3D打印技術(shù)在拖拉機(jī)零部件模具制造中的應(yīng)用

熊海濤

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

目前，各國科學(xué)家都比較重視3D打印技術(shù)的改進(jìn)和利用該技術(shù)進(jìn)行更有效的工業(yè)活動。尤其是在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)過程中對這項技術(shù)的認(rèn)可度已經(jīng)相當(dāng)高，產(chǎn)品開發(fā)普遍使用3D打印技術(shù)制作樣品。2013年，全球首支3D打印金屬槍出現(xiàn)，這款手槍是仿照布郎寧1911式的手槍，只需5～7min就可以裝配完成30多個3D打印的不銹鋼和一些特殊合金材料的原件。在農(nóng)機(jī)制造行業(yè)中，一些復(fù)雜的缸體和軸承座等零部件是采用鑄造完成的，而鑄造過程首先需要設(shè)計的便是模具。如果采用3D技術(shù)對農(nóng)機(jī)部件的模具進(jìn)行設(shè)計和制造，將有效地降低設(shè)計制造成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。

1 機(jī)械零部件的3D打印技術(shù)

在機(jī)械零部件模具設(shè)計制造行業(yè)，由于3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，其設(shè)計制造周期被大大縮短，從而縮短了整個機(jī)械零部件開發(fā)的周期，成為創(chuàng)新設(shè)計制造的一種方法。在以往的生產(chǎn)設(shè)計中，由于考慮使用新模具會產(chǎn)生大量的資金成本消耗，很多機(jī)械設(shè)計制造企業(yè)或許會旋轉(zhuǎn)推遲模具的開發(fā)或者放棄模具的更新；而采用3D技術(shù)可以有效地解決這個問題，它能夠使模具設(shè)計周期跟得上產(chǎn)品設(shè)計周期的步伐。

圖1為隆源成型制造的離合器殼體的3D打印蠟?zāi)?。采?D打印技術(shù)后，可以在完成模型的設(shè)計之后，采用3D打印軟件對蠟?zāi)みM(jìn)行打印，在幾小時之內(nèi)便可以打印好一個模具；而如果采用傳統(tǒng)方法，在完成模型設(shè)計后還需要對制造工藝進(jìn)行規(guī)劃，然后利用機(jī)械加工的手段，對模具進(jìn)行加工制造，其加工周期較長、耗材多。

圖1 基于3D打印的離合器蠟?zāi)?/p>

隆源采用3D打印蠟?zāi)こ晒Φ罔T造了離合器(見圖2)，其鑄造精度相對于傳統(tǒng)的加工制造方法還要高，可以取代傳統(tǒng)的模具制造方法。將其使用在農(nóng)具零部件模具的設(shè)計和生產(chǎn)制造過程中，將有效地提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。

圖2 采用3D打印蠟?zāi)よT造的離合器

2 基于3D打印技術(shù)的零部件模具制造和零件再修復(fù)技術(shù)

傳統(tǒng)的模具制造過程中，首先要對模具進(jìn)行3D軟件設(shè)計；然后根據(jù)制造工藝對模型進(jìn)行修正、分析模流，確定分型線和進(jìn)料點；最后將設(shè)計好的模具發(fā)給客戶，客戶確認(rèn)之后再開始生成圖紙，設(shè)計加工流程和工藝，其流程如圖3所示。從設(shè)計流程可以看出，采用傳統(tǒng)方法制造模具所需的人力、物力和財力都非常多，生產(chǎn)周期較長。

圖3 模具傳統(tǒng)制造流程

在客戶確認(rèn)圖紙后，開始生成模具的零件圖紙，然后確定加工工藝；在加工工藝確定之前，還需要對制造工藝進(jìn)行審查；確定加工工藝后，便可以進(jìn)行數(shù)控加工編程，并選擇合適的刀具、夾具和數(shù)控機(jī)床。在加工之前可以先進(jìn)行軟件仿真模擬，最后通過誤差修正進(jìn)行機(jī)床的模具加工制造，其過程較為繁瑣。采用3D打印技術(shù)則可以有效地提高模具的制造效率，其流程如圖4所示。

圖4 3D打印模具制造流程

利用3D打印技術(shù)進(jìn)行模具制造時，首先需要撒一層粉末材料，然后利用噴嘴噴灑粘合劑到加工區(qū)域，粉末粘結(jié)后形成一層零件表面；根據(jù)這個流程一直重復(fù)，層層疊加，最后形成零件。與傳統(tǒng)的模具制造工藝相比，這種模具制造過程不需要復(fù)雜的工藝設(shè)計，也無需復(fù)雜的機(jī)床，節(jié)省了大量的人力物力，有效地縮短了設(shè)計和加工制造周期。

不同的3D打印機(jī)的工作原理不同，其實用過程和設(shè)備也不相同。目前，主流的3D打印技術(shù)主要包括 FDM、SLA、SLS 等。這幾種技術(shù)的主要不同之處在于使用的耗材不同，其打印過程的成型方法也不同。其基本流程如圖5所示。

