CN111069607B - 一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，包括以下步骤：(1)建模；(2)将建立的模型按照要求进行摆放；(3)对模型进行迭代优化；(4)添加内腔实体自支撑和需去除的外部支撑；(5)激光选区熔化成形；(6)清理粉并去除外部支撑及热处理；(7)灌蜡、脱蜡处理；(8)表面光整；内腔实体自支撑主要包括：以第一层底和第二层底之间分布的喷嘴为支撑点，添加倾斜实体支撑，实现喷嘴之间的悬垂面无支撑成形；对第一层底和第二层底之间倾斜实体结构无法覆盖全部的0°悬垂面添加镂空实体支撑，在不影响内腔推进剂流动的前提下，使喷注器整体制造成为可能，保证喷注器内部成形质量。

Description

一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体是一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法。
背景技术
喷注器为燃气发生器和推力室中完成液氧煤油发动机推进剂雾化、掺混及燃烧功能的核心组件。但是由于喷注器内部结构复杂，目前一般采用分体结构成形，将多个零件分体加工，然后将各个零件焊接连接成整体结构，该种方法主要存在以下问题：一、可靠性差。喷注器由上百个零件压合钎焊而成，连接过程中存在变形，影响液流数据；钎焊过程不易控制，特别是复合喷嘴与第一层底、第二层底的钎焊部位，一旦出现焊缝失效泄漏，就会发生氧化剂路和燃料路串腔，导致发动机爆炸；焊缝数量多、面积大，在发动机工作过程中，多次振动容易引起焊缝开裂，降低喷注器长时间工作可靠性。二、制造成本高。喷注器零件数量多，精度要求高，加工过程中需要很长的设备占用时间；在零件连接过程中，需要多个工装夹具进行固定和定位，制造成本高。三、加工周期长。喷注器加工制造涉及锻造、热处理、表面处理、机械加工、试验及组件装配、钎焊等近20多个领域和工序，从零件加工到组件焊接，再到喷注器装配及检查试验，整个生产周期耗时近4个月，不利于发动机的快速研制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，能够实现喷注器的成体成形，且成形的喷注器质量高，可靠性高。
本发明的技术解决方案是：一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，包括以下步骤：
(1)建立喷注器的三维模型并优化；
(2)将步骤(1)建立的三维模型按照要求进行摆放；
(3)根据步骤(2)摆放的三维模型，提取模型中的单个喷嘴进行迭代优化以确定最终三维模型；
(4)根据步骤(3)确定的三维模型和步骤(2)确定的摆放方案，添加成形后无需去除的内腔实体自支撑和需去除的外部支撑；
(5)在惰性气体环境中按照步骤(4)得到的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有外部支撑和实体自支撑的喷注器；
(6)对步骤(5)得到的带有外部支撑和实体自支撑的喷注器的内腔粉末进行清理，并去除外部支撑及热处理；
(7)对步骤(6)得到的去除了外部支撑及热处理得到的喷注器进行灌蜡处理，灌蜡完成后采用机械加工去除外部支撑，再进行脱蜡处理；
(8)对步骤(7)得到的去除外部支撑的喷注器进行表面光整，光整完成后得到复杂、多内腔、窄流道喷注器；
复杂、多内腔、窄流道喷注器包括第一层底、第二层底、喷嘴和燃气入口管，喷嘴和燃气入口管位于第一层底和第二层底之间，喷嘴围绕燃气入口管的中心设置，喷嘴的最小出口间隙为0.6mm；
