基于3D 打印的溢流閥三維建模及虛擬裝配研究

傅祖發， 曹明閩

（1.福建林業職業技術學院， 福建 南平 353000； 2.華閩南配集團股份有限公司， 福建 南平 353000）

0 引言

溢流閥作為壓力控制閥元件中重要閥體，是液壓設備中將壓力的變化作為信號來控制其它元件動作的部件[1]。在實際工程領域液壓系統中多處使用到溢流閥， 其性能穩定對整個液壓設備的正常工作具有重要意義。 由于溢流閥的選擇受到壓力、方向、油壓回路等各方面的影響，溢流閥內部結構往往復雜且成本較高， 掌握其結構及功用較為困難。因此，通過模擬拆裝真實的溢流閥和裝配過程，利用Pro/E 軟件設計出三維模型、模擬裝配，3D 打印等一系列過程。實現對液壓閥體的結構認識及結構改良，扎實對液壓閥體結構知識，提高拆裝閥體能力，改善結構性能穩定性以及油路設計能力， 為在企業工作運用液壓閥體提供思路和技術保障。

1 溢流閥內部構造及工作方式

直動式溢流閥結構種類繁多，依據內部構造不同，其閥口采用滑閥式溢流口、錐閥式溢流口，無論閥口采用何種方式，其閥口節流邊均用錐面充當[2]。 直動式溢流閥結構，一般由閥體，調整手柄，固定螺帽，調整手柄套，閥套，閥座，塞頭，調節螺栓，彈簧，O 型圈等組成，其中閥套，閥座，塞頭，調節螺栓，彈簧，O 型圈在閥體的內部。

直動式溢流閥的結構如圖1 所示。 根據其閥芯的不同可分為滑閥、錐閥和球閥三類。 直動錐閥工作方式是其閥芯通過彈簧自身彈力固定在閥座上，閥體上開有P 和T兩個通油口，油液壓力從進油口P 作用在閥芯上[3]。 溢流閥是利用彈簧力與進油口油液所產生的作用力相平衡來進行工作的。 當管路中的油壓大于調定壓力時，調整彈簧被壓縮，液體P 進油口流到T 口回油箱，此時開口量越開越大，直至彈簧力與管道中液體的液壓作用力相平衡，調節彈簧調的越緊，則進油口的壓力就越大。當管道中的油液壓力小于調定壓力時，油液中P 與T 不 通，閥芯被彈力固定在閥座上，溢流口T 閥口關閉。

圖1 直動式溢流閥的結構圖Fig.1 Structure diagram of direct acting relief valve

2 直動式溢流閥三維實體建模

2.1 溢流閥本體的建模

通過拆裝直動溢流閥， 掌握其溢流閥內部結構及原理。利用游標卡尺測量出閥體本體零件尺寸，學會拆裝并掌握部分結構與功用， 見圖2。 本體是溢流閥的主要結構， 分析其三維構建過程包含實體的拉伸， 內螺紋的設計， 棱邊倒斜角和圓弧過渡等，將零件最大平面作為拉伸的基準面， 并拉伸出本體的三維模型。其中溢流閥的上部有4 個貫穿孔，對應的是進油口、出油口、調整手柄、塞頭，根據測量出的基本尺寸，利用Pro/E 拉伸工具將閥體拉伸出其實體，利用軟件建立模型，輸出零件，見圖3。

圖2 直動溢流閥本體Fig.2 Direct acting relief valve body

圖3 直動式溢閥本體模型Fig.3 Direct acting overflow valve body model valve

2.2 閥座及閥芯的建模

閥座及閥芯是安裝在本體內部的結構，閥座支撐著閥芯的開啟，它們對溢流閥的穩定工作極為重要[4]。 分析閥座的組成要素，其包括外螺紋、沉孔、割槽等設計， 利用Pro/E 旋轉命令，旋轉出閥座。用螺紋掃描命令，在閥座的圓柱體表面添加螺紋，拉伸去除命令，在閥座的內部設計沉頭孔，見圖4。 閥芯是整個溢流閥的關鍵部件，其精度的高低，決定了液體壓力開啟的穩定性。 分析閥芯結構可知，閥芯包含圓柱、圓錐角、倒角的設計，其中，外閥座的沉孔與圓錐的閥芯相配合，利用軟件建立其閥座、閥芯模型，見圖5。 將創建好的閥座與閥芯三維模型進行虛擬裝配， 并檢查配合間隙及干涉程度，見圖6。

