李富長

(中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

航空高溫渦殼類零件3D打印技術(shù)應(yīng)用研究

李富長

(中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

快速增材技術(shù)(3D打印)是運用粉末金屬或塑料等可粘合材料通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，在一定程度上能解決一些冷加工技術(shù)無法解決的問題。3D打印能夠在航空產(chǎn)品中得以應(yīng)用，將為航空產(chǎn)品的科研生產(chǎn)提供一種新思路。某型輔助動力的渦殼組件由渦殼、高壓進氣罩、蒙皮及接頭等4個部分組成，其中的零件屬于薄壁殼體類零件，鑄造難度大，鈑金成型困難，通過采用3D打印，結(jié)合焊接、機械加工的復(fù)合加工，實現(xiàn)了零件精密毛坯的生產(chǎn)，大大縮短了研制周期和成本。

渦殼；3D打??；高溫合金

產(chǎn)品的研發(fā)一直以來均以“減材”為主要手段，加工設(shè)備、加工方法和加工精度等方面的因素限制了一些產(chǎn)品的研發(fā)空間，比如：復(fù)合交差空間的零件、復(fù)雜交錯型結(jié)構(gòu)體、蜂窩結(jié)構(gòu)零件和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)零件等的研發(fā)與使用?？焖僭霾募夹g(shù)(3D打印)則是運用粉末金屬或塑料等可粘合材料通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，一定程度上能解決一些冷加工技術(shù)無法解決的問題。3D打印能夠在航空產(chǎn)品中得以應(yīng)用，將對航空產(chǎn)品的科研生產(chǎn)提供一種新思路[1]。

針對現(xiàn)研制產(chǎn)品中出現(xiàn)的通過傳統(tǒng)加工手段較難實現(xiàn)加工生產(chǎn)和生產(chǎn)加工周期較長無法滿足交付需求的零組件，本文選擇某型輔助動力的渦殼組件，進行3D打印結(jié)合機械加工的試制研究。

1 渦殼組件的構(gòu)成

渦殼組件由渦殼、高壓進氣罩、蒙皮及接頭等4個部分組成(材料為GH3536)(見圖1)，其中的零件為薄壁殼體類零件，鑄造難度大，鈑金成型困難。通過快速成型方法，不僅可以快速實現(xiàn)精密毛坯的生產(chǎn)，而且能夠快速響應(yīng)設(shè)計更改的需求。

圖1 渦殼組件

2 工藝難點及解決措施

2.1 工藝路線安排

由于該腔體類零件存在加工支承架無法取出的問題，因而不適于組合打印。本文采用的工藝方案如下：首先完成四部分毛坯件的3D打印成形；然后完成渦殼、高壓進氣罩及接頭的補充加工；再進行補充氬弧焊接；最后對焊接后的渦殼組件進行精加工。

2.2 工藝難點及解決措施

2.2.1 變形控制難度大

渦殼尺寸大(直徑為170 mm)，懸空結(jié)構(gòu)多，成形時零件易發(fā)生收縮、翹曲變形?？赏ㄟ^在懸空位置添加加固型支承，實現(xiàn)應(yīng)力變形控制。

高壓進氣罩為典型薄壁零件(壁厚2.5 mm)，且存在異形曲面，成形時易出現(xiàn)變形，安裝法蘭厚度尺寸大(8.5 mm)，與中間薄管壁連接的突變截面處的應(yīng)力控制難度大?？赏ㄟ^工藝迭代，在異形曲面下方添加支承的同時，對安裝法蘭突變截面區(qū)域的重點添加加固支承的方法控制成形內(nèi)應(yīng)力。

2.2.2 尺寸精度控制難度大

零件對邊面質(zhì)量要求高，可通過優(yōu)化零件表面成形工藝參數(shù)，使零件外表面粗糙度滿足要求。

渦殼中5個噴管對尺寸精度要求高，5個噴管呈傾斜的錐形，成形時錐形弧面懸空?？赏ㄟ^對錐形懸空區(qū)域局部添加精細化支承結(jié)構(gòu)來保證錐面完好性。2.2.3 焊接難點

3D打印高溫合金材料的渦殼組件焊接難度很大，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

1)材料焊接性不佳。3D成形的高溫合金材料不同于普通的材料，其熔焊性較差，焊接時容易產(chǎn)生焊接裂紋。

2)產(chǎn)品焊接變形大。渦殼組件的安裝面設(shè)計要求的高度為(124.9±0.3) mm，按照航標變形量通常為±1.6 mm，變形控制難度非常大。

3)焊接后高壓腔、低壓腔容易出現(xiàn)泄漏。

4)焊縫連接處焊縫強度要求較高，需要承受較高的振動強度。

通過團隊的努力，解決了3D打印高溫合金材料的渦殼組件焊接過程中的難題。主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在如下幾個方面。

