CN110369860B - 变直径复杂内流道结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及通过增减材预设基板加工变直径复杂流道结构的制造方法。本发明方法包括：第一步、建模拆分；第二步、基板设计；第三步、刀具选择；第四步、加工准备；第五步、部件Ⅰ加工；第六步、切割处理；第七步、部件Ⅱ加工；第八步、切割处理；第九步、部件Ⅲ加工；……第N步、部件N加工。本发明的技术方案解决了现有技术中的复杂内流道表面质量差，几何精度低，内表面无法加工，或是无法完全加工的问题。对于航空发动机用复杂燃油喷嘴、空心风扇叶片、特殊液压元件或具有该几何特征的复杂构件的表面加工具有很重要的意义。

Description

变直径复杂内流道结构的制造方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及通过增减材预设基板加工变直径复杂流道结构的制造方法。

背景技术

复杂内流道构件特征是航空发动机燃油喷嘴、空心风扇叶片、特殊液压元件中的典型特征，由于复杂内流道通常由若干个不同直径的流道段所组成，相邻流道段之间呈一定角度，如若采用单一的摆放成形策略，即使结合增减材复合制造技术也势必会导致内流道的一些特征部位难以加工，如相邻流道连接处、与基板平行或角度较小的流道，这些刀具不可达的部位无法满足零件表面的几何精度和形状精度，影响构件在实际中的应用。现有相关专利有：

首都航天机械有限公司、中国运载火箭技术研究院申请的：一种带迂回内流道结构及其制造方法，申请号：201811279424.0，该专利方法虽然解决了成型零件流道内粉末残存的问题，但是无法保证流道表面的光洁度，影响流体的顺利通过，假如该零件用于液压系统中，将会导致不稳定的压力。现有技术有采用磨料流和电化学抛光的方法对有内流道特征的构件进行后期加工。

长春理工大学申请的：一种固液两相磨料流抛光变口径管内孔的加工装置，申请号：201810384478.7，该专利装置对于内径不一致的复杂内流道构件难以达到相同的材料去除量，从而影响内流道表面的加工质量和加工精度。

张百成申请的一种中空金属零件内壁抛光方法，申请号：201810026421.X，该专利方法由于电极与工件之间的距离对于材料去除量影响很大，因此使用该方法加工内径不一致的复杂内流道构件存在一定的局限性。

大连海博瑞思科技有限公司申请的复杂内流道增减材混合制造方法，申请号：201910057024.3,该专利方法包括以下步骤：制备与零件内流道形状相同的填充物；采用逐层沉积法制备基体；将填充物放置在基体上；采用逐层沉积法，继续逐层沉积直至包覆填充物，形成零件；去除填充物；热处理消除应力。通过上述步骤可知，该发明使用增减材复合加工的方法虽然能提高零件内流道表面的光洁度，但此方法需要制造和消除填充物，增加了加工准备时间，降低了生产效率，而且对于增材方式的限制较大，不利于推广使用。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的变直径复杂内流道结构的制造方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

针对内流道部分特征部位无法加工所导致几何精度和形状精度不满足要求的技术问题，提出一种变直径复杂内流道结构的制造方法。本发明主要利用成形基板转换的方法，将复杂零件拆分成若干部分，逐步加工，保证每个流道段与基板呈垂直亦或是接近垂直的关系，从而实现对零件的高精度减材加工，减材加工后的内流道精度满足要求。此方法对流道直径是否一致没有限制，大大提高了零件的加工效率和使用性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于，所述的方法步骤包括：

第一步、建模拆分：使用三维建模软件绘制拟制备的复杂内流道金属工件模型，并将内流道模型进行拆分，拆分原则为：相邻流道段间角度小于110°，则沿流道连接处对其进行拆分；最终将金属工件拆分为部件Ⅰ、部件Ⅱ、······部件N；

第二步、基板设计：逐个对拆分后的内流道部件进行成形基板的设计；成形基板对应的拆分部件为：成形基板Ⅰ对应部件Ⅱ、成形基板Ⅱ对应部件Ⅲ、······成形基板N对应部件N+1；

第三步、刀具选择：针对内流道不同位置的几何特征来选择合适的刀具，对于内流道与基板垂直的特征部位加工刀具选用：圆鼻刀、平头刀；内流道与基板呈一定角度，或是呈一定弧度，相邻流道连接处，采用加工刀具为：T型刀具、非标刀具；同时对于不同刀具应采用不同的加工工艺参数；

第四步、加工准备：对拆分后的内流道部件Ⅰ和部件Ⅱ的成形基板Ⅰ模型进行切片分层，并规划其激光增材路径，同时根据部件特征选择合适刀具，并根据减材加工的刀具可达性，合理选择每个增材步骤的堆积层数；

