CN113686206A - 3d打印空气舵及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印空气舵及加工方法，包括：空气舵外壳、空气舵骨架以及空气舵舵轴；所述空气舵外壳一侧连接所述空气舵舵轴，所述空气舵外壳内部安装所述空气舵骨架。本装置采用波浪型结构空气舵骨架，相比于传统骨架结构，降低了舵面质量，同时，波浪型空气舵骨架与空气舵外壳形成三角形承力结构，与传统骨架结构相比，降低了结构质量的同时提升了空气舵的承载效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域，具体地，涉及3D打印空气舵及加工方法。
背景技术
空气舵是导弹、火箭等飞行器的重要组成部分，空气舵主要产生附加空气动力及对于导弹质心的控制力矩，从而改变和保持飞行器的飞行方向。随着飞行器飞行速度快速提升，空气舵所承受的气动载荷极具增大。传统空气舵采用纯金属实心结构，存在结构重量大、承载能力低的弊端。为了能够更大的气动载荷，在保证空气舵刚性的前提下尽可能较少空气舵质量，刘献伟等在文献(刘献伟，张鹏等.空空导弹舵翼面的技术发展[J].航空兵器.2010(01))中指出目前，空气舵多采用整体夹芯式结构、蒙皮骨架式结构和夹层式结构。然而，这些结构形式都存在着一系列问题。整体夹芯式结构只适用于厚度较大的空气舵，空气舵厚度增大的同时会导致空气阻力的增大，不利于飞行器的高速飞行；蒙皮骨架式结构和夹层式结构，对空气舵各部件尺寸要求精细，加工要求高，且最后需要使用焊接的方式把空气舵各部分连接在一起，占用了大量工期。因此，亟需一种轻质、工艺简单的新型空气舵。
专利文献CN112361894A提供了一种用于火箭的空气舵，包括：上舵板，所述上舵板的下侧的内部具有上舵板筋条；下舵板，所述下舵板的上侧的内部具有下舵板筋条；所述上舵板的下侧和所述下舵板的上侧对合固定为一体；其中，所述上舵板筋条是在刚性上侧板的下侧的内部切削形成的，所述下舵板筋条是在刚性下侧板的上侧的内部切削形成的，所述上舵板的上侧和所述下舵板的下侧是空气舵的蒙皮。
专利文献CN108995792A提供了一种复合材料结构的空气舵，包括舵面、舵轴，所述舵面与舵轴通过紧固件连接；其中，所述舵面包括前缘、舵芯、防热套，所述舵芯包括过渡结构、主体结构，所述过渡结构包括过渡条、中间体；前缘、过渡条、中间体、主体结构依次连接，舵面通过主体结构连接舵轴，其中，中间体、主体结构外部包覆防热套，前缘、过渡条、防热套共同组成空气舵的气动外形。
上述现有专利采用蒙皮骨架式结构和夹层式结构，工艺复杂无法解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种3D打印空气舵及加工方法。
根据本发明提供的一种3D打印空气舵，包括：空气舵外壳、空气舵骨架以及空气舵舵轴；
所述空气舵外壳一侧连接所述空气舵舵轴，所述空气舵外壳内部安装所述空气舵骨架；
所述空气舵外壳、所述空气舵骨架以及所述空气舵舵轴通过3D打印设备打印成形。
优选地，所述空气舵外壳设置为后掠梯形立方体；
所述后掠梯形立方体包括：第一侧面和第二侧面；
所述第一侧面和所述第二侧面设置为形状相同的梯形；
所述第一侧面和所述第二侧面对应一侧腰连接形成前缘，所述第一侧面和所述第二侧面通过所述前缘形成夹角放置；
所述第一侧面和所述第二侧面对应另一侧腰之间通过第一平面连接并形成后缘，所述第一平面垂直于所述第一侧面和所述第二侧面；
所述第一侧面和所述第二侧面对应上底之间通过第二平面连接并形成尖弦；
所述第一侧面和所述第二侧面对应下底之间通过第三平面连接并形成根弦；
所述第二平面和所述第三平面设置为三角形并与所述第一侧面和所述第二侧面垂直。
优选地，所述第一侧面和所述第二侧面均设置折面，所述第一侧面和所述第二侧面连接所述前缘处夹角通过所述折面增加；
所述前缘处设置倒圆角。
优选地，所述第一侧面、所述第二侧面、所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面连接并形成空腔；
所述空气舵骨架安置在所述空腔中。
优选地，所述空气舵骨架包括：横梁和纵梁；
所述横梁和所述纵梁设置有多个并交错安置成网状；
所述横梁和所述纵梁连接所述前缘、尖弦、后缘以及根弦。
优选地，所述横梁和所述纵梁设置为波浪型；
