CN104690517A - 一种基于3d打印与电火花精整的整体叶盘制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，包括：1)制备整体叶盘的轮毂，并将整体叶盘的轮毂清洗后定位及固定在数控工作台上；2)生成切片文件；3)数控工作台所述切片文件通过3D打印制备整体叶盘坯体；4)对整体叶盘坯体进行热等静压处理；5)测量整体叶盘坯体的实际三维模型；6)获取整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；7)根据所述精度误差及变形量确定电火花加工余量；8)根据所述电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工，得整体叶盘样品；9)消除整体叶盘样品表面的熔凝层，并进行磨削，得整体叶盘。本发明可以实现整体叶盘的制备，节省材料，加工精度高。

Description

一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法
技术领域
本发明属于3D打印整体叶盘技术领域，是一种整体叶盘制备方法，具体涉及一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法。
背景技术
整体叶盘是新一代高性能航空发动机中实现结构创新与技术跨越的核心部件，相比原有叶盘分离结构，叶盘是作为一个整体部件来生产的，省去了传统叶盘连接中的榫头、榫槽和锁紧装置等，减少了结构重量及零件重量，提高了叶盘的刚性和平衡精度，避免了榫槽的气流损失，提高气动效率，使发动机结构大大简化，并有利于延长发动机的使用寿命，并提高发动机的推重比和可靠性，同时带来了更大的经济可行性。
与整体叶盘诸多优点相对应，由于叶盘集成的整体化，也造成了整体叶盘的结构非常复杂，通道开敞性差，叶片薄、弯扭大、易变形，同时其制造材料主要采用钛合金、高温合金等高性能金属材料和钛基、钛铝化合物等先进复合材料，使得整体叶盘的整体综合制造工艺技术成为行业的难题，现有的整体叶盘制备过程中由于采用机械加工的方式，制造的周期较长，并且材料的机械加工量较大，加工过程中宏观削力会引起薄壁叶片的振动，从而造成加工表面毛刺和刀痕沟纹。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，该方法可以实现整体叶盘的制备，节省材料，加工精度高。
为达到上述目的，本发明所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法包括以下步骤：
1)制备整体叶盘的轮毂，然后将整体叶盘的轮毂清洗后定位及固定在数控工作台上；
2)将整体叶盘的目标三维模型导成STL格式后进行分层切片，并根据分层切片的结果生成切片文件；
3)设定送粉式激光增材制造的工艺参数，再在惰性气体的保护下，数控工作台根据步骤2)得到的切片文件使激光束与整体叶盘的轮毂进行相对运动，并3D打印生成沿整体叶盘轮毂圆周方向上均匀分布的叶片，得整体叶盘坯体；
4)将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中进行热等静压处理；
5)将经步骤4)得到的整体叶盘坯体装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘坯体，建立整体叶盘坯体的实际三维模型；
6)通过整体叶盘坯体的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
7)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型与整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量确定电火花加工余量；
8)根据步骤7)得到的电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工，得到整体叶盘样品；
9)将经步骤8)得到的整体叶盘样品装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘样品，建立整体叶盘样品的实际三维模型；然后将整体叶盘样品的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得到的整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量；
10)根据整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量判断整体叶盘样品是否合格，当整体叶盘样品合格时，则采用湿吹沙及振动光饰工艺去除整体叶盘样品表面的熔凝层，然后再对整体叶盘样品的叶片顶端进行外圆磨削，得到整体叶盘。
步骤7)的具体操作为：
a)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形误差确定电解加工余量；
