航空橡膠波紋管模具的輕量化設計與制造

蔡小葉，程宗輝，白 兵

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

在飛機空調(diào)系統(tǒng)中，航空橡膠波紋管（以下簡稱波紋管）可以隔離空氣中的灰塵，同時起著密封作用。其傳統(tǒng)成型工藝為模壓硫化，用于壓制成型的模具為模壓模具。傳統(tǒng)的波紋管模具如圖1所示，一般采用機械加工的方式進行制造。其結構設計除了結合產(chǎn)品特點外，需要綜合考慮機械加工的難易程度[1]。傳統(tǒng)的波紋管模具生產(chǎn)存在工序多、制造周期長、型腔面加工難度大和笨重等缺點，因此研究者提出波紋管模具的輕量化設計與制造要求。

圖1 傳統(tǒng)的波紋管模具Fig.1 Traditional bellows mould

自A.G.M.MICHELL[2]提出拓撲優(yōu)化的概念之后，拓撲優(yōu)化在各個領域獲得了豐碩的研究和應用成果[3-8]。柴象海等[9]以空心率為約束條件對航空發(fā)動機風扇葉片進行了輕量化設計，使得葉片空心率提高45%以上，同時顯著提升了葉片的抗沖擊性能。劉川等[10]將拓撲優(yōu)化與形狀優(yōu)化相結合用于金屬天線結構的小型化設計。姜繆文等[11]提出基于拓撲優(yōu)化的軍用頭盔內(nèi)膽輕量化的設計方法。經(jīng)過拓撲優(yōu)化的產(chǎn)品在苛刻的條件下使用能夠保持良好的性能。目前，拓撲優(yōu)化的應用研究仍是國內(nèi)外關注的熱點。

點陣結構由某種單胞通過大量相同的點陣單元周期性組合而成，具有超輕、高強、能量吸收和傳熱滲透等性能[12]，同時可以滿足韌性和耐久性等要求。作為信息化和制造技術的高度融合，金屬3D打印技術能夠實現(xiàn)高性能復雜結構零件的快速制造。隨著3D打印技術的日漸成熟，點陣結構及其增強單元由于具有拓撲類型簡單和各向同性等特點，能很好地適應選區(qū)激光熔化成型工藝，備受關注。I.MASKERY等[13]通過理論研究得到點陣結構的相對密度，通過試驗研究得到單胞尺寸和數(shù)量對材料力學性能的影響。柏龍等[14]采用Ti6Al4V鈦合金材料通過選區(qū)激光熔化成型方法制備了體心四方優(yōu)化結構與體心立方參照結構的試驗樣件，并對其進行靜態(tài)單向壓縮性能試驗，驗證了點陣結構多目標優(yōu)化的合理性。目前，可采用金屬3D打印技術快速制造橡膠模壓模具，但如果沿用傳統(tǒng)模具結構直接打印則意義不大，需要綜合模具結構與金屬3D打印技術進行模具輕量化重構。

本工作采用拓撲優(yōu)化和點陣結構技術對波紋管模具結構進行優(yōu)化，結合金屬3D打印技術和選區(qū)激光熔化成型工藝[15-16]，改變傳統(tǒng)波紋管模具結構的設計思路，將輕量化理念引入到模具結構設計中，在保證模具剛度、強度和使用性能不變的同時，減小模具質(zhì)量，縮短制造周期，同時提高材料利用率。

1 材料選擇

傳統(tǒng)機械加工的波紋管模具的上模、下模由45#鋼制造，模芯由4Cr13不銹鋼制造。目前應用于金屬3D打印模具制造的鋼主要是馬氏體時效鋼和馬氏體時效不銹鋼，其3D打印用模具粉末主要有17-4PH，15-5PH，18Ni300和S-136等類型。馬氏體時效鋼包括含鈷類型（典型種類有18Ni系18Ni200，18Ni250，18Ni300和18Ni350等）和無鈷類型，無論含鈷或是無鈷馬氏體時效鋼，耐腐蝕性較差是其最大的缺點。無鈷馬氏體時效不銹鋼有T-250和W-500等類型，由于其既具有馬氏體時效鋼的優(yōu)點，又具有馬氏體時效鋼不具備的耐腐蝕性，因此本工作選擇該類材料進行輕量化波紋管模具的打印。