步骤(4)中，添加无需去除的内腔实体自支撑主要包括：以第一层底和第二层底之间分布的喷嘴为支撑点，添加倾斜实体支撑，实现喷嘴之间的悬垂面无支撑成形；对第一层底和第二层底之间倾斜实体结构无法覆盖全部的0°悬垂面添加镂空实体支撑；添加倾斜实体结构的依据为“激光选区熔化成形技术在无支撑添加的情况下可以成形≥45°的倾斜结构以及直径不大于6mm的横向圆筒结构”；添加的镂空实体支撑需满足强度需求且不影响液流在腔体内流通。
本发明建模时通过在喷注器内腔添加以喷嘴为支点倾斜实体支撑和在倾斜实体支撑覆盖不到的悬垂面上添加镂空实体支撑，在不影响内腔推进剂流动的前提下，使复杂、多内腔、窄流道喷注器整体制造成为可能；同时由于喷注器内腔复杂，多为盲腔，内部支撑无法去除，通过添加以喷嘴为支点倾斜实体支撑和倾斜实体支撑覆盖不到的悬垂面上添加镂空实体支撑的方法，保证喷注器内部成形质量。
进一步地，步骤(1)中，综合考虑结构强度、液流性能等众多约束条件，大量消除喷注器模型中存在的连接结构和焊缝，并进行增材制造适应性修改，获得整体化的喷注器，再导出STL格式三维模型，导出精度优于0.008mm，使得建立的喷注器模型适用于增材制造成形。
进一步地，步骤(2)中，摆放要求为喷注器喷嘴出口向上摆放，保证喷流的一致性，从而保证步骤(3)中液流工艺试验结果的准确性,以保证最终获得的喷注器模型最优。
进一步地，步骤(3)中，迭代优化建立最终模型的方法为：第一步，使用建模软件提取单个喷嘴模型；第二步，修改单个喷嘴模型中的切向孔孔径，建立切向孔孔径为1.0mm-2.5mm、孔径呈0.1mm递增的系列喷嘴模型；第三步，对系列喷嘴模型开展“成形-化学抛光后处理-液流”工艺试验，获得满足液流试验要求的喷嘴切向孔孔径及化学抛光后处理工艺参数；第四步，对化学抛光后的单个喷嘴尺寸进行测量，获得化学抛光工艺对不影响液流流量的通道去除量；第五步，根据第三步和第四步的结果对第二步获得的三维模型中的单个喷嘴切向孔孔径进行修改并对不影响液流流量的通道进行尺寸补偿，获得最终喷注器三维模型；通过对喷注器内喷嘴及支撑的结构优化，使得喷注器内腔具有足够的支撑强度，从而使得喷注器整体成形成为可能。
进一步地，步骤(5)中，激光选区熔化成形的参数为：激光功率280-320W，扫描速度800-1100mm/s，线间距0.10-0.13mm，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°，按照上述成形参数能够保证成形后喷注器的精度和性能要求。
进一步地，步骤(6)中，清理粉末采用0.6Mpa-0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形的喷注器内腔进行吹除，吹除效率高；线切割为高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28-8μs，脉冲间隔为112-170μs，波形为矩形脉冲，切割效率高，且切割效果好，保证了成形喷注器的质量；热处理制度为稳定化态处理90min升至800-900℃，保温2-3h，充气冷却，通过上述线切割的参数控制可以有效减小喷注器变形量，热处理制度保证其性能。
进一步地，步骤(7)中，灌蜡的蜡液成分为50％石蜡和50％硬脂酸，灌蜡温度为60℃-70℃；脱蜡的方法为：先在±0.6±0.05MPa压力和160℃-170℃温度的脱蜡炉中蒸除，再使用高温蒸汽吹除残余蜡液；采用车床加工对第二层底下端的外部支撑进行去除，通过上述参数控制可以有效的防止机械加工过程中多余物进入喷注器内腔。
进一步地，步骤(8)中，表面光整工艺为化铣抛光，抛光液为盐酸、硝酸、氢氟酸等混合溶液，抛光时间2-4min。通过单喷嘴切向孔尺寸迭代优化获得的化铣工艺参数，是保证液流的关键环节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过内腔添加以喷嘴为支点倾斜实体支撑和倾斜实体支撑覆盖不到的悬垂面上添加镂空实体支撑的方法，在不影响内腔推进剂流动的前提下，使复杂、多内腔、窄流道喷注器整体制造成为可能，同时保证喷注器内部成形质量。
