CN113878129A - 一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法 - Google Patents

一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，属于增材制造技术领域。包括步骤：S1、零部件一体化设计，通过三维建模软件获得整体式扩压器模型；S2、轻量化设计，采用三维建模软件设计，获得轻量化扩压器整体模型；S3、加工余量设计，设置一定的加工余量，获得增材加工模型；S4、增材制造扩压器整体件。本方法引入增材设计及增材制造技术。以增材设计的思路将扩压器及扩压器罩采用一体化设计、轻量化设计，能够满足增材制造加工要求，最终制备的扩压器整体件也能够获得更高的服役性能和使用寿命。解决了传统机加工方法存在材料利用率低、成品率低、生产效率低等问题。

Description

一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法
技术领域
本发明涉及一种一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
扩压器连同扩压器罩，其作用在于不仅能将离心叶轮旋转施加给气流能量中的动能转化为压力势能，还能将离心叶轮流出的带径向和切向速度的高速气流通过叶片尽量扭转成纯轴向气流，供给燃烧室进行燃烧。扩压器需要具有效率高、增压能力强的特点，在许多微型、小型涡轮发动机中广泛使用。
目前绝大多数采用机加工的方法来制造扩压器及扩压器罩，采用锻造毛坯，经机加工去除多余材料，完成后使用螺栓连接方式进行组装获得最终零件。由于扩压器呈环状结构，其上有10-20个叶片，呈均布排列，叶片在径向呈内倾状，在轴向上高度为5-15mm，因此其加工工艺复杂，尤其是叶片根部清理难度大，且加工时与顶面圆弧过渡容易产生过切缺陷，加工过程中叶片容易产生变形。同时，扩压器与扩压器罩通过弧面接触，机加工带来的偏差使装配时两者同轴度很难控制。因此，传统机加工方法存在材料利用率低、成品率低、生产效率低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统加工的扩压器及扩压器罩零件装配时存在的同轴度差、加工效率低、成品率低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，包括如下步骤：
S1、零部件一体化设计，通过三维建模软件获得整体式扩压器模型；
S2、轻量化设计，采用三维建模软件对整体式扩压器模型的厚大部位进行等壁厚中空减重设计，同时对减薄部位进行加筋强化设计，获得轻量化扩压器整体模型；
S3、加工余量设计，针对扩压器零件与其他零件结构的装配位置设置一定的加工余量，最终获得一体化轻量化扩压器整体件增材加工模型；
S4、增材制造扩压器整体件。
其中，上述方法中步骤S1中通过三维建模软件UG NX 12将扩压器及扩压器罩两个零件设计为一体，同时保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致，获得整体式扩压器模型。
其中，上述方法中步骤S2中以叶片内部为设计空间，采用三维建模软件UG NX 12对整体式扩压器模型的17个叶片厚大部位进行等壁厚中空减重设计，获得轻量化扩压器整体模型。
进一步，上述方法中所述壁厚均为1至2mm。
其中，上述方法中步骤S2中的中空减重区域内部悬垂角度低于30°的面，按照30°的临界面进行设计。
其中，上述方法中步骤S3中需要考虑扩压器整体件的成形材质、增材加工方法，以确定模型的加工余量，以保证完成整个加工过程后，零件的尺寸精度在许可范围内。
进一步，上述方法中步骤S3中加工余量为0.5至1mm。
其中，上述方法中步骤S4中扩压器整体件材质为钛合金、铝合金、高温合金中的一种。
其中，上述方法中步骤S4中增材制造加工的方法为激光选区熔化、电子束熔融成形、激光送粉熔覆中的一种。
本发明的有益效果是：本方法采用多件合一的整体设计方法，减少了零件之间的装配，增强了零件的整体可靠性，能够提升零件整体功能、性能及使用寿命。而增材制造方法是一种二维片层堆叠成形的方法，能够实现任意复杂零件的制造，因此使得本方法在不降低零件原有力学性能的前提下，实现零件的减重和整体式设计，避免了装配带来的误差，增强了零件的整体可靠性，使得本方法在航空航天领域具有很好的应用前景和经济效益，具有广阔的前景。
附图说明
图1为本发明扩压器整体件空心部位截面结构示意图；
图2为本发明扩压器截面空心部位局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，包括如下步骤：
S1、零部件一体化设计，通过三维建模软件获得整体式扩压器模型；
S2、轻量化设计，采用三维建模软件对整体式扩压器模型的厚大部位进行等壁厚中空减重设计，同时对减薄部位进行加筋强化设计，获得轻量化扩压器整体模型；
S3、加工余量设计，针对扩压器零件与其他零件结构的装配位置设置一定的加工余量，最终获得一体化轻量化扩压器整体件增材加工模型；