圖4 閥座Fig.4 Valve seat

圖5 閥芯Fig.5 Valve core

圖6 閥座閥芯裝配圖Fig.6 Assembly drawing of valve

2.3 彈簧及調整推桿的建模

溢流閥的彈簧是軟彈簧， 在溢流閥中起到油路的啟閉作用，彈簧分別與調整推桿、閥芯相配合，溢流閥的彈簧在建立的過程需要測量其內徑、螺距、長度等。 在建立其模型時用到的是螺旋掃描命令、畫出掃引軌跡、輸入螺距、截面等參數，掃描出彈簧，見圖7。 調整推桿與彈簧相配合，控制閥體的調定壓力。 推桿三維構造過程中，運用Pro/E 的旋轉命令，構造出零件造型。 利用旋轉命令去除材料功能，設計特定的尺寸，使用倒斜角功能去除設計，去除錐體尖角，得到調整底座，見圖8。 模擬閥座及閥芯的裝配，并檢查配合間隙及干涉程度，見圖9。

圖7 彈簧Fig.7 Spring

圖8 調整推桿Fig.8 Adjusting putter

圖9 內部裝配圖Fig.9 Internal assembly drawing

2.4 調節螺帽、固定螺栓、手輪的建模

調節螺帽是連接閥體、推桿和固定螺栓，其作用使推桿按軸向上下移動，控制其彈簧的壓力。 分析該零件由內螺紋、外螺紋、圓柱體等部分組成。利用旋轉命令，旋轉出調節螺帽，螺旋掃描去除材料功能，掃描出其牙型，利用拉伸去除材料命令設計其貫穿孔，同時拉伸出其盲孔，見圖10。固定螺栓主要是起到限位、調定最大壓力，當手輪調到最底端時，起到限位手輪，保護閥體的作用。 在利用軟件的拉伸命令拉伸出六棱柱，拉伸命令的貫穿孔去除中間孔部分，利用螺紋掃描切口命令，掃描內螺紋，輸出零件，見圖11。 手輪結構較為復雜，利用草繪畫出曲線，并利用邊界混合出曲面，同時利用加厚命令，做出其手輪的造型，見圖12。

圖10 調節螺帽Fig.10 Adjusting nut

圖12 手輪Fig.12 Handwheel

3 溢流閥虛擬化拆裝研究

3.1 溢流閥虛擬裝配

將溢流閥各零件創建好后，根據實際零件的位置進行裝配，在Pro/E 裝配模塊平臺上，將創建好的三維零件進行分組，并將零件進行裝配工藝分析，最后確定其虛擬裝配方案[5]。 裝配完成后，需對裝配組件進行測量分析，利用軟件找出其配合間隙，全局間隙，全局干涉等不利影響，同時采用匹配，對齊，同軸等命令進行裝配方法進行連接。

按上述裝配思路進行溢流閥裝配任務， 確定裝配流程及方案，具體裝配方案如下：首先，將溢流閥的本體裝配模塊在缺省的狀態裝配，將本體固定在軟件中。 其次，利用加載工具將閥套，閥座，固定在溢流閥本體。 最后將零件手柄，固定螺帽，調整手柄套，塞頭，調節螺栓，彈簧，O 型圈三維模型完成裝配。