b)根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工，再通过三坐标测量机测量经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型；
c)通过经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型与整体叶盘的目标三维模型进行对比，得经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
d)根据经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量得电火花加工余量。
步骤b)中根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工的具体操作为：
e)将整体叶盘坯体水平安装在电解加工机床的分度工作台上，并以整体叶盘坯体中的任意一个叶片作为待加工叶片；
f)旋转电解加工机床的分度工作台，使待加工叶片正对叶盆加工电极及叶背加工电极，再将叶盆加工电极及叶背加工电极同时向待加工叶片运动，使叶盆加工电极和叶背加工电极距待加工叶片的表面1～2mm，叶盆加工电极和叶背加工电极距整体叶盘的轮毂外圈表面1～2mm；
g)向待加工叶片表面供给电解液，设置电解参数后根据电解加工余量对待加工叶片进行电解加工；
h)待电解加工完成后，叶盆加工电极及叶背加工电极停止振动，同时脉冲电流停止工作，电解液停止供给；叶盆加工电极和叶背加工电极退出加工区域，到达安全区域；
i)选取整体叶盘坯体上的下一个叶片为待加工叶片，并重复步骤f)、g)及h)，直至整体叶盘坯体上所有叶片加工完成。
步骤g)中设置的电解参数为：脉冲同步振动进给的振动频率f为0～19.44Hz，导通角β为0～π，振幅为0.1～0.27mm，进给速度为0.1～10mm/min，连续脉冲电流频率和振动进给的振动频率相同，脉冲电流的脉宽tk＝β/(2πf)，脉冲电流的峰值电压为0～24V。
步骤f)中电解加工机床的分度工作台旋转的角度为0-14°50′。
所述切片文件包括分层方向、分层厚度及激光束扫描轨迹。
步骤4)的具体操作为：
将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中，再加热到940℃，并加压到200MPa，保温恒压1h；然后冷却至650℃，并减压至110MPa，再保温恒压2-4h；最后在冷却至500℃，并减压至大气压，然后再随炉冷却至室温。
步骤8)的具体操作为：
将整体叶盘坯体水平安装在电火花机床的变位机工作台上，采用煤油或油水乳化液为工作液、石墨为电极工具，设置整体叶盘的极性为正极，选用等能量方波的电源模式，设置电火花机床参数后根据电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工；
所述电火花机床参数为：脉冲宽度为5-30μs，脉冲间隙为15-40μs，电流密度为17.52-84.39A/cm2，间隙电压为35-70V。
步骤10)中对整体叶盘样品进行磨削的具体过程为：将整体叶盘样品安装到外圆磨床上，通过外圆磨床对整体叶盘样品上叶片的端面进行磨削，磨削过程中，整体叶盘样品的转速为6000r/min，砂轮线速度为120m/s，纵向进给速度为0.01mm/min，外圆磨床采用水基冷却方式注水，其中，水的流量为90L/min、扬程为5.5m。
步骤3)中送粉式激光增材制造的工艺参数为：激光功率为2200-2800W，扫描速率为2-10m·s-1，送粉速率为3-10g·s-1，惰性气体的气体流量为120L·h-1，激光光斑直径为3mm，层叠率为20-50％，Z轴升移量为0.25-0.5mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法在制备整体叶盘的过程中，先制备整体叶盘的轮毂，然后在整体叶盘的轮毂的基础上通过3D打印技术制备整体叶盘的轮毂圆周方向上均匀分布的叶片，即可得到整体叶盘坯体，制造的周期短，极易适用于加工带长且薄叶片的整体叶盘，同时极大的减少了材料的机械加工量，提高航空材料的利用率。另外在对整体叶盘坯体进行加工的过程中，采用电火花加工工艺，减少整体叶盘坯体加工的时间，加工精度高，并且电火花加工中不存在宏观切削力，可以避免长且薄壁叶片的振动问题，不会产生毛刺及刀痕沟纹缺陷，从而使制备的整体叶盘精度高。同时电火花加工范围广，可以对传统难切削材料进行加工。
进一步，在确定电火花加工余量之前先确定电解加工余量，再进行电解加工，然后根据电解加工得到的整体叶盘坯体获取电火花加工余量，从而缩小电火花加工余量，从而使整体叶盘的加工周期缩小65％以上。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法包括以下步骤：
1)制备整体叶盘的轮毂，然后将整体叶盘的轮毂清洗后定位及固定在数控工作台上；
2)将整体叶盘的目标三维模型导成STL格式后进行分层切片，并根据分层切片的结果生成切片文件；
