流道截面與增材制造加工工藝參數(shù)對液壓集成塊成型質(zhì)量的影響

黃信菩，張軍輝，徐 兵，劉 淦

(浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

引言

液壓系統(tǒng)具有功重比大、易功率分流、可靠性高等工程特點，廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域，但隨著其在移動機器人和航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用，提高液壓系統(tǒng)的功率密度變的尤為急迫。其中液壓系統(tǒng)的輕量化是其重要的內(nèi)容之一：液壓系統(tǒng)輕量化可以有效提升系統(tǒng)的功重比，在工程環(huán)境復雜、機載能源有限的條件下可以有效提升系統(tǒng)工作性能。液壓動力元件如泵和馬達的高速化設(shè)計已經(jīng)證明可以有效降低元件質(zhì)量并提升功重比[1-3]，但其他液壓元件的輕量化設(shè)計受限于加工方式而發(fā)展較為緩慢。此外如液壓閥塊的制造還會存在材料利用率低及額外的加工工藝孔，但近年來興起的增材制造(Additive Manufacturing, AM)加工方式給液壓元件的生產(chǎn)及設(shè)計提供了新的發(fā)展機遇。

與傳統(tǒng)加工方法相比，增材制造生產(chǎn)成本較高不利于批量生產(chǎn)，但其輕量化的優(yōu)點，使得學者們將增材制造方法應(yīng)用在液壓系統(tǒng)的零件制造上。JOHN S等[4]使用粉床融化技術(shù)來提高飛機的性能，將一個由17個零件組成的組件作為單個零件進行打印，成型后的重量減輕60%，此外采用一體成型方法取代了傳統(tǒng)的輔助端口，得到了低泄漏的零件。而航空航天工業(yè)中的通用電氣公司(GE)成功的將增材制造方法應(yīng)用在前沿航空動力(Leading Edge Aviation Propulsion，LEAP)噴氣發(fā)動機的燃油噴嘴[5]。還有美國穆格(MOOG)、派克漢尼汾(Parker Hannifin)、英國雷尼紹公司(Renishaw)、德國力士樂(Rexroth)、意大利Aidro Hydraulics等都將增材制造應(yīng)用于液壓元件上。張磊等[6]的研究中提出利用增材制造對復雜流道輕量化的設(shè)計方法，針對安裝4個電液流量控制伺服閥的集成塊進行研究，打印模型質(zhì)量可降低37%，選擇輕質(zhì)打印粉末材料可降低78%，同時還介紹采用SLM制造液壓閥塊的設(shè)計流程。但金屬增材制造的零件尺寸精度和表面粗糙度等的質(zhì)量問題仍然是一個障礙，限制了增材制造技術(shù)的進一步應(yīng)用。尺寸精度一般與形變和成型后質(zhì)量下降有關(guān)，可能導致裝配故障和功能缺陷，例如流體動力系統(tǒng)中的泄漏和更多的能量損失。此外，部分熔化并附著在內(nèi)表面的顆?？赡軙涣黧w沖刷并污染流體，對其他組件構(gòu)成潛在威脅。

針對增材制造成型的質(zhì)量問題，學者們提出形變與金屬熔化再凝固的重復快速循環(huán)有關(guān)[7-10]，然而重復循環(huán)的過程在采取SLM方法加工時是不可避免的。為了防止形變甚至塌陷，通常會添加支撐結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)采用與零件相同的材料，具有相同的強度，能限制零件形變及防止塌陷。但是這些結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生額外的粉末材料消耗和后期處理，會造成更多的時間浪費和成本消耗。除此之外，在彎曲通道的內(nèi)部區(qū)域無法完全清除干凈，這會造成流體在通道中的阻力增加，因此對于支撐結(jié)構(gòu)要進行合理的設(shè)計及添加，需要耗費較多的精力。為了解決這樣的問題，學者提出正確選擇打印參數(shù)并以最佳加工角度放置零件同時根據(jù)其關(guān)系設(shè)計合適的支撐結(jié)構(gòu)[11]。此外還有使用“共晶合金”材料打印零件和設(shè)計新穎的支撐物[12-13]。

