基于3D打印技术的机械零件设计研究

基于3D打印技术的机械零件设计研究

董金龙

湖南兵器轻武器研究所有限责任公司湖南省益阳413046

摘要：近年来，科技水平的飞速发展，新科技层出不穷，3D打印技术最为代表性的高科技，正在悄无声息中改变着人类的生活。它不同于传统的制造技术，这是一种全新的增材制造技术，它的优势在于高效一体化成型、可制造复杂结构等方面。目前在考古、医疗、建筑、艺术、工业、服装、军事等领域中，3D打印发挥着不可替代的作用，并在智能高端装备制造中的地位愈加彰显。

关键词：3D打印技术；机械零件；增材设计；曲轴

3D打印技术，是一种集高效一体化加工成型和轻松制造复杂结构两种优势为一体的新兴科技。它在众多领域中均可适用，而且技术发展成熟。3D打印在工业生产中具有得天独厚的优势，它能够实现零件加工的轻量化、免装配、提高加工复杂度和机械零件性能的目标。文章基于3D打印在机械设计制造行业的应用展开讨论，主要分析基于3D打印技术下的轴套类零件、盘盖类零件、箱体类零件、叉架类零件的设计，并结合曲轴这一典型机械零部件为例进行分析。

13D打印技术的概念和原理

3D打印技术是增材制造概念的延伸。其加工步骤可分为：第一步，利用计算机辅助设计，构画三维模型，在模型的基础上利用切片软件，进行切片处理，获得各个层面的二维模型数据。第二步，根据二维模型数据，使用相应的设备把热熔材料进行喷涂，喷涂后得到零件各个截面的轮廓。第三步，通过把之前喷涂的二维模型进行叠加，最终构建成所设计的零件。3D打印有良好的发展，基础在于自由设计的发展。自由设计是在知道预期功能的情况下，进行逆向建模，将功能的实现转化为零件的设计。而且自由设计下的3D打印技术是不需要对加工流程，加工设备和工艺进行过多考虑的。只要可以利用计算机建出模型，就可以利用3D技术把零件加工出来。3D打印的自由设计的特点如下：

1.1自由设计制造

自由设计在3D打印的技术驱使下，能够把所需功能转换为零件加工实现，并且加工过程中不需要对刀具，夹具及其制造工艺进行过多考量，实现了“设计便可得”。

1.2缩短成型周期

3D打印是区别于传统的减材或等材制造工艺，它是一种增材一次性成型的制造工艺。因此三维模型设计完成后不需要进行二维图的绘制和加工条件的标注，减少了设计周期；同时它的加工制造过程也比传统加工简单，成型过程迅速，因此整个过程可以节约大量时间。

1.3制造复杂结构

面对复杂结构时，传统制造工艺往往手足无措，而由于3D打印是把各个二维层面进行叠加后得到三维零件，所以，复杂的结构只要模型构建好，切好二维模型切片，越复杂，越是可以体现出它的优势所在。

1.4复杂材料特性

传统制造方法在两种材料需要加工时，它只能是一次一样的进行加工，然后通过装配或者螺栓连接起来。而3D打印可以在打印过程中更换材料，来实现加工零件材料的多样性。

1.5简化装配流程

3D打印在整体成型方面区别于传统制造，传统制造是利用焊接或者螺栓连接完成零件的成型组装工作。而3D打印可以一体化成型，无需焊接或者栓接装配。

23D打印技术下机械零件设计

在传统的机械零件设计中，要对零件加工和装配等问题考虑的面面俱到。3D打印技术有别于传统设计制造，它可以实现由多个零件组成的机械部件的一次性加工成型。现根据机械零件形状及功用，将机械零件分为：①轴套类；②叉架类；③箱体类；④盘盖类。而再利用3D打印技术对上述四类零件进行设计和加工时，设计和加工的流程基本所差无几，大致概括为：第一步，设计时首先要考虑到零件的成型方向，在这个方向上做好支撑防护；第二步，把三维模型的相关数据导入，等待零件加工成型；第三步，对成型的零件进行全方位的清洗工作，去除表面残留的毛刺；第四步，对完成的零件进行校验。需要注意的是，轴套类零件加工完成后，为了达到密封，防腐和润滑的目的，对零件进行涂润滑油的工作。

