基于3D打印技术的液压阀集成块结构创新设计

张慧玲

摘 要：作为一种控制油路走向、油路压力和油路流量的工具，液压阀块是液压阀的重要组成部件，对于生产的精度要求非常高。目前，人们主要通过生产液压阀集成块来替代传统液压阀块，实现液压阀的各项功能。文章主要以液压阀集成块为研究对象，探讨3D打印技术在液压阀集成块结构创新方面的研究设计。

关键词：3D打印技术；液压阀集成块；创新设计；液压阀

3D打印技术在机械制造行业的应用已经超出了人们的想象，越来越多的行业开始接触3D打印技术。特别是在机械设计和制造领域，3D打印技术的应用更为广泛、更为深刻。本文主要以液压阀集成块为研究对象，来谈一下3D打印技术在液压阀集成块结构创新方面的研究设计。

1 3D打印技术的概念及应用

作为一种新技术，3D打印技术的出现，在某种程度上为生产制造企业节省了很多成本，特别是模块设计与制造企业。

3D打印是一套系统，由3D打印设备和相配套的软件及技术组成。目前主流的3D打印技术主要有以下4种。（1）光固化成型工艺（Stereo Lithography Apparatus，SLA）是由美国发展起来的。目前，此项技术在全球的应用最广泛，技术也最成熟。关于此项的技术的研究学者也最多。（2）熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling，FDM），此项技术主要是面向家庭用户和办公用户。该技术的创新自由设计功能比较强大，能够打印出各种真实的三维实体模型，而且使用此项技术的3D打印设备价格比较低，所以适合家庭用户和办公用户。（3）激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS），也被称为粉末激光烧结技术，使用此项技术的打印设备可以直接打印金属材料的产品，但是打印出生的产品模型质量精度要求很高，如果加上其他的辅助工序，可以制造出非常精细的产品。（4）三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）技术。此种3D打印技术又称为三维喷涂黏结成型技术，目前只有这一种技术可以实现全彩3D打印。此种3D打印技术使用的是粉末状的原材料。除了上述4种3D打印技术外，还有直接金属激光烧结、立体平版印刷、数字光处理、熔丝制造和电子束熔化成型等3D打印技术[1]。

目前，3D打印技术主要应用在机械制造领域、航天科技领域、医疗设施领域、建筑设计领域、食品加工领域及文物考古领域等，涉及模具生产、工业设计、机械零件生产、医疗设备生产、建筑模型的设计、食品模型制造和古董的重现生产等几十个专业，已经成为目前跨专业领域最强的打印技术。

2 3D打印技术在液压阀集成块结构创新设计中的应用

2.1 液压阀集成块概述

作为一种控制油路走向、油路压力和油路流量的液压阀块，是液压阀的重要组成部件，对于生产的精度要求非常高，目前主要通过生产液压阀集成块来替代传统液压阀块实现液压阀的各项功能。液压阀集成块其实就是一个具有多个液压油孔道的金属块，这些液压油孔道实现了油液的多种走向，产生不同的压力和流量，通过这些油孔道实现了油液的多种回路，从而完成需要的各种动作。

液压阀集成块由3部分组成，分别是集成块本身、外部元器件和集成块内部的孔道，其中集成块内部的孔道最为复杂，有各种各样的孔道，如直通的油孔、定位的普通孔、连接螺纹的螺钉孔道、集成块或其他插件的安装孔道等孔道。整个液压机阀集成模块难度最大的就是这些孔道的设计和生产了，其他的要求就是要保证液压系统结构的紧凑性合适，方便安装和装配。另外，还要保证元件之间的振动、噪声在合格范围内，保证油孔道不能出现漏油。至于外观方面，只要整齐好看，容易实现对其的保养就可以了[2]。

2.2 使用传统加工制造方法生产液压阀集成块面临的问题

从液压阀集成块的结构，我们就可以看出其在生产的时候难度会有多大，如果使用传统的制造方法来加工液压阀集成块，需要经历如下4个步骤：（1）要进行生产前的预处理，即检查所用的材料是否适合，是否存在一些质量问题，比如沙眼、夹层的问题。另外，材料的内部密度是否均匀对于成品来讲也是非常重要的。（2）机床加工，这一步主要是对原材料进行初次粗加工，使得初具模型，这一步中主要用到铣、刨及钳工划线等技术，另外，为了防止出现渗漏情况，要适当控制好材料块的表面粗糙程度。（3）去毛刺的细加工，主要就是提升液压阀集成块的各个方面的光滑度。（4）对液压阀集成块进行清洗，去除前面步骤中产生的污垢和残留的杂物。在清洗的过程中一定要使用防锈的清洗液，否则生锈了会带来非常严重的后果[3]。