(2)采用现有的加工工艺机加工喷注器，钎焊缝强度只为基材强度的50％，可靠性不高，采用增材制造整体无需采用钎焊工艺，避免了在发动机工作过程多次振动容易引起开裂的问题，可靠性提升。
(3)采用整体成形方法，与传统机械加工后钎焊的工艺相比，零件数量从上百个减少到1个，减少了加工工序，生产周期从4个月缩短到1周。
(4)采用化铣的方法对喷注器尤其是喷嘴进行光整加工，一方面保证了液流结果符合设计指标，另一方面解决了喷注器复杂内腔粉末难清除的难题，保证了产品可靠性。
附图说明
图1为本发明喷注器的正视图。
图2为本发明发明喷注器的内腔结构图。
图3为本发明喷注器与外部支撑的连接结构图。
图4为本发明喷嘴模型的结构图。
图5为本发明喷嘴与倾斜实体支撑的连接示意图。
图6为本发明倾斜实体支撑的结构图。
图7为本发明镂空实体支撑与喷注器的连接示意图。
图8为本发明镂空实体支撑的结构图。
图9为本发明图8的B-B视向图。
附图标记：1-第一层底，2-第二层底，3-喷嘴，4-燃气入口管，5-倾斜实体支撑，6-镂空实体支撑，7-切向孔，8-喷嘴的出口，9-外部支撑。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明的复杂、多内腔、窄流道喷注器包括第一层底1、第二层底2、喷嘴3和燃气入口管4，喷嘴3和燃气入口管4位于第一层底1和第二层底2之间，喷嘴的出口8设置在第一层底1上，喷嘴3的最小出口间隙为0.6mm。如图4所示，在喷嘴3的外表面设置有切向孔7。氧化剂和燃料分别通过第二层底2底部和第一层底1和第二层底2之间的燃料入口进入到喷注器内，分别通过喷嘴3喷注，在喷嘴3出口处均匀混合后，通过燃气入口管4的高温燃气引燃，形成动力。
为有效防止喷注器内串腔，提高喷注器工作可靠性，最优的成形方案是在保证复杂流路尺寸精度及表面质量要求下整体成形，基于此，本申请提出一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法。
由于现有的喷注器一般采用分体加工零件后再装配焊接成一体成形，喷注器的部分结构不适用于整体成形，需要对喷注器的结构作适应性修改，即进行下列步骤(1)、(2)、(3)：
(1)建立喷注器的三维模型并优化：
使用建模软件UG或Pro/engineer建立喷注器的三维模型，综合考虑结构强度、液流性能等众多约束条件，大量消除喷注器模型中存在的连接结构和焊缝，并进行增材制造适应性修改，获得整体的喷注器，再导出STL格式三维模型，导出精度优于0.008mm。
(2)将步骤(1)建立的三维模型按照要求进行摆放：为了保证后续液流工艺试验结果的准确性，需要保证喷流的一致性，将喷注器喷嘴出口向上摆放。
(3)为单个喷嘴是决定喷注器性能的单位组元，因此，根据步骤(2)摆放的三维模型，提取模型中的单个喷嘴进行迭代优化以确定最终三维模型：
迭代优化建立最终模型的方法为：第一步，使用建模软件UG或Pro/engineer提取单个喷嘴模型；
第二步，由于喷嘴的切向孔7是影响喷注器的液流、雾化效果的主要参数，因此对第一步中提取的单个喷嘴模型中的切向孔7孔径进行修改，切向孔7孔径1.0mm-2.5mm，然后建立切向孔7孔径为1.0mm-2.5mm、孔径呈0.1mm递增的系列喷嘴模型，具体的，切向孔的直径为1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm等；
第三步，对系列喷嘴模型开展“成形-化学抛光后处理-液流”工艺试验，获得满足液流试验要求的喷嘴切向孔7孔径及化学抛光后处理工艺参数；