所述波浪型设置有波峰和波谷，所述波峰和所述波谷连接所述第一侧面和所述第二侧面并形成局部三角形。
优选地，所述横梁和所述纵梁之间设置间隙。
优选地，所述根弦处设置通孔，所述通孔连通所述空腔；
所述通孔设置有多个。
优选地，所述空气舵舵轴安置在所述根弦上；
所述空气舵舵轴一端设置为第一圆柱，所述第一圆柱沿轴向向一侧延伸出第二圆柱，所述第一圆柱直径大于所述第二圆柱；
所述第二圆柱侧面设置多个凸边；
所述空气舵外壳、所述空气舵骨架以及所述空气舵舵轴采用一体式成形方式连接。
优选地，一种所述3D打印空气舵的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备用于3D打印成形的金属粉末，对空气舵三维模型进行处理，填补不便于直接3D打印成形的孔洞和倒角，对模型进行变形仿真分析，求得所述空气舵在3D打印成形过程中可能发生的变形，并在工艺模型上对可能变形部分添加余量；
步骤S2，确定工艺模型及成形工艺参数，根据工艺参数，所述3D打印设备开展激光选区熔化成形；
步骤S3，通过所述通孔，将成形过程中封闭在所述空腔内的金属粉末排除；
步骤S4，对生产的毛胚进行固溶和双时效热处理，并对经过热处理的毛胚件去除结构成形过程中基板和支撑结构；
步骤S5，对所述空气舵进行X射线损伤检测，确保所述空气舵内部无缺陷；
步骤S6，对倒角和圆孔部分进行精加工，并对所述空气舵进行表面处理。
优选地，所述空气舵骨架与3D打印铺层方向夹角在-60°至60°。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本装置采用波浪型结构空气舵骨架，相比于传统骨架结构，降低了舵面质量，同时，波浪型空气舵骨架与空气舵外壳形成三角形承力结构，与传统骨架结构相比，降低了结构质量的同时提升了空气舵的承载效率。
2、本装置采用3D打印一体成形工艺，与传统蒙皮骨架式或夹层式空气舵装配工艺相比，不需要各部件分别进行精加工，不需要考虑空气舵各部件之间的生产和装配精度，不需要额外的螺接或者焊接，只需要产品成形后对个别部位进行精加工修整即可完成生产，极大地简化了工艺流程，缩短了生产周期。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为空气舵立体结构示意图；
图2为空气舵左视截面示意图；
图3为空气舵主视截面示意图；
图4为空气舵骨架结构示意图；
图5为3D打印设备打印空气舵示意图；
图6为空气舵加工流程图；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图2至图4所示，一种3D打印空气舵，包括：空气舵外壳1、空气舵骨架2以及空气舵舵轴3；空气舵外壳1一侧连接空气舵舵轴3，空气舵外壳1内部安装空气舵骨架2，空气舵外壳1、空气舵骨架2以及空气舵舵轴3通过3D打印设备7打印成形。空气舵骨架2包括：横梁5和纵梁6；横梁5和纵梁6设置有多个并交错安置成网状，横梁5和纵梁6连接前缘13、尖弦14、后缘15以及根弦16。横梁5和纵梁6设置为波浪型，波浪型设置有波峰和波谷，波峰和波谷连接第一侧面11和第二侧面12并形成局部三角形，横梁5和纵梁6之间设置间隙。根弦16处设置通孔4，通孔4连通空腔，通孔4设置有多个。空气舵舵轴3安置在根弦16上，空气舵舵轴3一端设置为第一圆柱，第一圆柱沿轴向向一侧延伸出第二圆柱，第一圆柱直径大于第二圆柱，第二圆柱侧面设置多个凸边；空气舵外壳1、空气舵骨架2以及空气舵舵轴3采用一体式成形方式连接。
如图1所示，空气舵外壳1设置为后掠梯形立方体，后掠梯形立方体包括：第一侧面11和第二侧面12；第一侧面11和第二侧面12设置为形状相同的梯形，第一侧面11和第二侧面12对应一侧腰连接形成前缘13，第一侧面11和第二侧面12通过前缘13形成夹角放置，第一侧面11和第二侧面12对应另一侧腰之间通过第一平面连接并形成后缘15，第一平面垂直于第一侧面11和第二侧面12，第一侧面11和第二侧面12对应上底之间通过第二平面连接并形成尖弦14，第一侧面11和第二侧面12对应下底之间通过第三平面连接并形成根弦16，第二平面和第三平面设置为三角形并与第一侧面11和第二侧面12垂直。第一侧面11和第二侧面12均设置折面，第一侧面11和第二侧面12连接前缘13处夹角通过折面增加，前缘13处设置倒圆角。第一侧面11、第二侧面12、第一平面、第二平面和第三平面连接并形成空腔，空气舵骨架2安置在空腔中。
