CN106079462B - 高精度光敏树脂模型的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度光敏树脂模型的制作方法，包括以下步骤：a、采用激光快速成型技术进行光敏树脂模型的初加工；b、光敏树脂模型中主要受力部位作为关键部位，对关键部位采用机械加工方式进行光敏树脂模型的精加工；c、光敏树脂模型后处理：进行光敏树脂模型的修复及尺寸计量检测，以保证光敏树脂模型的尺寸精度；d、制作形成高精度光敏树脂模型。光敏树脂模型制作的效率高、精度高，有利于缩短光弹性试验的周期、提高试验的精度，不需要新增加设备和新工艺。能满足原型为高精度构件的试验需要，制作的光弹性模型能达到与原型同等的精度。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机零件检测技术领域，特别地，涉及一种高精度光敏树脂模型的制作方法。
背景技术
三维光弹性试验技术是唯一的全场性分析结构内应力分布的实验方法。它是一种全场性测量方法，用这种方法能了解到结构物内应力分布的全貌，能清晰地反映出应力集中现象，立即得到应力集中系数，能容易地确定最大应力值及其所在位置，更能方便地获得结构物的边界应力值，结果直观性强、一目了然。该技术目前在数字化方法的验证和建模是否有效上占有重要地位。光弹性试验需要光弹性模型，制作航空发动机复杂构件的光弹性模型长期以来周期比较长，成本比较高，利用激光快速成型技术制作光敏树脂模型是十分快捷的制作方法。制作光敏树脂模型用于三维光弹性试验，在医学行业以及建筑等行业得到广泛应用，取得了良好的效果，但对制作航空发动机复杂构件的光弹性模型存在两个主要不足：一是提高尺寸精度成本高；二是现有精度会引起比较大的试验误差。
用光敏树脂为原材料，通过激光快速成型技术直接成型光弹性模型时，尺寸的误差在0.1mm，它对高精度的航空部件光弹性试验有时会引起30％以上的试验误差。
采用激光快速成型技术直接制作光敏树脂光弹性模型时，高精度的成型机制作出来的模型尺寸的误差也有0.1mm，现有快速成型技术的尺寸精度要达到0.01mm甚至更高，技术上难度大而且成本高，在现有基础上进一步提高精度需要综合提高多学科的技术水平，如激光器、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服电机驱动和新材料等先进技术。这种技术攻关需要较多资金支持。
采用真空浇注技术制作环氧树脂光弹性模型时，主要不足之处是模型制作的周期比较长，目前再提高制作效率可能性不大。
发明内容
本发明提供了一种高精度光敏树脂模型的制作方法，以解决现有光敏树脂模型制作方法得到的光敏树脂模型的尺寸精度不能满足航空发动机高精度复杂构件光弹性试验要求；要满足航空发动机高精度要求的制作成本高的技术问题。
本发明提供一种高精度光敏树脂模型的制作方法，包括以下步骤：a、采用激光快速成型技术进行光敏树脂模型的初加工；b、光敏树脂模型中主要受力部位作为关键部位，对关键部位采用机械加工方式进行光敏树脂模型的精加工；c、光敏树脂模型后处理：进行光敏树脂模型的修复及尺寸计量检测，以保证光敏树脂模型的尺寸精度；d、制作形成高精度光敏树脂模型。
进一步地，步骤a中的光敏树脂模型的初加工具体为：根据三维光弹性试验目的选取原型的局部设计试验模型，选择局部设计试验模型形状与原型的比例；局部设计试验模型以外的其他部分均根据等效原理采用等效块进行替代。
进一步地，初加工的模型设计采用一体化设计方式，即需要试验的模型与试验转接段设计为一个整体，试验时直接加载即可。
进一步地，主要受力部分的关键部位以外的其他部分均采用激光快速技术直接成型。
进一步地，步骤b中的光敏树脂模型的精加工具体为：关键部位采用机械加工的方式，采用的加工设备与原型相同。
进一步地，原型涡轮的榫槽加工精度为0.01mm；原型采取拉床加工，光弹性模型榫槽使用同一拉刀加工；原型的榫头采用磨床加工，光弹性模型榫头也采用磨床加工。
进一步地，步骤c中的光敏树脂模型后处理具体为：光敏树脂模型在精加工的过程中容易存在刮痕以及轻微的碰伤，若损伤不是在受力的关键部位或在关键部位的附近，采用细砂纸进行打磨；次要部位的尺寸计量时允许最大误差为0.1mm，但关键部位的尺寸误差必须满足模型设计的要求，尤其是加载的定位尺寸必须准确，光敏树脂模型的灵敏度低，相同的应力条纹对应的载荷较大，需要装配检查确保不发生偏载影响试验的精度。
进一步地，步骤c与步骤d之间加入提高光弹性灵敏度的处理方法，以提高光敏树脂模型的光弹灵敏度。
