CN110421171A - 多孔质气悬浮轴承金属瓦的3d打印制备方法 - Google Patents

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宋向前
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Abstract

本发明涉及一种多孔质气悬浮轴承金属瓦的3D打印制备方法，包括如下步骤：步骤一、多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦的建模；步骤二、3D打印；步骤三、径向轴瓦和轴向推力瓦模型的薄层打印与叠加；步骤四、3D打印构件后处理：3D打印完成实体构件后，其表面还达不到在气体轴承中实际应用的精度要求，通过对表面的切削加工以达到满足工程实际的表面精度要求，并将构件进行热处理以消除残余应力并防止开裂或变形。本发明设计合理，结构紧凑，运行可靠，轴向工作载荷由多孔质金属轴向推力瓦承受，起到轴向定位控制作用，内衬多孔质金属径向轴瓦起到径向定位控制作用和承受径向离心力作用。

Description

多孔质气悬浮轴承金属瓦的3D打印制备方法
技术领域
本发明属于气体悬浮轴承工艺制造技术领域，具体涉及利用金属3D打印技术制造多孔质气体悬浮轴承金属瓦。
背景技术
多孔质气体悬浮轴承(简称为气浮轴承)是指使用工作介质气体或空气作为润滑剂来悬浮转子的静压滑动轴承。气体比油粘滞性小，耐高温，因而可用于高速旋转机械、仪器中。由于大量孔隙的存在，使其在性能方面与材质相同的致密材料有很大的差别,而孔隙特性是多孔材料的基本特性。由于多孔质材料的特殊性,利用它作为流体静压轴承表面,可提供成千上万的微小节流孔，这些节流孔均匀地分布在轴承表面，可以产生均匀的压力分布来悬浮转子，拥有非常高的承载能力和静态刚度。因此，多孔质气体轴承特别适用于高速、真空、超洁净等特殊环境。由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保稳定的高精度。基于气体的粘度低且随温度变化小、耐辐射等固有属性，气悬浮轴承在高速、低摩擦、高温、低温及有辐射性的场合，显示了独具的优越性。如在高速磨头、高速离心分离器、陀螺仪表、原子反应堆冷却用压缩机、高速鼓风机、余热发电机、电子计算机记忆装置等技术上，由于采用了气悬浮轴承，突破了使用滚动轴承或油膜轴承所不能解决的困难。
多孔质气悬浮轴承所具备的一系列优点决定了它具有极其重要的应用价值。多年以来，多孔质气悬浮轴承瓦都以多孔质金属粉末为主要原料,使用粉末冶金法烧结来制造。但多孔质金属粉末种类有限，同时使用粉末冶金的产品强度低，韧性差，且压模的成本高，不适合单件产品的制造，因此增加了多孔质气悬浮轴承制造的局限性。在我们研发的一种ORC余热发电机的磁气悬浮轴承中，根据其工作环境的特殊性，工作介质为五氟丙烷膨胀气体，要求使用的多孔质气悬浮轴承瓦强度和韧性较高，且轴瓦材料要求具有耐腐蚀特性，在高温环境下材料不易发生变形，采用粉末冶金法烧结成的多孔质气轴承无法满足这些工作环境要求。因而，我们提出采用金属3D打印技术制备耐腐蚀且高强度的构件，如采用不锈钢来制造多孔质气悬浮轴承的轴瓦零件。同时，金属3D打印技术在一体化成型、成型精度和自由度等方面的优势，使其可以满足多孔质气悬浮轴承定制化的要求。
本发明中采用金属3D打印技术制造多孔质气悬浮轴承的关键零件轴瓦，可以突破材料的局限性。多孔质气悬浮轴承还未大规模应用于工业领域，此次采用金属3D打印技术使得气悬浮轴承的制造具有突破性的变革，促使多孔质气悬浮轴承的制造向数字化、网络化、个性化、定制化方向发展，这也是3D打印技术首次在气悬浮轴承上的应用，打破传统简单打印的技术壁垒。因此研究一种新型的制造多孔质气悬浮轴承轴瓦的制备技术方法对于多孔质气悬浮轴承大规模的工业应用很有必要。
发明内容
本发明是为了克服现有技术不足，提供一种多孔质气悬浮轴承金属瓦的3D打印制备方法，一方面打破多孔质气悬浮轴承制造的局限性，突破现有制造技术在材料选择上的束缚，另一方面推进3D打印技术在轴承制造方面的革新应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种多孔质气悬浮轴承金属瓦3D打印制备方法操作步骤如下：
步骤一、多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦的建模：
利用三维建模软件建立气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦的多孔质层结构模型，获得用于3D打印的数字化三维模型。.
