PA12GF40材料螺桿轉子快速成型試驗及其性能研究*

王智博，楊定成，余霄駿

(浙江東方職業技術學院 數字工程學院，浙江 溫州 325300)

0 引 言

螺桿轉子作為螺桿泵的核心部件，一直都是相關企業和研究人員的重點研究對象。從市場上已有產品來看，螺桿轉子型線通常由圓弧、擺線以及漸開線等曲線段組合而成。從性能上看，螺桿轉子的理論型線大多能滿足實際應用要求，但國內螺桿轉子的制造加工一直是業界的難題，是阻礙壓縮機進一步發展和改進的關鍵因素。螺桿轉子的主要工作部位是螺旋面，要想得到符合設計要求的螺桿轉子，實現材料從毛坯到轉子的轉變過程，就必須重點研究轉子螺旋面的加工方法。螺桿轉子傳統加工制造的方法有車削、銑削、磨削、滾削等方法，其加工工藝復雜繁多、周期較長，需要精通掌握數控設備。目前，螺桿轉子制造原料一般采用圓柱形毛坯，通過普通機床或者數控機床進行切削加工成型，而螺桿轉子最終表面處理采用磨削方法，在將棒料從毛坯轉變為轉子的過程中，必須對棒料進行大量原料切除，因而造成了資源浪費，這是一個難以克服的行業難題。隨著社會工業發展，對螺桿轉子的加工制造有了進一步要求，急需一種能夠快速成型復雜加工表面的加工方法。

面對新一輪工業革命來襲，我國推出“中國制造2025”戰略計劃，意圖應對新技術革命的洗禮、推動傳統制造業轉型升級、實現高端制造業跨越式發展，促進我國由工業大國向工業強國的蛻變[1]。當今世界，增材制造技術發展日漸成熟，它不僅改變了傳統制造業的加工方式，其無視結構復雜性、快速成型、材料利用率高等優勢也成為眾多行業關注的熱點。雖然我國起步較晚，但是各界投入大量精力與資本對其進行研發，并取得了很大進步，目前它已廣泛應用在航空航天、醫療器械等領域。因此，將增材制造技術實際應用到螺桿轉子的制造中具有重要的指導意義。

螺桿轉子的制造加工作為重點研究對象，研究者意圖得到加工效率、制造精度更高以及成本更低的設備及更加完善的工藝方法。何雪明為解決傳統加工切削熱現象，將無磨損、低切削熱的磨射流加工引入轉子的加工研究，并驗證新方法的合理性[2]；Litvin and Fuentes 將包絡理論用于齒輪的設計及齒輪成形刀具的設計；魏靜等使用CBN 砂輪對螺桿轉子進行精密成形磨削加工，由于CBN 砂輪具有良好的耐磨性，磨削加工質量與效率有一定程度的提高，但是 CBN 砂輪價格昂貴并且不可修整，目前在螺桿轉子成形精密磨削中應用并不廣泛。在齒輪嚙合原理基礎上，Yang 基于雙包絡法設計了單螺桿壓縮機螺桿轉子成型刀具；N. Stosic 等在包絡理論的基礎上對不同轉子類型的雙螺桿壓縮機的成型刀具設計方法進行研究，同時設計了成型滾刀和成型盤刀[3]；張元勛在研究了螺桿轉子與成型刀具的加工過程，結合機床、螺桿轉子、成型刀具協同運動形成的關系，提出了一種螺桿轉子成型刀具設計新方法，該方法提高了成型刀具齒形設計的精確性[4]；高暉等為實現汽車尾門輕量化，利用3D打印鋼骨架加復合材料制造尾門[5]；陳勃生等分析了國內外主流PA材料，通過對比其機械性能，發現國內現有技術生產的PA材料，同樣具有良好的機械性能和熱變形性能，適合商業化應用和產業化推廣，可以成為汽車、飛機等工業制造的主流材料[6]；STRATASYS推出FDM Nylon12材料與現有最堅固的FDM材料相比，其抗折性能要高出5倍，可用于高性能零部件的增材制造[7]。

