基于3D打印技術(shù)的液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張慧玲

摘 要：作為一種控制油路走向、油路壓力和油路流量的工具，液壓閥塊是液壓閥的重要組成部件，對(duì)于生產(chǎn)的精度要求非常高。目前，人們主要通過(guò)生產(chǎn)液壓閥集成塊來(lái)替代傳統(tǒng)液壓閥塊，實(shí)現(xiàn)液壓閥的各項(xiàng)功能。文章主要以液壓閥集成塊為研究對(duì)象，探討3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的研究設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；液壓閥集成塊；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；液壓閥

3D打印技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)超出了人們的想象，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始接觸3D打印技術(shù)。特別是在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛、更為深刻。本文主要以液壓閥集成塊為研究對(duì)象，來(lái)談一下3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的研究設(shè)計(jì)。

1 3D打印技術(shù)的概念及應(yīng)用

作為一種新技術(shù)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，在某種程度上為生產(chǎn)制造企業(yè)節(jié)省了很多成本，特別是模塊設(shè)計(jì)與制造企業(yè)。

3D打印是一套系統(tǒng)，由3D打印設(shè)備和相配套的軟件及技術(shù)組成。目前主流的3D打印技術(shù)主要有以下4種。（1）光固化成型工藝（Stereo Lithography Apparatus，SLA）是由美國(guó)發(fā)展起來(lái)的。目前，此項(xiàng)技術(shù)在全球的應(yīng)用最廣泛，技術(shù)也最成熟。關(guān)于此項(xiàng)的技術(shù)的研究學(xué)者也最多。（2）熔融沉積成型工藝（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），此項(xiàng)技術(shù)主要是面向家庭用戶和辦公用戶。該技術(shù)的創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)功能比較強(qiáng)大，能夠打印出各種真實(shí)的三維實(shí)體模型，而且使用此項(xiàng)技術(shù)的3D打印設(shè)備價(jià)格比較低，所以適合家庭用戶和辦公用戶。（3）激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS），也被稱為粉末激光燒結(jié)技術(shù)，使用此項(xiàng)技術(shù)的打印設(shè)備可以直接打印金屬材料的產(chǎn)品，但是打印出生的產(chǎn)品模型質(zhì)量精度要求很高，如果加上其他的輔助工序，可以制造出非常精細(xì)的產(chǎn)品。（4）三維粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）技術(shù)。此種3D打印技術(shù)又稱為三維噴涂黏結(jié)成型技術(shù)，目前只有這一種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全彩3D打印。此種3D打印技術(shù)使用的是粉末狀的原材料。除了上述4種3D打印技術(shù)外，還有直接金屬激光燒結(jié)、立體平版印刷、數(shù)字光處理、熔絲制造和電子束熔化成型等3D打印技術(shù)[1]。

目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在機(jī)械制造領(lǐng)域、航天科技領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)施領(lǐng)域、建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、食品加工領(lǐng)域及文物考古領(lǐng)域等，涉及模具生產(chǎn)、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械零件生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)、建筑模型的設(shè)計(jì)、食品模型制造和古董的重現(xiàn)生產(chǎn)等幾十個(gè)專業(yè)，已經(jīng)成為目前跨專業(yè)領(lǐng)域最強(qiáng)的打印技術(shù)。

2 3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 液壓閥集成塊概述

作為一種控制油路走向、油路壓力和油路流量的液壓閥塊，是液壓閥的重要組成部件，對(duì)于生產(chǎn)的精度要求非常高，目前主要通過(guò)生產(chǎn)液壓閥集成塊來(lái)替代傳統(tǒng)液壓閥塊實(shí)現(xiàn)液壓閥的各項(xiàng)功能。液壓閥集成塊其實(shí)就是一個(gè)具有多個(gè)液壓油孔道的金屬塊，這些液壓油孔道實(shí)現(xiàn)了油液的多種走向，產(chǎn)生不同的壓力和流量，通過(guò)這些油孔道實(shí)現(xiàn)了油液的多種回路，從而完成需要的各種動(dòng)作。

