CN109202373A - 一种风扇叶片包边的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对复合材料风扇叶片，提出一种风扇叶片包边的制造方法，包括：基于包边的理论模型，设计与风扇叶片相适配的内表面带有均匀的加工余量的包边三维模型；采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体；对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力；对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量；对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层。旨在充分利用3D打印技术材料利用率高，电解加工零件表面质量好、残余应力和变形小，振动光饰加工零件表面质量好、并能一定程度改善抗疲劳强度等优势，实现包边的近无余量加工，提高材料利用率和加工精度，节约成本。

Description

一种风扇叶片包边的制造方法
技术领域
本发明涉及风扇叶片加工技术领域，特别是涉及一种风扇叶片包边的制造方法。
背景技术
与钛合金风扇叶片相比，复合材料风扇叶片具有减重效率高、燃油消耗低、抗振性能好等优势，但也存在抗鸟撞能力差、易分层开裂等不足。在已经服役的民用大涵道比涡扇发动机上，如GE90、GEnx，主要采用在叶片前缘粘接钛合金包边的方法来提高前缘的抗击打能力。
由于气动设计要求，风扇叶片一般为空间弯扭的掠形结构，因此前缘包边通常为薄壁复杂三维曲面结构，尺寸大，刚性差，表面质量要求高。GE90、GEnx发动机均采用数控加工的方式来制造，但这种方式材料利用率极低，加工难度大，切削残余应力大，加工效率和加工精度低，一般需要后续抛光处理，从而影响包边与叶片基体的装配以及叶片的气动效率和使用性能。
3D打印技术，即增材制造技术，是由零件三维数据驱动，采用材料累加的方法直接制造零件，与传统的去除成形概念相反。据统计，增材制造技术一般可以节省材料2/3以上，数控加工时间减少1/2以上，同时无需模具，而且特别适合制造一些具有复杂空间三维形状的结构件。但是3D打印零件表面存在层次感明显、表面粗糙度较大的问题，通常需要进行后续抛光处理。
电解加工是基于电化学阳极溶解的原理并借助于成形的工具电极，将工件按照一定的形状和尺寸加工成形的一种工艺方法。具体为：工具电极为阴极，工件为阳极，极间施加直流电压，在电解液环境下，工具电极按一定的速度进给，使工件按工具的形状不断溶解，直到实现对工具阴极的复制。电解加工最突出的特点就是表面质量好、加工无应力、零件无变形。电解加工的精度很大程度上取决于工具阴极的设计以及加工间隙的控制。
振动光饰是一种表面光整加工工艺，一方面可以提高表面光洁度，并保持原有加工精度，另一方面可以改善应力分布，在零件表面形成一定深度的压应力层，从而提高零件的抗疲劳强度。振动光饰通过磨料磨粒与零件间的相对运动，实现零件表面的强化抛光，特别适合手工抛光难以完成的，如内腔结构隐蔽表面的加工。常见的如振动光饰机，是将一定比例的光饰磨料、光饰剂与零件混合，通过振动电机的周期性振动，迫使磨料与零件间相互运动，产生摩擦。
复合材料叶片前缘钛合金包边目前一般通过锻件/厚板数控加工制造，材料利用率不到10%；对锻压、数控等设备和工装模具的要求较高，加工效率低；且由于包边为薄壁复杂曲面结构，刚性差，加工变形大，加工精度低，影响叶片的气动效率；切削加工产生的残余应力大，影响包边的使用性能；表面质量不高，通常需要后续抛光处理。
发明内容
本发明针对复合材料风扇叶片，提出一种风扇叶片包边的制造方法，旨在充分利用3D打印技术材料利用率高，电解加工零件表面质量好、残余应力和变形小，振动光饰加工零件表面质量好、并能一定程度改善抗疲劳强度等优势，实现包边的近无余量加工，提高材料利用率和加工精度，节约成本。
本发明提供了一种风扇叶片包边的制造方法，包括：基于包边的理论模型，设计与风扇叶片相适配的内表面带有均匀的加工余量的包边三维模型；采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体；对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力；对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量；对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层。
进一步地，所述采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体步骤具体包括：沿风扇叶片展向，将带有均匀加工余量的包边三维模型离散成一系列有序的二维层片，获得各层截面的轮廓信息，生成加工路径，控制作为热源的高能量密度的激光或电子束，按路径熔化金属粉末或丝材，逐层堆积，最终制造出包边基体。
进一步地，所述对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力步骤还包括：在对包边基体进行退火热处理时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。
进一步地，所述对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量步骤具体包括：根据包边基体的内表面形状设计工具阴极，经过热处理后的包边基体作为阳极，使用电解加工设备，由阴极向阳极进给，使阳极的内表面的加工余量慢慢溶解，直至加工余量全部去除，形成最终的包边基体的内表面形态。
进一步地，所述对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层步骤还包括：在对包边基体进行振动光饰时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。
本发明针对复合材料风扇叶片，提出一种风扇叶片的包边制造方法，具有以下进步点：无需大型锻压设备，降低了对铸锻等基础工业设施条件的要求；材料利用率大大提高，节约了材料，尤其是钛等贵金属材料的成本；包边内部残余应力小，外表面形成一定的压应力层，增强了包边的抗疲劳性能；包边表面质量好，加工精度高，能满足气动设计要求。
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风扇叶片包边的制造方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种包边三维模型的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种包边基体的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种随形工装的结构示意图；
图5a为本发明实施例的一种电解加工开始时的状态示意图；
图5b为本发明实施例的一种电解加工结束时的状态示意图。
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。
本发明提供了一种风扇叶片包边的制造方法，如图1所示，包括：
步骤S10，基于包边的理论模型，设计与风扇叶片相适配的内表面带有均匀的加工余量的包边三维模型。
步骤S20，采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体。该步骤具体包括：沿风扇叶片展向，将带有均匀加工余量的包边三维模型离散成一系列有序的二维层片，获得各层截面的轮廓信息，生成加工路径，控制作为热源的高能量密度的激光或电子束，按路径熔化金属粉末或丝材，逐层堆积，最终制造出包边基体。
步骤S30，对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力。优选地，在对包边基体进行退火热处理时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。随形工装为外凸形状，可采用锻坯或厚板数控加工获得，一套工装可重复使用。
步骤S40，对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量。该步骤具体包括：根据包边基体的内表面形状设计工具阴极，经过热处理后的包边基体作为阳极，使用电解加工设备，由阴极向阳极进给，使阳极的内表面的加工余量慢慢溶解，直至加工余量全部去除，形成最终的包边基体的内表面形态。由于3D打印的包边基体的内表面与最终风扇叶片包边的内表面形状较为吻合，故工具阴极设计以及工艺控制的难度相对较小，且工具阴极为外凸形状，便于加工，可重复使用。
步骤S50， 对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层。优选地，在对包边基体进行振动光饰时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。随形工装为外凸形状，可采用锻坯或厚板数控加工获得，一套工装可重复使用。
在本发明的一个具体的实施例中，利用本发明制造发动机风扇叶片的前缘包边，图2示出了该包边的三维模型，该包边为空间薄壁曲面结构，长度约200mm，壁厚最薄处约0.3mm，材料为TC4合金。具体步骤为：
基于包边的理论模型，设计内表面带均匀0.25mm电解加工余量的包边三维模型。
延叶片展向将包边三维模型分层，每层厚度0.01mm，采用激光直接沉积技术，逐层堆积TC4粉末，打印出内表面带电解加工余量的包边基体，如图3所示。
设计包边基体的内表面的随形工装，采用不锈钢板数控加工，将包边基体固定在工装上，在700℃条件下，进行真空退火热处理。
对包边基体内的表面进行电解加工；根据理论包边内表面形状，设计外凸状的工具阴极，材料为不锈钢；包边基体为阳极，材料为TC4合金；电解液采用10%的NaCl溶液，流速40m/s；直流电压22V；图5a示出了电解加工开始时包边基体的状态，图5b示出了电解加工结束时包边基体的状态，实现了包边基体上电解加工余量的精确去除。
设计包边基体的内表面的随形工装，采用不锈钢板数控加工，将包边基体贴合固定在工装上，对包边外表面进行振动光饰加工；设备选择Rosler公司的R420DL，激振频率高，垂直振幅低；磨料选择RCP 203/05 ZS-V，斜圆柱形，直径4mm，长度5mm。
在本实施例中，所述随形工装与包边基体的配合如图4所示，适用于退火热处理和振动光饰加工步骤。
本发明针对复合材料风扇叶片，提出一种风扇叶片的包边制造方法，具有以下进步点：无需大型锻压设备，降低了对铸锻等基础工业设施条件的要求；材料利用率大大提高，节约了材料，尤其是钛等贵金属材料的成本；包边内部残余应力小，外表面形成一定的压应力层，增强了包边的抗疲劳性能；包边表面质量好，加工精度高，能满足气动设计要求。
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 (5)