进一步地，提高光弹性灵敏度的处理方法具体为：将光敏树脂模型放入到酒精溶液或丙酮溶液中清洗附着于光敏树脂模型表面的液体部分；取出光敏树脂模型，待到常温下表面酒精完全挥发后，进行光照固化成形；将光照固化后的光敏树脂模型进行加热烘干，并在常温下静置降温至常温。
进一步地，酒精浓度为95％-99.5％。
本发明具有以下有益效果：
本发明高精度光敏树脂模型的制作方法，光敏树脂模型制作的效率高、精度高，有利于缩短光弹性试验的周期、提高试验的精度，不需要新增加设备和新工艺。采用试验模型和转接段一体化设计并采用激光快速成型技术一次初加工完毕，减少了加工环节；同时由于没有了转接可能损耗载荷这个环节，光敏树脂模型和转接段作为一个整体更能确保载荷传递到位，有利于提高试验精度，可降低10％左右的试验误差。光敏树脂模型精度高，误差由现有制作方式产生的0.1mm降低至0.01mm，精度提高了一个数量级，可降低15％左右的试验误差，能满足原型为高精度构件的试验需要，制作的光弹性模型能达到与原型同等的精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的高精度光敏树脂模型的制作方法的步骤流程框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的高精度光敏树脂模型的制作方法的步骤流程框图。如图1所示，本实施例的一种高精度光敏树脂模型的制作方法，包括以下步骤：a、采用激光快速成型技术进行光敏树脂模型的初加工；b、光敏树脂模型中主要受力部位作为关键部位，对关键部位采用机械加工方式进行光敏树脂模型的精加工；c、光敏树脂模型后处理：进行光敏树脂模型的修复及尺寸计量检测，以保证光敏树脂模型的尺寸精度；d、制作形成高精度光敏树脂模型。本发明高精度光敏树脂模型的制作方法，光敏树脂模型制作的效率高、精度高，有利于缩短光弹性试验的周期、提高试验的精度，不需要新增加设备和新工艺。采用试验模型和转接段一体化设计并采用激光快速成型技术一次初加工完毕，减少了加工环节；同时由于没有了转接可能损耗载荷这个环节，光敏树脂模型和转接段作为一个整体更能确保载荷传递到位，有利于提高试验精度，可降低10％左右的试验误差。光敏树脂模型精度高，误差由现有制作方式产生的0.1mm降低至0.01mm，精度提高了一个数量级，可降低15％左右的试验误差，能满足原型为高精度构件的试验需要，制作的光弹性模型能达到与原型同等的精度。
本实施例中，步骤a中的光敏树脂模型的初加工具体为：根据三维光弹性试验目的选取原型的局部设计试验模型。选择局部设计试验模型形状与原型的比例。局部设计试验模型以外的其他部分均根据等效原理采用等效块进行替代。
本实施例中，初加工的模型设计采用一体化设计方式，即需要试验的模型与试验转接段设计为一个整体。试验时直接加载即可。
本实施例中，主要受力部分的关键部位以外的其他部分均采用激光快速技术直接成型。
本实施例中，步骤b中的光敏树脂模型的精加工具体为：关键部位采用机械加工的方式。采用的加工设备与原型相同。
本实施例中，原型涡轮的榫槽加工精度为0.01mm。原型采取拉床加工。光弹性模型榫槽使用同一拉刀加工。原型的榫头采用磨床加工。光弹性模型榫头也采用磨床加工。
本实施例中，步骤c中的光敏树脂模型后处理具体为：光敏树脂模型在精加工的过程中容易存在刮痕以及轻微的碰伤。若损伤不是在受力的关键部位或在关键部位的附近，采用细砂纸进行打磨。若损伤处于受力的关键部位或在关键部位的附近，需要进行重新制作或者进行局部修复。次要部位的尺寸计量时允许最大误差为0.1mm，但关键部位的尺寸误差必须满足模型设计的要求，尤其是加载的定位尺寸必须准确，光敏树脂模型的灵敏度低，相同的应力条纹对应的载荷较大，需要装配检查确保不发生偏载影响试验的精度。
本实施例中，步骤c与步骤d之间加入提高光弹性灵敏度的处理方法，以提高光敏树脂模型的光弹灵敏度。
本实施例中，提高光弹性灵敏度的处理方法具体为：将光敏树脂模型放入到酒精溶液或丙酮溶液中清洗附着于光敏树脂模型表面的液体部分。取出光敏树脂模型，待到常温下表面酒精完全挥发后，进行光照固化成形。将光照固化后的光敏树脂模型进行加热烘干，并在常温下静置降温至常温。
本实施例中，酒精浓度为95％-99.5％；可选地，酒精浓度为95％、96％、97％、98％、99％或99.5％。
实施时，提供一种尺寸精度高、加工周期短、适合原型为航空发动机高精度复杂构件的光敏树脂光弹性模型制作方法。本方案的前提条件是高精度复杂构件原型已完成机械加工，其应力分布需要做光弹性试验的阶段，此时成本特别低，光弹性试验是模型试验，降低成本是非常重要的环节。
