基于增減材復(fù)合制造的中空離心葉輪工藝設(shè)計

高 凱，王振忠，孔劉偉，孔洋波，侯 亮

（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院機電工程系，廈門361000）

增材制造技術(shù)目前備受矚目，與傳統(tǒng)減材制造相比具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，目前國內(nèi)外基于金屬增材制造的研究和應(yīng)用進(jìn)展迅速，取得了豐碩的成果。針對航空航天、汽車和模具等行業(yè)部件結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜、材料越來越難加工的技術(shù)需求，增材制造+銑削加工（減材制造）的增減材復(fù)合式加工解決方案應(yīng)運而生。將增材制造與減材制造兩者有機地集成，使增減材復(fù)合制造技術(shù)不僅融合增材制造與減材制造兩者的優(yōu)勢，同時相互彌補了各自的不足，對于各類復(fù)雜部件的加工具有更大的彈性。這項技術(shù)具備了潛在顛覆性技術(shù)特征，將是下一步制造業(yè)關(guān)注的重點與熱點，它的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用必將促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)迎來新的飛躍。增減材復(fù)合加工的概念自20世紀(jì)90年代被提出以后[1]，各商業(yè)公司和研究機構(gòu)陸續(xù)開展相關(guān)儀器設(shè)備和平臺的開發(fā)。國外對于增減材復(fù)合加工裝備的研究開始較早，2013年美國Hybrid Manufacturing Technology公司推出AMBIT激光堆焊頭[2]。德國DMG MORI公司基于原有五軸機床開發(fā)出Lasertec 65 3D增減材復(fù)合加工中心[3]。2014年日本Mazak公司基于AMBIT堆焊頭開發(fā)出堆焊銑削復(fù)合加工機床INTEGREX i-400 AM[4]。2015年德國哈默以C40U五軸機床為基礎(chǔ)研發(fā)了Hermle MPA 40立式增減材復(fù)合銑床[5]。奧地利WFL公司開發(fā)出以Millturn800為基礎(chǔ)的車銑復(fù)合增減材加工機床[6]，最大部件尺寸可以達(dá)到φ1000×4500mm。近年來，國內(nèi)增減材復(fù)合制造機床迅速發(fā)展，相繼開發(fā)出多款增減材復(fù)合制造機床，2016年大連三壘研制了SVW80C–3D[7]機床，該機床復(fù)合了3D打印與五軸減材。2016年湖南大學(xué)聯(lián)合大族激光研制出了一款激光復(fù)合制造裝備[8]，開展了軸流風(fēng)機葉片、復(fù)雜燃料容器、耐磨模具的修復(fù)等應(yīng)用。2018年北京機電院機床有限公司開發(fā)出增減材復(fù)合機床XKR40-Hybrid[9]。當(dāng)前國外頂級機床制造商相繼推出的增減復(fù)合制造裝備，價格昂貴；國內(nèi)研制的增減復(fù)合裝備仍處于工藝探索階段并未有成熟的加工應(yīng)用。目前針對增減材復(fù)合制造的相關(guān)方法、原理、工藝等研究較少，還處于起步階段，美國、英國、德國、日本處于領(lǐng)先地位。英國巴斯大學(xué)學(xué)者針對激光增減材復(fù)合制造工藝概念，分析了增減材復(fù)合制造工業(yè)前景，并指出增減材復(fù)合制造技術(shù)能夠突破增材制造零件尺寸和形狀精度低的瓶頸，也可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)受傳統(tǒng)減材工藝的限制問題[10]。德國DMG MORI公司和美國加利福尼亞大學(xué)合作，研究了增減材復(fù)合制造工藝的合理工藝條件，并對SUS 316和Inconel 625材料增材成形件進(jìn)行拉伸性能試驗，結(jié)果指出SUS 316增材成形件工藝參數(shù)合理，屈服強度達(dá)到鍛件水平[11]。大連理工大學(xué)張璧教授團(tuán)隊采用增減材復(fù)合制造技術(shù)，制備了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的馬氏體時效鋼零件，該零件具有較高的致密度、表面質(zhì)量、形狀和尺寸精度，同時其微觀組織精細(xì)，硬度高且分布均勻[12]。