液壓閥集成塊由3部分組成，分別是集成塊本身、外部元器件和集成塊內(nèi)部的孔道，其中集成塊內(nèi)部的孔道最為復(fù)雜，有各種各樣的孔道，如直通的油孔、定位的普通孔、連接螺紋的螺釘孔道、集成塊或其他插件的安裝孔道等孔道。整個(gè)液壓機(jī)閥集成模塊難度最大的就是這些孔道的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了，其他的要求就是要保證液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性合適，方便安裝和裝配。另外，還要保證元件之間的振動(dòng)、噪聲在合格范圍內(nèi)，保證油孔道不能出現(xiàn)漏油。至于外觀方面，只要整齊好看，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)其的保養(yǎng)就可以了[2]。

2.2 使用傳統(tǒng)加工制造方法生產(chǎn)液壓閥集成塊面臨的問(wèn)題

從液壓閥集成塊的結(jié)構(gòu)，我們就可以看出其在生產(chǎn)的時(shí)候難度會(huì)有多大，如果使用傳統(tǒng)的制造方法來(lái)加工液壓閥集成塊，需要經(jīng)歷如下4個(gè)步驟：（1）要進(jìn)行生產(chǎn)前的預(yù)處理，即檢查所用的材料是否適合，是否存在一些質(zhì)量問(wèn)題，比如沙眼、夾層的問(wèn)題。另外，材料的內(nèi)部密度是否均勻?qū)τ诔善穪?lái)講也是非常重要的。（2）機(jī)床加工，這一步主要是對(duì)原材料進(jìn)行初次粗加工，使得初具模型，這一步中主要用到銑、刨及鉗工劃線等技術(shù)，另外，為了防止出現(xiàn)滲漏情況，要適當(dāng)控制好材料塊的表面粗糙程度。（3）去毛刺的細(xì)加工，主要就是提升液壓閥集成塊的各個(gè)方面的光滑度。（4）對(duì)液壓閥集成塊進(jìn)行清洗，去除前面步驟中產(chǎn)生的污垢和殘留的雜物。在清洗的過(guò)程中一定要使用防銹的清洗液，否則生銹了會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果[3]。

經(jīng)過(guò)上述4個(gè)步驟的生活制造，液壓閥集成塊就可以制造出來(lái)。但是，在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，我們會(huì)遇到非常多的技術(shù)難題，比如：形位公差的控制問(wèn)題，粗糙程度的要求問(wèn)題等。其中難度最大的要數(shù)孔道的加工過(guò)程，孔道的加工要用到鉆、擴(kuò)、鏜及鉸等復(fù)雜而精細(xì)的工藝。另外，這些孔道又交叉分布，錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致了加工的難度進(jìn)一步加大。除此以外，這些孔道在加工的時(shí)候，難免會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)不均的問(wèn)題以及內(nèi)壁光滑的問(wèn)題，從而導(dǎo)致油路流量和壓力達(dá)不到要求。

2.3 使用3D打印技術(shù)后的液壓閥集成塊生產(chǎn)工藝

3D打印技術(shù)的強(qiáng)大之處正是那些傳統(tǒng)制造行業(yè)所不具備的，使用這種3D打印技術(shù)為生產(chǎn)液壓閥集成塊提供了一條更方便快捷有效的方法。使用3D打印技術(shù)之后，液壓閥集成塊的加工改變了傳統(tǒng)的4個(gè)步驟的繁瑣工序，從而解決了形位公差控制難度大的問(wèn)題以及傳統(tǒng)加工過(guò)程中的裝夾問(wèn)題。除此以外，層層疊加金屬粉末成型的技術(shù)，可以很好地預(yù)先設(shè)計(jì)好液壓閥集成塊內(nèi)部孔道的路徑，這樣，油孔道的加工變得異常簡(jiǎn)單[4]。

