基于螺杆转子的激光选区熔化数值模拟分析

万旭东，李志峰,2，支明宇

(1.陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723000； 2.陕西省工业自动化重点实验室，陕西 汉中 723000)

0 引 言

螺杆式压缩机具有可靠性高、操作维护方便与动力平衡性好等优点广泛的应用于机械、建筑、电子、化工与制冷等领域[1]。在螺杆压缩机内部，其核心部件是一对相互啮合的阴阳螺杆转子。螺杆转子传统的加工方法包括铣削加工法、滚削加工法与磨削加工法[2]。传统的加工方法存在生产周期长、工序繁多与材料浪费严重等问题。因此寻求一种工序简单、绿色环保的加工方法对螺杆转子进行加工变得必需。随着3D打印技术的快速发展对于螺杆转子的加工提供了新的参考方案，3D打印技术可以实现螺杆转子的快速成型制造，且加工过程中耗材少、无污染、噪声小与废弃材料的可循环利用等优势可以实现螺杆转子的绿色制造。

选区激光熔化(SLM)技术作为3D打印的核心技术，其原理是利用高能激光束扫掠铺设好并经过预热的金属粉末便能直接制造出性能优良的金属零件。但其进一步发展与大规模工业化应用仍然面临着巨大的挑战。零件在加工过程中由于残余热应力会导致零件翘曲变形甚至开裂[3]；传统的经验法与试错法在探究其缺陷的形成机理中也存在着耗费大、花费时间长等问题。将数值模拟技术应用于SLM的成形研究，可以针对加工过程中因残余应力应变过大导致零件加工失败的情况进行预测，提高零件的性能与打印成功率，降低研发时间与成本。

对于SLM成数值模拟的研究，柯林达[4]探究了激光扫描速率与铺粉层厚对SLM成型钛合金薄壁件应力演变的影响；石齐民[5]运用高斯移动热源与生死单元法对TiC4与Inconel复合材料基于SLM的热物理机制进行了研究；倪辰旖[6]运用固有应变算法对SLM成形变形趋势进行了预测，表明固有应变有限元法能够有效预测SLM成形件的变形量；宋庆军[7]对汽车铝合金导向臂进行了SLM的数值模拟，分析了不同参数对于成形件应力应变的影响，得出了较好的参数组合；王浩宇[8]对于飞机栅格零件的选区激光熔化过程进行了模拟；刘贺[9]对于卫星支架结构设计了四种支撑方式，并分析了不同的支撑方式对于卫星支架SLM仿真应力和应变的影响。

文中对于空压机的阴阳螺杆转子，采用SLM仿真专用软Simufact Additive对阴阳螺杆转子的加工过程进行了仿真模拟，可以预测阴阳螺杆转子在打印完成后的残余应力与变形量的分布。

1 螺杆转子三维模型的建立

螺杆转子作为压缩机的核心部件，对其进行三维模型的建立首先要进行端面型线的设计，文中首先将螺杆转子端面型线离散点的数据导入UG中进行拟合得到一个齿形的曲线，再使用圆周阵列命令得到完整的端面型线，如图1所示， 最后通过螺旋扫掠拉伸得到阴阳螺杆转子的三维模型，如图2所示。

图1 阴阳螺杆转子端面型线

图2 阴阳螺杆转子装配图

2 316L不锈钢的热物性参数

螺杆转子长期处于恶劣的工况下，其主要失效形式为腐蚀失效与磨损失效。316L不锈钢具有高强度、耐腐蚀、耐高温与易加工等优点，且316L不锈钢粉末的制造成本较为低廉。因此，本文使用316L不锈钢进行螺杆转子SLM成形模拟。在SLM成型过程中，316L粉末在高能激光束的作用下由粉末状变为熔融状态再变为固态，这一过程所用时间极短且温度梯度变化较大，材料的性能参数随温度变化较大且呈高度非线性关系。因此我们需要考虑温度对于材料非线性状态的影响，316L的热物性参数包括热膨胀系数、弹性模量、热导率、比热容、流动应力-塑性应变，均由Simufact Additive得出，如图3所示。

3 SLM工艺参数及仿真结果分析

3.1 工艺参数

SLM成形零件的质量与性能受到诸多因素的影响，包括零件的几何性能、金属粉末的性质、机器系统、工艺过程及相应的后处理技术。在金属粉末与加工设备均已确定的情况下，工艺参数组合是提升零件性能与提高打印成功率的重要因素，其工艺参数包括了激光功率、扫描速度、打印层厚等。结合参考文献[10],设定阴阳螺杆转子的虚拟打印功率分别设为220 W与200 W,扫描速度与打印层厚均取1 000 mm/s与0.01 mm。

图3 316L不锈钢热物性参数图

3.2 打印机选择及工序设置

在仿真软件Simufact Additive内部集成了多款3D打印机应用于选区激光融化的数值模拟，本次模拟打印所选择的机型为280HL,打印空间的尺寸设置为280 mm×280 mm×500 mm,将螺杆转子的STL文件导入后，设定上述的工艺参数，采用体网格对螺杆转子进行网格划分，网格的尺寸设置为2 mm,以阳转子为例，网格模型如图4所示。

图4 阳转子网格结构模型

3.3 仿真结果及分析

图5 阳转子残余应力应变分布

图6 阴转子残余应力应变云图

通过数值模拟的方法可以预测螺杆干转子打印成形后的残余应力与变形量的分布；分别见图5，6，阴阳转子的应变分布范围分别为0～0.87 mm与0～0.45 mm,最大应变为0.88 mm与1.03 mm,应力分布分别为9.51～312.08 MPa与12.37～357.96 MPa,最大应力为361.55 MPa与357.96 MPa，均小于316L不锈钢的屈服强度470 MPa，在实际加工完成后，可以采用相应的后处理工艺进一步降低残余应力。

4 总 结

文中对于阴阳螺杆转子进行了端面型线的拟合与三维模型的建立，并使用Simufact Additive对实体螺杆转子的SLM过程进行了虚拟打印，得到了螺杆转子在打印完成后变形量与残余应力的分布及最大值，最大变形量分别为0.88 mm与1.03 mm,最大应力分别为361.55 MPa与357.96 MPa。通过对于螺杆转子的SLM工艺的数值模拟，也可以为其他旋转轴类零件的虚拟打印提供参考。