1)焊接變形量控制。根據(jù)以往的經(jīng)驗，本項目著重在焊接夾具轉(zhuǎn)換定位面、焊接操作過程、焊接順序和電流控制等方面采取了一系列的措施，成功將焊接變形控制在圖樣要求范圍內(nèi)[2-3]。

2)專用夾具的設(shè)計(見圖2)。該夾具應(yīng)能很好地解決產(chǎn)品裝配定位、焊接變形控制、操作者方便操作和實施等一系列問題。

圖2 專用夾具

3)合理的焊接工藝流程。通過合理的工序安排來控制產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

4)制定焊接操作規(guī)范。操作者通過試驗摸索出了最佳的焊接操作順序，同時針對高壓腔和低壓腔采用不同的焊接規(guī)范，來控制焊縫的成形和變形量[4]。2.2.4 機械加工難點

由于激光焊接后漏氣，且焊接變形大，焊接方法改為氬弧焊?？紤]到氬弧焊產(chǎn)品變形大(0.5～1 mm)，精加工安排在焊接后進行。由于焊后高壓進氣罩比較長(126.5 mm)，且其位置離中心近(最小65 mm)，因而對加工產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致環(huán)槽和產(chǎn)品端面加工困難(最大加工直徑為160 mm)，且振紋明顯。通過采用成型專用刀具加工，可滿足加工精度要求，在具體加工時，又分為粗加工去余量、精加工和精修表面。

3 結(jié)語

通過對快速增材工藝(選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù))和傳統(tǒng)焊接、機械加工工藝的多輪協(xié)調(diào)摸索，實現(xiàn)了復(fù)雜殼體類零件快速增材制造結(jié)合焊接、機械加工的復(fù)合加工，快速響應(yīng)研制階段的設(shè)計變更，縮短研制周期為傳統(tǒng)方法的1/8，并通過樣件的材料特性試驗和產(chǎn)品的性能試驗，驗證了此項工藝方法的可行性，大大縮短了研制周期，并降低了成本[5]。

通過3D打印，實現(xiàn)了新產(chǎn)品難加工零組件的快速研發(fā)，實現(xiàn)了新研產(chǎn)品關(guān)鍵零部件結(jié)合3D打印的焊接機械加工快速研制生產(chǎn)，并成功運用在航空產(chǎn)品中，進而推廣運用至液壓、燃油等多個專業(yè)的葉片、導(dǎo)向器和殼體等零組件，解決了一批由于現(xiàn)有加工技術(shù)的先天不足而導(dǎo)致的產(chǎn)品設(shè)計、性能方面研發(fā)的空間限制，為航空事業(yè)更快更高地發(fā)展提供了技術(shù)支持。

[1] 金屬加工雜志社,哈爾濱理工大學(xué).數(shù)控刀具選用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2] 袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[3] 邢鴻雁，陳蓉林.機械制造難加工技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[4] 蔡廷文. 液壓系統(tǒng)現(xiàn)代建模方法[M]. 北京：中國標準出版社，2002.

[5] 金慶同. 特種加工[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1988.

責任編輯 鄭練

Application Research of Aviation High Temperature Vortex Shell Parts with 3D Printing Technology

LI Fuchang

(Nanjing Engineering Institute of Aircraft System, Jincheng, AVIC, Nanjing 211106, China)

Rapid increase of material technology (3D printing) using the powder metal or plastic etc. can construct the object by means of step by step printing technologies. Generally, it can solve some problems that the cold working technology cannot solve. Rapid increase of material technology (3D printing) can be applied in aviation product, the scientific research and production of aviation products provide a new way of thinking. A certain type of spiral case of auxiliary power components belongs to the thin shell parts, by the spiral case and high pressure intake hood, skin and joints of four parts, including parts which are difficult to the casting. By means of rapid increase of material manufacturing welding and the machining of complex processing, realize the parts precision casting production, and greatly shorten the development cycle and cost.

vortex shell, 3D printing, high temperature alloy

TG 249

A

李富長(1975-)，男，工藝工程部副部長，高級工程師，工程碩士，主要從事超精密加工、3D打印和數(shù)字化制造等方面的研究。

2016-06-20