筆者針對傳統螺桿轉子加工工藝繁瑣、加工周期長和原材料浪費等問題，以增材制造技術為基礎，利用高性能復合材料作為加工原料，此方法利用率高，成本低，且成型效率高，不僅為壓縮機制造行業提供了新的制造手段，同時也為其他制造領域提供了借鑒，具有深刻的實踐與探索意義。

1 螺桿轉子三維建模

常用三維建模軟件有UG、SolidWorks和Pro/E等，由于螺桿轉子端面型線由多段不同曲線組成，復雜且不規則，根據已知型號螺桿轉子端面型線的離散幾何特點，選用UG建模更為方便。文中主要以已知型號陰、陽螺桿轉子為建模對象，其主要參數如表1所列。

表1 轉子主要參數

將陰、陽螺桿轉子某一段端面型線離散數據點文件分別導入UG軟件中，通過幾何特征陣列生成陰、陽螺桿轉子的完整端面型線，如圖1所示；然后根據陰、陽螺桿轉子的設計參數要求插入各自對應的螺旋線，通過掃掠命令生成陰、陽轉子的幾何模型，至此完成陰、陽螺桿轉子的三維建模，并根據陰、陽螺桿轉子嚙合條件進行裝配。由于陰、陽螺桿轉子工作運轉過程中并不是直接接觸，而是留有一定間隙，完成裝配后需要對其進行干涉檢查，確保無干涉面，能夠正常工作運轉，其轉子及裝配圖如圖2所示。

圖1 螺桿轉子端面型線

圖2 螺桿轉子幾何建模

2 打印材料及方式選擇

2.1 打印材料選擇

常用的增材制造材料有ABS、PC、PEEK、EP和PA等，其材料主要優點及應用場合如表2所列。ABS和PC材料具有良好的硬度、沖擊性能，主要應用在汽車零件制造領域；EP材料柔軟性能極佳，具有較高的彈性，廣泛應用于生活用品制造；PEEK材料由于其獨特的生物相容性，與人骨的密度有著較高的相似相溶，主要應用于醫療上，進行仿生人骨制造；PA材料具有較高的機械強度、抗壓強度高，比ABS高出50%。因此PA材料雖然為塑膠材料，但是其性能堪比金屬。

表2 工程材料主要優點及應用場合

常見PA材料有PA6、PA66、PA11、PA12等，在節能、環保、輕量化的趨勢之下，為進一步強化材料的機械性能和耐高溫耐摩擦等特性，PA材料會在配制過程中增加玻璃纖維，按照加入玻璃纖維的百分比，可分為PA/GF10、PA/GF20、PA/GF30、PA/GF40和PA/GF50。隨著玻纖含量增加，材料的性能改善越顯著，當到達一定比例時其性能改善趨勢逐漸減緩。因此，文中選取打印材料是加入40%玻璃珠的PA12，此比例玻纖可以獲得試驗所需的最佳機械性能。

2.2 打印方式

常用復合材料的增材制造方式有選擇性激光燒結和熔融沉積等，需要根據使用材料的特點、性能和打印所需環境選擇設備。激光燒結常用于粉末狀打印材料，而熔融沉積適用的打印材料為絲狀、熔點相對較低的材料，所以其工作原理也大不相同。

(1) 選擇性激光燒結(SLS)技術

選擇性激光燒結工作原理是利用激光作為能源，將打印材料粉末融化，將其打印材料均勻地平鋪在打印工作臺表面，然后根據打印設置的分層進行燒結，逐層進行，直至所有分層打印結束后，除去鋪粉過程多余的材料，完成打印工作，其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 選擇性激光燒結工作原理示意圖

(2) 熔融沉積(FDM)技術

熔融沉積是不需要激光作為熱源的加工方法，工作原理是把打印材料加熱到略高于材料熔點，按照設定的運動軌跡通過打印噴嘴擠出材料到打印平臺。在FDM成型過程中，打印噴嘴的X方向和Y方向主要完成單層掃描，通過Z方向移動實現逐層累加，完成模型打印，其工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 熔融沉積工作原理示意圖