CX模具鋼是一種新型的馬氏體時效不銹鋼，本工作選用12Cr9Ni的CX模具鋼（以下簡稱CX鋼）進行試驗，其基礎元素為鐵元素，其他化學成分如表1所示，物理性能如表2所示。

表1 CX鋼的其他化學成分質(zhì)量分數(shù)。Tab.1 Other chemical composition mass fractions of CX steel %

表2 CX鋼的物理性能Tab.2 Physical properties of CX steel

將45#，H13，18Ni300，S136和CX鋼試樣放入腐蝕溶液中，在48 h后觀察試樣狀態(tài)，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，CX鋼耐腐蝕性能良好，能大幅降低快冷快熱給模具帶來的開裂風險以及橡膠硫化劑帶來的腐蝕風險，因此本工作選擇CX鋼作為金屬3D打印材料。

圖2 不同鋼材試樣腐蝕48 h后的狀態(tài)Fig.2 States of different steel samples after 48 h corrosion

2 輕量化設計

2.1 3D建模

波紋管在機械密封中為一種補償機構，壓縮波紋管可以產(chǎn)生回彈，從而向密封環(huán)提供彈力。確定波紋管模具分型面主要考慮如下因素：不影響波紋管表面質(zhì)量和尺寸精度；有利于模具型腔氣體的排放；有利于波紋管毛刺飛邊的去除；有利于模壓硫化后啟模[1]。波紋管模具的設計核心在于實現(xiàn)模芯成型組合零件的一體化設計。本工作采用3D建模軟件設計并繪制波紋管模具，其3D模型如圖3所示。

圖3 波紋管模具的3D模型Fig.33D model of bellows mould

2.2 拓撲優(yōu)化

波紋管模具由上模、下模和模芯3部分組成，其上、下模結構相同。本工作采用Solid Thinking Inspire軟件（以色列Altair公司產(chǎn)品）對波紋管模具的上、下模進行拓撲優(yōu)化：將構建的上、下模的3D模型導入到軟件中，將默認單位系統(tǒng)設置為SI制；定義結構的設計空間；在結構仿真功能區(qū)施加約束，根據(jù)上、下模裝配要求和使用環(huán)境對模型受壓面施加20 MPa載荷，同時對底面施加約束；利用軟件優(yōu)化模塊對模型進行初步減量優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)如下：空間結構總體積率為25%，厚度約束最小尺寸為5 mm、最大尺寸為10 mm，系統(tǒng)運算得出初步優(yōu)化結果。

由于拓撲優(yōu)化的結果會出現(xiàn)空間結構，同時邊界融合困難、不光滑，需要對初步優(yōu)化的模型進行PolyNURBS建模處理，將其內(nèi)部懸空結構延伸至底面同時倒角化（平滑處理）。平滑處理為：首先打開形狀探索器確認拓撲滑塊，再創(chuàng)建剖切面，選擇包覆工具，在剖切面處創(chuàng)建PolyNURBS模型，重復此步驟直至所有懸空結構全部得到處理。平滑處理后的波紋管模具模型如圖4所示。

圖4 平滑處理后的波紋管模具模型Fig.4 Bellows mould model after smoothing

2.3 點陣優(yōu)化

利用Magics軟件建立點陣結構，將3D模型導入到Magic軟件中，選用晶格結構（鉆石結構、斜方柱結構和楔形結構）。將3種晶格結構單元設計成拉伸試樣進行試驗，結果如表3所示。

表3 不同結構晶格單元的拉伸強度Tab.3 Tensile strengths of different structure lattice units

鉆石結構晶格單元拉伸強度最大，以此結構晶格單元作為波紋管模具內(nèi)部點陣結構，同時添加外壁結構，尺寸余量為5 mm，如圖5所示。

圖5 點陣結構示意Fig.5 Schematic diagram of lattice structure

將拓撲優(yōu)化模型導入Magic軟件中，將點陣結構與拓撲優(yōu)化模型放置在一個坐標系中，利用布爾運算將點陣結構填充到拓撲優(yōu)化模型中，形成輕量化模型，如圖6所示。