在影響尺寸精度和粗糙度的許多因素中，打印參數(shù)和打印方向也是至關(guān)重要的因素[14]。為了優(yōu)化各種打印參數(shù)，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和田口試驗等都被加以研究[15-17]。同樣地，增材制造設(shè)計準則說明了打印方向、特征尺寸、工藝參數(shù)和掃描路徑對打印質(zhì)量的影響[18-21]。盡管內(nèi)部通道中的表面粗糙度和形變已有大量研究，但研究中采取的優(yōu)化方式對材料、打印平臺的位姿功能有較高要求，應(yīng)用至其他設(shè)備的普適性較差，且不可避免的需要在模型懸空部分加入支撐結(jié)構(gòu)。因此本研究從模型設(shè)計及打印參數(shù)方面著手進行研究。本研究團隊此前已比較不同截面的通道，推導出需添加支撐范圍的計算公式，其中菱形截面設(shè)計可以采取無支撐打?。粡暮暧^角度觀察三種截面通道無支撐打印的結(jié)果，菱形截面的成型質(zhì)量有一定的提升[22]。

針對液壓集成塊流道內(nèi)部成型質(zhì)量提升，本研究給出有無添加支撐打印及特殊橫截面的定量分析；同時比較流道內(nèi)壁尺寸精度之間的關(guān)系，并采用曲面響應(yīng)法說明了加工工藝參數(shù)對打印零件的表面粗糙度影響趨勢。

1 模型及方法

實驗模型設(shè)計為一個短直通道,如圖1所示，具有打印速度快、方便測量且與長直通道具有一致性。圓形通道的直徑D為10～22 mm，每4 mm增量為1個實驗組，并且以加工角γ作為研究對象。此處的加工角γ定義為打印方向矢量與徑向矢量間的夾角，順時針方向為正。當|γ|< 45°時，在圓形通道中設(shè)計3個添加支撐結(jié)構(gòu)的比較組。為了便于測量，通道的長度設(shè)計成10 mm，如圖1a所示。結(jié)合自支撐圓弧和臨界傾斜角，將圓形通道修改為菱形通道，該通道包括半徑2 mm 的4個圓角和45°傾斜的4個傾斜面，如圖1b所示，其具有與圓形通道相同的截面面積。

圖1 短直通道CAD模型和打印效果

模型加工采用SLM加工技術(shù)，其典型架構(gòu)如圖2所示。鋪粉系統(tǒng)、激光發(fā)射器和控制系統(tǒng)是機器的3個主要部分。在打印過程中粉末通過刮刀或滾輪均勻地散布在打印平臺上，然后激光器根據(jù)CAD模型掃描出幾何輪廓，完成一層打印后，平臺將下降1個單位距離(也稱為層厚度)再開始新一層的打印，并且將一直進行直到打印目標完成為止。整個過程在充滿惰性氣體的密閉空間中進行，可以防止零件因高溫與空氣產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。粉末層厚度在所有打印件中保持恒定，根據(jù)經(jīng)驗選擇30 μm，選擇過大的層厚度會導致粉末未完全熔化以及層之間的結(jié)合不足。打印的粉末使用316L不銹鋼粉末，其粒徑為15～45 μm，平均直徑為30 μm，材料的成分列于表1中。對于45°板模型，將根據(jù)表2中的RSM中的因子進行打印參數(shù)設(shè)置，而通道模型的參數(shù)則根據(jù)經(jīng)驗進行選擇，其中激光功率130 W，掃描間距0.1 mm，掃描速度1200 mm/s。

圖2 選擇性激光熔化典型架構(gòu)

表1 實驗參數(shù)設(shè)計表 Wt%

表2 實驗參數(shù)設(shè)計表

為保證后續(xù)測量工序的正常進行，完成打印后將對零件進行適當后處理。首先所有打印件都將使用電火花加工(EDM)從打印平面上切下已制成的零件，圓形通道中的支撐結(jié)構(gòu)采用手動移除。而菱形截面通道切割后不進行其他后處理直接進行粗糙度測量，然后在拋光后進行形變測量。對制成的零件進行表面粗糙度測量，可以盡可能準確地反映出打印質(zhì)量，隨后進行輕微拋光以除去松散熔化的顆粒并評估模型形變量。為了將打印零件的形變與CAD模型進行比較，使用非接觸式計量3D掃描儀OptimScan-5M，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維模型與設(shè)計模型進行定量測量。與計算機X線斷層掃描相比，3D掃描儀速度快且經(jīng)濟，準確度在合理范圍；在粗糙度測量方面使用2300A-R測量表面粗糙度，實驗中使用到的儀器詳細信息在表3中給出。