3)设定送粉式激光增材制造的工艺参数，再在惰性气体的保护下，数控工作台根据步骤2)得到的切片文件使激光束与整体叶盘的轮毂进行相对运动，并3D打印生成沿整体叶盘轮毂圆周方向上均匀分布的叶片，得整体叶盘坯体；
4)将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中进行热等静压处理；
5)将经步骤4)得到的整体叶盘坯体装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘坯体，建立整体叶盘坯体的实际三维模型；
具体的操作为：以保证测量时工件位置相对于三坐标测量机位置不发生变化，采用机械测量方式(手动编程加上自动测量)可以完成3D打印生成叶片形面数据点的精确测量，将测得足够多的叶片形面数据点导入三维造型软件中，操作软件依次由点构建线，由线构建面，由面形成体模型，最终建立打印生成的叶片CAD模型。三坐标测量过程中，首先通过手动采集获得叶片形面上一些关键点，即叶片形面的手动打点，同时也完成了三坐标测量机自动测量轨迹的编程，之后设置测量自动测量采点间距，按已经获得的测量轨迹自动运行程序完成叶片形面上点的精确采集；
6)通过整体叶盘坯体的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
具体的操作为：①利用逆向工程软件导入叶片CAD模型和测量模型；②三维配准：能够高精度高效率地配准CAD模型和检测模型，实现检测模型与CAD模型坐标系的统一，为后续的检测分析做好准备；③三维偏差分析：在叶片的测量模型与CAD模型配准定位完成后，三维偏差分析模块计算测量模型中每一点与CAD模型的偏差，判断是否位于给定的公差区域内，同时把偏差映射成颜色显示；④截面扭转分析：叶片截面扭转分析模块从叶片的测量模型与CAD模型的指定截面位置处提取截面数据，通过截面数据的匹配运算，得到叶片截面的扭转角度，通过一组多个截面扭转角度的分析反映叶片型面的扭转情况；⑤检测报告输出：检测报告输出根据前面检测操作所形成的检测结果，生成检测报告，检测报告以PDF等格式输出。
7)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型与整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量确定电火花加工余量；
8)根据步骤7)得到的电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工，得到整体叶盘样品；
9)将经步骤8)得到的整体叶盘样品装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘样品，建立整体叶盘样品的实际三维模型；然后将整体叶盘样品的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得到的整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量；
10)根据整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量判断整体叶盘样品是否合格，当整体叶盘样品合格时，则采用湿吹沙及振动光饰工艺去除整体叶盘样品表面的熔凝层，然后再对整体叶盘样品的叶片顶端进行外圆磨削，得到整体叶盘。
使用之前，需要对整体叶盘进行无损探伤检测，以确保整体的内部组成、结构、物理性能和状态等，有助于保证整体叶盘的安全运行和有效使用。
步骤7)的具体操作为：
a)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形误差确定电解加工余量；
b)根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工，再通过三坐标测量机测量经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型；
c)通过经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型与整体叶盘的目标三维模型进行对比，得经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
d)根据经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量得电火花加工余量。
步骤b)中根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工的具体操作为：
e)将整体叶盘坯体水平安装在电解加工机床的分度工作台上，并以整体叶盘坯体中的任意一个叶片作为待加工叶片；
f)旋转电解加工机床的分度工作台，使待加工叶片正对叶盆加工电极及叶背加工电极，再将叶盆加工电极及叶背加工电极同时向待加工叶片运动，使叶盆加工电极和叶背加工电极距待加工叶片的表面1～2mm，叶盆加工电极和叶背加工电极距整体叶盘的轮毂外圈表面1～2mm；
g)向待加工叶片表面供给电解液，设置电解参数后根据电解加工余量对待加工叶片进行电解加工；