第五步、部件Ⅰ加工：待刀具与增材堆积层厚确认完毕后，采用激光增材制造与减材制造交替进行的加工方法，在原始基板Ⅰ上完成内流道部件Ⅰ和部件Ⅱ的成形基板Ⅰ的制造；

第六步、切割处理：使用线切割沿原始基板Ⅰ切下部件Ⅰ和部件Ⅱ的成形基板Ⅰ；对部件Ⅰ和部件Ⅱ的连接处进行平整化处理，以便下一步的增材，平整化处理的方法为：水射流、磨料流；

第七步、部件Ⅱ加工：将原始基板Ⅱ(B2)和部件Ⅰ通过螺栓连接并放置于工作台上，安装定位后，以此时部件Ⅰ的上表面作为成形面，采用减材系统中的对刀仪确定此时部件Ⅰ相对于原始基板Ⅱ的位置，并根据该位置信息在切片软件中定位部件Ⅱ与部件Ⅲ的成形基板Ⅱ模型，此过程需保证定位精度，以确保转换基板前后部件的完美连接；重复上述第三、四步的过程，完成部件Ⅱ与部件Ⅲ的成形基板Ⅱ的激光增材和减材的交替加工；

第八步、切割处理：通过线切割的方式沿成形基板Ⅰ切下部件Ⅱ与部件Ⅲ的成形基板Ⅱ；对部件Ⅱ与部件Ⅲ的连接处进行平整化处理；根据上述加工成形的部件Ⅰ、部件Ⅱ与部件Ⅲ的成形基板Ⅱ的几何特征，对原始基板Ⅲ进行预制槽加工，避免部件Ⅰ与原始基板Ⅲ出现干涉情况。

第九步、部件Ⅲ加工：将原始基板Ⅲ和部件Ⅱ通过螺栓连接并放置于工作台上，安装定位后，采用减材系统中的对刀仪确定此时部件Ⅱ相对于原始基板Ⅲ的位置，并根据该位置信息在软件中定位部件Ⅲ的模型，重复上述第三、四步的过程，采用激光增材和减材交替进行完成部件Ⅲ的加工；

······

第N步、部件N加工：重复上述第八步和第九步直至完成整个工件的加工。

进一步地，激光增材方式为选区激光熔化，减材方式为铣削或磨削。

进一步地，复杂内流道结构为不同内径、不同截面形状的流道经直线流道连接或曲线流道连接而成。

进一步地，用于定位的成形基板的形状为长方体，其厚度为8～10mm并通过激光增材和减材加工与部件一并成形，其定位面尺寸精度通过减材工艺保证，加工误差<0.05mm；所述的原始基板材料为部件材料以及与部件材料相容性好的材料，机加工表面，基板上下表面平行度误差<0.04mm。

进一步地，成形基板与原始基板之间的安装固定方式为螺栓连接。

进一步地，转换原始基板后应对部件连接处的表面进行平整化处理，保证部件连接处的表面与成形基板上表面平行度误差小于或等于0.02mm。

进一步地，转换原始基板后部件的定位通过减材系统中的对刀仪确定，并根据此位置成形下一部件，保证部件之间的连接。

进一步地，刀具类型的选择根据加工面的几何特征而定，刀具所用的工艺参数由刀具类型而定，所用到的刀具有：圆鼻刀具、平头刀具、T型刀具和其他非标刀具。

进一步地，圆鼻刀具采用高转速、大进给；平头刀具及T型刀具则采用低转速、小进给；刀具的工艺参数和加工方式的选择，对其表面质量起着决定性作用；对于T型刀具而言，应确保其避空长度大于增材步骤的堆积层厚，并要考虑T型刀具悬出长度与工件角度间的关系，避免加工过程中的刀具干涉。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的变直径复杂内流道结构的制造方法，采用转换成形基板制造复杂内流道构件的方法，避免了增材成形过程中的悬垂结构，节省了设计支撑结构的时间，同时提高了内流道表面加工质量，保证了内流道形状和尺寸精度。

2、本发明提供的变直径复杂内流道结构的制造方法，采用对零件拆分，并对不同部件进行成形基板设计，同时部件间转换成形基板的方法，解决了复杂内流道部分区域刀具不可达的问题。

3、本发明提供的变直径复杂内流道结构的制造方法，采用对构件不同区域选取合适的刀具类型，对不同刀具选择合适的工艺参数的方法，进一步提高内流道表面的加工质量与加工精度。

4、本发明提供的变直径复杂内流道结构的制造方法，采用成形基板随部件一起成形，成形基板定位面通过减材工艺保证精度的方法，能够保证后续加工过程装夹定位的精度，从而保证后续激光增材及减材的制造精度；有利于减少工序，提高效率，实现零件的快速化加工。

