基于螺桿轉(zhuǎn)子的激光選區(qū)熔化數(shù)值模擬分析

萬旭東，李志峰,2，支明宇

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723000)

0 引 言

螺桿式壓縮機(jī)具有可靠性高、操作維護(hù)方便與動(dòng)力平衡性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、建筑、電子、化工與制冷等領(lǐng)域[1]。在螺桿壓縮機(jī)內(nèi)部，其核心部件是一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子。螺桿轉(zhuǎn)子傳統(tǒng)的加工方法包括銑削加工法、滾削加工法與磨削加工法[2]。傳統(tǒng)的加工方法存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工序繁多與材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。因此尋求一種工序簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的加工方法對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行加工變得必需。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的加工提供了新的參考方案，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子的快速成型制造，且加工過程中耗材少、無污染、噪聲小與廢棄材料的可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子的綠色制造。

選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)作為3D打印的核心技術(shù)，其原理是利用高能激光束掃掠鋪設(shè)好并經(jīng)過預(yù)熱的金屬粉末便能直接制造出性能優(yōu)良的金屬零件。但其進(jìn)一步發(fā)展與大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。零件在加工過程中由于殘余熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件翹曲變形甚至開裂[3]；傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法與試錯(cuò)法在探究其缺陷的形成機(jī)理中也存在著耗費(fèi)大、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等問題。將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于SLM的成形研究，可以針對(duì)加工過程中因殘余應(yīng)力應(yīng)變過大導(dǎo)致零件加工失敗的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高零件的性能與打印成功率，降低研發(fā)時(shí)間與成本。

對(duì)于SLM成數(shù)值模擬的研究，柯林達(dá)[4]探究了激光掃描速率與鋪粉層厚對(duì)SLM成型鈦合金薄壁件應(yīng)力演變的影響；石齊民[5]運(yùn)用高斯移動(dòng)熱源與生死單元法對(duì)TiC4與Inconel復(fù)合材料基于SLM的熱物理機(jī)制進(jìn)行了研究；倪辰旖[6]運(yùn)用固有應(yīng)變算法對(duì)SLM成形變形趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，表明固有應(yīng)變有限元法能夠有效預(yù)測(cè)SLM成形件的變形量；宋慶軍[7]對(duì)汽車鋁合金導(dǎo)向臂進(jìn)行了SLM的數(shù)值模擬，分析了不同參數(shù)對(duì)于成形件應(yīng)力應(yīng)變的影響，得出了較好的參數(shù)組合；王浩宇[8]對(duì)于飛機(jī)柵格零件的選區(qū)激光熔化過程進(jìn)行了模擬；劉賀[9]對(duì)于衛(wèi)星支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了四種支撐方式，并分析了不同的支撐方式對(duì)于衛(wèi)星支架SLM仿真應(yīng)力和應(yīng)變的影響。

文中對(duì)于空壓機(jī)的陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子，采用SLM仿真專用軟Simufact Additive對(duì)陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子的加工過程進(jìn)行了仿真模擬，可以預(yù)測(cè)陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子在打印完成后的殘余應(yīng)力與變形量的分布。

1 螺桿轉(zhuǎn)子三維模型的建立

螺桿轉(zhuǎn)子作為壓縮機(jī)的核心部件，對(duì)其進(jìn)行三維模型的建立首先要進(jìn)行端面型線的設(shè)計(jì)，文中首先將螺桿轉(zhuǎn)子端面型線離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行擬合得到一個(gè)齒形的曲線，再使用圓周陣列命令得到完整的端面型線，如圖1所示， 最后通過螺旋掃掠拉伸得到陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子的三維模型，如圖2所示。

圖1 陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子端面型線

圖2 陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子裝配圖

2 316L不銹鋼的熱物性參數(shù)

螺桿轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于惡劣的工況下，其主要失效形式為腐蝕失效與磨損失效。316L不銹鋼具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫與易加工等優(yōu)點(diǎn)，且316L不銹鋼粉末的制造成本較為低廉。因此，本文使用316L不銹鋼進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)子SLM成形模擬。在SLM成型過程中，316L粉末在高能激光束的作用下由粉末狀變?yōu)槿廴跔顟B(tài)再變?yōu)楣虘B(tài)，這一過程所用時(shí)間極短且溫度梯度變化較大，材料的性能參數(shù)隨溫度變化較大且呈高度非線性關(guān)系。因此我們需要考慮溫度對(duì)于材料非線性狀態(tài)的影響，316L的熱物性參數(shù)包括熱膨脹系數(shù)、彈性模量、熱導(dǎo)率、比熱容、流動(dòng)應(yīng)力-塑性應(yīng)變，均由Simufact Additive得出，如圖3所示。

3 SLM工藝參數(shù)及仿真結(jié)果分析

3.1 工藝參數(shù)

SLM成形零件的質(zhì)量與性能受到諸多因素的影響，包括零件的幾何性能、金屬粉末的性質(zhì)、機(jī)器系統(tǒng)、工藝過程及相應(yīng)的后處理技術(shù)。在金屬粉末與加工設(shè)備均已確定的情況下，工藝參數(shù)組合是提升零件性能與提高打印成功率的重要因素，其工藝參數(shù)包括了激光功率、掃描速度、打印層厚等。結(jié)合參考文獻(xiàn)[10],設(shè)定陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子的虛擬打印功率分別設(shè)為220 W與200 W,掃描速度與打印層厚均取1 000 mm/s與0.01 mm。

圖3 316L不銹鋼熱物性參數(shù)圖

3.2 打印機(jī)選擇及工序設(shè)置

在仿真軟件Simufact Additive內(nèi)部集成了多款3D打印機(jī)應(yīng)用于選區(qū)激光融化的數(shù)值模擬，本次模擬打印所選擇的機(jī)型為280HL,打印空間的尺寸設(shè)置為280 mm×280 mm×500 mm,將螺桿轉(zhuǎn)子的STL文件導(dǎo)入后，設(shè)定上述的工藝參數(shù)，采用體網(wǎng)格對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為2 mm,以陽(yáng)轉(zhuǎn)子為例，網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 陽(yáng)轉(zhuǎn)子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型

3.3 仿真結(jié)果及分析

圖5 陽(yáng)轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力應(yīng)變分布

圖6 陰轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

通過數(shù)值模擬的方法可以預(yù)測(cè)螺桿干轉(zhuǎn)子打印成形后的殘余應(yīng)力與變形量的分布；分別見圖5，6，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的應(yīng)變分布范圍分別為0～0.87 mm與0～0.45 mm,最大應(yīng)變?yōu)?.88 mm與1.03 mm,應(yīng)力分布分別為9.51～312.08 MPa與12.37～357.96 MPa,最大應(yīng)力為361.55 MPa與357.96 MPa，均小于316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度470 MPa，在實(shí)際加工完成后，可以采用相應(yīng)的后處理工藝進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力。

4 總 結(jié)

文中對(duì)于陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行了端面型線的擬合與三維模型的建立，并使用Simufact Additive對(duì)實(shí)體螺桿轉(zhuǎn)子的SLM過程進(jìn)行了虛擬打印，得到了螺桿轉(zhuǎn)子在打印完成后變形量與殘余應(yīng)力的分布及最大值，最大變形量分別為0.88 mm與1.03 mm,最大應(yīng)力分別為361.55 MPa與357.96 MPa。通過對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的SLM工藝的數(shù)值模擬，也可以為其他旋轉(zhuǎn)軸類零件的虛擬打印提供參考。