步骤二、3D打印：
根据设计要求选择耐腐蚀的不锈钢粉末进行3D打印。；
步骤三、径向轴瓦和轴向推力瓦模型的薄层打印与叠加：
计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，依据打印路径，逐层铺粉并进行激光/电子束热源扫描，逐层堆叠最终形成了径向轴瓦和轴向推力瓦的实体构件。
步骤四、3D打印构件后处理：
通过表面的切削加工以达到对工程实际要求的表面尺寸精度和光洁度，并将构件进行热处理以消除残余应力并防止开裂或变形。
所述的三维建模软件为SolidWorks，UG等CAD软件。
本发明中轴承的多孔质材料，除本身的各向异性外，由于机加工和热处理等制造引起的材料孔隙的畸变和局部堵塞等，更增加了其中流体流动的复杂性。为此，必须做一些必要的假设和约定，以建立起既能反映实际工况，又便于理论分析的物理模型。
根据层流理论，气体通过多孔介质流动时，流速与压降成正比，与气体黏度成反比，其比例系数即为多孔介质的“透气系数”。对于各向同性有均匀孔隙的多孔质材料，通过其间的气体流动，可按一维流处理。
因此本发明采用一维毛细管模型：即多孔质层是由无数并列的毛细管，按同一方向紧密无间地排列而成，气体在其间的流动，即可看成是沿毛细管作一维流动，流动方向与轴承表面相垂直，流量为
透气系数φ为
式中Ni——毛细管数
di——毛细管直径
本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明中气悬浮轴承关键零件径向轴瓦和轴向推力瓦的气孔率一般在20％-40％之间，由气孔率可确定毛细管的直径和数量。我们选择的径向轴瓦和轴向推力瓦的气孔率为20％，计算得出毛细管内径di为0.3-0.5mm，从而得出径向轴瓦的气孔数和轴向推力瓦的气孔数。采用多孔质气体轴承3D打印技术制造径向轴瓦和轴向推力瓦，利用三维建模软件自带的特征功能可以创建复杂结构的多孔质层，建立的三维模型与理论计算的模型更加接近，可以设计性能优良的复杂多孔质径向轴瓦和轴向推力瓦结构，使实物构件具有更优良的性能，而采用传统粉末冶金工艺难以实现气悬浮轴承多孔径结构的制造。
本发明的3D打印技术制造多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦相较于传统气体轴承的粉末冶金法，突破了材料选择的束缚，可以采用耐腐蚀、强度高的材料(如不锈钢等)制造具有优良性能的轴承零件，以符合我们实际的工程需求。
此外3D打印技术的制作周期短，设计到完成打印耗时较短，减少了时间成本，同时运用三维软件建立实体模型可以实现复杂结构的精确一体化成型，模型在设计阶段可以根据需要进行修改，可以方便地探究设计方案的可行性以及实现多孔质气体轴承的定制化。
本发明3D打印技术制造多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦，根据层流理论采用气悬浮轴承的一维毛细管模型，运用三维软件建立一维毛细管模型，多孔质径向轴瓦和轴向推力瓦并列分布着毛细管，按同一方向紧密地排列而成，气体在其间流动，流动方向与轴承支承的轴和推力盘表面相垂直，从而在其间隙中形成一层气体压力膜，可以提高气体轴承的动力学性能。
附图说明
图1是本发明的制备程序框图。
图2是本发明的多孔质气悬浮轴承整体结构示意图。
图3是本发明的气悬浮轴承多孔质金属瓦3D打印原理结构图。
图4是本发明计算机编程建模3D打印的气悬浮轴承多孔质金属径向轴瓦三维模型及多孔结构局部示意图。
图5是本发明3D打印出的多孔质气悬浮轴承多孔质金属径向轴瓦实物图。
图6是本发明计算机编程建模3D打印的气悬浮轴承多孔质金属轴向推力瓦三维模型及多孔结构局部示意图。
图7是本发明3D打印出的多孔质气悬浮轴承多孔质金属轴向推力瓦实物图。
