高速動車組軸箱激光增材制造的影響參數分析

楊凱強，薛 海，杜 文

(蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070)

軸箱作為高速動車組承載結構和懸掛系統的關鍵部件,一端通過圓柱螺旋壓縮彈簧承受車體和構架所傳遞的垂向載荷;另一端通過彈性節點與構架相連,傳遞橫向和縱向載荷,其服役性直接影響高速動車組的運行安全.在軸箱的鑄造過程中,不可避免產生氣孔、夾雜和縮孔等缺陷,易引起應力集中,并導致裂紋發生,從而降低軸箱服役壽命,增加運維成本.若采用傳統鑄造工藝,則加工流程繁雜且切削過程會導致材料的浪費,進而難以降低其制造成本,不易量產.

增材制造作為一種新型制造技術,綜合了模型數字化、材料熔融、數控系統等技術優勢,具有柔性高、無模具、周期短、受零件結構和材料限制少等一系列優點[1-3].目前,增材制造主要應用在軌道車輛的非關鍵承載件和制造模具,針對非關鍵承載件,增材制造已應用在機車高壓接地開關、傳動件、轉向架抗側滾扭桿安裝座、貨車鉤舌砂芯等零部件的制造中[4-6],而關鍵承載件應用較少,其技術積累和實際運用相對稀少.此外,隨著新型材料的研發和控制技術的發展,軌道車輛零部件的增材制造質量將得到進一步地提升,滿足技術和功能要求,擴大工程化應用領域.為此,從前瞻性技術分析出發,采用ANSYS Additive虛擬增材制造軟件,分析高速動車組軸箱增材制造中各工藝參數對制造性能的影響,為高速動車組軸箱后期增材制造的實現提供技術參考.

1 方案設計

1.1 工藝仿真流程

目前,工業級增材制造主要采用激光熔化成型工藝,在計算機程序的控制下,運用高能量密度激光束進行掃描,將預先鋪設好的金屬粉末層進行熔化,并與基體組織結合,逐層鋪粉,最終完成零部件的制造[7-8].為此,以工業激光粉末燒結金屬3D打印機為參照對象,開展高速動車組軸箱的激光熔化虛擬成型.

1.2 模型與支撐分析

根據某型高速動車組軸箱的結構特點,使用Solidworks軟件建立三維實體模型,如圖2所示.由于軸承安裝孔處為半圓空心結構,且為輕量化設計,降低簧下質量,多處應力較小部位采用空心化處理.為此,在增材制造的過程中,需要設置支撐結構,以滿足空心連接處結構的堆積成型工藝要求.支撐作為增材制造中的關鍵環節,除起到支撐懸垂實體外,在增材過程中起熱量傳導作用,并影響材料的利用率和結構的打印精度[9-10].為此,從材料損耗、打印質量、熱量傳導等多方面綜合考慮,將軸箱外側面平行放置于熱床,與圖1模型所示保持一致,可避免軸承孔處加設支撐,確保較高的精度且減少空心處支撐的數量,具體支撐布置如圖2所示.

圖1 軸箱模型Fig.1 Axle box model

圖2 支撐布置Fig.2 Shoring layout

1.3 打印參數分析

軸箱所用鑄鋼材料的熱膨脹系數為1.12×10-5K-1,彈性模量為169 GPa,泊松比為0.275.由于3D打印時若底板不加熱,易出現翹邊,從而影響打印質量,故通過加熱底板保持恒溫的方式,可有效地控制翹邊現象;層厚度過大雖然可提高打印效率,但是激光能量不足以完全穿透局部粉末,導致熔化不充分,孔隙增多,層層累積使得軸箱致密度下降;層厚度過低時,球化傾向和重熔增大,一定程度上會影響軸箱的致密度,并且降低了生產效率;激光直徑和激光功率影響材料的熔化質量;掃描速度影響軸箱的內部質量,掃描過快會使相互粘結的金屬粉末熔化不充分,導致粘結效果差、燒結層殘余孔隙過多,掃描過低時單位面積粉末吸收能量過多易造成熔體匯聚,影響燒結尺寸,并且會出現氧化、球化、飛濺、翹曲和變形等缺陷[11-12].結合分析,參照目前主流的工業激光粉末燒結金屬3D打印機的技術參數,確定虛擬增材制造軟件ANSYS Additive中設置的制造參數如表1所示.

表1 技術參數范圍Tab.1 Technical parameter range

2 基于試驗設計的參數分析

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是研究與處理多參數試驗的方法,利用規格化的正交表優化試驗條件、試驗計劃和試驗次數,找出較好的生產條件,設計最優或較優的試驗方案.

