基于3D打印技術新型螺桿轉子結構設計及分析*

張永濤，黃崇莉，晁 瑞，王智博，支明宇，萬旭東

(陜西理工大學 機械工程學院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

3D打印技術是一種快速成型技術，它是以三維軟件設計模型為本體，通過相應軟件對模型進行切片離散化處理，然后由數控成型系統利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末金屬、塑料或液體等材料通過層層堆積粘結的方式，最終疊加成型，制造出實體產品的技術[1]。由于其在實體成型方面的前瞻性，被認為是“第三次工業革命的重要生產工具”[2]。多年來的發展，3D打印技術已經融入到了各行各業，對傳統制造業有著巨大的影響[3]，與傳統制造技術最大的差別是，3D打印技術可以將3D工業設計模型直接變為產品，非常符合樣品研發、式樣制造，其中的精準度和效率非常高[4]，與之相比，傳統制造技術被稱作減材制造技術，通過車、銑、刨、磨等加工技術把材料從毛坯上進行去除，從而制造出零件[5]。

螺桿壓縮機因具有排氣量穩定、運行平穩、動力脈沖小、結構緊湊、效率高、易于操作維護等優點，已被廣泛應用于食品、機械、醫療、化工、礦山、冶金、等各種工業領域[6]。螺桿壓縮機的應用范圍之廣，其核心部件是一對相互嚙合的陰陽轉子，而轉子的加工精度決定了螺桿壓縮機的工作穩定性以及工作效率等特性[7]。目前，螺桿壓縮機的諸多先進技術都被國外壓縮機公司所掌握，并擁有知識產權保護[8]。由于國內壓縮機技術發展比較晚，導致螺桿轉子的型線設計方法還在雛形階段，加工方法相對比較落后。雖然螺桿轉子復雜曲面加工方法從銑削發展到滾削、磨削，但是受到如：刀具磨損、切削時熱量過高、砂輪磨損等因素的影響，這幾種方法或多或少存在一定的瓶頸，無法滿足螺桿轉子的精密加工[9]。隨著計算機行業的發展，數字化建模的不斷提高，逐漸縮短了與各行業之間的距離，現階段各類三維建模軟件如UG、Pro-E、SoildWorks、Auto-CAD等能夠實現對螺桿壓縮機核心部件螺桿轉子模型的三維可視化建模，3D打印技術的發展為螺桿轉子實體建模提供了新的思路，在三維建模軟件的基礎上，運用3D打印技術研究螺桿轉子成型，實現模型的實體輸出[10]。

王躍等[11]提出了3D技術在缸體鑄件生產中的應用；劉丹等[12]研究了3D打印在汽車行業上的應用；姚榮等[13]對煤炭行業設備維修采用3D打印技術進行了研究；邵珠強等[14]對金屬3D打印技術的優勢結合問題進行了研究；劉李明等[15]提出了3D打印技術在游船造型設計中的應用；趙高升等[16]對金屬零件3D打印技術的進展進行了研究與論述；利用3D打印技術的成型優勢，為探索3D打印技術在螺桿轉子成型過程的有效性，提出一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉子結構，并完成實物模型的制作。

3D打印技術通過材料堆積方式及快速成型的技術優點，筆者通過對螺桿轉子傳統加工方法進行分析，與3D打印技術的優勢相比較，得出復雜結構產品加工制造方案。進一步通過三維實體建模、3D打印、結構特性分析，為國內壓縮機螺桿轉子的研發設計提供了新的思路。

1 螺桿轉子傳統加工方法

1.1 銑削加工法

用盤型銑刀加工轉子時，刀具軸線與轉子軸線空間交錯，兩者有一夾角。盤型銑刀繞其自身軸旋轉，轉子則作螺旋運動。一般在臥式銑床上加工，也可以在普通萬能銑床上加工。由于轉子的螺旋角較大，模數大，齒數少，切線相當長，故切削力大。在這種大螺旋角的工位下，使機身自身的剛度及穩定性大大下降，僅適用于小批量生產。

1.2 滾削加工法

滾削加工法在切削速度，加工精度方面都較銑削加工發優越，這是因為轉子齒面滾刀進行加工時，其分齒實在切削齒面的同時連續進行的，因而齒距誤差小，生產率高。但由于滾刀制造復雜，使得螺旋角大，直徑大的成型滾刀價格昂貴，因此僅適用于大批量生產的小型轉子。