光敏树脂光弹性模型制作的新方法分三个阶段，第一阶段是模型初加工，第二阶段是模型精加工，第三阶段是模型后处理。
模型的初加工
模型的初加工采用激光快速成型技术。根据试验目的选取原型的局部设计试验模型，为方便进行光弹性试验和降低试验成本，模型除了设计人员关心的局部形状与原型是按照比例外(优先推荐1：1，也可放大或缩小)，其他均根据等效原理采用等效块进行替代。为了提高试验模型的制作效率，初加工的模型设计采用一体化设计方式，即需要试验的模型与试验转接段设计为一个整体，试验时直接加载即可。除了高精度关键部位(受力的主要部位)外，模型构件的其他部分均采用激光快速技术直接成型。模型设计虽然增加了难度，但一体化设计的模型能提高试验加载的精度，减少了加工环节，节约了时间和成本。
模型精加工
光弹性试验是模型试验，根据试验要求需要模型与原型相似，当设计人员需要掌握关键部位的应力，此部位原型的设计精度很高时，模型必须具备同等精度，否则试验得到的结果很有可能引起较大的误差。为提高模型的尺寸精度，设计人员关心的关键部位采用机械加工的方式，采用的加工设备与原型相同。如涡轮的榫槽加工精度为0.01mm，原型采取拉床加工，光弹性模型榫槽使用同一拉刀加工，榫头采用磨床加工，光弹性模型榫头也采用磨床加工。
模型后处理
模型后处理主要是模型修复及尺寸计量，光敏树脂模型在精加工的过程中容易存在刮痕以及轻微的碰伤，只要不是在受力的关键部位或在关键部位的附近，用细砂纸进行打磨后一般不会影响试验的精度。次要部位的尺寸计量时允许最大误差为0.1mm，但关键部位的尺寸误差必须满足模型设计的要求，尤其是加载的定位尺寸必须准确，目前光敏树脂模型的灵敏度比常规的环氧树脂低，相同的应力条纹对应的载荷较大，需要装配检查确保不发生偏载影响试验的精度。
本发明高精度光敏树脂模型制作方法，不需要新增设备，以航空发动机涡轮工作叶片榫头、榫槽光弹性试验为例，具体实施如下：
a)根据试验要求，选取原型的局部形状，设计光弹性模型初加工图。
b)加工图纸按照激光快速成型技术的要求转换成激光快速成型机的格式。
c)在激光快速成型机中放入相应的光敏树脂原材料，启动设备编制程序后直接成型模型。
d)对初加工模型进行紫外光后固化处理。
e)对加载的定位尺寸进行计量，满足试验要求后进入精加工环节。
f)对关键部位榫头和榫槽进行精加工，榫头的头部形状采用磨床加工，榫槽的槽部形状采用拉床加工。榫头和榫槽按照原型：模型＝1：1的比例进行加工，加工后的模型。
g)模型的后处理。
用细砂纸对精加工的过程中产生的刮痕以及轻微的碰伤进行打磨。对模型的次要部位进行尺寸计量，允许最大误差为0.1mm，对关键部位的尺寸误差必须满足模型设计的要求，并进行装配检查，确保装配后加载时不发生较大偏载影响试验的精度。
需要时可采用提高光固化快速成形树脂模型光弹灵敏度的方法对模型进行后处理，该方法能提高光敏树脂模型的灵敏度。
本发明在试验模型和转接段一体化设计，作为一个整体进行加工，模型加工的不同阶段采用不同的加工技术。试验模型和转接段作为一个整体进行加工能提高加载的精度，初加工方式能大幅度提高模型的制作效率，精加工方式确保模型的加工精度，即提高了模型的制作效率，也能满足原型为高精度构件的光弹性试验需要。
本发明高精度光敏树脂模型的制作方法，模型制作的效率高，模型制作的精度高，有利于缩短光弹性试验的周期、提高试验的精度，不需要新增加设备和新工艺。采用试验模型和转接段一体化设计并采用激光快速成型技术一次初加工完毕，减少了加工环节；同时由于没有了转接可能损耗载荷这个环节，模型和转接段作为一个整体更能确保载荷传递到位，有利于提高试验精度，有望降低10％左右的试验误差。模型精度高(误差0.1mm提高到0.01mm，精度提高了一个数量级，有望降低15％左右的试验误差)，能满足原型为高精度构件的试验需要，制作的光弹性模型能达到与原型同等的精度。
高精度光敏树脂模型制作方法注意事项：
1.本制作法适合用于原型的尺寸精度高(尺寸误差0.01mm)、试验周期短的光弹性模型制作。
2.模型设计比较复杂，需要全面考虑，既要考虑方便加工，也要考虑加载准确对光弹性试验精度的影响。
3.模型初加工后，需要对加载的定位尺寸进行计量，确保模型满足设计要求，否则不能进入精加工环节，精加工的成本较高，推荐使用原型同样的加工设备和加工工艺。
4.当需要做光弹性试验的构件原型没有加工的阶段，试验模型的关键部位的加工采用数控铣，制作的模型尺寸精度低一些，试验的误差大一些，但成本降低很多，所以采用何种模型制作方式需要综合考虑；试验原型已加工的阶段，做光弹性试验模型推荐采用本方法，能提高试验的精度并且模型的制作成本较低。
