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)替代傳統液壓閥塊，實(shí)現液壓閥的各項功能。文章主要以液壓閥集成塊為研究對象，探討3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結構創(chuàng )新方面的研究設計。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；液壓閥集成塊；創(chuàng )新設計；液壓閥
3D打印技術(shù)在機械制造行業(yè)的應用已經(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)。特別是在機械設計和制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應用更為廣泛、更為深刻。本文主要以液壓閥集成塊為研究對象，來(lái)談一下3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結構創(chuàng )新方面的研究設計。
1 3D打印技術(shù)的概念及應用
作為一種新技術(shù)，3D打印技術(shù)的出現，在某種程度上為生產(chǎn)制造企業(yè)節省了很多成本，特別是模塊設計與制造企業(yè)。
3D打印是一套系統，由3D打印設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）是由美國發(fā)展起來(lái)的。目前，此項技術(shù)在全球的應用最廣泛，技術(shù)也最成熟。關(guān)于此項的技術(shù)的研究學(xué)者也最多。（2）熔融沉積成型工藝（Fused Deposition Modeling，FDM），此項技術(shù)主要是面向家庭用戶(hù)和辦公用戶(hù)。該技術(shù)的創(chuàng )新自由設計功能比較強大，能夠打印出各種真實(shí)的三維實(shí)體模型，而且使用此項技術(shù)的3D打印設備價(jià)格比較低，所以適合家庭用戶(hù)和辦公用戶(hù)。（3）激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS），也被稱(chēng)為粉末激光燒結技術(shù)，使用此項技術(shù)的打印設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(chēng)為三維噴涂黏結成型技術(shù)，目前只有這一種技術(shù)可以實(shí)現全彩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、立體平版印刷、數字光處理、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)主要應用在機械制造領(lǐng)域、航天科技領(lǐng)域、醫療設施領(lǐng)域、建筑設計領(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)設計、機械零件生產(chǎn)、醫療設備生產(chǎn)、建筑模型的設計、食品模型制造和古董的重現生產(chǎn)等幾十個(gè)專(zhuān)業(yè)，已經(jīng)成為目前跨專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域最強的打印技術(shù)。
2 3D打印技術(shù)在液壓閥集成塊結構創(chuàng )新設計中的應用
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)替代傳統液壓閥塊實(shí)現液壓閥的各項功能。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部的孔道，其中集成塊內部的孔道最為復雜，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)液壓機閥集成模塊難度最大的就是這些孔道的設計和生產(chǎn)了，其他的要求就是要保證液壓系統結構的緊湊性合適，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，保證油孔道不能出現漏油。至于外觀(guān)方面，只要整齊好看，容易實(shí)現對其的保養就可以了[2]。
2.2 使用傳統加工制造方法生產(chǎn)液壓閥集成塊面臨的問(wèn)題
從液壓閥集成塊的結構，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，材料的內部密度是否均勻對于成品來(lái)講也是非常重要的。（2）機床加工，這一步主要是對原材料進(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(xiàn)等技術(shù)，另外，為了防止出現滲漏情況，要適當控制好材料塊的表面粗糙程度。（3）去毛刺的細加工，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孔道的加工過(guò)程，孔道的加工要用到鉆、擴、鏜及鉸等復雜而精細的工藝。另外，這些孔道又交叉分布，錯綜復雜，導致了加工的難度進(jìn)一步加大。除此以外，這些孔道在加工的時(shí)候，難免會(huì )出現粗細不均的問(wèn)題以及內壁光滑的問(wèn)題，從而導致油路流量和壓力達不到要求。
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)的強大之處正是那些傳統制造行業(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)，可以很好地預先設計好液壓閥集成塊內部孔道的路徑，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打印設備
根據液壓閥集成塊對材料的要求，需要使用激光選區熔化等金屬3D打印技術(shù)和金屬粉末材料成型的3D打印技術(shù)。由于打印設備及打印材料的受限，本實(shí)驗選用FDM型號的3D打印機和PLA材料。這樣只能實(shí)現模型的打印，僅能驗證此種液壓閥集成塊的可加工性。
2.4.2 液壓閥集成塊的結構模型設計
基于3D打印的特性，需要使用計算機輔助設計軟件來(lái)實(shí)現液壓閥集成塊結構的模型設計。液壓閥集成塊結構模型創(chuàng )新設計如圖1所示。
2.4.3 液壓閥集成塊結構模型的數據轉換及檢測
為了能夠將液壓閥集成塊結構模型進(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構的各個(gè)面，stl格式的液壓閥集成塊的3D模型如圖2所示。
轉換過(guò)模型之后，再將模型文件導入相應的軟件進(jìn)行完整性檢測，如果檢測沒(méi)有問(wèn)題，則可以進(jìn)入下一步。
2.4.4 導入模型切片并設置成型方向
在檢測過(guò)模型文件沒(méi)有問(wèn)題之后，我們就可以將模型切片導入3D打印軟件進(jìn)入打印準備了。導入相應軟件之后，我們可以看到左側為參數設置選項，可以設置打印的質(zhì)量、速度、熱床溫度等。右側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)現對模型的移動(dòng)和縮放以及旋轉等基本操作。
另外，成型方向設置也是非常重要的，成型方向的設置關(guān)系到打印材料能夠達到最省、打印時(shí)間能否達到最短，所以成型方向的設置也非常有講究。對于液壓閥集成塊的產(chǎn)品特點(diǎn)，整體上不需要設置必要的支撐，但是對孔道的懸面則需要施加相應的支撐，這樣才能保證整個(gè)過(guò)程中能夠平衡打印，最后再對支撐材料進(jìn)行徹底清除[5]。
在進(jìn)行完相應的設置后，將文件進(jìn)行保存并轉化成相關(guān)代碼，然后存入3D打印機的SD卡，完成切片，準備開(kāi)始打印。
2.4.5 液壓閥集成塊模型的打印
將事先準備好的SD卡插入3D打印機，然后進(jìn)行打印前的調試、預熱熱床和噴頭，準備工作就緒后，系統會(huì )自動(dòng)添加設置好的支撐，最后按照原先設定好的模型開(kāi)始液壓閥集成塊打印。打印出來(lái)的效果如圖3所示。
3 結語(yǔ)
通過(guò)以上的內容，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，驗證了3D打印技術(shù)的實(shí)用性。特別是在機械制造行業(yè)，非常適合模型的制造。對于某些產(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)現的。
[參考文獻]
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[2]萬(wàn)海鑫，馬思遠.基于3D打印技術(shù)的機械零件創(chuàng )新自由設計初探[J].電子制作，2018（Z2）：119-120，110.
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