2.1轴套类零件的设计

丝杠、套筒和轴作为最具代表性的轴套类零件，它们具有共同特点：结构上是同轴旋转体，尺寸上是径向远大于轴向。如果利用传统制造工艺完成轴套类零件的加工，那么使用的加工方法是切削加工，这样的加工方法造成材料的浪费，而且容易造成材料的物理性损伤。3D打印无需进行对材料切削，不会损伤材料物理性能，加工出来的零件会更加的耐用。

自由设计时，仅需对必要功能进行考虑，简化设计因传统加工工艺而存在的结构。比如，代表性的零件——轴的自由设计，传递扭矩和支撑作为其必要功能

设计时根据轴的扭矩和受力情况而确定出轴的直径，并可将轴和支撑零件设计成整体，而轴肩和键槽等装配结构，在设计时可以适当简化，这样大大减少零件的设计和加工成型周期。

2.2叉架类零件的设计

摇臂、连杆、杠杆以及支架作为叉架类零件最具代表性的零件，具有的特点是：结构不对称，形状多样化。它们的主要作用是连接、支撑和枣粽传动。在使用传统方法加工时，由于形状多样化，加工工序十分繁琐，而且连续性不强。在设计强度要求不高的叉架上打高精度的孔时，由于会出现形变或者使材料应力集中的现象。因此在加工过程中时常需要进行加装夹具，造成了加工工序极其繁琐。3D打印技术可以一次性成型，无需考虑夹具的安装，把工序去繁就简，提高了加工效率。

利用3D技术对叉架类零件进行设计时，首先计算零件的刚度和强度需求，结合数据建立三维模型。简化如装夹平面和拔模斜度等不需要的功能；这样可以进一步缩短加工时间，提高效率。

2.3箱体类零件的设计

泵体、缸体或者阀体作为箱体类中最具代表性的零件，其具有的特点是：内部结构和外部形状复杂。在复杂结构的设计加工中，更能凸显3D打印技术的优越性。传统的加工工艺需要装夹，由于装夹的精度控制比较困难，所以零件加工的失败率较高。在使用3D打印技术对箱体类零件进行加工时，不需要装夹，成型路线极其简单。在保证尺寸精度的同时，控制加工成本，提升加工成功率。

利用3D打印技术完成箱体类零件设计加工时,可以将焊接结构以及某些法兰连接结构进行一体化设计,实现结构的简化。

2.4盘盖类零件的设计

利用传统工艺对盘类零件进行加工设计时,由于零件的径向尺寸比轴向大很多,所以进行加工时由于需要车削或锻造工艺完成零件加工,需要设置凹坑、螺孔或凸台等辅助性结构。

在利用3D打印设计时，主要对其功能进行分析研究，盘类零件的功能主要是：轴向定位、密封、支撑和防尘。根据功能设计三维模型，简化不需要的部分，如轴承端盖设计中减掉拔模斜度。

3基于3D打印技术下曲轴创新自由设计

利用3D打印完成曲轴的加工设计，首先需要考虑曲轴的必要功能：传递扭矩和力臂。然后简化一些传统工艺中存在的不必要结构：退刀槽、止推面等。实现轻量化和节约材料。利用3D打印加工曲轴，可以实现节约时间，大大降低加工的难度。

图3.1曲轴模型设计

4结论

作为新时代的创新加工技术——3D打印技术，可以在零件加工中提高成品率，降低材料的浪费，简化并提升零件的功能。在未来的前景十分广阔。通过对3D打印技术的整体分析，设计零件时，需要对零件的功能进行分析，区分清楚哪些是不必要的，简化不必要结构，提升零件的简约化程度。有效的达到零件轻量化，材料节约化，机械零件加工经济性的目标，促进机械制造领域的发展。

参考文献

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