由于底板溫度、層厚度、激光直徑、激光功率、掃描速度5個參數的設置,會影響軸箱的打印質量,并且各個參數影響程度不同,只有合理的匹配才能獲得高質量的軸箱.增材制造成型的過程中，若高溫熱量不能及時耗散,局部高溫使材料發生相變,易導致軸箱出現殘余應力和殘余變形,從而降低軸箱的力學性能和制造精度.為此,選取軸箱的殘余應力和殘余變形為評價指標,通過正交試驗分析不同工藝參數組合對軸箱性能的影響.

根據表1所示的打印參數,選取底板溫度、層厚度、激光直徑、激光功率和掃描速度共5個參數,每個參數取5個水平,建立如表2所示的參數水平表.

表2 參數水平Tab.2 Parameter level table

考慮各參數間的交互作用,選用L25(56)正交表進行不同參數組合下的軸箱殘余應力和殘余變形分析,所得結果如表3所示,從中可以得到:不同參數的組合對軸箱殘余應力和殘余變形結果的影響差異性較大.

表3 軸箱殘余應力的試驗設計結果Tab.3 Table of test design results of axle box residual stress

圖3為第1個組合方案中軸箱和支撐的殘余應力云圖,圖4為與之對應的殘余變形云圖,通過正交表不同參數組合結果分析,從而得出:軸箱的殘余應力主要出現在與支撐結構存在接觸面的區域,在彈性定位套安裝孔外邊緣處的殘余應力最大,軸承安裝座孔處的殘余應力次之,殘余變形的出現部位與殘余應力的一致,主要是由于軸箱材料在高溫熔積過程中,其熱量的釋放受到支撐的影響,且變形受到支撐邊界的限制,說明在打印的過程中,盡量要減少支撐.

圖3 殘余應力云圖Fig.3 Residual stress nephogram

圖4 殘余變形云圖Fig.4 Residual deformed nephogram

2.2 單參數影響規律分析

將底板溫度、層厚度、激光直徑、激光功率和掃描速度的不同組合記為i,不同組合i對應的殘余應力和殘余變形結果記為ki,水平數記為n,則第j個因素的同一水平對應的試驗指標之和為Kj[13]：

(1)

計算不同參數的試驗指標之和的平均值,即通過各水平試驗結果平均值大小判斷各參數的影響規律.不同參數的試驗指標之和的平均值為Tj,將式(1)結果帶入式(2),結果如圖5所示.

(2)

圖5 各參數與殘余應力/殘余變形關系Fig.5 Residual stress and residual deformation diagram under each parameter

根據試驗設計分析結果,分析各參數對殘余應力和殘余變形的影響規律,結論如下:

1) 底板溫度過低或過高都會增加軸箱殘余應力和殘余變形,其溫度為120 ℃時,軸箱殘余應力和殘余變形最小;以120 ℃對應的殘余應力和殘余應變結果為基準,80 ℃對應的結果較120 ℃增加33.8%和31.3%;160 ℃對應的結果較120 ℃增加34.4%和2.0%.

2) 隨著層厚度的增加,殘余應力隨之減少;當層厚度為60～80 μm時,殘余應力和殘余變形的變化趨勢較20～60 μm時緩和;以60 μm對應的殘余應力和殘余變形結果為基準,20 μm對應的結果較60 μm增加22.3%和29.8%;100 μm對應的結果較60 μm增加5%和3.2%.

3) 隨著激光直徑的增加,殘余應力和殘余變形增加,當激光直徑為90 μm時,殘余應力和殘余變形達到最大值;若以90 μm對應的殘余應力和殘余應變結果為基準,80 μm對應的結果較90 μm減小14.3%和15.6%;120 μm對應的結果較90 μm減小24.1%和26.1%.

4) 隨著激光功率的增加,殘余應力和殘余變形也隨之增加,且變化率逐漸減緩;激光功率100 W較500 W殘余應力和殘余應變減少了86.5%和86.8%.

5) 隨著掃描速度的增加,殘余應力隨之減少,當掃描速度取8 m/s時,軸箱殘余應力和殘余變形最小;以8 m/s對應的殘余應力和殘余應變結果為基準,2 m/s對應的結果較8 m/s增加150%和153%;10 m/s對應的結果較8 m/s增加6.3%和7.8%.

2.3 參數貢獻度分析

運用主成分分析方法,通過降維處理,將5個影響參數在信息損失量最小的情況下轉化為綜合指標變量,從而降低分析問題的復雜性,且獲取真實有效的信息.

