CN108374802A - 一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法 - Google Patents

一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法 Download PDF

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李怀学
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
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Abstract

本发明提供了一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法，在进行激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的过程中，根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构。本发明针对三元流闭式叶轮结构特点，根据叶轮内腔不同部位的距离叶轮开口部位的长度以及悬垂角度，设计了一种梯度式支撑结构。在有效控制叶轮激光选区熔化成形过程中变形的条件下，局部降低支撑强度，缩短支撑成形时间，降低支撑去除难度，减少工作量，缩短叶轮整体制造周期。

Description

一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特别是涉及一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法。
背景技术
随着三元流理论及其相关应用技术的发展，三元流叶轮在先进涡轮泵叶轮设计中得到了越来越多的应用。由于三元流理论设计更接近流体相对于叶轮的真实运动，因此基于三元流理论所设计、制造的叶轮具有更高的工作效率，对于节能减排具有十分重要的意义。
近年来，随着设计、制造技术水平的不断提高，在三元开式叶轮的基础上，增加设计了轮盖，将轮盖与叶片、轮盘设计成一个整体结构，即三元流闭式叶轮，其重要特点是三元流闭式叶轮轮盖外形面涡轮泵壳体旋转面之间的规律配合替代了三元流开式叶轮叶片外缘面与壳体旋转面之间的配合，极大降低叶尖漏气损失，从而提高了叶轮的工作效率；同时轮盖与叶片、轮盘整体结构也可提高叶轮的强度和刚度，提高叶轮的工作可靠性和使用寿命。
由于三元流闭式叶轮具有上述优点，因此在航空航天、船舶、车辆等新型发动机涡轮泵设计中得到了广泛应用。但三元流闭式叶轮叶片型面复杂，叶间通道为复杂的弯扭型腔，上下封闭，叶间流道窄，且周向进气口较狭窄，上端出气口较宽敞，叶片薄且面积大，三元流闭式叶轮整体快速制造成为了一大难题 。
众所周知的三元流闭式叶轮制造方法主要有整体精密铸造法、数控加工法和电火花加工法。但上述制造方法存在着加工效率低、制造成本高、成品质量差等缺点。
选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据扫描路径选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。该技术突破传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，实现快速无模、净成形制造，直接获得任意复杂形状的实体零件，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工零件。因此，选区熔化成形技术为制造三元流闭式叶轮提供了一种新的选择。
由于三元流闭式叶轮叶片型面复杂，叶间通道为复杂的弯扭型腔，上下封闭，在激光选区熔化成形三元流闭式叶轮过程中必须添加支撑结构保证叶轮的成形。添加支撑结构的目的主要是：1）成形过程中承接下一层粉末层，防止激光扫描到过厚的粉末层，保证粉末完全熔化，防止出现塌陷。2）成形过程中粉末受热熔化冷却后会产生较大应力，支撑结构可以有效控制由应力引起的翘曲变形，保证零件成形的质量。
零件成形完成后，通常需要通过机械加工或者手工打磨等方式去除添加的支撑结构，因此支撑结构的设计直接关系到零件支撑去除的难度与工作量，同时也对最终零件的表面质量有很大的影响。
现有激光选区熔化成形系统在进行支撑设计时，对于连续的需要支撑的部位，通常只能选择一种结构和强度的支撑结构成形。
对于具有复杂内腔结构的三元流闭式叶轮来说，每个叶片之间的流道均为连续的需要支撑的部位，添加支撑部位悬垂角度不固定，发生坍塌和变形的倾向也不固定，而且流道内部存在较多机加工困难的部位，因此在进行支撑设计时，对流道内连续的需要支撑的部位设计单一的支撑结构不能有效兼顾控制变形和易于去除。因此，必须采用一种新的支撑结构，控制变形的同时降低去除支撑结构的难度。
发明内容
本发明提供了一种在使用激光选区熔化方法成形三元流闭式叶轮过程中，能有效兼顾控制变形和易于去除的梯度式支撑方法。
本发明提供了一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法，在进行激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的过程中，根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构。
进一步地，所述根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构包括：在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加实体结构的支撑；在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度小于80°的叶轮成形部位，以及在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.4mm-0.5mm的网格结构支撑；在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度为60°-80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.6mm-0.7mm的网格结构支撑；在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度小于60°的叶轮成形部位，以及其他距离叶轮开口部位的距离大于15mm的叶轮成形部位添加网格间距为0.8mm-1.0mm的网格结构支撑。