h)待电解加工完成后，叶盆加工电极及叶背加工电极停止振动，同时脉冲电流停止工作，电解液停止供给；叶盆加工电极和叶背加工电极退出加工区域，到达安全区域；
i)选取整体叶盘坯体上的下一个叶片为待加工叶片，并重复步骤f)、g)及h)，直至整体叶盘坯体上所有叶片加工完成。
步骤g)中设置的电解参数为：脉冲同步振动进给的振动频率f为0～19.44Hz，导通角β为0～π，振幅为0.1～0.27mm，进给速度为0.1～10mm/min，连续脉冲电流频率和振动进给的振动频率相同，脉冲电流的脉宽tk＝β/(2πf)，脉冲电流的峰值电压为0～24V。
步骤f)中电解加工机床的分度工作台旋转的角度为0-14°50′。
所述切片文件包括分层方向、分层厚度及激光束扫描轨迹。
步骤4)的具体操作为：
将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中，再加热到940℃，并加压到200MPa，保温恒压1h；然后冷却至650℃，并减压至110MPa，再保温恒压2-4h；最后在冷却至500℃，并减压至大气压，然后再随炉冷却至室温。
步骤8)的具体操作为：
将整体叶盘坯体水平安装在电火花机床的变位机工作台上，采用煤油或油水乳化液为工作液、石墨为电极工具，设置整体叶盘的极性为正极，选用等能量方波的电源模式，设置电火花机床参数后根据电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工；
所述电火花机床参数为：脉冲宽度为5-30μs，脉冲间隙为15-40μs，电流密度为17.52-84.39A/cm2，间隙电压为35-70V。
步骤10)中对整体叶盘样品进行磨削的具体过程为：将整体叶盘样品安装到外圆磨床上，通过外圆磨床对整体叶盘样品上叶片的端面进行磨削，磨削过程中，整体叶盘样品的转速为6000r/min，砂轮线速度为120m/s，纵向进给速度为0.01mm/min，外圆磨床采用水基冷却方式注水，其中，水的流量为90L/min、扬程为5.5m。
送粉式激光增材制造的工艺参数为：激光功率为2200-2800W，扫描速率为2-10m·s-1，送粉速率为3-10g·s-1，惰性气体的气体流量为120L·h-1，激光光斑直径为3mm，层叠率为20-50％，Z轴升移量为0.25-0.5mm。
另外，需要说明的是，本发明通过振动脉冲电流电解加工技术进行电解加工，在加工过程中叠加了进给速率的机械等幅振动在间隙区内加工流场中产生与脉冲电流同步的脉动压力波，有利于电解质的快速交换，可改善电解液流场特性和加工间隙中的散热条件，避免电解液中的空穴现象，提高了电解液中电解质的均匀性，利于电解加工间隙流场的均匀分布，保证了阳极溶解集中蚀除能力的均匀性和一致性，降低了散蚀效应，提高了加工的均匀性和一致性，也极大地改善了表面加工质量。同时在加工过程中，同时加工叶片的叶盆和叶背，提高了加工效率；通过调整加工距离和电极机械振动的频率，可以满足不同加工速率和加工精度的要求。

Claims (10)

1.一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备整体叶盘的轮毂，然后将整体叶盘的轮毂清洗后定位及固定在数控工作台上；
2)将整体叶盘的目标三维模型导成STL格式后进行分层切片，并根据分层切片的结果生成切片文件；
3)设定送粉式激光增材制造的工艺参数，再在惰性气体的保护下，数控工作台根据步骤2)得到的切片文件使激光束与整体叶盘的轮毂进行相对运动，并3D打印生成沿整体叶盘轮毂圆周方向上均匀分布的叶片，得整体叶盘坯体；
4)将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中进行热等静压处理；
5)将经步骤4)得到的整体叶盘坯体装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘坯体，建立整体叶盘坯体的实际三维模型；
6)通过整体叶盘坯体的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
7)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型与整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量确定电火花加工余量；
8)根据步骤7)得到的电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工，得到整体叶盘样品；
9)将经步骤8)得到的整体叶盘样品装夹到三坐标测量机中，并通过采用机械测量方式测量整体叶盘样品，建立整体叶盘样品的实际三维模型；然后将整体叶盘样品的实际三维模型与步骤2)中整体叶盘的目标三维模型进行对比，得到的整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量；