2.4 液壓閥集成塊的3D打印流程

2.4.1 選擇合適的3D打印設(shè)備

根據(jù)液壓閥集成塊對(duì)材料的要求，需要使用激光選區(qū)熔化等金屬3D打印技術(shù)和金屬粉末材料成型的3D打印技術(shù)。由于打印設(shè)備及打印材料的受限，本實(shí)驗(yàn)選用FDM型號(hào)的3D打印機(jī)和PLA材料。這樣只能實(shí)現(xiàn)模型的打印，僅能驗(yàn)證此種液壓閥集成塊的可加工性。

2.4.2 液壓閥集成塊的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

基于3D打印的特性，需要使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)。液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)新設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.4.3 液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及檢測(cè)

為了能夠?qū)⒁簤洪y集成塊結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行下一步的操作，需要將其三維模型保存為stl格式的文件，也就是使用三角形網(wǎng)格來(lái)表示液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)的各個(gè)面，stl格式的液壓閥集成塊的3D模型如圖2所示。

轉(zhuǎn)換過(guò)模型之后，再將模型文件導(dǎo)入相應(yīng)的軟件進(jìn)行完整性檢測(cè)，如果檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題，則可以進(jìn)入下一步。

2.4.4 導(dǎo)入模型切片并設(shè)置成型方向

在檢測(cè)過(guò)模型文件沒(méi)有問(wèn)題之后，我們就可以將模型切片導(dǎo)入3D打印軟件進(jìn)入打印準(zhǔn)備了。導(dǎo)入相應(yīng)軟件之后，我們可以看到左側(cè)為參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，可以設(shè)置打印的質(zhì)量、速度、熱床溫度等。右側(cè)則顯示液壓閥集成塊的三維視圖，在此視圖中可以拖動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的移動(dòng)和縮放以及旋轉(zhuǎn)等基本操作。

另外，成型方向設(shè)置也是非常重要的，成型方向的設(shè)置關(guān)系到打印材料能夠達(dá)到最省、打印時(shí)間能否達(dá)到最短，所以成型方向的設(shè)置也非常有講究。對(duì)于液壓閥集成塊的產(chǎn)品特點(diǎn)，整體上不需要設(shè)置必要的支撐，但是對(duì)孔道的懸面則需要施加相應(yīng)的支撐，這樣才能保證整個(gè)過(guò)程中能夠平衡打印，最后再對(duì)支撐材料進(jìn)行徹底清除[5]。

在進(jìn)行完相應(yīng)的設(shè)置后，將文件進(jìn)行保存并轉(zhuǎn)化成相關(guān)代碼，然后存入3D打印機(jī)的SD卡，完成切片，準(zhǔn)備開(kāi)始打印。

2.4.5 液壓閥集成塊模型的打印

將事先準(zhǔn)備好的SD卡插入3D打印機(jī)，然后進(jìn)行打印前的調(diào)試、預(yù)熱熱床和噴頭，準(zhǔn)備工作就緒后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)添加設(shè)置好的支撐，最后按照原先設(shè)定好的模型開(kāi)始液壓閥集成塊打印。打印出來(lái)的效果如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的內(nèi)容，我們看到了使用3D打印技術(shù)后，液壓閥集成塊的模型被成功地打印出來(lái)了，而且效果非常不錯(cuò)，驗(yàn)證了3D打印技術(shù)的實(shí)用性。特別是在機(jī)械制造行業(yè)，非常適合模型的制造。對(duì)于某些產(chǎn)品來(lái)講，也可以直接打印生產(chǎn)出來(lái)，只是目前由于打印設(shè)備及打印耗材的問(wèn)題，還不能大量、批量地生產(chǎn)。相信在不久的將來(lái)，這些都是可以真正實(shí)現(xiàn)的。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]萬(wàn)海鑫，馬思遠(yuǎn).基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)初探[J].電子制作，2018（Z2）：119-120，110.

[3]陳博文.基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2018（18）：155.

[4]劉哲.基于3D打印技術(shù)的機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（8）：22-23.

[5]張德龍.基于3D打印技術(shù)下機(jī)械零件創(chuàng)新自由設(shè)計(jì)的思考[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（6）：80-82.