金屬增材制造工藝制訂與實(shí)施 課件 項(xiàng)目三 打印制作液壓歧管 任務(wù)一

項(xiàng)目三

打印制作液壓歧管THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（選擇性激光熔化）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術(shù)?！督饘僭霾闹圃旃に囍朴喤c實(shí)施》教材課件任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)YOURLOGOLearningObjectives※學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解液壓閥塊或液壓歧管等液壓元件的概念與意義；2.了解金屬3D打印當(dāng)前在液壓元件領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；3.掌握SLM金屬增材制造液壓歧管的工藝特點(diǎn)及注意要點(diǎn)；4.能應(yīng)用切片軟件，合理選擇加工參數(shù)，生成打印程序；5.能夠操作金屬打印機(jī)完成本項(xiàng)目制件的打印工作；6.能夠了解并完成本項(xiàng)目制件所有相關(guān)后序處理工作?！?xiàng)目情境：

某液壓元件企業(yè)試制新產(chǎn)品，對(duì)原起重設(shè)備中的液壓適配器閥塊進(jìn)行了輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)在最終模型交由增材制造事業(yè)部進(jìn)行打印，并要求機(jī)加工事業(yè)部完成后序處理加工，包括銑平面、攻螺紋等。該產(chǎn)品數(shù)量為兩件，材料為316不銹鋼。

生產(chǎn)工程師接到任務(wù)以后，通過(guò)任務(wù)單了解并分析客戶需求，根據(jù)客戶提供的圖紙及3D模型，選擇加工方法、材料、設(shè)備等，制定打印工藝，由設(shè)備操作員完成打印及相關(guān)后處理，再交付質(zhì)檢部驗(yàn)收確認(rèn)，并填寫設(shè)備使用情況和維修記錄。任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO

?任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.了解金屬3D打印當(dāng)前在液壓元件制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.理解液壓歧管采用增材優(yōu)化制造的概念與意義；3.掌握增、減材混合工藝的編制與應(yīng)用。任務(wù)一

項(xiàng)目獲取與分析任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【任務(wù)工單】（見表3-1-1）表3-1-1任務(wù)工單產(chǎn)品名稱液壓適配器編號(hào)

周期5天序號(hào)零件名稱規(guī)格材料數(shù)量/套生產(chǎn)要求1液壓歧管150*60*70316不銹鋼21.增材加工整體部分；2.減材加工底平面及密封槽；3.完成管螺紋攻絲。2

3

備注

接單日期：生產(chǎn)部經(jīng)理意見（同意生產(chǎn)）完成日期：請(qǐng)參見圖3-1-1，了解“液壓歧管”零件的最終效果：圖3-1-1零件效果圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【項(xiàng)目分析】一、圖樣分析下圖為“液壓歧管”的零件圖（圖3-1-2），現(xiàn)做如下分析：圖3-1-2液壓歧管零件圖紙任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析1.整體分析本產(chǎn)品使用壓力未超過(guò)5×105Pa，是一種復(fù)雜的液壓集成管路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)液壓集成塊的顛覆性結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先改善了液壓介質(zhì)的流通阻力，減少了紊流和堵塞的發(fā)生；其次實(shí)現(xiàn)裝配集成，減少了聯(lián)接部位的泄露可能性；最終實(shí)現(xiàn)大幅度的減重輕量化效果。該零件結(jié)構(gòu)包含平板底座、多歧路聯(lián)通管路、螺紋聯(lián)接部以及各加強(qiáng)筋。打印時(shí)，以方形底座為基準(zhǔn)平放，但要繞高度方向旋轉(zhuǎn)45°，有利于鋪粉效果；縱向加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)（倒拔錐厚度+水滴形鏤空）替代了打印支撐，可實(shí)現(xiàn)較好的程序工藝條件。液壓密封螺紋采用最常用的GB7306標(biāo)準(zhǔn)管螺紋。2.尺寸分析該零件作為聯(lián)通部件，在高度尺寸方向上要求不高，主要是確保密封效果。底平面設(shè)置有彈性密封圈槽，密封面要求精加工，表面粗糙度要達(dá)到0.8μn，平面度要達(dá)到0.01/100mm，表面不能有徑向劃痕，連接螺釘?shù)念A(yù)緊力要足夠大，以防止表面分離。用螺紋密封的管螺紋內(nèi)螺紋有圓錐、圓柱兩種形式（外螺紋只有圓錐一種形式），這里采用圓柱內(nèi)管螺紋Rp1/4，經(jīng)查表，取其底孔直徑ф11.5。3.表面質(zhì)量本制品要經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火，普通噴砂處理，然后減材加工后，適當(dāng)進(jìn)行防銹處理。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析二、相關(guān)知識(shí)1.傳統(tǒng)減材加工制造液壓元件的局限性

