快速成形技術在航空發(fā)動機傳動機匣上的應用

海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室 朱 勇 姚 燦

中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司工模具分公司 郭芳瓊

快速成形技術（Rapid Prototyping，RP）已經成為先進制造技術領域的一個重要里程碑，它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等。與傳統(tǒng)的去材料成形技術相比，快速成形從零件的CAD三維幾何模型出發(fā)，通過軟件分層和數(shù)控成形系統(tǒng)，用激光束或者其他方法將材料堆積形成實體零件[1]?？焖俪尚渭夹g能快速響應市場需求，滿足個性化、多樣化產品需求，已廣泛應用于機械、電子、航空航天等各個領域。

快速成形技術工作原理

快速成形先進制造技術是80年代末90年代初在美國開發(fā)的高新制造技術，其原理如圖1所示，屬于離散堆積成形。首先對零件的三維CAD模型沿某一方向對其進行虛擬分層切片，得到各層截面的輪廓信息，根據(jù)這些輪廓信息，激光束進行選擇性地固化一層層的液態(tài)樹脂，或燒結一層層的粉末材料，形成各截面并逐步疊加成三維產品。它將一個復雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合[2]。

目前，國際上比較成熟的快速成形技術有光固化成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、分層實體制造成形（Laminated Object Manufacturing，LOM）、選擇性激光燒結成形（Selective Laser Sintering，SLS）、熔 融 沉 積 成 形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）和立體三維打?。?D Printing，3DP）。這幾種快速成形技術的優(yōu)缺點如表1所示。

圖1 快速成形原理

表1 幾種典型快速成形技術的優(yōu)缺點比較

快速成形技術特點

快速成形技術已經廣泛應用于機械、電子、航空航天等各個領域，它與傳統(tǒng)的材料加工技術相比具有以下特點[3-4]：

（1）快速成形采用離散堆積成形原理，自動完成從電子模型（CAD模型）到物理模型（原型和零件）的轉換。它將一個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊合，所以可針對任意復雜形狀的零件進行加工。

（2）快速成形具有高度的柔性，無需任何專用工模具即可完成復雜的制造過程，快速制造工模具、原型或零件。

（3）快速成形實現(xiàn)了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標，即材料提?。?、液、固相）過程與制造過程一體化和設計與制造的一體化。

（4）通過對一個三維CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設計和加工信息。制造一個零件的時間一般只需幾小時到幾十小時。

（5）與反求工程相結合，成為快速開發(fā)新產品的有力工具。

快速成形技術在航空發(fā)動機傳動機匣上的應用

附件傳動機匣作為發(fā)動機重要零件之一，在發(fā)動機中起重要作用，不僅需為各種發(fā)動機附件、飛機附件以及各種測試、監(jiān)控設備提供安裝位置，還需包容附件傳動鏈，為附件傳動鏈提供一個良好的工作環(huán)境，所以附件傳動機匣往往是發(fā)動機中結構最復雜、型腔最異形的一個構件。

近年來，為了配合發(fā)動機性能的提高，附件傳動機匣進一步向高度集成化方向發(fā)展，集成了傳動、滑油箱、動力輸出、進氣、燃滑油管路等構件功能，有的甚至集成了部分壓氣機機匣。集成化設計可以減少零件數(shù)量和裝配環(huán)節(jié)，提高可靠性，減輕重量，有效提高發(fā)動機性能。但是附件傳動機匣的高度集成化使得機匣的結構更趨復雜，給設計和制造帶來極大的困難。如某渦槳發(fā)動機（見圖2）、某渦軸發(fā)動機（見圖3）將大量原本獨立的管路集成在附件傳動機匣內，致使機匣型腔非常復雜。

圖2 某渦槳發(fā)動機

圖3 某渦軸發(fā)動機

某型渦槳發(fā)動機附件傳動機匣與低壓壓氣機機匣、滑油箱以及一些附件的殼體集成為一體，同時機匣上安裝許多燃、滑油附件，導致機匣的外形和內腔都很復雜，尤其是機匣中布置了許多進出滑油箱和連通燃、滑油附件的管路，這些管路為空間復雜結構，多處有交叉、分支與盤旋，部分沿機匣外壁分布，部分伸入到機匣內部。機匣的內部結構是否準確，管路的布置是否合理，管路及腔體的壁厚是否合適，給機匣設計和加工帶來了很大的困難。完成初步設計之后，需要找一種快速有效的手段對設計結果進行檢查與評估。與此同時，該附件傳動機匣的鑄造難度大、成本高、周期長，需要投入大量人力物力。故在正式投產前，承制廠也要求設計人員盡可能保證設計的正確性，以避免或減少時間和成本的浪費?；谏鲜鰡栴}，采用快速成形技術對初步設計的零件模型成形，檢驗設計質量，排查設計問題。

快速成形高度柔性的制造特點，解決了零件復雜的問題。將復雜的三維實體離散成一系列二維層片進行加工，避免了三維加工中刀具干涉的問題，可以制造具有任意復雜形狀與結構、不同材料復合的原型或零件。同時，快速成形技術是建立在高度技術集成的基礎之上，從產品CAD模型制成零件，一般只需要幾個小時到十幾個小時，具有生產周期短的優(yōu)點。因此，快速成形技術可以承擔檢驗設計模型正確性的角色，而且適合小批量生產、成本較低。

分析表1中的各種快速成形方法，其中的激光粉末燒結（SLS）快速成形方法，成形頭為激光，成形機理是粉末材料的燒結成形。具有速度快、強度高、無需支撐的特點，且國內技術比較成熟。因此在本應用實例中選用該方法進行快速成形，模型離散方向選該零件的軸向，以一定的厚度依次成形離散后的各個分層截面，成形之后進行后處理，使得成形強度顯著提高。

通過對快速成形模型的研究，對比檢驗各設計特征，取得了良好的應用成果，發(fā)現(xiàn)了原設計中一些需要改進完善之處：

（1）通過解剖快速成形模型，檢查附件傳動機匣中管路的布置，確認管路設計基本合理，管路布置符合設計意圖，但部分管路需微調位置；

（2）檢查管路的壁厚和腔體的壁厚，鑄件整體壁厚設計≥5mm，發(fā)現(xiàn)快速成形模型部分腔體的壁厚只有3～4mm，需修改完善；

（3）某些管路在局部區(qū)域懸空在機匣內，而沒有依附或內嵌在機匣中，這些管路與機匣的依托關系需進行調整；

（4）部分特征鑄造工藝性較差，需要改進。

結束語

通過在航空發(fā)動機附件傳動機匣設計制造過程中應用快速成形先進制造技術，發(fā)現(xiàn)了傳動機匣初步設計中存在的問題，為完善傳動機匣設計發(fā)揮了重要作用，豐富了復雜發(fā)動機零件的設計驗證手段。航空發(fā)動機是技術密集、結構復雜的工業(yè)產品，快速成形作為先進制造技術的一種，在發(fā)動機其他零部件設計和制造中的應用有待于進一步的研究和探討。

[1]王廣春. 快速成形與快速模具制造技術及其應用.北京：機械工業(yè)出版社, 2003.

[2]朱林泉,白培康,朱江森. 快速成形與快速制造技術. 北京：國防工業(yè)出版社,2003.

[3]王學讓,楊占堯. 快速成形理論與技術. 北京：航空工業(yè)出版社, 2001.

[4]周建忠，劉會霞．激光快速制造技術及應用．北京:化學工業(yè)出版社，2009.