3D打印制備的渦輪導(dǎo)向葉片毛坯及其加工工藝研究

何春萌 蔡 斌 許 欣 李 嬋 周 軍

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，株洲 412002）

當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片的傳統(tǒng)制備方法是采用葉身無余量精密鑄造工藝制備毛坯，再經(jīng)局部機(jī)械加工最終成型。目前，一般通過六點(diǎn)定位法建立基準(zhǔn)精確定位毛坯。葉片毛坯通常采用六點(diǎn)定位，利用定制專用夾具夾緊后進(jìn)行去料加工。該方法由于夾具設(shè)計(jì)加工成本較高且工序復(fù)雜，加工周期通常需要6～12個(gè)月[1]。

3D打印是一種利用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式構(gòu)造物體的技術(shù)[2]。近年來，它在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座、葉片以及噴嘴等典型零部件的制造過程中得到了實(shí)際應(yīng)用[3]。3D打印直接成型的渦輪導(dǎo)向器葉片精度達(dá)不到成品要求，因此通常通過快速打印出葉片毛坯，再對(duì)毛坯進(jìn)行機(jī)加工的方式得到渦輪導(dǎo)向器成品葉片。與傳統(tǒng)的葉片精密鑄造方法相比，3D打印的成本較低，毛坯制備周期短，毛坯成型精度可達(dá)到與精密鑄造相當(dāng)?shù)乃?。目前?D打印的渦輪零部件多用于預(yù)先研究的部件試驗(yàn)[4]。部件試驗(yàn)有節(jié)約成本、快速調(diào)整和驗(yàn)證的需求，因此小批量成型、花費(fèi)較低且制造速度較快的3D打印渦輪零部件在渦輪部件性能試驗(yàn)方面有著實(shí)際需求和良好的應(yīng)用前景[5]。

本文以某試驗(yàn)件3D打印的多聯(lián)導(dǎo)向葉片毛坯為研究對(duì)象，分析該3D打印多聯(lián)導(dǎo)向葉片毛坯的結(jié)構(gòu)特征，提出了一種基于葉型和流道加工出定位基準(zhǔn)面，再結(jié)合整環(huán)去料加工成形的加工工藝，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的夾具和工裝，在實(shí)際加工過程中得到了應(yīng)用。

1 3D打印渦輪導(dǎo)向器葉片的結(jié)構(gòu)特征

1.1 結(jié)構(gòu)形式

某渦輪性能試驗(yàn)件導(dǎo)向葉片為四聯(lián)結(jié)構(gòu)，均通過徑向止口進(jìn)行定心定位，通過螺栓壓緊端面實(shí)現(xiàn)固定，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)

裝配示意圖如圖2所示。7片導(dǎo)葉通過徑向定位面定心，通過螺栓壓緊安裝在機(jī)匣上。它的徑向定位面的尺寸公差、配合度以及壓緊端面的表面質(zhì)量，決定多聯(lián)導(dǎo)向葉片安裝時(shí)的裝配質(zhì)量。

圖2 導(dǎo)葉裝配

3D打印導(dǎo)向葉片毛坯以導(dǎo)葉三維數(shù)字理論模型為參考，直接通過激光選區(qū)熔化成型技術(shù)成型葉型和流道面。導(dǎo)葉毛坯的上緣板和下緣板表面上留有去料余量，需在成品前的機(jī)加工時(shí)去除。

1.2 尺寸和表面精度

對(duì)導(dǎo)葉毛坯進(jìn)行三維掃描，如圖3所示。根據(jù)三維掃描結(jié)果可得到以下結(jié)論。第一，緣板端面和徑向圓弧面的表面質(zhì)量相對(duì)較低。計(jì)量結(jié)果顯示，7件導(dǎo)向葉片毛坯的緣板端面和導(dǎo)向葉片徑向定位圓弧面與模型相差較大，偏差中間值為0.2～0.3 mm，偏差最大值可接近0.5 mm。第二，葉型型面特征打印精度相對(duì)較高。計(jì)量結(jié)果顯示，尾緣處的葉型輪廓偏差在±0.05 mm，滿足航標(biāo)《葉片葉型的標(biāo)注、公差與葉身表面粗糙度》（HB 5647—1998）中的葉片葉型公差要求。前緣處的葉型輪廓偏差較大，平均偏差在0.2 mm左右，誤差最大值可接近0.5 mm。第三，7件導(dǎo)向葉片毛坯與理論模型的偏差在不同葉片毛坯之間和同一葉片的不同區(qū)域之間均存在較大差異，且分布沒有規(guī)律，葉片的相互差異性較明顯。

采用3D打印方法制備葉片主要在于可降低成本、縮短周期，因此毛坯去料加工不宜采用成本高、周期長(zhǎng)的六點(diǎn)定位法，同時(shí)有必要研究適用3D打印導(dǎo)向葉片毛坯的快速機(jī)加工方法。

