件模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，在零件成型之后，加工人員需要進(jìn)行全面的清洗，并將零件的毛刺去掉；最后進(jìn)行零件的檢驗(yàn)，即完成零件的加工。需要注意的是，軸套類零件在檢驗(yàn)之后，需要再進(jìn)行涂潤滑油的工序，其余零件則不需要。接下來主要分析四類零件的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)。

2.1 軸套類零件的設(shè)計(jì)

軸套類零件的主要結(jié)構(gòu)是同軸旋轉(zhuǎn)體，如絲杠、套筒或者軸等，這類零件的徑向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向尺寸。目前，軸套類零件加工方法是切削加工方式，零件的尺寸以及形狀都比較標(biāo)準(zhǔn)化，可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。3D打印技術(shù)并不適用于批量生產(chǎn)，但是在生產(chǎn)個(gè)性化要求較高的非標(biāo)準(zhǔn)化零件時(shí)，3D打印技術(shù)的生產(chǎn)效率更高。雖然在生產(chǎn)軸套類零件時(shí)，3D打印技術(shù)可以節(jié)約零件材料，加工工序和加工設(shè)備也較為簡單，但是3D打印設(shè)備比較昂貴，會(huì)在一定程度上提高制造企業(yè)的加工成本。為了充分發(fā)揮出3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，制造企業(yè)需要大力開展創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)，在提高加工效率的同時(shí)，降低材料成本，提高軸套類零件的經(jīng)濟(jì)效益?；?D打印技術(shù)下軸套類零件的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)流程如下。

2.1.1 功能分析

在創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)中，軸套類零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要將功能分析作為基礎(chǔ)，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注重零件的必要功能，盡量減少零件的不必要功能結(jié)構(gòu)。比如，軸套類零件中的軸，其必要功能為旋轉(zhuǎn)和支撐，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)軸的扭矩和力明確軸的直徑，并使軸和軸支撐或者帶動(dòng)的零件設(shè)計(jì)成整體，提高軸的帶動(dòng)性，而其不必要功能為軸肩和鍵槽等裝配結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中可以將其適當(dāng)簡化。

2.1.2 輕量化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員需要提高軸內(nèi)部的輕量化，將軸內(nèi)部的實(shí)心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為格柵結(jié)構(gòu)或者夾層結(jié)構(gòu)，在確保軸的強(qiáng)度與剛度滿足要求的基礎(chǔ)上，降低軸的質(zhì)量。

2.2 叉架類零件的設(shè)計(jì)

叉架類零件大部分都是不對稱結(jié)構(gòu)，而且零件的形狀較為多樣化。常見的有搖臂、連桿、杠桿以及支架等，主要用于連接、支撐或者操縱傳動(dòng)零件。在應(yīng)用傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行叉架類零件的加工時(shí)，加工的工序較多而且不連續(xù)，對加工的孔精度有較高的要求，但是叉架類零件不具備較高的剛性，很容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象，要求加工過程中應(yīng)用不同形式的夾具進(jìn)行裝夾，這在很大程度上提高了加工工序的復(fù)雜性。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以簡化叉架類零件的加工工序，可以一次成型，不需要進(jìn)行裝夾。在進(jìn)行基于3D打印技術(shù)下叉架類零件的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)叉架類零件的剛度需求與強(qiáng)度需求，進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，簡化叉架類零件的裝夾平面以及拔模斜度等不必要功能，這樣可以進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高零件的價(jià)值[2]。

2.3 箱體類零件的設(shè)計(jì)

箱體類零件主要是指泵體、缸體或者閥體等零件，這類零件的內(nèi)部與外形都較為復(fù)雜，這種復(fù)雜性使其在傳統(tǒng)加工的過程中經(jīng)常出現(xiàn)裝夾誤差，導(dǎo)致零件的加工失敗率較高。3D打印技術(shù)能夠直接進(jìn)行箱體類零件的加工，成型路線非常簡單，可以有效避免裝夾問題，縮短了零件加工輔助的實(shí)踐，在保障箱體類零件尺寸精度的基礎(chǔ)上，降低加工的成本和加工失敗率。此外，在加工箱體類零件時(shí)，3D打印技術(shù)不需要進(jìn)行后續(xù)加工，而應(yīng)用創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)方法進(jìn)行箱體類零件的加工，能夠進(jìn)一步提升箱體類零件的功能與價(jià)值。

在進(jìn)行基于3D打印技術(shù)下的箱體類零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要減少零件的不必要功能，提高其輔助功能。首先，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行箱體類零件的功能分析，在保障其具備必要功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行箱體類零件結(jié)構(gòu)的簡化與性能優(yōu)化。比如，減速箱體的必要功能是支撐、容納以及定位等，設(shè)計(jì)人員可以將焊接結(jié)構(gòu)以及某些法蘭連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐惑w設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡化。與此同時(shí)，在3D打印技術(shù)下，箱體類零件還能夠進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，提高零件的美觀性，實(shí)現(xiàn)輔助性能的優(yōu)化。