表3 儀器技術(shù)規(guī)格

響應(yīng)曲面方法(RSM)是隨機過程優(yōu)化的統(tǒng)計學方法，是用于建模和分析獨立因子的強大工具，并已廣泛用于參數(shù)優(yōu)化[23-24]。它可以量化2個或多個輸入因子和響應(yīng)變量之間的關(guān)系，利用此方法可以研究工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系。在這種方法中，激光功率P、掃描間距H和掃描速度V是輸入因子，而表面粗糙度是目標響應(yīng)。這里采用3個連續(xù)因子的中心復合設(shè)計法(CCD)，設(shè)軸點與中心的最大長度等于1.633，輸入范圍在{-1.633、-1、0、1、1.633}內(nèi)編碼，輸入的相應(yīng)參數(shù)如表3。此時參數(shù)研究的樣本為加工角45°的20個平板樣本，其采用45°的原因是菱形通道的表面粗糙度是要解決的主要問題。

2 結(jié)果與討論

2.1 通道模型形變和表面粗糙度分析

非接觸式計量3D掃描儀掃描模型軸向5 mm處得到的形變情況如圖3所示。圖中參考線表示CAD模型設(shè)計尺寸，圓形管道的打印零件上端與CAD模型有很明顯的差異。當加工角|γ|<45°時，隨著γ的增加有支撐和無支撐的通道中都會發(fā)生形變，通道頂部0°的區(qū)域最為嚴重。將其分成內(nèi)向形變及外向形變，其中內(nèi)向形變是打印出的流道壁面與圓心距離小于所設(shè)計直徑，即圖中小于參考圓的部分，這部分可經(jīng)由后期加工進行打磨使其修正；而外向形變是打印出的流道壁面與圓心距離大于所設(shè)計直徑，即超出參考圓的部分，這部分不能有效修復。盡管外向形變能通過填補方式進行修補，但修補后有較多變數(shù)，系統(tǒng)整體可靠性不可控。而觀察有支撐及無支撐的圓形通道可以發(fā)現(xiàn)，無支撐流道的壁面存在內(nèi)向形變同時也有外向形變產(chǎn)生，這意味著通道有不可修復的部分存在，當應(yīng)用于流體管道時，會使管道壁厚因此變薄；而有支撐流道僅有內(nèi)向形變問題，因此添加支撐結(jié)構(gòu)可以保證管道壁厚防止外向形變出現(xiàn)。為了避免管道在高壓流體工況下由于壁厚變薄導致機械性能不足而產(chǎn)生的風險，在圓形管道的設(shè)計條件下，添加支撐是有效解決缺陷的手段。相較于圓形管道，菱形通道的上端差異要比圓形通道小得多，并且在不同尺寸大小的菱形模型中均有相似的結(jié)果。而兩類通道下端形變量很小，打印模型尺寸幾乎與CAD模型一致，這部分的些微形變量可歸因于打印時的掃描間距、熱量分布不均以及熱脹冷縮等問題共同造成。

圖3 打印模型形變程度

為了更具體地評估差異，圖5顯示了不同直徑菱形通道與圓形通道沿周向展開后的形變量D的比較，菱形通道展開的角度采用圓形直徑上相對應(yīng)的位置。所有曲線均具有“M”形走勢，且中心點形變最小，這說明在三種類型通道內(nèi)表面的底部都有相當好的尺寸精度，因為在這部分的加工角是在安全的打印范圍。圖中顯示的角度與加工角度的定義一致，可以觀察到在大多數(shù)情況下，有支撐打印的形變小于無支撐通道中的形變，而形變最大值所在的角度區(qū)域都在接近90°的位置。考慮到管道進出口的部分有配合需求而需要進行二次加工，通常打磨余量為0.2 mm，因此取0.2 mm 作為形變閾值?？梢钥闯鰧τ诓煌睆降闹魏头侵瓮ǖ?，小于0.2 mm的形變范圍約為250°。而菱形通道的形變范圍可以達到320°，這意味著菱形橫截面能保證有較大的范圍擁有較小的形變。

圖5 流道形變展開分布

圖6所記錄的是4種直徑的無支撐圓形通道在不同加工角的平均表面粗糙度。需要特別說明的是，在0°位置因為存在極差的表面(圖1c)，這部分的Ra值超出儀器測量極限，因此圖中僅以虛線示意。參照圖5，Ra的變化趨勢與形變量相似，都與加工角有密切關(guān)系，而比較不同尺寸的粗糙度趨勢，也能發(fā)現(xiàn)尺寸的改變對相同加工角下的粗糙度影響不大。從圖6中可以看出|γ|>90°的表面粗糙度相當好，Ra約為9 μm；當加工角γ往臨界值靠近時，Ra急劇增加，在45°時達到約30 μm，甚至到0°時超出儀器量程。與菱形截面粗糙度相比，如圖7所示，在45°位置具有相似的值。在菱形通道中以上(UP)下(DOWN)及左(A)右(B)將壁面分成4個部分，其中A為刮刀運動起始處，B為刮刀終止處，分別為UP-A、UP-B、DOWN-A、DOWN-B?？梢钥闯鱿虏糠值拇植诙纫偷枚?，并且與噴丸處理的表面相當。上下表面之間的最大差異可以達到約40 μm，這可歸因于鋪粉機構(gòu)的運動方向，由于刮刀由A向B側(cè)運動，會使得B側(cè)粉末受擠壓較緊密，反之A側(cè)較松散，經(jīng)激光熔融后B側(cè)會有較好的表面粗糙度[25]。

