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

馬麗

摘 要 近年來(lái)，3D打印技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，其以高效一體化、可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在考古、醫(yī)療、藝術(shù)、工業(yè)、服裝、軍事、建筑、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并在全球高端裝備制造中占據(jù)重要地位。因此，研究基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)，是未來(lái)高端裝備制造業(yè)向著綠色智能化方向發(fā)展的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù) 機(jī)械零件 創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在社會(huì)上的眾多領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用，并且，3D打印技術(shù)逐步趨向成熟。其中，3D打印技術(shù)在航空航天、軍工業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、汽車行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用勢(shì)頭良好，文章就3D打印在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的應(yīng)用展開討論，主要分析了基于3D打印技術(shù)的軸套類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)。

1 3D打印技術(shù)的概念和原理

1.1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印是增材制造概念的延伸。所謂增材制造（Additive Manufacturing，AM），是相對(duì)于車、銑、刨、磨等減材制造，以及鑄造、鍛壓等建材制造工藝而提出的逐漸增加材料而構(gòu)造實(shí)體的一類工藝技術(shù)的總稱。3D打印是通過(guò)三維建模并切片后，利用3D打印機(jī)逐層制造出產(chǎn)品的加工制造方法，也叫快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）。

1.2 3D打印技術(shù)原理

首先由設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并繪制出所制零件的三維模型圖紙，然后用切片軟件按一定的厚度在其制造方向上進(jìn)行切片處理，得到各層截面的二維輪廓數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)備通過(guò)成型頭選擇性地固化一層層液態(tài)樹脂或者掃描并噴涂一層層粘結(jié)劑、熱熔材料，也可以通過(guò)燒結(jié)一層層粉末材料的方式，形成各層截面輪廓，然后將這些輪廓逐層疊加成三維制件。

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

2.1軸套類零件

軸套類零件主體結(jié)構(gòu)為同軸旋轉(zhuǎn)體，包括絲杠、軸、套筒等，軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸。這類零件的功能是傳遞扭矩、支撐轉(zhuǎn)動(dòng)件。軸套類零件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)大部分是由不同直徑同中心線的數(shù)段金屬構(gòu)成階梯狀，軸上根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的不同功能設(shè)計(jì)出不同的工藝結(jié)構(gòu)，如螺紋、鍵槽、倒角等等。如軸的設(shè)計(jì)是根據(jù)傳遞的力、扭矩，確定軸直徑，根據(jù)零件的定位和裝配需求，設(shè)計(jì)軸肩、退刀槽、砂輪越程槽、鍵槽等。

在應(yīng)用3D打印技術(shù)創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)軸套類零件時(shí)，需要進(jìn)行功能分析，并以功能分析結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量減少不必要的功能結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化必要的功能結(jié)構(gòu)，例如簡(jiǎn)化軸肩、鍵槽、鍵等裝配結(jié)構(gòu)，同時(shí)輕量化設(shè)計(jì)軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變內(nèi)部實(shí)心結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)、格柵結(jié)構(gòu)，在滿足軸必要?jiǎng)偠取?qiáng)度性能的前提下減輕自重；軸的必要功能是支撐和旋轉(zhuǎn)，直接根據(jù)力與扭矩確定軸的直徑，將軸與其支撐和帶動(dòng)的零件設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，增強(qiáng)帶動(dòng)性。

2.2盤蓋類零件

盤蓋類零件是與箱體零件相連接的用來(lái)與孔系結(jié)構(gòu)相配合的零件，基本形狀多為圓型或方形的扁平盤狀結(jié)構(gòu)，軸向尺寸比其徑向尺寸小很多，類型包括端蓋、法蘭盤、透蓋和各種輪子等。盤蓋類零件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)所需尺寸和連接方法設(shè)置有螺孔、銷孔、凸臺(tái)、凹坑等結(jié)構(gòu)。

3D打印自由設(shè)計(jì)適用于盤蓋類零件，盤蓋類零件功能包括傳遞扭矩、軸向定位、支撐、防塵、密封等，要優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)，提升其功能性和美化性，提升輔助功能，強(qiáng)化主要功能，減少不必要的功能。例如要對(duì)端蓋實(shí)體進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)去除軸承除拔模斜度的不必要特征，另外，要進(jìn)一步研究其免裝配設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化其裝配工序。

2.3箱體類零件

箱體類零件主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、減速器箱體、泵體、閥體等，通常情況下，箱體類零件的內(nèi)、外形都較為復(fù)雜，一般由不規(guī)則的薄壁空腔結(jié)構(gòu)和其外型上的各個(gè)孔系組成，箱體類零件的主要功能有容納、支撐、定位和密封。箱體類零件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)各個(gè)零部件的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其外形結(jié)構(gòu)和尺寸，根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其加工工藝路線。

箱體結(jié)構(gòu)在自由設(shè)計(jì)下必要功能得以更好的完善，不必要功能減少，輔助功能提升。自由設(shè)計(jì)箱體零件時(shí)，首先要對(duì)零件進(jìn)行功能分析，設(shè)計(jì)箱體結(jié)構(gòu)時(shí)在滿足必要功能的前提下力求結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)、性能最優(yōu)。如：箱體本身也可以變實(shí)心結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)，減輕自身重量；減速器箱體主要功能有定位、支撐、容納和密封，將某些焊接結(jié)構(gòu)變?yōu)橐惑w設(shè)計(jì)；另外，可以對(duì)3D打印下的箱體進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品的美觀性，同時(shí)提升產(chǎn)品的輔助功能。

2.4叉架類零件

叉架類零件多為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形狀多種多樣，常見的叉架類零件有拔叉、連桿、支架、杠桿、搖臂等等，其功能主要是在變速機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)以及支撐結(jié)構(gòu)中撥動(dòng)、連接和支撐傳動(dòng)零件。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)叉架類零件的結(jié)構(gòu)特征有凸臺(tái)、凹坑、鑄鍛造圓角、拔模斜度等，有好多特征是為加工的必要性而設(shè)置，比如拔模斜度、裝夾平面等。

功能分析叉架類零件有撥動(dòng)、連接和支撐的功能，自由設(shè)計(jì)叉架類零件可以根據(jù)實(shí)際強(qiáng)度剛度要求設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)，無(wú)需鑄造。簡(jiǎn)化拔模斜度、裝夾平面等不必要特征，在人機(jī)分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)強(qiáng)化功能的特征。

3結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)應(yīng)與企業(yè)創(chuàng)新結(jié)合，實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)能夠提升設(shè)計(jì)價(jià)值，文章分析的四大類基于3D打印加工制造的機(jī)械零件創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，能夠?yàn)檫@四大類機(jī)械零件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供支持，同時(shí)希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供思路。

基金項(xiàng)目：課題名稱：基于3D打印技術(shù)的機(jī)械制造專業(yè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)，課題號(hào)：18XJG08。

參考文獻(xiàn)

[1] 陰璇.基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)[D].太原：太原科技大學(xué)，2016.

[2] 張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，郭紹慶，李能，孫兵兵，陳冰清.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016，44（02）：122-128.

[3] 包國(guó)光，趙默典.3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征及產(chǎn)業(yè)化對(duì)策探析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2016，18（02）：111-117.