5、本发明提供的变直径复杂内流道结构的制造方法，采用转换成形基板制造复杂内流道构件的方法，根据内流道的几何特征划分多个不同的成形基板，以化繁为简、化整为零的思想把复杂零件划分成离散的各部件，从而可以依次加工，实现内流道构件的制造。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中复杂内流道表面质量差，几何精度低，内表面无法加工，或是无法完全加工的问题，对于航空发动机用复杂燃油喷嘴、空心风扇叶片、特殊液压元件或具有该几何特征的复杂构件的表面加工具有很重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的变直径复杂内流道构件轴测图；

图2为本发明实施例1的变直径复杂内流道构件剖面图；

图3为本发明实施例1的变直径复杂内流道构件拆分与成形基板设计示意图；

图4为本发明所述的变直径复杂内流道结构的加工方法流程示意图；

图5为本发明所述的加工构件竖直面时的刀具位置示意图；

图6为本发明所述的加工构件倾斜面或曲面的刀具位置示意图；

图7为本发明所述的减材加工构件竖直部分的局部刀具路径图；

图8为本发明所述的减材加工构件倾斜或曲面部分的局部刀具路径图；

图9为本发明实施例2的倾斜变直径复杂内流道构件轴测图；

图10为本发明实施例2的倾斜变直径复杂内流道构件剖面图；

图11为本发明实施例2的倾斜变直径复杂内流道构件拆分与成形基板设计示意图；

图中：1、部件Ⅰ 2、部件Ⅱ 3、部件Ⅲ·····n、部件N n+1、部件N+1 A1、成形基板Ⅰ A2、成形基板Ⅱ····An、成形基板N B1、原始基板Ⅰ B2、原始基板Ⅱ B3、原始基板Ⅲ。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-8所示变直径复杂内流道转换成形基板的加工方法为：

第一步、将变直径复杂内流道构件沿流道连接处进行拆分，分别为部件Ⅰ1、部件Ⅱ2和部件Ⅲ3，本实施例中的变直径复杂内流道构件三维模型的尺寸为：截面10mm×10mm；单个流道段长度50mm；部件Ⅰ1和部件Ⅲ3的内流道直径5mm，部件Ⅱ2的内流道直径7mm；

第二步、对部件Ⅱ2和部件Ⅲ3的成形基板进行设计，原则上保证成形基板与部件在增材成形时与刮板不干涉，本实施例中成形基板的尺寸为50mm×50mm×8mm；

第三步、根据内流道的特征，对竖直区域采用圆鼻刀具进行加工，主轴转速20000r/min，进给速度1500mm/min；内流道连接处采用T型刀具进行加工，主轴转速7000r/min，进给速度1500mm/min；加工过程采用阶段切削、先粗后精的切削方法，多次小进给，减小刀具切削力同时提高表面加工质量；

第四步、激光增材和减材加工交替进行在原始基板ⅠB1上成形部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的成形基板Ⅰ，完成后将其从原始基板ⅠB1上切下，对内流道部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的连接处进行平整化处理；

第五步、在成形基板Ⅰ上打沉头孔，采用螺栓连接的方式将成形基板ⅠA1与原始基板ⅡB2相连，保证原始基板Ⅱ与部件Ⅰ上表面平行度误差<0.02mm；采用对刀仪确定部件Ⅰ与原始基板ⅡB2之间的相对位置，根据此位置在软件中定位部件Ⅱ2和部件Ⅲ3的成形基板ⅡA2，继续进行成形加工；

第六步、待部件Ⅱ2和成形基板ⅡA2加工完成后，将成形基板ⅠA1去除，并对原始基板ⅢB3进行预制槽加工，将成形基板ⅡA2与原始基板ⅢB3通过螺栓相连接，继续成形加工部件Ⅲ3，待加工完成后，去除用于辅助加工的成形基板ⅠA1、ⅡA2，并对外表面进行光整加工，得到完全经过减材加工的变直径复杂内流道构件，内流道表面粗糙度Ra<1.6μm。

实施例2

如图9-11所示，倾斜变直径复杂内流道构件拆分与成形基板示意图；根据倾斜流道的几何特征，对其划分部件和成形基板设计后，按照实例一的步骤对其进行加工。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于，所述的方法步骤包括：

第一步、建模拆分：使用三维建模软件绘制拟制备的复杂内流道金属工件模型，并将内流道模型进行拆分，拆分原则为：相邻内流道段间角度小于110°，沿内流道连接处对其进行拆分；部件Ⅰ(1)、部件Ⅱ(2)、部件Ⅲ(3)；