航空發(fā)動機在人類工業(yè)體系發(fā)展過程中占有極其重要的地位，由于其高精密性和復(fù)雜性，被稱為“工業(yè)皇冠上的明珠”[13]。隨著國內(nèi)外航空發(fā)動機性能要求不斷提升，小型渦噴發(fā)動機研發(fā)技術(shù)也朝著高轉(zhuǎn)速、輕質(zhì)量的方向發(fā)展[14]，而對小型渦噴發(fā)動機的輕量化設(shè)計優(yōu)化是最大程度提升小型渦噴發(fā)動機推重比的主要途徑之一。小型渦噴發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計幾乎到達(dá)傳統(tǒng)工藝制造的極限，氣動優(yōu)化對推重比提升效果甚微。增減材復(fù)合制造技術(shù)的飛速發(fā)展使得傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)得以成型，小型渦噴發(fā)動機輕量化設(shè)計也出現(xiàn)了新的可能性。

本文針對小型渦噴發(fā)動機的核心零件整體式葉輪，在滿足主要零部件性能要求的前提下，設(shè)計了一種實現(xiàn)輕量化目的的中空結(jié)構(gòu)，針對經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的中空離心葉輪進(jìn)行工藝分析。Powermill是Autodesk公司出品的功能強大，加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件系統(tǒng)，使用Powermill軟件對葉輪加工進(jìn)行路徑規(guī)劃及仿真驗證，設(shè)計出合理科學(xué)高效的基于增減材復(fù)合制造的工藝流程，完成了加工及檢測，可以為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增減材復(fù)合制造工藝提供一定的參考。

1 中空葉輪增減材結(jié)構(gòu)分析

整體式離心葉輪是渦噴發(fā)動機核心零部件，主要由葉輪的輪轂、葉片、包覆面及葉根圓角等部分組成。本文設(shè)計了基于增減材復(fù)合制造工藝設(shè)計優(yōu)化的中空離心葉輪，減重的主要方式為輪轂部分材料去除（圖1）。

圖1 中空葉輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Impeller structure diagram

中空離心葉輪部件結(jié)構(gòu)特點是輪轂部分為中空結(jié)構(gòu)，中空內(nèi)腔側(cè)壁較薄，葉片部分為復(fù)雜曲面，需使用五軸聯(lián)動加工方式。中空離心葉輪整體加工難度高，為滿足性能要求，葉片皆為彎曲弧度較大的復(fù)雜曲面，且葉片間隙十分??；葉輪流道窄小，葉片曲率較大，刀具難以加工到輪轂表面；葉片間隙小，加工相鄰葉片時容易出現(xiàn)干涉，且需用直徑較小的刀具，刀具易折斷；葉片弧度較大，加工過程中極易出現(xiàn)干涉、碰撞現(xiàn)象；中空離心葉輪其輪轂內(nèi)部呈空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔難以使用減材方式加工。傳統(tǒng)的減材加工工藝無法完成該中空離心葉輪的加工，需設(shè)計增減材復(fù)合制造工藝完成該葉輪的加工。

2 增減材復(fù)合加工工藝規(guī)劃

中空離心葉輪的輪轂內(nèi)部為完全封閉的中空內(nèi)腔（圖1），傳統(tǒng)減材加工方式難以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)，故采用“邊增邊減”的增減材復(fù)合加工方式對其進(jìn)行工藝設(shè)計（圖1（b）），針對外壁為曲面特征，內(nèi)壁為垂向特征結(jié)構(gòu)，采用增減材復(fù)合加工方式完成，對于無懸垂結(jié)構(gòu)部分采用三軸增材方式完成，回轉(zhuǎn)軸無需運動，熔覆頭掃描路徑簡單且增材過程平穩(wěn)、掃描速度穩(wěn)定。輪轂外側(cè)屬于曲面結(jié)構(gòu)，通過五軸聯(lián)動增材方式使其加工方向始終垂直于增材表面，可有效避免由于熔池流動產(chǎn)生的形變，為避免由于增材實際尺寸過大造成的干涉、碰撞以及完成中空結(jié)構(gòu)內(nèi)壁加工，將輪轂部分分為多段加工，每層輪轂外壁、內(nèi)壁增材完成后，對其表面進(jìn)行減材處理后再進(jìn)行下一層增材加工，直至中空輪轂封頂。如圖2 所示，由于增材制造本身特點，對曲面進(jìn)行五軸方式增材加工時，沉積材料在熔池中具有流動性，因此當(dāng)曲面出現(xiàn)角度變化時，熔融狀態(tài)的材料會向傾斜的一側(cè)沉積，導(dǎo)致增材曲面出現(xiàn)向內(nèi)傾斜的現(xiàn)象，傾斜角度與理想模型有誤差。中空離心葉輪的空心結(jié)構(gòu)輪轂外壁為角度不斷變化的曲面，因此需將葉輪模型尺寸進(jìn)行相應(yīng)的增大，以應(yīng)對其可能出現(xiàn)的變形。