液壓元件里的控制類元件包括各種控制閥和閥塊，而閥塊是指用作油路的分、集和轉(zhuǎn)換的過(guò)渡塊體，或者用來(lái)安裝板式、插裝式等閥件的的基礎(chǔ)塊，在其上具有外接口和連通各外接口或閥件的流道，各流道依據(jù)所設(shè)計(jì)的原理實(shí)現(xiàn)正確的溝通。圖3-1-3液壓閥塊任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析

盡管這些液壓元件都可以通過(guò)傳統(tǒng)的減材加工制造工藝來(lái)制作，比如通過(guò)數(shù)控加工技術(shù)，將多余的材料去除，最后得到需要的形狀，所以為了節(jié)省加工費(fèi)用，很多多余的材料并沒(méi)有被去除，最終導(dǎo)致零件重量的增加。

減材加工技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面同樣具有局限性。傳統(tǒng)閥塊中的內(nèi)部流道必須精確定位以防止流道交叉，而且必須確保流道的壁厚以便具有足夠的強(qiáng)度承受高壓。加工流道所必須的工藝孔必須堵住，但這也增加了泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

減材加工的局限性不僅僅體現(xiàn)在干涉因素，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨形的橢圓形或自由形狀流體通道。交叉直孔鉆會(huì)（交叉），在閥塊內(nèi)部會(huì)形成急轉(zhuǎn)角，在90度直角拐彎處的壓降可能會(huì)過(guò)大。而3D打印允許平滑，彎曲的流道路徑，測(cè)試表明流動(dòng)效率提高了30％至70％，因此哪怕更小的部件，其功能可能會(huì)與更大的液壓閥塊相同，甚至更好。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析圖3-1-4液壓閥塊的優(yōu)化對(duì)比任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析2.什么是液壓歧管?

液壓歧管用于引導(dǎo)液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的液體流動(dòng)，可以說(shuō)是液壓閥塊的一種變體。它使得設(shè)計(jì)工程師可以將對(duì)液壓回路的控制集成在一個(gè)緊湊的單元內(nèi)。液壓歧管的傳統(tǒng)制造方法傳統(tǒng)上，要制造液壓歧管，首先要切割和加工鋁合金或不銹鋼坯料，使其達(dá)到規(guī)定的尺寸，之后進(jìn)行鉆孔以形成液體流動(dòng)通道。由于要完成復(fù)雜鉆孔，因此通常會(huì)用到特殊工具。通道內(nèi)還需要一些堵塞頭，以正確引導(dǎo)液體在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)路線。制造工藝固有的局限性會(huì)導(dǎo)致相鄰流動(dòng)通道之間形成突兀的拐角，造成液體流動(dòng)不暢甚至停滯，這是效率損失的一個(gè)重要原因。圖3-1-5液壓閥塊的優(yōu)化任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析3.新一代的輕量化液壓集成塊的優(yōu)勢(shì)。

液壓系統(tǒng)由于其復(fù)雜的管道設(shè)計(jì)在用傳統(tǒng)的金屬切削方法加工的時(shí)候受到傳統(tǒng)加工方式的局限性限制。3D打印高度的靈活性恰恰可以解決傳統(tǒng)方式的局限性，帶來(lái)更靈活的設(shè)計(jì)空間。選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)使得設(shè)計(jì)者通過(guò)3D打印的方式實(shí)現(xiàn)液壓性能顯著增加。

液壓閥集成塊是復(fù)雜的閥體組件，內(nèi)部通路交叉縱橫，進(jìn)出口排布復(fù)雜。加工傳統(tǒng)液壓閥集成塊，為了制造出內(nèi)部交叉歧管，需要通過(guò)機(jī)械加工鉆孔，然后把不需要的鉆孔再用螺堵堵塞。

但是這種方式，無(wú)疑埋下了泄漏的可能性。再加上鉆孔制造的內(nèi)部通路都是直進(jìn)直出，多為90度直角拐彎，計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)分析顯示，有些區(qū)域會(huì)面臨流量小的問(wèn)題，而有些部位則會(huì)面臨紊流現(xiàn)象，參見下圖（圖3-1-6）所示。圖3-1-6液流直角拐彎的紊流現(xiàn)象任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析

