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选区激光熔化（SLM）技术是一种应用广泛的金属3D打印技术，与传统加工方式（车铣等）相比，其设计自由度更大，更易于成形轻量化、集成化、小型化零部件。液压传动是其重要应用领域，SLM技术的使用有利于进一步提高液压元件的功重比，图1展示了本团队的部分研究样机，均在不改变传统加工制造原型阀块工作原理、工况要求的前提下对阀块进行重新设计并利用SLM技术成形，均有效降低了阀块原型的重量和体积，同时实现了轻量化和小型化。  

图1 SLM成形阀块

然而，液压元件中的流道一般是三维结构且方向多变，因此不可避免地会产生悬垂结构（成形时下方为金属粉末），进而导致翘曲、挂渣等问题使得流道的成形质量很差，具体表现为流道内壁面粗糙度较大且不均匀、轮廓精度差，如图2所示。流体运动时，由于受自身黏性和管壁粗糙度的影响，会在流体与壁面间以及流体质点间产生摩擦力，这种阻碍流体运动的摩擦力称为沿程阻力，如图3中红色箭头所示，其大小用沿程阻力系数来表征。运动流体克服沿程阻力而产生的能量损失，称为沿程压力损失，其显然与沿程阻力系数密切相关，沿程压力损失对阀块等含流道液压件来说至关重要，对整个系统能量耗散乃至功重比的控制影响很大。而另一方面，SLM技术成形流道较差的成形质量对流体流动影响规律未知，经典的Moody图也已无法直接预测沿程阻力系数及沿程压力损失，这也使得目前增材制造成形元件的设计主要依赖于人工经验，而无法形成科学有效的设计方法。那么SLM成形流道的成形质量对内部流体流动的影响规律到底是怎样的呢？能否对其沿程压力损失进行有效预测呢？ 

图2 SLM成形无支撑圆形水平流道

图3 沿程压力损失示意图

本团队使用SLM技术制备了不同直径和不同摆放角度的圆形截面316L不锈钢流道。对成形质量进行了表征，并对沿程压力损失进行了测量和分析。结果表明，摆放角度与成形流道的几何公差和表面粗糙度密切相关。此外，在湍流状态下，SLM成形流道的沿程阻力系数高于经典理论，且受摆放角度和流道直径的影响，最终建立了SLM成形流道沿程阻力系数计算模型，并形成相关设计准则。本研究的主要创新点在于，在国际上首次建立了考虑流道直径及摆放角度的SLM成形流道沿程阻力系数综合预测模型，此外，还首次提出了同时考虑成形质量和沿程压力损失的流道设计准则。这项工作的意义在于，工程设计人员可直接利用该模型计算流道的沿程阻力系数，进而获得沿程压力损失，而无需进行实验、仿真等相对耗时耗力耗财的工作，并将设计准则应用于复杂流道的设计。

1.沿程阻力系数综合预测模型的建立与使用

根据SLM成形流道的物理过程建立了图4所示的几何模型，进而根据数学模型的推导分析建立起沿程阻力系数综合预测模型（公式1）。可以看出，沿程阻力系数是摆放角度、设计直径、雷诺数及粗糙度的函数。当用该模型预测沿程阻力系数时，流道摆放角度、设计直径和雷诺数是已知或可求的。粗糙度参数则需从图5所示零件中测得，其设计直径、壁厚、成形工艺参数等均与待测流道相同。因此，本模型显而易见的优势在于,无需任何沿程压力损失实验或仿真分析，只需图5所示的小零件即可预测流道的沿程阻力系数，进而获得沿程压力损失。

图4 （a）高粗糙度区域弧长L；（b）高粗糙度区域弦长S；（c）L和 S关系示意图；（d）成形流道分析模型；（e）基于椭圆E及其切线m的笛卡儿坐标系；（f）椭圆E及对应圆O关系示意图

图5 粗糙度试样

2.流道设计准则

沿程阻力系数对流道能量传递效率影响很大，是设计复杂流道的基础。本团队基于目前及之前的研究，制定了SLM成形流道的设计准则。

圆形是流道的主要横截面形式，当流道直径超过临界成形直径（20mm，与材料相关）时，流道截面形状取决于摆放角度。对于大摆放角度（≥45°），由于成形质量较好，仍推荐采用圆形截面。对于小摆放角度（＜45°），为避免成形失败，需采用非圆形截面。对于直径小于2 mm的流道，推荐使用泪滴形截面。此外，流道直径越小，对成形质量和沿程压力损失的敏感程度越高，可制造性成为流道的主要关注点。图6概述了上述设计准则。

图6 流道设计准则

从上述设计准则中可以看出，一些摆放角度较小的流道的成形质量很差，从而导致压力损失增加。然而，这种增加的压力损失可以通过设计流道路径来轻松补偿。如图7所示，可以用圆弧过渡连接取代直角突变连接，并消除工艺孔。

图7 流线分布：（a）直角突变转弯；（b）圆弧过渡转弯

由于直径大于20mm的圆形截面流道在小摆放角度成形时会成形失败，因此需采用非圆形截面流道。图8展示了在相同的压力、材料和水力直径条件下六种非圆形截面流道的安全壁厚及实体截面面积，圆形截面也插入在图中以供对照。可以看出，与其它类型截面相比，泪滴形和扇形截面效果更好。

图8 圆形和非圆形流道的安全壁厚和截面积

文章来源网络吗，作者周雷硕，祝毅副，如有侵权请告知，我们马上删除。

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