S4、增材制造扩压器整体件。本领域技术人员能够理解的是，为了解决扩压器及扩压器罩传统加工方法存在的诸多问题，引入增材设计及增材制造技术。以增材设计的思路将扩压器及扩压器罩采用一体化设计、轻量化设计，能够满足增材制造加工要求，最终制备的扩压器整体件也能够获得更高的服役性能和使用寿命。而增材制造是一种新兴的制造技术，属于现有技术。主要是通过“自下而上”堆积材料的增材制造方式来制备零部件，使得本方法制备的零部件具有材料利用率高、加工效率高、能加工复杂零件等特点，且具有晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的优势，在制造小批量、复杂结构、异形件、难熔难加工件、梯度/点阵结构材料/零件时具有明显优势。本方法步骤S1直接在三维建模软件中，将原扩压器及扩压器罩两个采用螺栓连接的零件设计为一个整体，无需螺栓连接，同时保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致。步骤S2在满足整体和局部尺寸要求的设计空间内，采用三维建模软件对整体式扩压器模型的厚大部位进行等壁厚中空减重设计，同时对减薄部位进行加筋强化设计，获得轻量化扩压器整体模型。步骤S3考虑到增材制造后的零件表面粗糙度较大，未处理的装配接触面不能实现有效装配。因此针对扩压器零件与其他零件结构的装配位置，设置一定的加工余量，以备机加工后达到装配所需的尺寸精度。最终获得一体化轻量化扩压器整体件增材加工模型。步骤S4直接采用现有的增材制造技术进行加工得到扩压器整体件，然后再机加工去除加工余量获得最终产品。
优选的，上述方法中步骤S1中通过三维建模软件UG NX 12将扩压器及扩压器罩两个零件设计为一体，同时保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致，获得整体式扩压器模型。本领域技术人员能够理解的是，本装置只是进一步优选三维建模软件为UG NX 12。同时限定实际将将扩压器及扩压器罩两个零件设计为一体，同时建模时应保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致，获得整体式扩压器模型，也即是保证部件的尺寸精确。
优选的，上述方法中步骤S2中以叶片内部为设计空间，采用三维建模软件UG NX12对整体式扩压器模型的17个叶片厚大部位进行等壁厚中空减重设计，获得轻量化扩压器整体模型。本领域技术人员能够理解的是，由于扩压器呈环状结构，其上有10-20个叶片，呈均布排列，叶片在径向呈内倾状，加工过程中叶片容易产生变形，造成加工工艺复杂。故本方法优选采用三维建模软件UG NX 12对整体式扩压器模型的17个叶片厚大部位进行等壁厚中空减重设计，获得轻量化扩压器整体模型。
优选的，上述方法中所述壁厚均为1至2mm。本领域技术人员能够理解的是，为了保证减重设计后的结构强度，本方法优选进行等壁厚中空减重设计，且优选壁厚均为1至2mm。实际可进一步优选壁厚为1.5mm。
优选的，上述方法中步骤S2中的中空减重区域内部悬垂角度低于30°的面，按照30°的临界面进行设计。本领域技术人员能够理解的是，上述的悬垂角度即面与水平面夹角，本装置优选悬垂角度低于30°的面，按照30°的临界面进行设计，主要是防止低悬垂角度面在无支撑情况下发生塌陷的风险。同时将中空减重区域内部悬垂角度低于30°的面，按照30°的临界面进行设计，就无需在中空区域内添加任何支撑，简化了后期增材制造工序，提高了加工效率。
优选的，上述方法中步骤S3中需要考虑扩压器整体件的成形材质、增材加工方法，以确定模型的加工余量，以保证完成整个加工过程后，零件的尺寸精度在许可范围内。本领域技术人员能够理解的是，考虑到增材制造后的零件表面粗糙度较大，未处理的装配接触面不能实现有效装配。因此针对扩压器零件与其他零件结构的装配位置，设置一定的加工余量，以备机加工后达到装配所需的尺寸精度。
优选的，上述方法中步骤S3中加工余量为0.5至1mm。本领域技术人员能够理解的是，优选加工余量为0.5至1mm，实际选取0.5mm的加工余量即可。
优选的，上述方法中步骤S4中扩压器整体件材质为钛合金、铝合金、高温合金中的一种。本领域技术人员能够理解的是，为了保证整个扩压器整体件的结构强度，本方法优选扩压器整体件材质为钛合金(Ti6Al4V、TC18等)、铝合金(AlSi10Mg、7075等)、高温合金(GH4169、GH3536等)中的一种,所制备加工的方法为激光选区熔化、电子束熔融成形、激光送粉熔覆等中的一种。
优选的，上述方法中步骤S4中增材制造加工的方法为激光选区熔化、电子束熔融成形、激光送粉熔覆中的一种。本领域技术人员能够理解的是，为了方便成本控制，本装置优选步骤S4中增材制造加工的方法为激光选区熔化、电子束熔融成形、激光送粉熔覆中的一种。
实施例1
以钛合金Ti6Al4V为扩压器材质，采用激光选区熔化实施加工，基板材质与零件相同，为Ti6Al4V，所使用原材料为15-53μm的Ti6Al4V球形粉末。
(1)、在三维建模软件UG NX 12中，将扩压器及扩压器罩两个零件设计为一体，同时保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致，获得整体式扩压器模型。
(2)、在不改变扩压器整体件整体尺寸、局部细节尺寸要求的基础上，以叶片内部为设计空间，采用三维建模软件UG NX 12对整体式扩压器模型的17个叶片厚大部位进行等壁厚中空减重设计，壁厚为1.5mm，获得轻量化扩压器整体模型。
(3)、根据所选用钛合金Ti6Al4V，以及激光选区熔化方法进行加工，对扩压器零件与其他零件结构的装配位置设置0.5mm的加工余量，以备机加工后达到装配所需的尺寸精度。最终获得符合增材加工要求的一体化轻量化扩压器整体件增材加工模型。
经过本方法一体化设计后，扩压器及扩压器罩合成的整体件同轴度优异无偏差，从源头上解决了传统加工存在的问题。同时一体化设计不再有螺栓连接孔的存在，使原有的两个零件接触面不再因圆弧面接触而造成同轴度差、存在缝隙、连接处薄弱等问题。对叶片厚大部位进行等壁厚中空化设计后，零件的质量减轻到原来的70％，实现了零件的轻量化设计。所获得的一体化轻量化扩压器整体零件具备更优的综合性能。