1.3 磨削加工法

轉子專用數控磨床自備砂輪修正器，可快速加工出新型線的轉子，大大加快新產品的開發速度。同時，采用磨削加工法還能地熱處理后的硬齒面進行加工，從而提高成品轉子的精度和降低表面粗糙度。

2 3D打印技術工作原理及優勢

2.1 工作原理

3D打印技術是通過計算機設計數據，采用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料逐層累加的方法制造實體零件的技術[13]，相對于傳統的材料切削加工技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。3D打印技術實現了與設計模型相匹配的制造方法，又因為此類技術不需要相關模板、原坯，僅使用可粘合材料經由相關的圖形數據便能實現對產品的生產制造，故其往往比傳統加工技術擁有更高的效率[17]。

2.2 3D打印技術優勢

2.2.1 加工周期縮短

3D打印技術能夠將計算機三維設計圖紙直接轉換為實物模型，并且工作效率和質量較高，因此能夠縮短零件生產周期。如果是簡單零件，通過3D打印技術幾小時之內便可以完成制作。

2.2.2 生產成本降低

目前，應用3D打印技術制造金屬零件需要的成本依然較高，但是應用3D打印技術制造塑料零件需要的成本較低，總體而言，3D打印技術的應用還是能夠降低零件生產成本。在應用傳統零件制造技術的基礎上，零件生產應用的材料較為昂貴，這就意味著一旦在制造過程中出現了微小的問題，都可能會造成材料的報廢，進而增加制造成本；但是3D打印技術在零件制造中的應用，則能夠提高設計人員設計操作的靈活程度，設計人員可以就材料應用進行多次更改，降低因設計方式更改而導致的制造成本。

2.2.3 推動產品設計發展

因為3D打印技術的應用能夠直接將計算機中的設計圖紙打印為實物模型，因此可以減少零件制造中機床、刀具等設備的應用。同時，能夠應用到模具制造中的材料類型也在逐漸增多。這些均有利于推動我國機械零件產品設計工作的發展，同時還能推進3D打印技術的發展。

2.2.4 力學性能優勢

3D打印技術可以實現零件整體加工，現代結構設計理念中的點陣結構、拓撲優化技術可以通過3D打印的自由成型能力得到充分的發揮，可獲得細密均勻的集體組織，并使金屬零部件呈現良好的力學性能，整個制造過程與傳統制造相比較為簡短，可以極大提高金屬零件的輕量化水平。

2.2.5 創新化

傳統的加工制造業在產品創新方面有著比較大的限制，我們現在使用的絕大部分產品基本上都是在能夠制造以及設計的理念下進行生產的[18]。也就是說，一個產品的設計、制造到生產都必須考慮這個產品的加工制造性[19]。而3D打印技術不僅僅能夠使得產品創意變為可能，同時使各類復雜結構產品加工制造不受限制。

3 螺桿轉子三維實體模型建立

3.1 陽轉子截面型線選取

文中主要研究新型螺桿轉子的增材制造成型，所以在轉子型線設計上不作祥述，但所選取的轉子型線的依然遵守設計原則，以現有的單邊不對稱擺線——銷齒圓弧型線為研究對象建立螺桿壓縮機陽轉子模型。所選螺桿壓縮機陽轉子截面型線，如圖1所示。

3.2 螺桿轉子三維數字建模

3.2.1 實體結構螺桿轉子建模

在轉子建模過程中主要采用的是UG三維建模軟件。由于在型線設計過程中，是通過MATLAB計算得到一系列離散的點，將此數據導入UG中進行數據擬合會得到一個完整的齒形，然后通過圓周陣列，得到陽轉子的截面型線，如圖1所示。通過螺旋掃掠拉伸得到陽轉子三維實體結構模型，如圖2所示。

圖1 陽轉子型線 圖2 實體結構螺桿轉子3維模型

3.2.2 新型蜂窩狀空腔螺桿轉子建模

3D打印技術是一種增材制造技術，它是將數據通過掃描噴涂熱熔材料，經過3D打印機層層堆積疊加的方式逐層制造出產品。從3D打印成形技術的特點出發，在實體結構螺桿轉子的基礎上，對其內部進行了蜂窩狀空腔化處理，蜂窩結構各參數見表1所列，蜂窩結構單元如圖3所示。蜂窩結構具有質量輕、密度小、強度高、剛性好等特點，且滿足對螺桿轉子的輕量化設計。根據以上特點，建立新型蜂窩狀空腔螺桿轉子3維模型，如圖4所示。