5.光敏树脂模型精加工后，对关键尺寸必须进行计量并确保满足要求。
6.试验前对模型进行装配，检查模型加工是否满足试验要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度光敏树脂模型的制作方法，用于制作航空发动机复杂构件的光弹性模型，其特征在于，包括以下步骤：
a、采用激光快速成型技术进行光敏树脂模型的初加工；采用试验模型和转接段一体化设计并采用激光快速成型技术一次初加工完毕，以减少加工环节，同时由于没有了转接可能损耗载荷这个环节，光敏树脂模型和转接段作为一个整体更能确保载荷传递到位，有利于提高试验精度并降低10％左右的试验误差；
b、光敏树脂模型中主要受力部位作为关键部位，对关键部位采用机械加工方式进行光敏树脂模型的精加工；
c、光敏树脂模型后处理：进行光敏树脂模型的修复及尺寸计量检测，以保证光敏树脂模型的尺寸精度；
d、制作形成高精度光敏树脂模型。
2.根据权利要求1所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
步骤a中的光敏树脂模型的初加工具体为：
根据三维光弹性试验目的选取原型的局部设计试验模型，
选择局部设计试验模型形状与原型的比例；
局部设计试验模型以外的其他部分均根据等效原理采用等效块进行替代。
3.根据权利要求2所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
初加工的模型设计采用一体化设计方式，即需要试验的模型与试验转接段设计为一个整体，
试验时直接加载即可。
4.根据权利要求3所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
主要受力部分的关键部位以外的其他部分均采用激光快速技术直接成型。
5.根据权利要求1所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
步骤b中的光敏树脂模型的精加工具体为：
关键部位采用机械加工的方式，采用的加工设备与原型相同。
6.根据权利要求5所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
原型涡轮的榫槽加工精度为0.01mm；
原型采取拉床加工，光弹性模型榫槽使用同一拉刀加工；
原型的榫头采用磨床加工，光弹性模型榫头也采用磨床加工。
7.根据权利要求1所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
步骤c中的光敏树脂模型后处理具体为：
光敏树脂模型在精加工的过程中容易存在刮痕以及轻微的碰伤，若损伤不是在受力的关键部位或在关键部位的附近，采用细砂纸进行打磨；
次要部位的尺寸计量时允许最大误差为0.1mm，但关键部位的尺寸误差必须满足模型设计的要求，加载的定位尺寸必须准确，光敏树脂模型的灵敏度低，相同的应力条纹对应的载荷较大，需要装配检查确保不发生偏载影响试验的精度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
步骤c与步骤d之间加入提高光弹性灵敏度的处理方法，以提高光敏树脂模型的光弹灵敏度。
9.根据权利要求8所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
提高光弹性灵敏度的处理方法具体为：
将光敏树脂模型放入到酒精溶液或丙酮溶液中清洗附着于光敏树脂模型表面的液体部分；
取出光敏树脂模型，待到常温下表面酒精完全挥发后，进行光照固化成形；
将光照固化后的光敏树脂模型进行加热烘干，并在常温下静置降温至常温。
10.根据权利要求9所述的高精度光敏树脂模型的制作方法，其特征在于，
酒精浓度为95％-99.5％。
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| CN1760018A (zh) * | 2005-09-20 | 2006-04-19 | 天津市天大银泰科技有限公司 | 提高光固化快速成形树脂模型光弹灵敏度的方法 |
| CN104625061A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-05-20 | 济南爱华达新材料有限公司 | 一种新型综合性数控3d打印设备及使用方法 |
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