2 3D打印多聯(lián)導(dǎo)向葉片的機(jī)加工工藝

2.1 端面基準(zhǔn)的確定

通過其他精度較好的特征間接加工一個(gè)基準(zhǔn)端面是可行的?？紤]葉型尾緣處的葉型輪廓偏差在0.05 mm以內(nèi)，可將葉型尾緣的特征作為參考，通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換將其結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換到緣板端面，從而得到能較好反映葉片軸向位置關(guān)系的端面基準(zhǔn)?；谶@一思想設(shè)計(jì)了一種半月形等高墊塊，安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

螺桿一端通過螺紋安裝在標(biāo)準(zhǔn)方塊方塊上，另一端通過壓緊螺母和壓板壓緊導(dǎo)葉毛坯，使得等高擋塊一側(cè)與導(dǎo)向葉片毛坯的葉型尾緣保持壓緊接觸。為了避免導(dǎo)葉葉型尾緣出現(xiàn)壓痕，壓緊螺母需要控制擰緊力矩。只要帶緊螺桿，保證導(dǎo)葉毛坯不松動(dòng)即可。

圖3 導(dǎo)向葉片三維掃描結(jié)果

圖5 半月形擋塊安裝

安裝完成后，需要選擇合適的去料方式加工端面基準(zhǔn)。導(dǎo)葉毛坯僅通過單側(cè)壓板保持小壓力接觸壓緊，故不能使用機(jī)械力去料，如車、銑等。此時(shí)，可選擇電火花線切割的方式，利用電腐蝕蝕除多余的金屬。以標(biāo)準(zhǔn)方塊為基準(zhǔn)，加工上緣板端面（圖6中端面C）。已知墊塊厚度L1和設(shè)計(jì)值L3，可得到加工尺寸L2的到位尺寸及其公差范圍。L2加工到位后，端面基準(zhǔn)C可較好地反映葉型與緣板端面的端面位置關(guān)系，用于指導(dǎo)葉毛坯的后續(xù)端面加工。

圖6 端面基準(zhǔn)加工

2.2 徑向基準(zhǔn)的確定

設(shè)計(jì)了一種圓盤式結(jié)構(gòu)固定工裝，周向均布螺栓孔和精密銷釘孔。將多件毛坯拼成整環(huán)，通過螺栓初步固定在工裝上。通過調(diào)整墊的高度，使毛坯下緣板處端面與調(diào)整墊保持壓緊接觸或者小間隙配合，以提供輔助支撐。通過導(dǎo)葉毛坯流道面和兩個(gè)精密臺(tái)階銷釘調(diào)整毛坯徑向位置。臺(tái)階銷有正裝和反裝兩種安裝方式，如圖7所示。

圖7 徑向基準(zhǔn)調(diào)整

徑向基準(zhǔn)調(diào)整過程如下。

（1）在機(jī)床上徑向找正圓盤工裝A基準(zhǔn)后，當(dāng)毛坯流道面距圓盤中心孔的距離ФD和圓周跳動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，銷釘正裝用于徑向限位；反之，銷釘反裝，利用臺(tái)階銷直徑尺寸差留出調(diào)整空間。

（2）銷釘反裝時(shí)，銷釘與上緣板之間可留出一定間隙，通過插入塞尺微調(diào)導(dǎo)葉毛坯的徑向位置，直至葉片毛坯流道面的流道尺寸ФD和圓周跳動(dòng)均滿足要求后，將螺栓擰緊，固定葉片毛坯位置。

（3）該型葉片周向共有7片，對(duì)7片葉片毛坯均進(jìn)行調(diào)整操作后即可得到流道尺寸和圓周跳動(dòng)均滿足要求的整圈葉片，然后固定當(dāng)前位置。此時(shí)，A基準(zhǔn)能較好地反映導(dǎo)葉流道的徑向位置關(guān)系，可作為毛坯后續(xù)組合機(jī)加工的徑向加工基準(zhǔn)。

2.3 整環(huán)加工

將導(dǎo)葉毛坯加工的端面C轉(zhuǎn)換至圓盤固定工裝的B基準(zhǔn)，以圓盤固定工裝的A基準(zhǔn)作為徑向基準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)葉毛坯進(jìn)行下一步加工。在進(jìn)行整環(huán)去料加工前，需要對(duì)導(dǎo)葉毛坯、葉片、葉身及葉身之間的區(qū)域進(jìn)行灌蠟處理，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)葉毛坯灌蠟效果

這道工序可以帶來兩個(gè)好處：一是可以增加整環(huán)結(jié)構(gòu)的剛度，減少震刀紋的產(chǎn)生；二是可以防止加工過程中鐵屑進(jìn)入氣膜孔和冷氣通道。此時(shí)，導(dǎo)葉毛坯已通過螺栓壓緊固定，可在立式數(shù)控銑床上將排氣側(cè)緣板特征加工至設(shè)計(jì)尺寸。加工完成后再融蠟，拆卸壓緊螺栓，即可得到單片葉片成品。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了某渦輪性能試驗(yàn)件3D打印導(dǎo)向毛坯的結(jié)構(gòu)特征，基于毛坯特征提出了一種快速加工工藝方法。該方法夾具和工裝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用常規(guī)成熟的去料工藝，可在1個(gè)半月內(nèi)完成導(dǎo)葉毛坯的精加工，加工周期相較于傳統(tǒng)加工方法至少可縮短2/3。