圖6 圓形截面不同加工角表面粗糙度

圖7 菱形截面流道內(nèi)壁粗糙度

盡管帶有支撐的圓形通道再經(jīng)過后處理后能得到比無支撐圓形通道較好的成型質(zhì)量，但如前文所述，在不可到達的區(qū)域去除支撐結(jié)構(gòu)是有困難的。而如果采用菱形橫截面，可以在不添加支撐結(jié)構(gòu)的情況下防止不可修復的缺陷發(fā)生，內(nèi)向形變的情況也不明顯，并且通道壁面的表面粗糙度是穩(wěn)定且合適的，因此菱形截面是更優(yōu)的選擇。

在實驗中也存在一些缺陷。限于測量要求需要對帶支撐模型進行必要的后處理工序，使因去除支撐結(jié)構(gòu)后造成的不平整變成平滑表面，會造成一定誤差。但通過設(shè)計易于移除的支撐結(jié)構(gòu)并盡可能地小心打磨該表面，可以盡量減少這種副作用。另外由于頂部出現(xiàn)嚴重缺陷無法進行粗糙度測量，說明此處有優(yōu)化的必要。

2.2 打印參數(shù)分析

根據(jù)所設(shè)計試驗方案給出了20個用于使用RSM計算的樣本，并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表4中，為了定量研究在各種工藝參數(shù)下的表面粗糙度，引入能量密度EN(Energy Density)，J/mm3其計算公式如下：

表4 工藝參數(shù)組合及粗糙度結(jié)果

(1)

式中,P—— 激光器的激光功率

H—— 掃描間距

v—— 掃描速度

t—— 層厚

使用統(tǒng)計軟件MINITAB 18對實驗粗糙度值進行了分析，置信度區(qū)間為95%，表面粗糙度的響應(yīng)表面圖如圖8所示。圖8揭示了3個輸入因子之間的表面粗糙度Ra之間的關(guān)系。從圖8a中的曲面趨勢可以看出，隨著掃描間距H和掃描速度v的增加，表面粗糙度先減小然后增加。隨著激光功率P的增加，表面粗糙度先增大后減小，從圖8b可以更直觀的看出輸入?yún)?shù)編碼水平F對粗糙度的影響，同時還能觀察到與掃描間距H和掃描速度v相比，通過改變激光功率P對表面粗糙度的變化影響很小。根據(jù)單工藝參數(shù)與粗糙度曲線，給出最優(yōu)打印參數(shù)為：激光功率110 W、掃描間距0.158 mm、掃描速度1217.177 mm/s。

圖8 打印參數(shù)對粗糙度的影響

本研究通過RSM方法顯示了加工工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢，并給出了最優(yōu)打印參數(shù)。但考慮到不同打印儀器機型及加工環(huán)境等問題，本研究提出的最優(yōu)打印參數(shù)的普適性，還需要進行更系統(tǒng)性的研究。

3 結(jié)論

使用短直通道來研究形變，分析有無添加支撐結(jié)構(gòu)的影響，同時進行菱形通道的表面質(zhì)量研究，特別是尺寸精度和表面粗糙度。得到主要結(jié)論如下：

(1) 加工角是一個可以直接影響打印零件形變和表面粗糙度的影響因子。45°是一個臨界角，在這個角度之下能保證較好的尺寸精度和表面粗糙度質(zhì)量；

(2) 與圓形截面相比，菱形橫截面是更好的選擇，可以盡可能保證通道的尺寸精度，但是表面粗糙度沒有顯示出明顯的改善，但初步研究表明其可以通過調(diào)整工藝參數(shù)進行優(yōu)化；

(3) 表面粗糙度與激光功率、掃描間距和掃描速度等加工工藝參數(shù)高度相關(guān)。通過選擇合適的參數(shù)可以獲得更好的表面粗糙度。