第二步、基板设计：逐个对拆分后的内流道部件进行成形基板的设计；成形基板对应的拆分部件为：成形基板Ⅰ(A1)对应部件Ⅱ(2)、成形基板Ⅱ(A2)对应部件Ⅲ(3)；

第三步、刀具选择：针对内流道不同位置的几何特征来选择合适的刀具，对于内流道与基板垂直的特征部位加工刀具选用：圆鼻刀、平头刀；内流道与基板呈一定角度，或是呈一定弧度，相邻内流道连接处，采用加工刀具为：T型刀具、非标刀具；同时对于不同刀具应采用不同的加工工艺参数；

第四步、加工准备：对拆分后的部件Ⅰ(1)和部件Ⅱ(2)的成形基板Ⅰ(A1)模型进行切片分层，并规划其激光增材路径，同时根据部件特征选择合适刀具，并根据减材加工的刀具可达性，合理选择每个增材步骤的堆积层数；

第五步、部件Ⅰ(1)加工：待刀具与增材堆积层厚确认完毕后，采用激光增材制造与减材制造交替进行的加工方法，在原始基板Ⅰ(B1)上完成内流道部件Ⅰ(1)和部件Ⅱ(2)的成形基板Ⅰ(A1)的制造；

第六步、切割处理：使用线切割沿原始基板Ⅰ(B1)切下部件Ⅰ(1)和部件Ⅱ(2)的成形基板Ⅰ(A1)；对部件Ⅰ(1)和部件Ⅱ(2)的连接处进行平整化处理，以便下一步的增材，平整化处理的方法为：水射流、磨料流；

第七步、部件Ⅱ(2)加工：将成形基板Ⅰ(A1)和部件Ⅰ(1)一起放置在原始基板Ⅱ(B2)上，成形基板Ⅰ(A1)与原始基板Ⅱ(B2)通过螺栓连接，安装定位后，以此时部件Ⅰ(1)的上表面作为成形面，采用减材系统中的对刀仪确定此时部件Ⅰ(1)相对于原始基板Ⅱ(B2)的位置，并根据该位置信息在切片软件中定位部件Ⅱ(2)与部件Ⅲ(3)的成形基板Ⅱ(A2)模型，此过程需保证定位精度，以确保转换基板前后部件的完美连接；重复上述第三、四步的过程，完成部件Ⅱ(2)与部件Ⅲ(3)的成形基板Ⅱ(A2)的激光增材和减材的交替加工；

第八步、切割处理：通过线切割的方式沿成形基板Ⅰ(A1)切下部件Ⅱ(2)与部件Ⅲ(3)的成形基板Ⅱ(A2)，去除成形基板Ⅰ(A1)；对部件Ⅱ(2)与部件Ⅲ(3)的连接处进行平整化处理；根据上述加工成形的部件Ⅰ(1)、部件Ⅱ(2)与部件Ⅲ(3)的成形基板Ⅱ(A2)的几何特征，对原始基板Ⅲ(B3)进行预制槽加工，避免部件Ⅰ(1)与原始基板Ⅲ(B3)出现干涉情况；

第九步、部件Ⅲ加工：将成形基板Ⅱ(A2)和部件Ⅱ(2)一起放置在原始基板Ⅲ(B3)上，成形基板Ⅱ(A2)与原始基板Ⅲ(B3)通过螺栓连接，安装定位后，采用减材系统中的对刀仪确定此时部件Ⅱ(2)相对于原始基板Ⅲ(B3)的位置，并根据该位置信息在软件中定位部件Ⅲ(3)的模型，重复上述第三、四步的过程，采用激光增材和减材交替进行完成部件Ⅲ(3)的加工。

2.根据权利要求1所述的变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于：激光增材方式为选区激光熔化，减材方式为铣削或磨削。

3.根据权利要求1所述的变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于：复杂内流道结构为不同内径、不同截面形状的内流道经直线内流道连接或曲线内流道连接而成。

4.根据权利要求1所述的变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于：用于定位的成形基板的形状为长方体，其厚度为8～10mm并通过激光增材和减材加工与部件一并成形，其定位面尺寸精度通过减材工艺保证，加工误差<0.05mm；所述的原始基板材料为部件材料或者与部件材料相容性好的材料，机加工表面，原始基板上下表面平行度误差<0.04mm。

5.根据权利要求1所述的变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于：转换原始基板后对部件连接处的表面进行平整化处理，保证部件连接处的表面与成形基板上表面平行度误差小于或等于0.02mm。

6.根据权利要求1所述的一种变直径复杂内流道结构的制造方法，其特征在于：圆鼻刀具采用高转速、大进给；平头刀具及T型刀具采用低转速、小进给；刀具的工艺参数和加工方式的选择，对其表面质量起着决定性作用；对于T型刀具而言，应确保其避空长度大于增材步骤的堆积层厚，并要考虑T型刀具悬出长度与工件角度间的关系，避免加工过程中的刀具干涉。

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