第四步，由于化学抛光对喷嘴流量有去量，影响喷嘴的强度，需对化学抛光后的单个喷嘴尺寸进行测量，以获得化学抛光工艺对不影响液流流量的通道去除量；
第五步，根据第三步和第四步的结果对第二步获得的三维模型中的单个喷嘴切向孔7孔径进行修改并根据获得的不影响液流流量的通道去除量对通道进行尺寸补偿，获得最终喷注器三维模型。
(4)由于喷注器喷内部结构复杂，整体成形，喷嘴之间的支撑强度不够，且增材制造设备在成形其他产品时设置外部支撑，根据步骤(3)确定的三维模型和步骤(2)确定的摆放方案，在喷注器的模型上添加成形后无需去除的内腔实体自支撑和需去除的外部支撑：
如图5、7所示，添加无需去除的内腔实体自支撑主要包括：以第一层底和第二层底之间分布的喷嘴为支撑点，在喷嘴之间添加倾斜实体支撑5，该倾斜实体支撑5连接喷嘴和第一层底,实现喷嘴之间的悬垂面无支撑成形，倾斜实体支撑5的结构如图6所示，为倒锥台结构；为了保证喷注器内腔结构强度，同时减轻喷注器整体重量，如图7所示，对第一层底和第二层底之间倾斜实体结构无法覆盖全部的0°悬垂面添加镂空实体支撑6，镂空实体支撑6的结构如图8、9所示，悬垂面的接触部位与第一底层接触，与其相对的一侧与喷嘴接触；根据成形极限研究的试验结果，添加倾斜实体结构为“激光选区熔化成形技术在无支撑添加的情况下可以成形≥45°的倾斜结构以及直径不大于6mm的横向圆筒结构”；添加的镂空实体支撑6需满足强度需求且不影响液流在腔体内流通。
(5)在惰性气体环境中按照步骤(4)得到的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有外部支撑和实体自支撑的喷注器：
具体的，激光选区熔化成形的参数为：激光功率280-320W，扫描速度800-1100mm/s，线间距0.10-0.13mm，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°。
(6)对步骤(5)得到的带有外部支撑和实体自支撑的喷注器的内腔粉末进行清理，并去除外部支撑及热处理：
清理粉末采用0.6Mpa-0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形的喷注器内腔进行吹除；线切割为高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28-8μs，脉冲间隔为112-170μs，波形为矩形脉冲；热处理制度为稳定化态处理90min升至800-900℃，保温2-3h，充气冷却。
(7)为了保证喷注器的耐腐蚀性，对步骤(6)得到的去除了外部支撑及热处理得到的喷注器进行灌蜡处理，灌蜡完成后采用机械加工去除支撑，再进行脱蜡处理：
灌蜡的蜡液成分为50％石蜡和50％硬脂酸，灌蜡温度为60℃-70℃；脱蜡的方法为：先在±0.6±0.05MPa压力和160℃-170℃温度的脱蜡炉中蒸除，再使用高温蒸汽吹除残余蜡液；采用车床加工对第二层底下端的外部支撑进行去除。
(8)为了保证喷注器的耐磨耐腐蚀性，对步骤(7)得到的去除外部支撑的喷注器进行表面光整，光整完成后得到复杂、多内腔、窄流道喷注器：根据步骤(3)最终得到的喷注器模型选择表面光整工艺，具体的，表面光整工艺为化铣抛光，抛光液为盐酸、硝酸、氢氟酸等混合溶液，抛光时间2-4min。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）建立喷注器的三维模型并优化；
（2）将步骤（1）建立的三维模型按照要求进行摆放；
（3）根据步骤（2）摆放的三维模型，提取模型中的单个喷嘴进行迭代优化以确定最终三维模型；
（4）根据步骤（3）确定的三维模型和步骤（2）确定的摆放方案，添加成形后无需去除的内腔实体自支撑和需去除的外部支撑；