(3) 多射流熔融(MJF)技術

多射流熔融技術是由惠普研發的一款高效、高精度、低成本的3D打印技術，僅適用于惠普研發的3D打印設備，其工作過程由兩個噴墨模塊構成，多個動作協同工作，首先由一個左右移動動作完成實體對象鋪粉，接著由另外一個動作噴射細化劑和輔助融化劑，保證打印邊緣輪廓精度；最后施加熱源打印模型，往復逐層進行此過程，直至完成模型打印，其工作原理示意圖如圖5所示。

圖5 多射流熔融工作原理示意圖

3 成型試驗及研究

3.1 成型設備

根據成型材料特性，文中選擇使用的是HP Jet Fusion 3D Printer打印設備，如圖6所示，型號為HP MJF 3D 4200，具體參數如表3所列。此設備由多個工作噴頭協同進行，其成型速度是普通增材制造速度的10倍之多，本次成型零件打印材料顆粒為60 μm，鋪層厚度為1 000 μm，打印速度為4 000 cm3/h。將螺桿轉子的三維模型導入設備之中，對其進行快速成型。

圖6 打印設備

表3 打印設備參數

3.2 成型后處理

成型后的零件并不是最終的成品零件，此時零件有較大的殘余應力，還需要進行后處理，這樣能夠有效提高零件的性能。不同打印材料會有不同的處理方式和處理參數，應該合理選擇后處理方式，增材制造常見的后處理方式有砂紙打磨、拋光、上色、噴砂。

成型后的轉子選擇噴砂的后處理方式，主要是以壓縮空氣為動力形成高速噴射束，將噴料高速噴射到工件表面，可以完善打印凹陷，去除表面毛刺和打印殘留物，使工件外表面發生變化，還可以增強表面應力、消除殘余應力、改善配合件的潤滑條件以及硬化工件表面、提高工件的耐磨性能和抗疲勞性能等，經過后處理的成型轉子如圖7所示。

圖7 后處理后的成型轉子

3.3 致密度檢測

增材制造零件致密度與材料的孔隙率息息相關，成型工件的孔隙數量越少，成型零件的致密度就越高，成型零件的抗疲勞和抗斷裂性能也就越高，致密度是判斷打印質量的標準之一，因此，要保證成型零件致密度最大化。

對于成型零件致密度的檢測，通常采用排水法和體積法進行檢測，由于體積法檢測容易產生誤差，測的致密度精確度、準確度不高，因此文中選用排水法測量試樣的致密度。對致密度進行測量的試樣如圖8所示，其尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

圖8 致密度試樣

排水法測量致密度用到以下公式：

(1)

(2)

式中：ρv為試樣體積密度；m1為試件干燥測得質量；m2為試件液體測得質量；ρL為水的密度；ρr為試樣致密度；ρt為試樣理論密度。

本次試樣質量的測量使用量程為220 g、精度為0.000 1 g的電子天平，得到其質量與致密度如表4所列。由表可知，試樣的致密度平均值為93.046%，增材制造零部件致密度不可能達到100%，屬于較高的致密度成型工件。

表4 試樣質量與致密度

3.4 尺寸精度

在理想情況下，增材制造能夠制造出符合尺寸要求的工件，但在實際制造過程中，由于熱脹冷縮和材料收縮率等問題，結果與理論尺寸有所偏差，因此，需要對試樣的成型尺寸進行檢測，計算公式如下：

長度誤差計算公式：

(3)

式中：δL為長度誤差；L1為平均實際長度；L0為理論長度。

寬度誤差計算公式：

(4)

式中：δW為寬度誤差；W1為平均實際寬度；W0為理論寬度。

高度誤差計算公式：

(5)

式中：δH為高度誤差；H1為平均實際高度；H0為理論高度。

同樣利用尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的正方體試樣對其進行尺寸誤差測量，得到數據如表5所列。