图8是本发明的多孔质气悬浮轴承实物图。
图2～图3中：
1-轴承钢背，2-内衬多孔质金属径向轴瓦，3-多孔质金属轴向推力瓦，4-激光器，5-激光窗，6-工作面，7-成型零件，8-铺粉小车，9-粉料。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例结合附图进行详细的说明：本实施例是根据本发明采用的技术方案进行实施的，进行了详细的阐述，但本发明的保护范围不仅限于本实施例。
实施例一：参见图1-图8，本多孔质气悬浮轴承金属瓦3D打印制备方法，其特征在于操作步骤如下：
步骤一、多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦的建模：
依据气体轴承的一维毛细管理论，确定多孔质气悬浮轴承的径向轴瓦和轴向推力瓦的气孔率，计算毛细管内径di与气孔数Ni，利用三维建模软件建立径向轴瓦和轴向推力瓦的多孔质层结构模型，获得用于3D打印的数字化三维模型；
步骤二、3D打印：
根据设计的使用要求选择耐腐蚀的不锈钢粉末进行3D打印；
步骤三、径向轴瓦和轴向推力瓦模型的薄层打印与叠加：
计算机根据切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，依据打印路径逐层铺粉并进行电子束热源扫描；3D打印机的打印头将固态的球状不锈钢粉末逐层烧结，厚度为不锈钢粉末粒度的两倍；打印头烧结完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层，逐渐形成径向轴瓦和轴向推力瓦的实体构件；
步骤四、3D打印构件后处理
3D打印完成实体构件后，其表面还达不到在气悬浮轴承中实际应用的精度要求，通过对表面的切削加工以达到满足工程实际的表面精度要求，并将构件进行热处理以消除残余应力并防止开裂或变形。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述多孔质气悬浮轴承金属径向轴瓦和轴向推力瓦采用金属多孔质材料，其内部多孔质层采用一维毛细管模型，径向轴瓦和轴向推力瓦的多孔质层采用Ni个细长的直径为di＝0.3-0.5mm的多孔毛细管按同一方向紧密地排列而成，Ni可根据毛细管的直径及气孔率确定，气体在其间流动，流动方向与轴承支承的轴和推力盘表面相垂直，从而在其间隙中形成一层气体压力膜。
实施例三：利用本发明上述多孔质气体悬浮轴承金属瓦的3D打印制备方法打印气悬浮轴承多孔质金属径向轴瓦的具体实施例工艺过程如下：
步骤一：根据图2气体轴承系统结构，结合一维毛细管理论，确定图2中(2)多孔质气体轴承径向轴瓦的气孔率，计算得出毛细管内径di＝0.3-0.5mm与气孔数为Ni个，Ni可根据毛细管的直径及气孔率确定。使用三维建模软件SolidWorks及软件所带的建模特征建立径向轴瓦多孔质层结构模型如图4(a)，多孔结构的毛细管按同一方向紧密排列，获得用于3D打印的数字化三维模型。
步骤二：根据设计的使用要求选择耐腐蚀、高强度的不锈钢粉末进行3D打印。
步骤三：图3的铺粉小车(8)将不锈钢粉料(9)均匀的铺在工作面(6)上，计算机根据多孔质气体轴承径向轴瓦的切片模型控制激光器(4)的二维扫描轨迹，依据打印路径进行激光束扫描。3D打印机的打印头将固态的球状不锈钢粉末逐层烧结，厚度为不锈钢粉末粒度的两倍。打印头烧结完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉小车(2)铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层，逐渐形成多孔质径向轴瓦实体构件。
