新能源汽車差速器殼體激光選區(qū)熔化成形及優(yōu)化

文／邵長(zhǎng)偉·瀘州豪能傳動(dòng)技術(shù)有限公司

王蓮蓮，白晶斐，門正興·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

吳凌·重慶華港科技有限公司

2025 年我國(guó)國(guó)內(nèi)汽車銷量預(yù)計(jì)達(dá)到3500 萬(wàn)輛，其中新能源汽車銷量占汽車總銷量比例將達(dá)20%，到2030 年，全球電動(dòng)汽車保有量將達(dá)到1.25 億輛，巨大的市場(chǎng)導(dǎo)致汽車零部件市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，而我國(guó)汽車零部件與國(guó)際知名品牌還有很大差距。新能源汽車零部件制造及研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日益白熱化，導(dǎo)致增材制造(3D 打印)等先進(jìn)工藝成為新能源汽車零部件領(lǐng)域研發(fā)的標(biāo)配技術(shù)，全球汽車零部件配套供應(yīng)商及車企均大量使用增材制造技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的快速研發(fā)及小批量試制，同時(shí)增材制造設(shè)備廠商也在不斷推出適用于汽車零部件快速成形的增材制造方法及設(shè)備。

差速器殼體成形技術(shù)介紹

以差速器殼體為例，其是傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車差速器的主要構(gòu)件，殼體零件形狀復(fù)雜并包含內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，工業(yè)化大批量生產(chǎn)一般采用球墨鑄鐵砂型鑄造而成。新型差速器殼體的單件小批量試制無(wú)法采用數(shù)控加工方法快速生產(chǎn)，目前常用的方法包括：⑴制作木模，砂型鑄造，此方法制造成本低，但是制造周期長(zhǎng)，零件精度差；⑵粘結(jié)劑3D 打印砂型后直接鑄造，特點(diǎn)是成形快速，可以采用球墨鑄鐵，缺點(diǎn)是需要重新設(shè)計(jì)鑄造工藝方案，成本高；⑶3D 打印蠟型，熔模鑄造，成形零件表面質(zhì)量好，但周期較長(zhǎng)；⑷激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)直接成形，此方法可一次成形零件，成形精度較高。

SLM 方法采用高能量密度激光器作為熱源，通過(guò)激光照射實(shí)現(xiàn)單層金屬粉末熔化后快速凝固，再用金屬粉末覆蓋已成形區(qū)域，如此過(guò)程反復(fù)最終形成零件。與其他金屬零件成形方法相比，SLM 金屬3D 打印技術(shù)成形特點(diǎn)是快速成形力學(xué)性能接近鍛件、形狀復(fù)雜的中小型零件，特別是包含復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如空腔、柵格、多孔、內(nèi)流道等結(jié)構(gòu)零件的制造，是目前最為重要、應(yīng)用最為廣泛的中小型金屬零件3D 打印成形方法。本文以某新能源汽車差速器殼體為研究對(duì)象，對(duì)汽車零件SLM 快速成形的工藝方法進(jìn)行探索。

差速器殼體成形分析

某新型新能源汽車差速器殼體零件如圖1 所示，零件最大外形尺φ129mm×116mm，包含內(nèi)腔、腔體外輪廓、連接法蘭、兩端內(nèi)螺旋連接口，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用數(shù)控方法無(wú)法快速成形。

圖1 差速器殼體示意圖

激光選區(qū)熔化成形過(guò)程模擬分析

考慮到差速器殼體有半封閉內(nèi)腔，內(nèi)部支撐難以去除的問(wèn)題，最終選擇如圖2 所示的零件擺放方式。零件添加支撐基本在零件外側(cè)，零件最大高度為法蘭。采用Simufact Additive 對(duì)差速器殼體的激光選區(qū)熔化成形工藝過(guò)程進(jìn)行模擬分析及優(yōu)化，包括SLM 成形過(guò)程、熱處理過(guò)程、切割基板過(guò)程、去除支撐過(guò)程。成形材料為316 不銹鋼，固有應(yīng)變值：εxx=-0.008，εyy=-0.003，εzz=-0.030。 對(duì) 差 速器殼體及支撐劃分像素體網(wǎng)格，六面體單元網(wǎng)格為正方形，最大尺寸2mm，共劃分網(wǎng)格50418個(gè)，61層。

圖2 差速器殼體SLM 成形方案

差速器殼體SLM 成形過(guò)程如圖3 所示，灰色網(wǎng)格為支撐部分，零件顏色表示整體變形分布，藍(lán)色為小變形，黃色為大變形 。在SLM 成形過(guò)程中差速器殼體總體變形較為均勻，在零件法蘭邊緣，即零件最大寬度區(qū)域，由于材料受約束較少，所以變形最大，最大變形為1.59mm。