本发明针对三元流闭式叶轮结构特点，根据叶轮内腔不同部位的距离叶轮开口部位的长度以及悬垂角度，设计了一种梯度式支撑结构。在有效控制叶轮激光选区熔化成形过程中变形的条件下，局部降低支撑强度，缩短支撑成形时间，降低支撑去除难度，减少工作量，缩短叶轮整体制造周期。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法的支撑分区示意图；
图2为本发明实施例的一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法的单个连续支撑区域投影示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法，在进行激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的过程中，根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构。具体地，所述根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构包括：在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加实体结构的支撑；在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度小于80°的叶轮成形部位，以及在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.4mm-0.5mm的网格结构支撑；在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度为60°-80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.6mm-0.7mm的网格结构支撑；在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度小于60°的叶轮成形部位，以及其他距离叶轮开口部位的距离大于15mm的叶轮成形部位添加网格间距为0.8mm-1.0mm的网格结构支撑。
在一个具体实施例中，本发明实施过程为：
步骤一，按三元流理论设计的三元流闭式叶轮，如图1所示，其直径为130mm，高度为35mm。
步骤二，对叶轮不同部位设计不同的支撑结构，如图1中A-A方向截面图所示，其中区域1为距离叶轮开口部位的长度小于5mm的区域，区域2为距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm的区域，区域3为悬垂角度大于80°的角度区域，区域4为悬垂角度为60°-80°的角度区域，在区域1和区域3的重叠区域添加实体结构支撑，在区域1和区域4的重叠区域及区域2和区域3的重叠区域添加网格间距为0.4mm-0.5mm的网格结构支撑，在区域2和区域4的重叠区域添加网格间距为0.6mm-0.7mm的网格结构支撑，其他的区域添加网格间距为0.8mm-1.0mm的网格结构支撑。
步骤三，将添加好支撑的模型按照0.03mm层厚分层切片，并将切片文件保存。
步骤四，将切片文件输入设备，按照使用的不锈钢材料选择相应的参数包，调整零件在成形基板上位置，保存加工文件。
步骤五，关闭激光选区熔化成形设备成形舱门，向设备内部通入氩气，待成形舱内氧含量低于0.1%时，开始激光选区熔化成形，成形过程中应保持氩气供给，保证成形舱内氧含量低于0.1%。
步骤六，激光选区熔化成形完成后，待零件冷却4小时以上后方可开启舱门取出零件，得到零件的内部支撑结构如图2所示，其中，实体结构支撑10，网格间距为0.4mm-0.5mm的网格结构支撑20，网格间距为0.6mm-0.7mm的网格结构支撑30和网格间距为0.8mm-1.0mm的网格结构支撑40从外向内依次分布。
本发明针对三元流闭式叶轮结构特点，根据叶轮内腔不同部位的距离叶轮开口部位的长度以及悬垂角度，设计了一种梯度式支撑结构。在有效控制叶轮激光选区熔化成形过程中变形的条件下，局部降低支撑强度，缩短支撑成形时间，降低支撑去除难度，减少工作量，缩短叶轮整体制造周期。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法，其特征在于，在进行激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的过程中，根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构。
2.如权利要求1所述的激光选区熔化成形三元流闭式叶轮的梯度式支撑方法，其特征在于，所述根据叶轮成形部位距离叶轮开口部位的距离和悬垂角度的大小设计不同强度的支撑结构包括：
在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加实体结构的支撑；
在距离叶轮开口部位的长度小于5mm且悬垂角度小于80°的叶轮成形部位，以及在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度大于80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.4mm-0.5mm的网格结构支撑；
在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度为60°-80°的叶轮成形部位添加网格间距为0.6mm-0.7mm的网格结构支撑；
在距离叶轮开口部位的长度为5mm-15mm且悬垂角度小于60°的叶轮成形部位，以及其他距离叶轮开口部位的距离大于15mm的叶轮成形部位添加网格间距为0.8mm-1.0mm的网格结构支撑。
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