面向增材制造的液壓集成塊孔道設計

陰 璇，程勁釗，趙慧娟

（1.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.山西交通職業(yè)技術學院，山西 太原 030000；3.太原科技大學 晉城校區(qū)，山西 晉城 048000）

隨著科學技術的發(fā)展，一種新的加工制造方法——增材制造也漸漸走入機械行業(yè)，以其可制造復雜結構、高效一體化成型等優(yōu)點沖擊著傳統(tǒng)制造業(yè)[1]。生產效益往往包括更少的材料浪費，更少的模具費用，更短的加工時間，更簡單的組裝要求，自動化等，增材制造將這些優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。與此同時，增材制造勢必會對傳統(tǒng)加工制造造成一定的沖擊，但是兩者并不矛盾，傳統(tǒng)制造方法在制造大批量模塊化零部件時有著毋庸置疑的高效率，而增材制造則適用于小批量及定制化生產的復雜結構零部件，可見，增材制造與傳統(tǒng)制造方法大相徑庭，因此，在產品的設計層面也會有本質性的差別，原本所遵循的設計準則和設計流程都有所改變，面向增材制造的設計方法應當形成。

本文以液壓集成塊的孔道設計為例，對面向增材制造的設計方法進行研究初探。

1 傳統(tǒng)加工與制造增材制造的對比

增材制造與現(xiàn)有傳統(tǒng)減材加工制造（車削、鉆削、銑削等）相比，工序上省略了零件裝夾工序及各類刀具的使用；增材制造與傳統(tǒng)的等材加工（鑄造、鍛造）相比，減少甚至避免了模具的使用。增材制造省略了加工工序，從而提升了制造效率，也節(jié)約了生產成本。與此同時，增材制造能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化：傳統(tǒng)產品通常是將加工好的單一的零件通過各類連接裝配起來，而一體化成型和復合材料的使用使得增材制造出的產品實現(xiàn)免裝配，且其性能超過了傳統(tǒng)連接的性能。

液壓集成塊的傳統(tǒng)制造過程包括預處理、機加工、去毛刺、清洗等[2]，由于其加工難度而造成的質量問題很多，比如刀具或切屑劃傷表面及孔系內壁、工裝夾具不合理造成內孔加工達不到要求、熱處理工序造成材料變形等等；除了交叉鉆孔管道網絡的加工限制外，傳統(tǒng)的液壓集成塊在性能上還存在著一定的局限性，比如流體性能方面的次優(yōu)、閥塊又大又重造成材料的浪費以及額外調壓部件的被動使用。

2 面向增材制造的液壓集成塊孔道設計

圖1 傳統(tǒng)設計管路和面向增材制造設計管路對比

傳統(tǒng)內孔道加工要通過鉆、擴、鉸、銼、攻等機械加工方法實現(xiàn)，加工時特定的裝夾和刀具限制了孔道必須為垂直相接結構，且難以加工深孔和斜孔，為了連接內部交叉孔，還需設置工藝孔并在加工完成后采用球漲堵頭、焊接堵頭、螺紋堵頭等方法進行封堵。可見，液壓集成塊內部的垂直相接孔道受限于傳統(tǒng)加工方法讓其性能次優(yōu)。傳統(tǒng)液壓集成塊最常見的孔道類型有直角孔道、階梯型孔道、Z字型孔道等，為了保證孔道之間的完全貫通，鉆頭加工時會在孔道末端形成一段刀尖角區(qū)域[3]，如圖1（a）。

增材制造通過模型切片將產品化為逐層堆積的二維平面，在Z軸方向上逐層加工出三維實體，因此，產品的內部結構并不受加工手段的限制，增材制造設計自由度高，尋求好的液流特性的孔道結構是關鍵，減少不必要的管路液流內阻，使得液壓能沿程損失較少，改變傳統(tǒng)加工孔道的結構，避免管路方向突變造成的局部壓力損失。

圖1為傳統(tǒng)設計管路和面向增材制造設計管路對比圖，其中，圖（a）為傳統(tǒng)加工方法所設計的孔道，可見管路互相垂直，且為了保證孔道貫通，鉆孔刀具在孔道末端形成了加工余量和尖角，中間水平孔道設置有工藝孔，液流在孔道中流動時經過兩個直角轉彎并會在尖角處形成湍流；圖（b）為面向增材制造的第一種孔道設計，即留出裝配液壓元件的接頭孔外直接以斜孔貫穿整個孔道，液流在其中流動時會經過兩個相對較緩的轉彎；圖（c）為面向增材制造的第二種孔道設計，整個孔道以樣條曲線的方式貫通，使液流在孔道中的流動方向時時發(fā)生改變，但改變平緩。

3 液壓集成塊液流特性分析

液流在流動時產生的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失是指液體在等徑直管內流動時因摩擦而產生的壓力損失，計算公式如下[4]：式（1）中：λ為沿程阻力系數，理論值，考慮到實際流動時存在溫度變化等問題，因此液體在金屬管道中流動時宜取，在橡膠軟管中流動時宜取，ρ為管道內液體密度，kg/m3；V為管道內的平均流速，m/s。

局部壓力損失是指液體流經管道的彎頭、接頭、閥口以及突然變化的截面等處時，因流速或流向發(fā)生急劇變化而在局部區(qū)域產生流動阻力而造成的壓力損失。局部壓力損失的計算公式如下：

式（2）中：ξ為局部阻力系數，它的取值與局部障礙形狀、雷諾數Re有關，它的具體數值可從相關手冊查到；ρ為管道內液體密度，kg/m3；V為管道內的平均流速，m/s。

由公式（1）可以看出，對于直徑、材料、液流以及流量相同的管路，沿程壓力損失的大小取決于直管長度l的大小。對于圖1所示的3種液壓管路，其沿程壓力損失對比如表1所示。

表1 沿程壓力損失對比

由表1得出，斜孔孔道沿程壓力損失最小。在液壓管路中，沿程壓力損失相比較局部壓力損失來說很小，常常可忽略，因此液壓管路中局部壓力損失的減少更加重要。

由公式（2）可以看出，相同直徑和流速的管道中局部壓力損失的大小取決于管道形狀和引起液流變化的障礙個數，管道形狀直接影響了局部阻力系數的大小。圖2中3種管道的局部壓力損失對比如表2所示。

表2 局部壓力損失對比

經過查閱相關手冊得到3種不同形狀管道的局部阻力系數，可見經過改進的管路在理論上可減少85%以上的局部壓力損失，這相對于傳統(tǒng)液壓管路是一項很可觀的進步。

4 結論

增材制造方法與傳統(tǒng)加工方法相比，在復雜難加工的機械零件方面具有非常大的優(yōu)越性，其設計方法也有所改變。面向增材制造的設計方法在功能實現(xiàn)上較為直接。面向增材制造的液壓集成塊孔道設計與傳統(tǒng)設計相比，在液流特性方面理論上減少了85%以上的壓力損失，可見增材制造在液壓集成塊乃至機械設計行業(yè)很有前景，也由此看出面向增材制造的設計方法是一項很有意義的研究。