如图5和图6所示，一种3D打印空气舵的加工方法，包括以下步骤：步骤S1，准备用于3D打印成形的金属粉末，对空气舵三维模型进行处理，填补不便于直接3D打印成形的孔洞和倒角，对模型进行变形仿真分析，求得空气舵在3D打印成形过程中可能发生的变形，并在工艺模型上对可能变形部分添加余量；步骤S2，确定工艺模型及成形工艺参数，根据工艺参数，3D打印设备7开展激光选区熔化成形；步骤S3，通过通孔4，将成形过程中封闭在空腔内的金属粉末排除；步骤S4，对生产的毛胚进行固溶和双时效热处理，并对经过热处理的毛胚件去除结构成形过程中基板和支撑结构；步骤S5，对空气舵进行X射线损伤检测，确保空气舵内部无缺陷；步骤S6，对倒角和圆孔部分进行精加工，并对空气舵外壳1进行表面处理。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图1至图4所示，一种3D打印空气舵，包括：空气舵外壳1、空气舵骨架2以及空气舵舵轴3，空气舵外壳1、空气舵骨架2以及空气舵舵轴3只是以功能性对空气舵的各部分进行区分，实际上整个空气舵是在3D打印过程中整体成形，不需要额外的螺接或者焊接工艺。其中，空气舵外壳1为两侧向外斜收、内部中空、前缘倒圆角的后掠梯形立方体，空气舵外壳1的根弦16前后位置分别开有通孔4，用于排出在空气舵3D打印一体成型过程中空气舵内部残留的金属粉末；空气舵骨架2由横梁5和纵梁6组成，横梁5与纵梁6相互交错，且横梁5、纵梁6与3D打印铺层方向夹角在-60°至60°之间，横梁5和纵梁6前后端与空气舵前缘13、后缘15、尖弦14及根弦16相接，横梁5与纵梁6均采用波浪型构造，梁的波峰和波谷分别与空气舵第一侧面11和第二侧面12连接，并形成局部三角形承力结构，在减轻空气舵质量的同时，提升了承载能力，同时由于采用波浪型横梁5与纵梁6内部形成的隔舱之间设置间隙并相互连通，便于残留在空气舵内部的金属粉末流通至根弦16处通孔4。
如图5和图6所示，一种3D打印空气舵的制造方法采用3D打印激光选区熔化成形工艺，其具体工艺流程包括：步骤S1，准备用于空气舵3D打印成形的金属粉末；步骤S2，对空气舵三维模型进行处理，填补了一些不便于直接3D打印成形的孔洞、倒角，对模型进行变形仿真分析，求得空气舵在3D打印成形过程中可能发生的变形，并在工艺模型上对可能变形部分添加余量；步骤S3，确定工艺模型及成形工艺参数；步骤S4，根据工艺参数，3D打印设备7开展激光选区熔化成形；步骤S5，通过根弦16两个通孔4，将成形过程中封闭在空气舵内部的金属粉末排除；步骤S6，对生产的毛胚进行固溶和双时效热处理；步骤S7，对经过热处理的毛胚件去除结构成形过程中基板和支撑结构；步骤S8，对舵面进行X射线损伤检测，确保3D打印空气舵内部无缺陷；步骤S9，对舵面倒角、圆孔等部分进行精加工，并对空气舵进行表面处理。
具体地，本实施例中空气舵3D打印铺层方向为从后缘15向前缘13延伸，横梁5与后缘15的夹角为45°，纵梁6与后缘15之间的夹角为-45°，横纵梁之间的夹角为90°。
在本实施例中，空气舵以后缘15为底，沿弦长方向进行加工，根据3D打印设备7尺寸可排列4片空气舵，即一次生产4片空气舵；根据本实施例实际的生产加工过程，3D打印毛胚成形的工期为2周，热处理工期为1周，最后精加工的工期为1周，四片空气舵总工期为1个月；传统皮骨架式或夹层式空气舵各部件的生产、精加工周期大于1个月，最后的组装、螺接、焊接需要工期1一个月，单片空气舵总工期为2个月。可以看出，采用本发明可以极大幅度缩减产品加工工期，加快产品进度。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种3D打印空气舵，其特征在于，包括：空气舵外壳(1)、空气舵骨架(2)以及空气舵舵轴(3)；
所述空气舵外壳(1)一侧连接所述空气舵舵轴(3)，所述空气舵外壳(1)内部安装所述空气舵骨架(2)；
所述空气舵外壳(1)、所述空气舵骨架(2)以及所述空气舵舵轴(3)通过3D打印设备(7)打印成形。
2.根据权利要求1所述3D打印空气舵，其特征在于：所述空气舵外壳(1)设置为后掠梯形立方体；
所述后掠梯形立方体包括：第一侧面(11)和第二侧面(12)；