圖6 輕量化模型Fig.6 Lightweight model

3 金屬3D打印

3.1 材料準備

金屬粉末采用CX鋼模具粉末（安徽哈特三維科技有限公司產(chǎn)品），其典型形態(tài)如圖7所示，粉末基本呈球形，存在少量衛(wèi)星粉。粉末基本性質(zhì)為：粒徑范圍 15～53 μm，松裝密度 3.92 Mg·m-3，振實密度 4.84 Mg·m-3，流動性 0.704 s·g-1，累計分布10%的粒徑 20.9 μm，累計分布50%的粒徑 33.7 μm，累計分布90%的粒徑 53.2 μm。

圖7 CX鋼模具粉末形貌Fig.7 Powder morphologies of CX steel mould

3D打印前必須對CX鋼模具粉末進行篩分和烘干處理，使用AVI-S400超聲波振動篩篩分粉末，過濾掉大顆粒；使用DZF-6050真空干燥箱烘干粉末，烘粉溫度為100 ℃，時間為4 h。

3.2 打印成型

利用Quantam軟件對輕量化的波紋管模具STL（立體光刻）模型進行擺放、切片分層、設計合理掃描路徑和選擇成型工藝參數(shù)。成型工藝參數(shù)如下：激光功率 300 W，掃描間距 110 μm，掃描速度 60 mm·s-1，層厚 50 μm。

使用Renishaw AM 500E型金屬3D打印設備（英國雷尼紹公司產(chǎn)品，見圖8）進行成型，成型過程如下：首先清潔成型艙、保護振鏡、安裝刮刀和基板并調(diào)平；其次培養(yǎng)氣氛，保護氣體采用體積分數(shù)為99.99%的氬氣，同時預熱基板至170 ℃；開始打印，即刮刀將一定層厚的金屬粉末鋪在基板上，觀察前幾層的鋪粉情況并調(diào)節(jié)送粉量，每加工完1層金屬粉末后工作平臺下降1層厚度的高度，然后刮刀在已經(jīng)加工好的當前層上再均勻鋪設1層金屬粉末，繼續(xù)進行打印，如此循環(huán)直至金屬零件被加工完成。

圖8 金屬的3D打印設備Fig.83D printing equipment for metal

3.3 后處理

在打印成型后的4 h內(nèi)對輕量化波紋管模具連同基板進行熱處理退火，退火工藝為波紋管模具和基板在530 ℃下保溫4 h后隨爐冷卻。退火的目的是消除波紋管模具成型過程中產(chǎn)生的應力，以改善波紋管模具組織結構，提高其綜合性能。

對經(jīng)過退火的輕量化波紋管模具和基板采用線切割的方式進行切割，并對選區(qū)激光熔化成型的輕量化模具進行二次精加工，使模具型腔表面光潔度滿足指標要求（型腔面表面光潔度Ra為0.8 μm，其余面Ra為3.2 μm）。快速制造出的輕量化波紋管模具如圖9所示。

圖9 輕量化的波紋管模具Fig.9 Lightweight bellows mould

4 模壓硫化試驗及結果分析

使用XLB-D600×600×4平板硫化機（磐石油壓工業(yè)有限公司產(chǎn)品）對輕量化波紋管模具進行模壓硫化試驗，使用PS5360硅橡膠膠料，硫化條件為（170±3） ℃/（11～15） MPa×15 min。使用CNC200型自動影像測量儀（美國OPG公司產(chǎn)品）檢測輕量化波紋管產(chǎn)品（見圖10）尺寸，結果如表4所示。

圖10 輕量化波紋管Fig.10 Lightweight bellows

表4 輕量化波紋管尺寸Tab.4 Sizes of lightweight bellows mm

從表4可以看出，使用輕量化波紋管模具模壓制造的波紋管尺寸滿足企業(yè)標準要求。

經(jīng)測量，傳統(tǒng)機械加工的波紋管模具質(zhì)量為41.5 kg，輕量化波紋管模具質(zhì)量為28.1 kg，輕量化波紋管模具質(zhì)量減小32.29%。

5 結語

基于拓撲優(yōu)化和點陣結構輕量化波紋管模具的上、下模，并采用金屬3D打印和選區(qū)激光熔化成型技術替代傳統(tǒng)機械加工技術制造，不僅模具質(zhì)量大大減小，提高了材料的利用率，同時可提高模具成型效率，縮短其制造周期。

采用輕量化波紋管模具模壓硫化制備的波紋管尺寸滿足企業(yè)標準要求。