液压系统广泛应用于工程领域,提高功率密度是其重要发展方向,其中液压集成块轻量化设计是提高功率密度的有效手段。通过增材制造(AM)灵活的加工特性能使集成块重量降低,是高功率密度液压驱动的一种有效的设计方法,但目前增材制造加工的流道存在塌陷形变、尺寸精度低、内部流道粗糙度高等问题。以提升增材制造流道成型质量为研究目标,选区激光熔融(SLM)为加工方法,探讨流道横截面及打印模型中有无支撑添加对成型质量的影响,并通过非接触测量对打印模型内部流道尺寸进行测量得到定量分析。结果表明,对于圆形流道,有支撑结构有较好的打印结果,菱形流道形变量小于圆形流道。进一步通过改变打印参数对内流道表面质量进行研究,结果显示适当选择工艺参数可以提高表面质量。

基于SLM(选区激光熔融技术)打印零件轻量化设计的要求,为弥补轻量化结构设计过程中的盲目性和不确定性,利用拓扑优化软件对单元结构进行拓扑优化,提取优化后的单元结构进行再设计得出几种基本单元构型。将几种基本的单元构型填充长方体类构件,利用有限元分析不同单元填充时在不同载荷形式下构件的力学性能,并通过改变单元的尺寸参数、分布密度探究单元结构对构件力学性能的影响。分析结果表明,当主要承载方式为压缩载荷时,拱形单元结构具有较好的力学性能,而当承受弯曲载荷时,在构件应力集中区域增加单元的填充密度可以提高构件的承载能力。当结构设计既要满足构件的强度也要满足轻量化设计时,可以通过改变单元构型的尺寸参数及排布方式得到最优化的设计。

液压阀块是液压系统的重要组成部分,采用锻造-钻铣传统方法加工的流道只能采用直孔形式并且管路交叉沟通不灵活。选区激光熔融增材制造克服了传统加工的限制,可实现两端盲孔流道加工、任意走向及任意曲率流道加工,并能剔除非必需质量,实现液压阀块的集成化、轻量化和节能化设计。与传统阀块相比,金属增材制造液压阀块体积降低30%以上,重量降低50%以上。但是金属增材制造受到悬垂部件阈值角度限制,传统圆形截面流道加工存在局部支撑结构,而阀块内部复杂流道的支撑结构很难去除,因此削弱了增材制造技术在轻量化和节能化方面的效果。以减少内部流道的辅助支撑为目标,提出采用异形截面流道的设计方案,通过理论分析和仿真对比,实现少支撑甚至零支撑的内部流道设计效果,为液压元件的增材制造技术提供理论支撑。