浙江大學(xué)金屬增材制造實(shí)驗(yàn)室的祝毅博士，主要研究金屬3D打印在液壓元件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。他帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，基于增材制造過(guò)程，對(duì)傳統(tǒng)液壓集成塊的流道結(jié)構(gòu)和接口布置形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并不斷測(cè)試優(yōu)化（實(shí)物參見圖3-1-7）。下面是該團(tuán)隊(duì)的一些研究成果，請(qǐng)對(duì)比圖3-1-8與圖3-1-9的仿真測(cè)試效果：圖3-1-7經(jīng)過(guò)優(yōu)化的液壓集成塊實(shí)物圖任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析圖3-1-9優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)特征后的液壓集成塊/彎曲流道的流體動(dòng)力分析圖3-1-8傳統(tǒng)方式制造的液壓集成塊

/直角流道的流體動(dòng)力分析任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析該案例體現(xiàn)出增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：（1）輕量化，更緊湊該液壓集成塊的重量從一開始的1.5KG減少到了0.98KG，減重35%；體積從535cm3縮小到了116cm3，減少78%。

（2）改善流動(dòng)性通過(guò)將直角交匯的流道優(yōu)化改為順暢的圓弧過(guò)渡，改善了流動(dòng)特性，減小了油液經(jīng)過(guò)流道的局部壓力損失。（3）提高性能與穩(wěn)定性與此同時(shí)，因?yàn)榻饘僭霾闹圃炜梢砸惑w成型液壓集成塊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不再需要額外的工藝鉆孔，降低了泄露的風(fēng)險(xiǎn)，提高了閥體性能和穩(wěn)定性。

上述這個(gè)案例與本項(xiàng)目有異曲同工之妙。本液壓適配器的閥塊經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，形成歧管結(jié)構(gòu)，其重量比傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品輕80％，同時(shí)還改善了功能。其內(nèi)部通道控制液壓系統(tǒng)中的油分配，能夠控制重型機(jī)械的機(jī)臂動(dòng)作。傳統(tǒng)的制造方式先從上方和下方鉆垂直孔洞，然后通過(guò)水平通道連接并在其中切入螺紋。為防止油從敞開的水平通道泄漏，還要用平頭螺釘將其塞住并密封。無(wú)論是在成本還是功能方面，這些適配器塊的機(jī)械加工效率極低。鉆孔和銑削的邊緣會(huì)產(chǎn)生銳利的毛刺，這些毛刺在后期處理中很難用工具觸及，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中折斷并誘發(fā)系統(tǒng)故障。另外，尖角連接點(diǎn)產(chǎn)生湍流，導(dǎo)致能量效率低下；而污物也會(huì)積聚在未使用的水平通道中，從而縮短液壓系統(tǒng)的使用壽命。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析（3）管螺紋標(biāo)準(zhǔn)GB7306標(biāo)記示例：4.液壓管螺紋（1）用螺紋密封的管螺紋不用加填料或密封質(zhì)就能防止?jié)B漏。管螺紋有圓柱內(nèi)螺紋和圓錐外螺紋、圓錐內(nèi)螺紋和圓錐外螺紋兩種連接形式。壓力在5×105Pa以下時(shí)，用前一種連接已足夠緊密，后一種連接通常只在高溫及高壓下采用。（2）用螺紋密封的管螺紋內(nèi)螺紋有圓錐、圓柱兩種形式。外螺紋只有圓錐一種形式。牙型如下：錐度1：16，牙形角55°，舊螺紋標(biāo)準(zhǔn)示例：ZG1/4；

圓錐內(nèi)螺紋Rc1/4

圓柱內(nèi)螺紋Rp1/4圓錐外螺紋R1/4任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析（4）常用管螺紋的基本尺寸如下表：表3-1-2管螺紋基本尺寸參數(shù)表尺寸代號(hào)每寸牙數(shù)大徑中徑小徑建議底孔基準(zhǔn)距離有效長(zhǎng)度1/8289.7289.1478.566φ8.44.06.51/41913.15712.30111.445φ11.26.09.73/81916.66215.80614.950φ14.76.410.11/21420.95519.79318.631φ18.38.213.23/41426.41125.27924.117φ23.69.514.511133.24931.77030.291φ29.710.416.8任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析5.316不銹鋼材料介紹