表1 蜂窩結構參數

圖3 蜂窩結構單元

圖4 新型蜂窩狀空腔螺桿轉子3維模型

4 螺桿轉子3D打印

由于螺桿轉子為復雜曲面類零件，因其成型復雜、零件精細，有較高的精度，采用FDM熔融堆積的3D打印技術，以保證主體結構的強度韌性，減少變形。此次打印選用的是Z++ 3D PRINTER ,如圖5所示，它具有操作簡單，使用便利，穩定性好，并且機身采用容易更換的MakerBot Replicator智能噴頭，打印精度可以控制在100 μm。

圖5 Z++ 3D PRINTER

文中主要研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉子的成型，所以根據3D打印技術的成型特點選擇聚乳酸(PLA)作為原材料進行試驗。將新型蜂窩狀空腔螺桿轉子三維模型生成STL格式文件通過ideaMaker軟件對零件進行切片處理，層高0.1 mm，壁厚2 mm，填充密度25%，打印溫度215 ℃，填充速度50 mm/s，走線寬度1.75 mm。首先，將標準塞尺放入打印噴頭和打印平臺之間，調節打印平臺下方調平按鈕，使打印噴頭輕微壓緊塞尺，水平移動塞尺確認無誤后調平完成；然后進入設置菜單選擇原點歸零并在主菜單中選擇機器控制界面點擊進料、退料，最后在主菜單中選擇需打印文件，Z++ 3Dprinter 在打印之前會進行預熱，預熱溫度達215 ℃左右開始打印，最終獲得新型蜂窩狀空腔螺桿轉子的實體模型，如圖6所示。

圖6 新型蜂窩狀空腔螺桿轉子3D打印實體

從圖6中可以看出，新型蜂窩狀空腔螺桿轉子整體結構與實體結構螺桿轉子并無差別，但內部結構采用了蜂窩狀結構，同比相同結構實體螺桿轉子體積質量減少18.34%，實現了對螺桿轉子的輕量化設計同時也是螺桿轉子加工成型方法及螺桿轉子結構設計的一種全新嘗試。

5 結構特性分析

通過對新型蜂窩狀空腔螺桿轉子進行3D打印成型實驗驗證后，利用ANSYS Workbench根據轉子實際工作情況進行力學特性分析，研究新型蜂窩狀空腔螺桿轉子是否滿足壓縮機的工作需求。某公司螺桿壓縮機所采用的電動機型號為TYPE LY-250M3-2，額定轉速為2 960 r/min，額定功率為132 kW。在對應設計功率下，改變不同工作轉速得到不同扭矩對新型蜂窩狀空腔螺桿轉子的變形影響。隨著轉速的不斷增大，陽轉子所受扭矩不斷減小，轉子的最大變形量也隨之減小；隨著轉速不斷增大，扭矩不斷減小，轉子最大等效應力也隨之減小，滿足壓縮機的工作需求；分析得出1 500～3 000 r/min下的轉子變形量，其變形云圖如圖7所示。

圖7 轉子變形云圖

6 結 論

(1) 結合3D打印技術通過材料堆積方式及快速成型的技術優點，研究了3D打印技術在螺桿轉子成型過程中的應用，面向螺桿轉子大批量、造型復雜的特征，3D打印技術在螺桿轉子成型制作過程中具有明顯的優勢，能極大地縮減實物模型的制作時間及整個設計流程周期。

(2) 3D打印的全過程是數字化制造過程，數字模型的創建、優化與轉化是3D打印的核心基礎，設計師需要培養面向3D打印技術原理的數字化設計思維。

(3) 針對輕量化問題，設計了一種新型蜂窩狀空腔螺桿轉子，通過三維數字建模及實體模型打印，且中空的結構減去了大部分的重量達到了輕量化設計的目的。此類研究方法為國內壓縮機螺桿轉子的研發設計提供了新的思路，是螺桿轉子結構優化設計的一種新方法。