步骤四：3D打印完成图5径向轴瓦实体构件后，轴瓦的表面还达不到在气体轴承中实际应用的精度要求，使用刀具对表面进行切削加工使其表面精度达到要求，然后将金属轴瓦件进行热处理以消除残余应力，防止其开裂或变形。
如图2所示的本发明实例多孔质气悬浮轴承整体结构示意图，包括1-轴承钢背，2-内衬多孔质金属径向轴瓦，3-多孔质金属轴向推力瓦。内衬多孔质金属径向轴瓦2固定在轴承钢背1上，多孔质金属轴向推力瓦3与内衬多孔质金属径向轴瓦2相连接，其中内衬多孔质金属径向轴瓦2和多孔质金属轴向推力瓦3上分别分布着Ni个直径为di的毛细管。多孔质径向轴瓦和轴向推力瓦并列分布的毛细管，按同一方向紧密地排列而成，气体在其间流动，流动方向与轴承支承的轴和推力盘表面相垂直，从而在其间隙中形成一层气体压力膜。采用3D 打印技术生成内衬多孔质金属径向轴瓦2和多孔质金属轴向推力瓦3上的多孔质层。
使用一种多孔质气悬浮轴承金属瓦的3D打印制备技术制造出来的气悬浮轴承多孔质金属径向轴瓦和气悬浮轴承多孔质金属轴向推力瓦分别如图4～图7所示，最终装配成的多孔质气体悬浮轴承三维实物图如图8所示。
本发明设计合理，结构紧凑，运行可靠，轴向工作载荷由多孔质金属轴向推力瓦承受，起到轴向定位控制作用，内衬多孔质金属径向轴瓦起到径向定位控制作用和承受径向离心力作用。由于气体比油粘滞性小，所以气悬浮轴承耐高温，因而可用于余热发电机、高速机器、仪器及放射性装置中，寿命长，无需油润滑，磨损小，能够在高转速下运行。本发明采用3D 打印技术生成多孔质层，金属零件3D打印技术利用快速成型直接制造金属功能零件，是先进制造技术的重要发展方向，有着广阔的市场应用前景，此发明作为一个佐证，不仅仅应用于金属3D打印，也可以用于塑料3D打印等。

Claims (3)

1.一种多孔质气悬浮轴承金属瓦3D打印制备方法，其特征在于操作步骤如下：
步骤一、多孔质气悬浮轴承径向轴瓦和轴向推力瓦的建模：
依据气体轴承的一维毛细管理论，确定多孔质气悬浮轴承的径向轴瓦和轴向推力瓦的气孔率，计算毛细管内径d i 与气孔数N i ，利用三维建模软件建立径向轴瓦和轴向推力瓦的多孔质层结构模型，获得用于3D打印的数字化三维模型；
步骤二、3D打印：
根据设计的使用要求选择耐腐蚀的不锈钢粉末进行3D打印；
步骤三、径向轴瓦和轴向推力瓦模型的薄层打印与叠加：
计算机根据切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，依据打印路径逐层铺粉并进行电子束热源扫描；3D打印机的打印头将固态的球状不锈钢粉末逐层烧结，厚度为不锈钢粉末粒度的两倍；打印头烧结完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层，逐渐形成径向轴瓦和轴向推力瓦的实体构件；
步骤四、3D打印构件后处理
3D打印完成实体构件后，其表面还达不到在气悬浮轴承中实际应用的精度要求，通过对表面的切削加工以达到满足工程实际的表面精度要求，并将构件进行热处理以消除残余应力并防止开裂或变形。
2.根据权利要求1所述的一种多孔质气悬浮轴承金属瓦3D打印制备方法，其特征在于：所述多孔质气悬浮轴承金属径向轴瓦和轴向推力瓦采用金属多孔质材料，其内部多孔质层采用一维毛细管模型，径向轴瓦和轴向推力瓦的多孔质层采用N i 个细长的直径为d i =0.3-0.5mm的多孔毛细管按同一方向紧密地排列而成，N i 根据毛细管的直径及气孔率确定，气体在其间流动，流动方向与轴承支承的轴和推力盘表面相垂直，从而在其间隙中形成一层气体压力膜。
3.根据权利要求1所述的一种多孔质气体悬浮轴承金属瓦3D打印制备方法，其特征在于：所采用的3D打印材料为耐腐蚀、高强度的不锈钢材料。
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