圖5 3D打印快速成型基本流程圖

在產(chǎn)品量少、復(fù)雜和個性化較強(qiáng)時，如果使用大規(guī)模生產(chǎn)線可以降低生產(chǎn)成本，其制造方式也具有降低耗材的優(yōu)勢。例如，其增材的制造方式和傳統(tǒng)的減材制造方式相比較，可以節(jié)省大量的原材料。相對于傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)，3D打印可以制造出更加復(fù)雜和精確的模具，而且更加方便和快捷，簡化了模具的生成制造過程。如果再設(shè)計過程中需要修改數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，無需復(fù)雜的工藝修改，只需重新打印即可。3D打印還有另一個重要的應(yīng)用是可以對廢舊的農(nóng)機(jī)零部件進(jìn)行修復(fù)，使農(nóng)機(jī)部件性能得到提升，從而延長服役壽命。再制造的基本流程如圖6所示。

圖6 農(nóng)機(jī)裝備零部件3D 打印再制造流程圖

農(nóng)機(jī)裝備零部件的再制造和直接打印的主要區(qū)別在于再制造零件模型的獲取，需要利用反求工程反求廢舊損傷農(nóng)機(jī)零部件的原來數(shù)字模型，然后對模型進(jìn)行處理，通過將原模型和現(xiàn)在損傷廢舊模型進(jìn)行對比，最終形成再制造模型。但是，由于再制造時使用的材料和原模型材料不盡相同，加上損傷部位的不規(guī)則性，再制造修復(fù)零件需要涉及更多的領(lǐng)域和更廣的技術(shù)，因此其過程更為復(fù)雜。

3 3D打印技術(shù)的拖拉機(jī)零部件模具制造

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械成為機(jī)械設(shè)計制造行業(yè)非常重要的部分，利用3D打印技術(shù)設(shè)計制造拖拉機(jī)零部件的模具對于農(nóng)機(jī)的制造模式將會產(chǎn)生顛覆性的影響。對于一些加工復(fù)雜而精確度要求又較高的零件，利用3D打印技術(shù)通過三維建?？梢跃_打印出來，且相比傳統(tǒng)加工方式加工出來的精度更高，對于提高農(nóng)機(jī)的設(shè)計制造效率具有重要的意義。對于農(nóng)機(jī)零部件模具的設(shè)計制造，首先需要建立農(nóng)機(jī)零部件的三維模型。本次以拖拉機(jī)常用的軸承座為例，首先利用菜單欄的新建命令，創(chuàng)建一個拖拉機(jī)零部件的零件文件；然后，設(shè)計軸承座的草圖，標(biāo)注尺寸，通過對二維模型的拉伸和加倒角等操作，得到了如圖7所示的拖拉機(jī)軸承座三維模型。

圖7 軸承座三維模型

為了實現(xiàn)軸承座三維模型的3D打印，需要對模型進(jìn)行切片處理，將軸承座三維模型的STL文件導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行切片，根據(jù)零部件創(chuàng)建新的機(jī)器平臺，然后確定軸承座的尺寸和位置，如圖8所示。

圖8 軸承座切片處理

圖8中，在進(jìn)行切片處理時，除了考慮傳統(tǒng)的軸承座設(shè)計制造工業(yè)，還需要確定切片的厚度等。軸承座的切分結(jié)果如圖9所示。

利用拖拉機(jī)模具的生成文件，完成了拖拉機(jī)軸承座3D打印的切片功能，最后將生成的STL軟件進(jìn)行保存，然后輸入到3D打印機(jī)里，便可以對拖拉機(jī)軸承蓋進(jìn)行3D打印。拖拉機(jī)零部件的零件打印好之后，還需要對其毛刺和不規(guī)則的凹凸不平的地方進(jìn)行機(jī)械修復(fù)，最后確定零件沒有問題后便可以進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

利用傳統(tǒng)加工方法和3D打印技術(shù)的時間對比如表1所示。由表1可以看出：采用3D打印技術(shù)對拖拉機(jī)模具進(jìn)行制造，可以有效地提高模具的設(shè)計制造效率。

圖9 拖拉機(jī)零部件模具切片模型

拖拉機(jī)零件模具編號3D打印設(shè)計制造周期/天傳統(tǒng)方法設(shè)計制造周期/天12.310.222.512.553.213.662.610.153.19.963.815.8

利用3D打印技術(shù)對農(nóng)機(jī)零件模具制造的工序進(jìn)行了規(guī)劃，并將其和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對比，如表2所示。由表2可以看出：采用3D打印技術(shù)所需的工序較少，從而可以有效地提高拖拉機(jī)零部件模具的制造效率。

表2 加工工序比較

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)鑄造零部件模具的設(shè)計制造效率，將3D打印技術(shù)引入到了拖拉機(jī)零部件模具的生產(chǎn)制造過程中，并以拖拉機(jī)零部件模具的3D打印為例，采用軟件建模的方法設(shè)計了模具的三維模型和切片，最后切片文件輸入到3D打印件中完成了零部件的打印。為了驗證3D打印的高效性，將3D打印模具制造和傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法進(jìn)行了對比，主要包括加工工序的多少和加工周期的長短。由對比結(jié)果可以看出：采用3D打印技術(shù)可以有效提高設(shè)計加工效率，對農(nóng)機(jī)零部件模具設(shè)計制造方法的研究具有重要意義。