表5 尺寸誤差 /mm

把數據結果帶入式(3)～(5)，計算得到長度誤差、寬度誤差、高度誤差分別為0.2%、0.16 %、0.4%，尺寸成型精度較高。可以看出長度尺寸、寬度尺寸小于理論尺寸，高度尺寸大于理論尺寸，這是由于試樣成型沿Z方向累層鋪粉，因此在高度上存在大于理論尺寸的誤差。

3.5 表面粗糙度

文中選用的粗糙度測試儀主要由主機、檢測探頭、升降裝置、試驗平臺以及傳感器組成，如圖9所示。

圖9 表面粗糙度檢測儀

試樣經過多次不同成型方向重復粗糙度測量，取測量平均值，其試驗數據如表6所列。

表6 試樣表面粗糙度 /μm

由表可知，XY方向成型試樣粗糙度優于縱向成型試樣粗糙度；XY方向成型試樣粗糙度取值在5.974～6.480 μm范圍內，平均值為6.0912 μm；Z向成型試樣粗糙度取值在5.712～7.625 μm范圍內，平均值為6.8278 μm。

3.6 溫室拉伸試驗

根據GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，選擇Ⅰ型試樣，材料拉伸試樣的尺寸如圖10所示。

圖10 試樣尺寸

抗拉強度計算公式：

(6)

式中：σ1為抗拉強度，MPa；F為拉伸載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

材料的拉伸試驗是檢測零件力學特征的常見方法之一，是評價材料力學性能的重要指標之一，因此材料性能檢測是保證工件安全的重要保障手段。拉伸試驗設備包括拉伸試驗機、靜態應變以及計算機控制系統，試樣拉伸機以及拉伸試樣如圖11所示。

圖11 拉伸設備及試樣

對XY向成型試樣以及Z向成型試樣進行多次重復拉伸試驗，得到拉伸載荷與時間關系曲線，如圖12所示。

由圖12可知，拉伸試樣經過彈性變形階段，未出現屈服階段，進入塑性變形階段，當達到最大應力點時直接斷裂，XY向成型試樣有較長的塑性變形階段，Z向成型試樣的塑性變形階段很短，且XY向成型試樣斷裂需要的拉伸載荷高于Z向拉伸載荷，將得到的拉伸載荷帶入式(6)計算得到不同成型方向抗拉強度，如表7所列。

圖12 試樣拉伸載荷-時間曲線圖

表7 拉伸試樣性能

由表7可知，對不同成型方向的試樣進行多次拉伸得到其抗拉強度，并對其求平均值，得到試樣的抗拉強度：XY方向試樣平均拉伸強度為26.64 MPa、Z方向試樣平均拉伸強度為21.8 MPa，可以看出試樣沿XY方向成型的拉伸性能優于沿Z方向成型的拉伸性能。

4 結 論

文中主要利用增材制造技術對螺桿轉子模型和試樣進行快速成型，并對試樣的致密度、成型精度、表面粗糙度、拉伸性能進行檢測，得到以下結論。

(1) 基于增材制造技術對螺桿轉子進行加工，不僅實現快速成型，而且在成型過程中避免原料浪費，從而降低制造成本。

(2) 利用排水法對成型試樣進行零件致密度檢測，多次測量試樣致密度平均值為93.05 %，具有較高致密度。

(3) 對試樣的尺寸精度和表面粗糙度進行檢測。對試樣長、寬、高進行尺寸誤差計算，其誤差分別為0.2%、0.16%、0.4%，成型尺寸精度較高；對XY向與Z向試樣粗糙度進行多次測量，平均值分為6.091 2 μm、6.827 8 μm，表面粗糙度較大，需要進一步進行處理。

(4) 在拉伸試驗中，由拉伸載荷與時間曲線關系圖，得到XY方向成型試樣拉斷試樣所需載荷大于Z方向試樣載荷，且XY方向成型試樣的塑性變形階段較長；試樣沿XY方向成型抗拉強度高于沿Z方向成型的抗拉強度。