10)根据整体叶盘样品的最终精度误差及最终变形量判断整体叶盘样品是否合格，当整体叶盘样品合格时，则采用湿吹沙及振动光饰工艺去除整体叶盘样品表面的熔凝层，然后再对整体叶盘样品的叶片顶端进行外圆磨削，得到整体叶盘。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤7)的具体操作为：
a)根据步骤6)得到的整体叶盘坯体的实际三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形误差确定电解加工余量；
b)根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工，再通过三坐标测量机测量经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型；
c)通过经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型与整体叶盘的目标三维模型进行对比，得经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量；
d)根据经电解加工得到的整体叶盘坯体的三维模型相对于整体叶盘的目标三维模型的精度误差及变形量得电火花加工余量。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤b)中根据所述电解加工余量对整体叶盘坯体进行电解加工的具体操作为：
e)将整体叶盘坯体水平安装在电解加工机床的分度工作台上，并以整体叶盘坯体中的任意一个叶片作为待加工叶片；
f)旋转电解加工机床的分度工作台，使待加工叶片正对叶盆加工电极及叶背加工电极，再将叶盆加工电极及叶背加工电极同时向待加工叶片运动，使叶盆加工电极和叶背加工电极距待加工叶片的表面1～2mm，叶盆加工电极和叶背加工电极距整体叶盘的轮毂外圈表面1～2mm；
g)向待加工叶片表面供给电解液，设置电解参数后根据电解加工余量对待加工叶片进行电解加工；
h)待电解加工完成后，叶盆加工电极及叶背加工电极停止振动，同时脉冲电流停止工作，电解液停止供给；叶盆加工电极和叶背加工电极退出加工区域，到达安全区域；
i)选取整体叶盘坯体上的下一个叶片为待加工叶片，并重复步骤f)、g)及h)，直至整体叶盘坯体上所有叶片加工完成。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤g)中设置的电解参数为：脉冲同步振动进给的振动频率f为0～19.44Hz，导通角β为0～π，振幅为0.1～0.27mm，进给速度为0.1～10mm/min，连续脉冲电流频率和振动进给的振动频率相同，脉冲电流的脉宽tk＝β/(2πf)，脉冲电流的峰值电压为0～24V。
5.根据权利要求3所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤f)中电解加工机床的分度工作台旋转的角度为0-14°50′。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，所述切片文件包括分层方向、分层厚度及激光束扫描轨迹。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤4)的具体操作为：
将步骤3)得到的整体叶盘坯体放入到热等静压机中，再加热到940℃，并加压到200MPa，保温恒压1h；然后冷却至650℃，并减压至110MPa，再保温恒压2-4h；最后在冷却至500℃，并减压至大气压，然后再随炉冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤8)的具体操作为：
将整体叶盘坯体水平安装在电火花机床的变位机工作台上，采用煤油或油水乳化液为工作液、石墨为电极工具，设置整体叶盘的极性为正极，选用等能量方波的电源模式，设置电火花机床参数后根据电火花加工余量对整体叶盘坯体进行电火花加工；
所述电火花机床参数为：脉冲宽度为5-30μs，脉冲间隙为15-40μs，电流密度为17.52-84.39A/cm2，间隙电压为35-70V。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤10)中对整体叶盘样品的叶片顶端进行外圆磨削的具体过程为：将整体叶盘样品安装到外圆磨床上，通过外圆磨床对整体叶盘样品上叶片的端面进行磨削，磨削过程中，整体叶盘样品的转速为6000r/min，砂轮线速度为120m/s，纵向进给速度为0.01mm/min，外圆磨床采用水基冷却方式注水，其中，水的流量为90L/min、扬程为5.5m。
10.根据权利要求1所述的基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤3)中送粉式激光增材制造的工艺参数为：激光功率为2200-2800W，扫描速率为2-10m·s-1，送粉速率为3-10g·s-1，惰性气体的气体流量为120L·h-1，激光光斑直径为3mm，层叠率为20-50％，Z轴升移量为0.25-0.5mm。
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