3.2 溢流閥爆炸圖分解

零件裝配過程中，內部構造比較難以表達。 Pro/E 組件功能具有表達視圖裝配過程中的有效工具[6]。采用爆炸圖來分解視圖，對現有三維裝配模型進行特殊位置表達，查看內部裝配狀態，見圖13。 爆炸圖可以方便查看溢流閥內部的各個組成部件， 通過虛擬仿真來模擬部件的裝配過程，并新建zpt.asm 文件。首先，裝配模式功能界面，選擇菜單欄上“分解視圖”命令，導入裝配文件，軟件提供手動或自動分解視圖2 種方式，自動分解是系統默認分解，效果通常無法滿足設計者需求[7]。 因此，通常采用手動方式分解各零部件相對位置、距離、角度等。例如調節鏍帽的分解，首先載入溢流閥的裝配模型，在裝配模型的模型樹中選取調節鏍帽零件，將調節鏍帽按逆時針旋轉上移運動，設置坐標方向、零件移動方向以及零件移動距離等參數。 設置鏍帽沿水平X 軸向左移運動，輸入沿水平X 軸移動的距離10cm，實現調節鏍帽向左移動的動作。 相同方式， 選擇閥芯沿Y軸移動， 同時沿Y 軸方向移動15cm，X、Y 軸的2 個方向可以分開設置，見圖14。 而在實際的運動中，閥芯同時向X、Y同時運動[8]。 因此，將模型樹中的零件設置2 個以上的動作方式可以疊加。 為了更為清晰看到內部結構，各零件的相對位置及角度有一定視角，清晰看到閥體的內部結構。

圖13 三維模型虛擬裝配圖Fig.13 Virtual Assembly drawing of 3D model

圖14 三維模型的虛擬拆裝圖Fig.14 Virtual disassembly diagram

3.3 觀察和分析部件

Pro/E 具有強大的觀察和分析零部件功能。 通過剖視圖來觀察零件體內各部件的相對位置，清晰表達出各零件的相對位置關系。 選擇剖視圖的方式表達視圖， 使用3/4剖，對于國家標準件選擇不必剖切處理，如彈簧、螺母，墊片等。從圖示中可以清晰看到閥體各部件的裝配關系[9]。利用Pro/E 提供的干涉命令，檢查各零件之間裝配位置。如果檢測過程軟件有發現有干涉，設計人員返回至零部件模型優化結構，減小干涉量，利用軟件來虛擬優化設計結構。

4 3D 打印三維模型

將創建好的溢流閥三維實體模型轉換為細小的三角網格，通過模型另存方式轉化為弦高為0.01mm，并把它轉成STL 格式，該格式是3D 打印機識別的通過格式。 三角網格是對實體模型進行表面三角網格化， 用細小三角形擬合出該模型[10]。 將STL 格式模型導入Cura 打印軟件中進行切片參數設置，見圖15。 選擇最高質量模式打印，打印層高為0.01 mm，密度填充為30%，增加底座采用自由支撐，打印速度為50mm/s，噴頭溫度為210℃，熱床溫度為70℃，消耗PLA 材料152g，打印時間8h，回到3D 打印界面回參考點，主界面顯示完成量，打印過程顯示走刀路徑，具體打印路徑，見圖16。

圖15 3D 打印零件排布Fig.15 3D printed parts layout

圖16 3D 打印噴頭路徑圖Fig.16 3D printed nozzle path map

5 結論

本文以生產實際的直動式溢流閥為載體，將溢流閥的零部件進行拆裝分析。通過三維造型軟件建立其三維數字化模型，將零件模型進行虛擬裝配分析及干涉檢測。 運用Pro/E 軟件反復模擬拆裝實驗， 可以更加深入掌握溢流閥內部結構特點以及工作原理，便于企業運用溢流閥過程中找出故障原因，學會溢流閥在生產過程故障方式的排除方法。同時，利用現代軟件技術與液壓溢流閥設備相結合，并延伸到同類閥體的拆裝，提高閥體拆裝的效率，減小設備損耗，通過控制3D 打印構建液壓閥體模型制件，并組裝到實驗設備中，能在虛擬軟件中反復拆裝，實現人機協同，達到虛擬裝配的新方法，最大程度優化產品結構設計，避免溢流閥拆裝中損壞，延長閥體生產使用周期。