所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)设置为形状相同的梯形；
所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)对应一侧腰连接形成前缘(13)，所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)通过所述前缘(13)形成夹角放置；
所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)对应另一侧腰之间通过第一平面连接并形成后缘(15)，所述第一平面垂直于所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)；
所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)对应上底之间通过第二平面连接并形成尖弦(14)；
所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)对应下底之间通过第三平面连接并形成根弦(16)；
所述第二平面和所述第三平面设置为三角形并与所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)垂直。
3.根据权利要求2所述3D打印空气舵，其特征在于：所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)均设置折面，所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)连接所述前缘(13)处夹角通过所述折面增加；
所述前缘(13)处设置倒圆角。
4.根据权利要求2所述3D打印空气舵，其特征在于：所述第一侧面(11)、所述第二侧面(12)、所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面连接并形成空腔；
所述空气舵骨架(2)安置在所述空腔中。
5.根据权利要求4所述3D打印空气舵，其特征在于，所述空气舵骨架(2)包括：横梁(5)和纵梁(6)；
所述横梁(5)和所述纵梁(6)设置有多个并交错安置成网状；
所述横梁(5)和所述纵梁(6)连接所述前缘(13)、尖弦(14)、后缘(15)以及根弦(16)。
6.根据权利要求5所述3D打印空气舵，其特征在于：所述横梁(5)和所述纵梁(6)设置为波浪型；
所述波浪型设置有波峰和波谷，所述波峰和所述波谷连接所述第一侧面(11)和所述第二侧面(12)并形成局部三角形。
7.根据权利要求6所述3D打印空气舵，其特征在于：所述横梁(5)和所述纵梁(6)之间设置间隙。
8.根据权利要求7所述3D打印空气舵，其特征在于：所述根弦(16)处设置通孔(4)，所述通孔(4)连通所述空腔；
所述通孔(4)设置有多个。
9.根据权利要求2所述3D打印空气舵，其特征在于：所述空气舵舵轴(3)安置在所述根弦(16)上；
所述空气舵舵轴(3)一端设置为第一圆柱，所述第一圆柱沿轴向向一侧延伸出第二圆柱，所述第一圆柱直径大于所述第二圆柱；
所述第二圆柱侧面设置多个凸边；
所述空气舵外壳(1)、所述空气舵骨架(2)以及所述空气舵舵轴(3)采用一体式成形方式连接。
10.一种权利要求8所述3D打印空气舵的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，准备用于3D打印成形的金属粉末，对空气舵三维模型进行处理，填补不便于直接3D打印成形的孔洞和倒角，对模型进行变形仿真分析，求得所述空气舵在3D打印成形过程中可能发生的变形，并在工艺模型上对可能变形部分添加余量；
步骤S2，确定工艺模型及成形工艺参数，根据工艺参数，所述3D打印设备(7)开展激光选区熔化成形；
步骤S3，通过所述通孔(4)，将成形过程中封闭在所述空腔内的金属粉末排除；
步骤S4，对生产的毛胚进行固溶和双时效热处理，并对经过热处理的毛胚件去除结构成形过程中基板和支撑结构；
步骤S5，对所述空气舵进行X射线损伤检测，确保所述空气舵内部无缺陷；
步骤S6，对倒角和圆孔部分进行精加工，并对所述空气舵进行表面处理。
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