圖2 曲面增材示意Fig.2 Surface additive schematic

輪轂實際加工過程為增減材復(fù)合的過程，對其進(jìn)行分段逐層加工，增減材復(fù)合加工主要是為了保證輪轂增材過程中下一層加工基準(zhǔn)面光整以及修整中空結(jié)構(gòu)中后續(xù)難以加工到的內(nèi)表面。葉片加工必須采用五軸聯(lián)動策略，因此將以輪轂為基體，編輯葉片加工路徑，由于增減材復(fù)合加工中心增材加工所使用的激光頭尺寸較大，且葉片曲面弧度較大，葉片間隙較小，因此需考慮其實際加工過程中的干涉問題，可根據(jù)實際情況，對葉片采取分層加工的方式。激光近凈成形后的工件表面粗糙且加工尺寸大于設(shè)定值，因此還需對其進(jìn)行減材加工，對中空離心葉輪的減材修整主要集中在葉輪的葉片及輪轂上，為保證修整輪轂時刀具與葉片不產(chǎn)生干涉，需要首先對葉輪葉片進(jìn)行精加工，之后再對輪轂進(jìn)行精加工。增減材復(fù)合加工工藝流程如圖3所示。

圖3 增減材復(fù)合加工工藝規(guī)劃Fig.3 Process planning of additive–subtractive hybrid manufacturing

葉輪底部屬于倒扣面，難以增材，故將其倒扣懸空部分先全部增材，待部件上表面完全增減材后再翻面加工。中空離心葉輪增材可分為垂向切片增材和曲面增材兩個部分。垂向特征采用三軸增材策略，成形簡單、靈活、高效；曲面增材部分包括輪轂的外側(cè)壁和14個大小葉片，需要借助曲面切片法進(jìn)行增材。葉輪基體部分可采用三軸策略完成。該葉輪葉片屬于變截面尺寸葉片，角度與厚度變化大，增材加工過程中，單道掃描后的金屬沉積寬度是固定的，且曲率過大部位會使得熔覆頭減速，出現(xiàn)堆積材料過多現(xiàn)象，如按照實際模型規(guī)劃增材工藝，無法得到理想葉片，因此采用完全包裹實際葉片的等厚度葉片作為規(guī)劃增材路徑模型，使得葉片增材成型質(zhì)量提升，本文所加工中空離心葉輪葉片分布密集，考慮到加工過程干涉問題，所有葉片均采用三段式增減材復(fù)合加工，如圖3所示，依次完成所有葉片底部、中部、頂部加工，并控制增材角度，使其增材路徑始終與增材表面盡可能垂直。

激光近凈成形的葉輪表面粗糙、加工余量大，在完整增材中空葉輪后還需對輪轂和葉片進(jìn)行最終精加工，以達(dá)到良好的表面質(zhì)量。增材后的多余材料均集中在葉輪葉片和輪轂上，進(jìn)行完整增材后先對葉輪進(jìn)行葉片精加工再對輪轂進(jìn)行精加工，這種工藝路線可以保證加工輪轂時刀具與葉片不干涉，有效地避免了碰撞。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使中空離心葉輪的實際加工十分困難，因此在正式加工之前需對加工路徑進(jìn)行仿真，防止在實際加工過程中可能出現(xiàn)的干涉、過切等問題，并且可以以較高效率優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

3 增減材復(fù)合加工試驗

本研究采用廈門大學(xué)航空航天學(xué)院研制開發(fā)的LV650C型增減材復(fù)合五軸加工中心，增材方式為激光近凈成形，機床轉(zhuǎn)臺直徑為600mm，最大縱、橫、垂向行程為700mm×500mm×500mm，主軸轉(zhuǎn)速最高為15000r/min。根據(jù)前文對中空離心葉輪的工藝規(guī)劃，設(shè)計的中空離心葉輪增減材復(fù)合加工試驗流程如圖4所示。

圖4 增減材復(fù)合加工試驗流程Fig.4 Test procedure of additive–subtractive hybrid manufacturing