1.一种风扇叶片包边的制造方法，其特征在于，包括：
基于包边的理论模型，设计与风扇叶片相适配的内表面带有均匀的加工余量的包边三维模型；
采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体；
对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力；
对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量；
对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层。
2.如权利要求1所述的一种风扇叶片包边的制造方法，其特征在于，所述采用3D打印技术打印包边三维模型，形成包边基体步骤具体包括：
沿风扇叶片展向，将带有均匀加工余量的包边三维模型离散成一系列有序的二维层片，获得各层截面的轮廓信息，生成加工路径，控制作为热源的高能量密度的激光或电子束，按路径熔化金属粉末或丝材，逐层堆积，最终制造出包边基体。
3.如权利要求1所述的一种风扇叶片包边的制造方法，其特征在于，所述对打印出来的包边基体进行退火热处理，降低或消除包边基体内部的残余应力步骤还包括：
在对包边基体进行退火热处理时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。
4.如权利要求1所述的一种风扇叶片包边的制造方法，其特征在于，所述对包边基体的内表面进行电解加工，去除包边基体的内表面的加工余量步骤具体包括：
根据包边基体的内表面形状设计工具阴极，经过热处理后的包边基体作为阳极，使用电解加工设备，由阴极向阳极进给，使阳极的内表面的加工余量慢慢溶解，直至加工余量全部去除，形成最终的包边基体的内表面形态。
5.如权利要求1所述的一种风扇叶片包边的制造方法，其特征在于，所述对包边基体的外表面进行振动光饰，提高表面光洁度，形成压应力层步骤还包括：
在对包边基体进行振动光饰时，使用与包边基体的内表面相匹配的随形工装，对包边基体进行支撑固定。
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