Claims (9)

1.一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、零部件一体化设计，通过三维建模软件获得整体式扩压器模型；
S2、轻量化设计，采用三维建模软件对整体式扩压器模型的厚大部位进行等壁厚中空减重设计，同时对减薄部位进行加筋强化设计，获得轻量化扩压器整体模型；
S3、加工余量设计，针对扩压器零件与其他零件结构的装配位置设置一定的加工余量，最终获得一体化轻量化扩压器整体件增材加工模型；
S4、增材制造扩压器整体件。
2.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S1中通过三维建模软件UG NX 12将扩压器及扩压器罩两个零件设计为一体，同时保证整体及各部位尺寸、精度信息与该件传统分体式组装设计信息一致，获得整体式扩压器模型。
3.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S2中以叶片内部为设计空间，采用三维建模软件UG NX 12对整体式扩压器模型的17个叶片厚大部位进行等壁厚中空减重设计，获得轻量化扩压器整体模型。
4.根据权利要求3所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：所述壁厚均为1至2mm。
5.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S2中的中空减重区域内部悬垂角度低于30°的面，按照30°的临界面进行设计。
6.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S3中需要考虑扩压器整体件的成形材质、增材加工方法，以确定模型的加工余量，以保证完成整个加工过程后，零件的尺寸精度在许可范围内。
7.根据权利要求6所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S3中加工余量为0.5至1mm。
8.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S4中扩压器整体件材质为钛合金、铝合金、高温合金中的一种。
9.根据权利要求1所述的一体化及轻量化结构的扩压器整体件制作方法，其特征在于：步骤S4中增材制造加工的方法为激光选区熔化、电子束熔融成形、激光送粉熔覆中的一种。
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