经过上述4个步骤的生活制造，液压阀集成块就可以制造出来。但是，在生产制造的过程中，我们会遇到非常多的技术难题，比如：形位公差的控制问题，粗糙程度的要求问题等。其中难度最大的要数孔道的加工过程，孔道的加工要用到钻、扩、镗及铰等复杂而精细的工艺。另外，这些孔道又交叉分布，错综复杂，导致了加工的难度进一步加大。除此以外，这些孔道在加工的时候，难免会出现粗细不均的问题以及内壁光滑的问题，从而导致油路流量和压力达不到要求。

2.3 使用3D打印技术后的液压阀集成块生产工艺

3D打印技术的强大之处正是那些传统制造行业所不具备的，使用这种3D打印技术为生产液压阀集成块提供了一条更方便快捷有效的方法。使用3D打印技術之后，液压阀集成块的加工改变了传统的4个步骤的繁琐工序，从而解决了形位公差控制难度大的问题以及传统加工过程中的装夹问题。除此以外，层层叠加金属粉末成型的技术，可以很好地预先设计好液压阀集成块内部孔道的路径，这样，油孔道的加工变得异常简单[4]。

2.4 液压阀集成块的3D打印流程

2.4.1 选择合适的3D打印设备

根据液压阀集成块对材料的要求，需要使用激光选区熔化等金属3D打印技术和金属粉末材料成型的3D打印技术。由于打印设备及打印材料的受限，本实验选用FDM型号的3D打印机和PLA材料。这样只能实现模型的打印，仅能验证此种液压阀集成块的可加工性。

2.4.2 液压阀集成块的结构模型设计

基于3D打印的特性，需要使用计算机辅助设计软件来实现液压阀集成块结构的模型设计。液压阀集成块结构模型创新设计如图1所示。

2.4.3 液压阀集成块结构模型的数据转换及检测

为了能够将液压阀集成块结构模型进行下一步的操作，需要将其三维模型保存为stl格式的文件，也就是使用三角形网格来表示液压阀集成块结构的各个面，stl格式的液压阀集成块的3D模型如图2所示。

转换过模型之后，再将模型文件导入相应的软件进行完整性检测，如果检测没有问题，则可以进入下一步。

2.4.4 导入模型切片并设置成型方向

在检测过模型文件没有问题之后，我们就可以将模型切片导入3D打印软件进入打印准备了。导入相应软件之后，我们可以看到左侧为参数设置选项，可以设置打印的质量、速度、热床温度等。右侧则显示液压阀集成块的三维视图，在此视图中可以拖动模型实现对模型的移动和缩放以及旋转等基本操作。

另外，成型方向设置也是非常重要的，成型方向的设置关系到打印材料能够达到最省、打印时间能否达到最短，所以成型方向的设置也非常有讲究。对于液压阀集成块的产品特点，整体上不需要设置必要的支撑，但是对孔道的悬面则需要施加相应的支撑，这样才能保证整个过程中能够平衡打印，最后再对支撑材料进行彻底清除[5]。

在进行完相应的设置后，将文件进行保存并转化成相关代码，然后存入3D打印机的SD卡，完成切片，准备开始打印。

2.4.5 液压阀集成块模型的打印

将事先准备好的SD卡插入3D打印机，然后进行打印前的调试、预热热床和喷头，准备工作就绪后，系统会自动添加设置好的支撑，最后按照原先设定好的模型开始液压阀集成块打印。打印出来的效果如图3所示。

3 结语

通过以上的内容，我们看到了使用3D打印技术后，液压阀集成块的模型被成功地打印出来了，而且效果非常不错，验证了3D打印技术的实用性。特别是在机械制造行业，非常适合模型的制造。对于某些产品来讲，也可以直接打印生产出来，只是目前由于打印设备及打印耗材的问题，还不能大量、批量地生产。相信在不久的将来，这些都是可以真正实现的。

[参考文献]

[1]丁有成.3D打印技术的工业应用及产业化发展[J].民营科技，2018（7）：166.

[2]万海鑫，马思远.基于3D打印技术的机械零件创新自由设计初探[J].电子制作，2018（Z2）：119-120，110.

[3]陈博文.基于3D打印技术的机械零件創新自由设计[J].科技风，2018（18）：155.

[4]刘哲.基于3D打印技术的机械零件创新自由设计[J].内燃机与配件，2018（8）：22-23.

[5]张德龙.基于3D打印技术下机械零件创新自由设计的思考[J].现代制造技术与装备，2018（6）：80-82.