合金316是含鉬奧氏體不銹鋼。該等級(jí)中較高的鎳和鉬含量使其具有比304不銹鋼更好的整體耐腐蝕性能，尤其是在氯化物環(huán)境中的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕方面。此外，合金316/316L具有出色的高溫拉伸、蠕變和應(yīng)力斷裂強(qiáng)度，以及出色的成型性和可焊性。316L是316的低碳版本，它非常頻繁地用于大規(guī)格焊接部件。美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)是AISI316L；日本JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)是SUS316L；我國(guó)的統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為S31603,標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2(新標(biāo)），舊牌號(hào)為00Cr17Ni14Mo2?，F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)、航天渦輪、液壓元件、食品化工和消費(fèi)品行業(yè)（如手表，珠寶，眼鏡框及各種裝飾品）。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析由不銹鋼合金制得的金屬不銹鋼粉末，粒子形狀為規(guī)則的圓球狀，氧含量低，球形度高，有良好的耐高溫抗氧化、抗腐蝕性。316不銹鋼粉末物理特性如下表：ParticleSize粒度尺寸TappingDensity振實(shí)密度(g/cm3)Flowability流動(dòng)性(s/50g)ParticleSizeDistribution(μm）粒度分布D10D50D9015-45μm4.4-4.8≤3020-2430-3550-5515-53μm4.4-4.9≤2522-2634-3953-58表3-1-3316不銹鋼粉末物理特性參數(shù)表任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析【工藝方案制定】一、工藝路線分析

客戶提供的模型數(shù)據(jù)往往需要格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能也會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺損失真等情況，因此首先必須對(duì)轉(zhuǎn)換后的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查修復(fù)。同時(shí)這些模型數(shù)據(jù)，缺乏增材或減材工藝余量考量，比如增材時(shí)工件底部會(huì)產(chǎn)生實(shí)體支撐，減材時(shí)需要機(jī)加工余量，這些都需要在模型切片編程前進(jìn)行調(diào)整準(zhǔn)備。

當(dāng)模型數(shù)據(jù)修調(diào)完成后，即可傳入切片軟件進(jìn)行編程。然后將后置出來(lái)的程序?qū)朐O(shè)備執(zhí)行打印。完成后一體取下工件和打印基板，清粉后整體進(jìn)行去應(yīng)力退火。增材加工部分完成后，接下來(lái)就是后序處理。本項(xiàng)目的液壓歧管需要減材后處理加工的內(nèi)容包括基面及密封槽加工、頂面管螺紋的加工等三個(gè)內(nèi)容。

任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)條件，本著確保質(zhì)量、方便高效、安全節(jié)能的工藝編制原則，確定如下工藝路線可參見圖3-1-10所示。任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析二、制定工藝方案（見表3-1-5）班級(jí)：工藝過(guò)程卡片產(chǎn)品型號(hào)

零件圖號(hào)

產(chǎn)品名稱液壓適配器零件名稱液壓歧管加工數(shù)2材料牌號(hào)316不銹鋼材料形態(tài)粉末制件體積

預(yù)估用時(shí)

預(yù)估耗材（克）

工序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容車間工段設(shè)備工藝裝備工時(shí)準(zhǔn)終單件01模型分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

檢查模型尺寸，檢查模型數(shù)據(jù)是否有破損微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

分析圖紙，對(duì)需要減材加工部位進(jìn)行余量設(shè)置微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

表3-1-5工藝過(guò)程卡任務(wù)一項(xiàng)目獲取與分析02切片編程模型調(diào)入切片軟件微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

調(diào)整模型擺放微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

對(duì)模型進(jìn)行支撐設(shè)置微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

設(shè)置激光掃描策略和激光參數(shù)微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

執(zhí)行切片，后置程序微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

03實(shí)施打印穿戴好工裝，做好安全防護(hù)，牢記安全操作規(guī)程增材車間

金屬打印機(jī)工裝、面罩、吸塵器、毛刷

進(jìn)行金屬打印準(zhǔn)備，檢查設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)是否正常增材車間

惰性氣體機(jī)、激光冷卻機(jī)、抽氧風(fēng)機(jī)、金屬打印機(jī)打印基板、烘干機(jī)、粉筒、吸塵器、毛刷

制備惰性氣體，添加干燥金屬粉末增材車間

惰性氣體機(jī)、金屬打印機(jī)打印基板、烘干機(jī)、粉筒、吸塵器、毛刷