蔣 聰，鮑毅超

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)體積較小，其導(dǎo)向器葉形復(fù)雜，采用焊接的方法將導(dǎo)向器葉片與外殼體連接會(huì)出現(xiàn)焊疤和葉片變形，導(dǎo)致流道面積發(fā)生變化，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致渦輪前總壓畸變[1]，影響產(chǎn)品在高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性。同時(shí)焊接花費(fèi)較高，經(jīng)濟(jì)性差，且成功率低。

增材制造技術(shù)可以解決焊接質(zhì)量較差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向器的一體化加工，但增材制造在制造尺寸空間和間隙較小的葉片時(shí)容易發(fā)生葉片變形的情況，因此需要解決葉形底部支撐、殘余應(yīng)力消除等加工難點(diǎn)，同時(shí)需要在產(chǎn)品整機(jī)上對(duì)增材制造的渦輪導(dǎo)向器進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

1 增材制造方案

1.1 零件成型難點(diǎn)分析

1.1.1 整體零件變形控制

激光熔化成形過(guò)程中，由于高能移動(dòng)激光束的局部熱輸入效應(yīng)，導(dǎo)致成形件溫度場(chǎng)隨著激光束的移動(dòng)在整個(gè)成形過(guò)程呈現(xiàn)連續(xù)起伏變化，由此導(dǎo)致成形過(guò)程中存在復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變演化，產(chǎn)生殘余應(yīng)力分布和變形，影響零件的疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)尺寸精度等物理性能。

導(dǎo)向器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件底部為較大的懸空面，在打印過(guò)程中該部位極易發(fā)生翹曲變形，支撐控形較為重要，因此如何準(zhǔn)確地控制成形過(guò)程產(chǎn)生的變形、減輕或消除殘余應(yīng)力是關(guān)鍵難點(diǎn)之一[2]。

圖1 導(dǎo)向器整體結(jié)構(gòu) 圖2 余量添加圖

1.1.2 葉片尺寸精度及表面粗糙度控制

葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，帶有弧形曲線，由于上揚(yáng)角度較低，不利于打印成形。同時(shí)在逐層打印過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定大小的臺(tái)階，逐步累積既會(huì)影響葉片整體的尺寸精度，也無(wú)法保證粗糙度Ra1.6的要求。而針對(duì)零件外表面粗糙度的提升方案較多，通常采用打磨+噴砂工藝組合即可獲得較好的表面質(zhì)量。但是針對(duì)此導(dǎo)向器，葉片過(guò)于緊密且葉型較小，通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械方式來(lái)進(jìn)行表面處理難度極大，需要在打印時(shí)就控制好表面質(zhì)量，并開(kāi)發(fā)針對(duì)具體結(jié)構(gòu)的特殊表面處理方法來(lái)進(jìn)行表面質(zhì)量提升[3]。

1.2 難點(diǎn)控制方案

1.2.1 加工余量設(shè)計(jì)

AlSi10Mg材料在增材制造時(shí)，其直接沉積態(tài)表面粗糙度Ra一般為12 μm～20 μm之間，不同部位因其成形角度不同，表面粗糙度也略有差別?；诠に囇芯炕A(chǔ)，當(dāng)手工打磨零件外表面粗糙度Ra達(dá)到3.2 μm時(shí)，表面去除量約為0.08 mm；為保證拋光完成后零件尺寸精度滿足技術(shù)指標(biāo)要求，添加表面1的余量0.08 mm;根據(jù)零件大小和尺寸精度要求，添加表面2機(jī)加工余量2 mm。余量添加如圖2所示。

1.2.2 實(shí)體支撐添加

添加實(shí)體支撐有兩個(gè)目的：一是為了方便線切割分離工件與底面，上抬工件底面1.5 mm，用實(shí)體片將內(nèi)外邊緣拉住，防止打印過(guò)程中發(fā)生翹曲變形，如圖3所示；二是在底部增加了12片1 mm厚實(shí)體進(jìn)行平分放置，在打印時(shí)可以分散應(yīng)力，從而保證工件的成形，如圖4所示。

圖3 內(nèi)外邊緣支撐設(shè)計(jì) 圖4 底部支撐設(shè)計(jì)

1.2.3 支撐塊添加

由于底部是懸空面，需全部填充滿支撐塊，可采用較大的分割面積打散以及較小的頂部填充齒來(lái)增強(qiáng)支撐強(qiáng)度，如圖5所示。葉片底部支撐尤為關(guān)鍵，根部橢圓形葉片結(jié)構(gòu)在底部加支撐時(shí)將涉及面的角度從40°擴(kuò)大到55°，可以達(dá)到更好的葉片控形效果，如圖6所示。為了該部位的支撐可以更好地去除，葉片上部支撐采用更長(zhǎng)更大的填充齒。