（5）在惰性气体环境中按照步骤（4）得到的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有外部支撑和实体自支撑的喷注器；
（6）对步骤（5）得到的带有外部支撑和实体自支撑的喷注器的内腔粉末进行清理，并采用线切割去除基板及热处理；
（7）对步骤（6）得到的去除了基板及热处理得到的喷注器进行灌蜡处理，灌蜡完成后采用机械加工去除外部支撑，再进行脱蜡处理；
（8）对步骤（7）得到的去除外部支撑的喷注器进行表面光整，光整完成后得到复杂、多内腔、窄流道喷注器；
所述的复杂、多内腔、窄流道喷注器包括第一层底、第二层底、喷嘴和燃气入口管，喷嘴和燃气入口管位于第一层底和第二层底之间，喷嘴的最小出口间隙为0.6mm；
步骤（4）中，所述添加无需去除的内腔实体自支撑主要包括：以第一层底和第二层底之间分布的喷嘴为支撑点，添加倾斜实体支撑；对第一层底和第二层底之间，倾斜实体支撑覆盖不到的悬垂面上添加镂空实体支撑；添加倾斜实体支撑的悬垂面依据为“成形＜45°的倾斜结构以及直径大于6mm的横向圆筒结构”；添加的镂空实体支撑需满足强度需求且不影响液流在腔体内流通；
步骤（2）中，所述摆放要求为喷注器喷嘴出口向上摆放；
步骤（3）中，迭代优化建立最终模型的方法为：
第一步，使用建模软件提取单个喷嘴模型；
第二步，修改单个喷嘴模型中的切向孔孔径，建立切向孔孔径为1.0mm-2.5mm、孔径呈0.1mm递增的系列喷嘴模型；
第三步，对系列喷嘴模型开展“成形-化学抛光后处理-液流”工艺试验，获得满足液流试验要求的喷嘴切向孔孔径及化学抛光后处理工艺参数；
第四步，对化学抛光后的单个喷嘴尺寸进行测量，获得化学抛光工艺对不影响液流流量的通道去除量；
第五步，根据第三步和第四步的结果对第二步获得的三维模型中的单个喷嘴切向孔孔径进行修改并对不影响液流流量的通道进行尺寸补偿，获得最终喷注器三维模型；
步骤（6）中，清理粉末采用0.6Mpa-0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形的喷注器内腔进行吹除；
所述线切割为高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28-8μs，脉冲间隔为112-170μs，波形为矩形脉冲；
热处理制度为90min升至800-900℃，保温2-3h，充气冷却；
步骤（8）中，表面光整工艺为化铣抛光，抛光液为盐酸、硝酸、氢氟酸混合溶液，抛光时间2-4min。
2.根据权利要求1所述的一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，其特征在于：步骤（1）中，综合考虑结构强度、液流性能，消除喷注器模型中存在的连接结构和焊缝，并进行增材制造适应性修改，获得整体化的喷注器，再导出STL格式三维模型，导出精度优于0.008mm。
3.根据权利要求1所述的一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，其特征在于：步骤（5）中，激光选区熔化成形的参数为：激光功率280-320W，扫描速度800-1100mm/s，线间距0.10-0.13mm，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°。
4.根据权利要求1所述的一种复杂、多内腔、窄流道喷注器的成形方法，其特征在于：步骤（7）中，灌蜡的蜡液成分为50%石蜡和50%硬脂酸，灌蜡温度为60℃-70℃；
脱蜡的方法为：先在0.6±0.05MPa压力和160℃-170℃温度的脱蜡炉中蒸除，再使用高温蒸汽吹除残余蜡液；
采用车床加工对第二层底下端的外部支撑进行去除。
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