(3)

建立所有水平指標的特征矩陣,依據式(3)得到相關系數矩陣Q:

(4)

計算Q的特征根λ1,λ2,…,λp,以及特征向量a1,a2,…,ap,依據式(4)得到累積貢獻率為:

(5)

式中:m為主成分數,m>p.

由各參數的初始特征值方差百分比可得到對應的貢獻度和累積貢獻度,結果如表4所示,可得到:激光功率對結果的影響程度最大,其貢獻率為31.8%,底板溫度、層厚度、激光直徑和掃描速度對結果的影響基本一致,約為16～17%.

表4 參數貢獻度Tab.4 Parameter contribution analysis table

2.4 最優參數組合

不同的參數組合,對軸箱殘余應力和殘余變形的影響差異較大,為此,采用極差分析法,通過計算各因素的最優水平程度,確定最優水平組合.

將底板溫度、層厚度、激光直徑、激光功率和掃描速度的不同組合記為i,不同組合i對應的殘余應力和殘余變形結果記為ki,則第j個因素的同一水平對應的試驗指標之和Kj為[14]:

(6)

式中:n為水平數,n=5.

不同參數的試驗指標之和Kj可通過大小可以判斷各參數的最優水平程度.由于試驗指標為殘余應力和殘余變形,該值越小越好,為此,提取各參數對應Kj最小的結果值為最優水平,分析結果如表5～6所示,從而得到最優水平組合為:底板溫度120 ℃,層厚度80 um,激光束直徑90 um,激光功率100 W,掃描速度8 m/s.

表5 殘余應力極差分析表Tab.5 Residual stress range analysis

表6 殘余變形極差分析Tab.6 Residual deformation range Analysis

3 基于響應面法的定量分析

根據各參數對軸箱殘余應力和殘余變形的貢獻度大小,選取貢獻度最大的兩個參數進行組合,即定量分析激光功率和掃描速度對殘余應力和殘余變形的影響.由于響應面法構造簡單、計算效率高,而且能夠采用較少的樣本點,便可高效擬合出顯性表達式,為此,采用基于LM迭代算法的響應面擬合法,進行激光功率-掃描速度-殘余應力/殘余變形關系的擬合分析[15].

響應面法是通過數學模型的計算方法逼近輸入變量與輸出變量,響應面模型的輸入變量與輸出響應之間的關系式可用式(7)表示[16]:

y=f(x1,x2,…,xn)+ε,

(7)

式中:y為響應值;f(x1,x2,…,xn)為響應函數;ε為隨機誤差.

響應面模型的精度取決于響應面函數的優劣程度,f(x1,x2,…,xn)可取不同形式的多項式.通過對不同階多項式下擬合結果對比,二階多項式的擬合效果較好,且表達式相對簡單,故采用其式(8)所示的二階多項式進行曲面擬合:

(8)

式中:a0為待定系數,當i≠j時aij表示變量xi和xj兩者直接的耦合關系;當i=j時aij表示變量xi和xj兩者的二次效應.

為了檢驗近似模型的精度,采用擬合系數R2進行模型評價,R2越接近于1,說明擬合精度越高,其計算表達式如式(9):

(9)

通過響應面擬合,獲得激光功率、掃描速度分別對殘余應力與殘余變形之間的關系,擬合二階多項式系數如表7所示,擬合精度為0.903和0.901,接近1,說明擬合效果較好.圖6為激光功率-掃描速度-殘余應力/殘余變形的關系圖,從中可以得到:激光功率直接影響材料的熔化質量,且激光功率越高且掃描速度越低,軸箱的殘余應力和殘余變形越大,反之則殘余應力和殘余變形越小.

表7 擬合表達式系數表Tab.7 Fitting expression coefficient

圖6 響應面擬合Fig.6 Response surface fitting

4 結論

1) 通過試驗設計分析,激光功率對軸箱殘余應力和殘余變形的影響最大,而掃描速度,激光直徑,底板溫度和層厚度4個參數的影響基本一致.

2) 通過影響參數分析,底板溫度過低或過高都會增加軸箱殘余應力和殘余變形;隨著層厚度的增加,殘余應力隨之減少;隨著激光直徑的增加,殘余應力和殘余變形增加;激光功率的增加,殘余應力和殘余變形也隨之增加,且變化率逐漸減緩;隨著掃描速度的增加,殘余應力隨之減少.

3) 通過響應面擬合分析,定量分析了軸箱殘余應力/變形與激光功率、掃描速度參數間的關系,從而為軸箱殘余應力和殘余變形的控制,提供了行之有效的參數選配依據,并且可減少試驗次數和節約時間.