2.4 盤蓋類零件的設(shè)計(jì)

盤蓋類零件能夠和箱體類零件連接，以此和孔隙結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合。盤蓋類零件的結(jié)構(gòu)為方形或者圓形的扁平盤狀，徑向尺寸要遠(yuǎn)大于軸向尺寸。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，盤蓋類零件需要設(shè)置相應(yīng)的凹坑、螺孔或者凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)，主要通過車削或者鑄鍛造毛坯進(jìn)行加工成型。和軸套類零件類似，盤蓋類零件也能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)，其加工成本比較低。3D打印技術(shù)并不適用于大批量生產(chǎn)，主要用于小批量的盤蓋類零件生產(chǎn)，3D打印技術(shù)能夠簡化零件的裝配工序，實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)制造的一體化。

基于3D打印技術(shù)下的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于盤蓋類零件中，其功能主要涉及軸向定位、密封、支撐以及防塵等。在創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)中，需要提出盤蓋類零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，比如，軸承端蓋可以將拔模斜度刪減掉，并對盤蓋類零件的免裝配設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步簡化零件的裝配工序[3]。

3 基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 液壓閥塊及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

本文主要將液壓閥塊作為研究對象，分析基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)的實(shí)例。液壓閥塊在液壓閥中發(fā)揮關(guān)鍵作用，主要是在金屬塊上加工一定數(shù)量的液壓油孔道，能夠進(jìn)行油液流量、走向以及壓力的控制。液壓閥塊具有較高的加工精度要求和加工難度。

在進(jìn)行液壓閥塊的設(shè)計(jì)時(shí)，需要在液壓閥塊的外表面留有充足的安裝空間，避免元件發(fā)生干涉。液壓閥塊內(nèi)的所有孔道需要根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的連通和非連通設(shè)計(jì)，并在連通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確保液壓閥塊的安全壁厚。需要注意的是，液壓閥塊所有孔道的孔徑和孔深需要在可加工的范圍內(nèi)。在傳統(tǒng)的加工過程中，液壓閥塊的加工存在粗糙度難以滿足要求、裝夾過程煩瑣以及形位公差難以控制等問題，加工流程復(fù)雜且加工難度較大。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決上述問題，具體的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)方法將在下文敘述。

3.2 基于3D打印技術(shù)下液壓閥塊的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

3.2.1 功能分析

本文選用抽裝閥通用塊進(jìn)行創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)，該零件的原理如圖1所示。

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，1、2、3、4是抽裝閥，5、6、7、8是管接頭，其連接關(guān)系如下：5-P，2-P，3-P；7-P，2-T，1-P；8-P，3-T，4-P；6-P，1-T，4-T。在了解抽裝閥通用塊的原理后，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出抽裝閥通用塊的孔道結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抽裝閥通用塊的孔道結(jié)構(gòu)

圖1 插裝閥通用塊原理

根據(jù)圖2中的孔道結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行抽裝閥通用塊的功能分析，抽裝閥通用塊具備安裝功能和油路連通功能。其中，安裝功能主要包括閥類元件以及管接頭的安裝，閥類元件的安裝通過主安裝孔來實(shí)現(xiàn)，管接頭的安裝通過螺紋孔來實(shí)現(xiàn)；油路連通功能主要用于控制油路的通斷，通過主安裝孔、連通孔以及工藝孔來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)功能是抽裝閥通用塊的必要功能，需要在創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)中凸顯這兩種功能[4]。

3.2.2 輕量化設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)的加工效率較高，在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)，更為注重零件的性能、材料的成本以及零件的美觀性。3D打印技術(shù)不會(huì)受到加工過程的束縛，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在保障零件性能的基礎(chǔ)上，降低材料成本。一般來說，液壓閥塊是在整塊鋼材上進(jìn)行加工，鋼材的密度和重量都比較大，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用液壓閥塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，降低液壓閥塊的加工成本。具體而言，設(shè)計(jì)人員可以采用蜂窩狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)作為抽裝閥通用塊的結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在保障抽裝閥通用塊安全壁厚的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了材料簡化，至少可以降低30%～40%的重量，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的輕量化。通過上述創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)分析可知，基于3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的功能擴(kuò)展和輕量化發(fā)展[5]。

圖3 抽裝閥通用塊的空間結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)可以有效提升機(jī)械零件的功能與價(jià)值，值得推廣應(yīng)用。通過本文的分析可知，基于3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)時(shí)，需要對機(jī)械零件的功能進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)中突出零件的必要功能，盡量減少其不必要功能，并對零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械零件加工的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。