3.1 增材加工部分

增材加工時采用定制的316L不銹鋼板作基體增材，按照預(yù)設(shè)的路徑和參數(shù)進(jìn)行增材加工，試驗流程如圖5所示。

中空結(jié)構(gòu)的增材面臨結(jié)構(gòu)的密封問題以及中空腔內(nèi)材料的殘留問題。增材時可交替進(jìn)行側(cè)壁的分段增材，在中空結(jié)構(gòu)封閉前清除切屑和粉末，實現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)的閉合。增材加工時，輪轂外側(cè)壁屬于曲面增材，增材時加工角度不斷變化，層與層之間存在間隙，導(dǎo)致側(cè)壁向內(nèi)傾斜，側(cè)壁傾斜角度發(fā)生變化。為實現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)完整增材，將增材時可能出現(xiàn)的變形考慮進(jìn)去，對增材模型進(jìn)行預(yù)處理，將模型外側(cè)壁厚增加1mm，并按照相同的參數(shù)進(jìn)行加工。最終增材實際效果如圖5所示。葉片既是薄壁結(jié)構(gòu)，又屬于變截面曲面特征，同一輪轂上分布14個大小葉片，存在曲面截面厚度變化大、葉片密集和葉片較高等加工難題，采用平均輪轂法線的刀具矢量方向生成加工路徑。增材加工工藝參數(shù)如表 1所示。

表1 增材加工工藝參數(shù)Table 1 Additive processing parameters

圖5 增材加工試驗Fig.5 Additive processing test

觀察最終得到的增材模型，可明顯看出基于相同加工參數(shù)進(jìn)行加工的葉片，第2段的寬度小于第1段，第3段小于第2段，造成該現(xiàn)象的原因是熱積累，在增減材復(fù)合制造過程中，減材加工后零件處于完全冷卻狀態(tài)，且存在切削液殘留現(xiàn)象，切換為增材加工后，激光產(chǎn)生的熱量一部分被基體及零件吸收、傳導(dǎo)而消耗，一部分被用于蒸發(fā)殘留在表面的切削液，致使實際加工熱量小于設(shè)定值，故增材尺寸也受到影響。

3.2 減材加工部分

增材加工后的葉輪尺寸大于理論值，且表面粗糙，因此后續(xù)進(jìn)行減材加工對其尺寸及外表面精加工處理，減材加工試驗流程如圖6所示。

圖6 減材加工試驗Fig.6 Subtractive processing test

葉片增材加工后的尺寸較設(shè)計尺寸要大很多，為防止加工過程中可能出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象，對葉輪進(jìn)行預(yù)處理，減少加工余量，主要處理位置為葉片頂部和側(cè)面的多余材料。預(yù)處理之后便進(jìn)行葉輪的半精加工，該過程需對模型進(jìn)行快速減材，處理多余的材料，僅預(yù)留最終精加工的余量，主要加工部位為葉輪葉片部分。半精加工之后，需對葉輪輪轂及葉片部分進(jìn)行最后的精加工處理，精加工為葉輪增減材復(fù)合加工的最后一步，減材加工工藝參數(shù)如表2所示。

表2 減材加工工藝參數(shù)Table 2 Subtractive processing parameters

4 檢測及數(shù)據(jù)分析

中空離心葉輪整體加工完成后，對其進(jìn)行在機檢測，檢測流程如圖7所示。

圖7 檢測流程Fig.7 Inspection process

本文對離心葉輪葉片表面的自動測量過程，本質(zhì)上就是探針按照設(shè)定的位姿，同時按照后處理程序?qū)?yīng)的路線運動，完成對各截面線上點的測量過程，具體策略如圖8所示。

檢測時將雷尼紹測頭安裝在增減材復(fù)合加工中心主軸上對中空離心葉輪表面選點測量，測量部位主要為大葉片截面線上的葉盆段、前緣段和葉背段（各對應(yīng)3條截面線），如圖9和10所示。

圖9 葉片檢測區(qū)域Fig.9 Blade detection area

圖10 中空離心葉輪檢測過程Fig.10 Impeller inspection process

為分析加工的葉輪葉片輪廓與理論模型的偏差，在大葉片截面線1葉盆段采集約20個點，在前緣段采集約10個點，在葉背段采集約20個點。將測點數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對比分析，計算出各測點在X、Y和Z方向的偏差（dX、dY、dZ）以及總偏差dL，如圖11所示。

為更直觀地表達(dá)檢測各點的偏差，分別提取大、小葉片各截面線上的測量點偏差值繪制圖12所示的測點偏差圖。

圖12 截面線測點偏差Fig.12 Measuring point deviation of section line

對大、小葉片的3組測點數(shù)據(jù)偏差平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計算，得到表3所示數(shù)據(jù)。

表3 大、小葉片3組截面線測點偏差Table 3 Measuring point deviation of three sets of section lines of large and small blades mm

從圖11中可以看到，大小葉片的3組截面線葉盆–前緣–葉背的測點偏差值均呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