圖3 差速器殼體SLM 成形過(guò)程中變形分布

圖4 為SLM 成形差速器殼體與原始模型對(duì)比，半透明模型為原始模型，不透明模型為SLM 成形零件模型。在完成一系列后處理工作后，SLM 成形零件發(fā)生很大變形，最大變形尺寸為4.84mm。差速器殼體變形的主要原因與零件的擺放方式有很大關(guān)系，不均勻的支撐分布和打印順序的不同導(dǎo)致零件內(nèi)部應(yīng)力分布非常不均勻，特別是線切割與基板分離和去除支撐后。零件的最大變形區(qū)域?yàn)榧t色圓框區(qū)域，該部分為最后成形區(qū)域和約束較小區(qū)域。

圖4 SLM 成形差速器殼體尺寸偏差

采用反向變形模擬優(yōu)化降低最終零件與零件數(shù)字模型的偏差，迭代計(jì)算得到最終激光選區(qū)熔化成形差速器殼體與原始模型對(duì)比圖(圖5)，差速器殼體最大偏離減小到1.36mm 左右。結(jié)合模擬結(jié)果以及差速器殼體最終裝配要求，對(duì)零件大變形區(qū)域增加1mm加工余量，其余加工區(qū)域增加0.5mm 加工余量，非加工面零件尺寸保持不變。

圖5 優(yōu)化后SLM 成形差速器殼體尺寸偏差

差速器殼體激光選區(qū)熔化成形

采用華曙高科FS271M 設(shè)備進(jìn)行差速器殼體打印，材料為316L 不銹鋼粉末。零件成形參數(shù)為激光功率220W，激光掃描速度1100mm/s，單層成形厚度0.03mm，掃描間距0.1mm。零件內(nèi)部實(shí)際支撐如圖6 所示，打印完成后將基板從設(shè)備里取出，清理干凈粉末后將產(chǎn)品放入退火爐，進(jìn)行去應(yīng)力退火，減小產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力。將去應(yīng)力完成的產(chǎn)品送往線切割機(jī)床進(jìn)行零件與基板分離。去除產(chǎn)品支撐，并對(duì)支撐部位進(jìn)行打磨拋光處理，最后將單個(gè)零件放入噴砂機(jī)進(jìn)行表面噴砂(圖7)，殼體表面無(wú)明顯缺陷，表面粗糙度為Ra3.2μm 以上。此零件從接到圖紙到交付最終零件共耗時(shí)4 天，其中打印時(shí)間1.5 天，后處理時(shí)間2.5 天。

圖6 差速器殼體支撐分布

圖7 SLM 成形生產(chǎn)的差速器殼體

成形質(zhì)量分析

采用三維激光掃描儀對(duì)差速器殼體進(jìn)行掃描獲取成形后的外觀數(shù)據(jù)，其殼體內(nèi)部掃描相對(duì)復(fù)雜，采用深孔掃描與單激光特征掃描方式，掃描后的片體文件和理論數(shù)模導(dǎo)入到Geomagic Control X，測(cè)試數(shù)據(jù)與理想數(shù)模采用最佳擬合對(duì)齊方法，3D 比較采用外觀比較，最終檢測(cè)結(jié)果如圖8 所示。成形的試驗(yàn)件與理論數(shù)模總體上尺寸偏差較小，尺寸偏差值約等于0.03mm，95%表面特征均在±0.25mm范圍內(nèi)，超差部分主要集中在殼體曲面與曲面橋接區(qū)域的R 角部分；功能區(qū)域法蘭連接盤與兩端內(nèi)螺旋連接頭偏差值較小，85%范圍在±0.1mm 內(nèi)，100%在±0.25mm 范圍內(nèi)，對(duì)零件加工面進(jìn)行加工后符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 SLM 成形差速器殼體尺寸分析

結(jié)束語(yǔ)

隨著新能源汽車競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，汽車零部件研發(fā)周期被不斷壓縮，采用激光選區(qū)熔化成形方法以及激光選區(qū)熔化成形過(guò)程有限元模擬分析，新能源汽車差速器殼體從接到圖紙到交付最終零件共耗時(shí)4 天完成，后續(xù)數(shù)控加工余量也控制在1mm 左右，極大提升新型差速器殼體的研發(fā)效率，在汽車零部件的研發(fā)中可以廣泛使用。