圖11 測點偏差示意圖Fig.11 Schematic diagram of measuring point deviation

離心葉輪葉片輪廓誤差產(chǎn)生的原因存在于加工與檢測過程的每個環(huán)節(jié)中，比如刀具磨損和環(huán)境溫度變化等都是測點誤差產(chǎn)生的來源。結(jié)合測量數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生誤差最可能的原因及其對應(yīng)的處理方案如下：

（1）機床五軸聯(lián)動的誤差。從大葉片測量的3條截面線數(shù)據(jù)，葉盆測點的偏差值大部分在–50～10μm范圍內(nèi)，葉背測點的偏差值大部分在5～55μm范圍內(nèi)。由于葉盆段和葉背段分別對應(yīng)不同的探針位姿，可以初步得出，機床BC軸在不同的擺角下五軸聯(lián)動的誤差不同。本機床目前僅完成了X、Y、Z、B和C各軸單方向的直線運動精度驗證，后期完成對五軸聯(lián)動控制精度進(jìn)一步修正，是降低機床五軸聯(lián)動誤差的有效方式。

（2）加工誤差。葉輪減材工藝加工路徑是在Powermill軟件中將一定數(shù)量點擬合成曲線，與實際模型點會有0～10μm的誤差，在后期規(guī)劃中通過采用盡可能多的點去擬合加工路徑，能一定程度的減少加工誤差。

5 結(jié)論

增減材復(fù)合制造工藝能夠完成一些傳統(tǒng)加工方式難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于其工藝特性，增減材復(fù)合制造能大幅提升加工效率，提升材料的利用率，同時能夠保證足夠的加工精度，綜合了增材、減材兩種工藝的優(yōu)點。本文對中空離心葉輪的增減材復(fù)合制造設(shè)計了合理的工藝流程，并通過運動仿真驗證優(yōu)化了增減材路徑，通過機理分析針對增材加工工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，后續(xù)通過增減材復(fù)合加工試驗驗證了整體工藝的可行性，在完成中空離心葉輪的加工后，對其進(jìn)行在機檢測，驗證加工精度，結(jié)果表明增減材復(fù)合加工工藝可以實現(xiàn)中空離心葉輪的完整加工，整體加工精度可通過后續(xù)對機床以及工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提高。增減材復(fù)合制造工藝的應(yīng)用對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的加工具有一定指導(dǎo)意義。

針對存在復(fù)雜曲面、中空結(jié)構(gòu)零件，采用增減材復(fù)合制造工藝時需注意以下5點：

（1）零件設(shè)計階段需盡可能避免大曲率結(jié)構(gòu)，大曲率會造成增材階段零件尺寸大于設(shè)計尺寸，甚至由于材料積累出現(xiàn)較大凸起，易產(chǎn)生干涉，為應(yīng)對增材制造中可能出現(xiàn)的形變，減少使機床進(jìn)給速度出現(xiàn)驟變的結(jié)構(gòu)，設(shè)計工藝時可將增材制造部分尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅ㄟ^減材制造完成最終需要的精度。

（2）增減材復(fù)合制造過程伴隨著復(fù)雜的材料形態(tài)變化，材料微觀組織特征對零件力學(xué)性能有較大的影響，還需對增減材復(fù)合制造過程中激光、熔池、粉末、基體、刀具、切削液等因素的相互作用及其影響進(jìn)行研究，保證最終零件的性能滿足使用要求。

（3）增材制造時可能出現(xiàn)零件表面質(zhì)量不佳、內(nèi)部出現(xiàn)微缺陷、部分結(jié)構(gòu)形變等問題，因此需設(shè)計合理的工藝參數(shù)，保證增減材復(fù)合制造能夠有序進(jìn)行。

（4）增減材復(fù)合制造是增材制造與減材制造交替進(jìn)行的過程，工藝規(guī)劃時需考慮溫度場、應(yīng)力場及每種工藝所產(chǎn)生的表面狀態(tài)。為避免熱影響造成的加工誤差，可適當(dāng)在增材制造與減材制造交替過程中預(yù)留一定的使工件冷卻的時間。

（5）對于易產(chǎn)生干涉，空間狹小，形貌復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，分層、分區(qū)的加工方式能夠有效地解決此類結(jié)構(gòu)的工藝規(guī)劃。如本文中空離心葉輪排布緊密的大小葉片，將其按照底部、中部和頂部位置進(jìn)行分層，并依次完成增減材復(fù)合制造，有效地降低了整體工藝難度。