圖5 整體支撐設(shè)計(jì) 圖6 葉片支撐面角度示意圖

1.2.4 葉片尺寸精度及表面粗糙度控制方案

打印一個(gè)測(cè)試葉片，在葉片上添加不同的余量，如圖7所示。按照最優(yōu)余量設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)保證尺寸精度以及磨粒流拋光后的粗糙度效果。選擇磨粒流，參數(shù)介質(zhì)為碳化硅，可達(dá)到的粗糙度為Ra1.6，拋光時(shí)長(zhǎng)1 h，室溫要求30 ℃～50 ℃，拋光壓力為4 MPa～8 MPa。

圖7 葉片余量添加

通過(guò)增加零件余量設(shè)計(jì)、改進(jìn)零件變形支撐設(shè)計(jì)和磨粒流精度控制等方法，可以解決目前存在的增材制造微型導(dǎo)向器的部分難點(diǎn)問(wèn)題。

2 增材制造件和焊接件變形流場(chǎng)計(jì)算對(duì)比

2.1 網(wǎng)格生成及主要參數(shù)設(shè)置

對(duì)導(dǎo)向器流道三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以模擬葉片變形后介質(zhì)流動(dòng)情況的變化。對(duì)導(dǎo)向器進(jìn)出口段進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)，延長(zhǎng)的流道部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片流道部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為162萬(wàn)?？刂品匠踢x擇總能方程，進(jìn)口條件為：總溫190 ℃，總壓307 MPa；出口質(zhì)量流量0.215 kg/s。

2.2 對(duì)比分析

圖8和圖9分別為增材制造導(dǎo)向器出口位置的氣流速度分布和葉中S1流面的靜壓分布。

圖8 增材制造導(dǎo)向器出口氣流速度分布 圖9 增材制造導(dǎo)向器葉中S1流面靜壓分布

為模擬目前導(dǎo)向器焊接過(guò)程中葉片變形情況，對(duì)其中3個(gè)葉片進(jìn)行彎扭變形如圖10所示，通過(guò)UG建立導(dǎo)向器葉片變形后三維模型，并按照規(guī)定的進(jìn)出口條件進(jìn)行仿真。

圖10 3個(gè)葉片變形示意圖 圖11 氣流速度方向與軸向的夾角

計(jì)算結(jié)果顯示，與變形葉片相鄰的流道出口氣流角發(fā)生明顯改變，如圖11所示，圖中與變形葉片相鄰的流道中深色區(qū)域表明該位置氣流角度小于其他流道該位置的氣流角度，這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入渦輪的氣流不滿足進(jìn)氣角度要求。

2.3 計(jì)算結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：增材制造的導(dǎo)向器內(nèi)部氣流穩(wěn)定，氣流在導(dǎo)向器內(nèi)完成加速，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)入渦輪，驅(qū)動(dòng)渦輪做功。以目前焊接工藝制成的導(dǎo)向器葉片易發(fā)生變形，當(dāng)葉片變形時(shí)，流道出口處的氣流角會(huì)發(fā)生變化，造成渦輪功率下降[4]。此外，出口氣流角的變化還會(huì)在渦輪上引起周期性的激振力，使渦輪發(fā)生異常振動(dòng)，影響產(chǎn)品的可靠性。

3 整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了給增材制造用于超高轉(zhuǎn)速渦輪前導(dǎo)向器提供可行性分析數(shù)據(jù)和參考，對(duì)3種不同加工方式的導(dǎo)向器殼體進(jìn)行測(cè)試，分別為國(guó)外整體鑄造、增材制造和焊接加工方式。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：增材制造件和國(guó)外鑄造件在試驗(yàn)時(shí)整機(jī)功率較大，且振動(dòng)值較小，而采用目前的焊接件功率略低，振動(dòng)值也相對(duì)大一點(diǎn)。增材制造導(dǎo)向器在試驗(yàn)時(shí)性能更接近國(guó)外鑄造件，其最大功率相對(duì)于焊接導(dǎo)向器提升約8%，最大扭矩平均提升9%，振動(dòng)值減小約29%。試驗(yàn)表明使用增材制造的導(dǎo)向器殼體可以有效地改善產(chǎn)品工作穩(wěn)定性，對(duì)產(chǎn)品的功率有一定的提升作用。

4 總結(jié)

本文針對(duì)微型導(dǎo)向器焊接加工導(dǎo)致的葉片變形、焊疤等問(wèn)題，探索采用增材制造的加工方法。針對(duì)整體零件變形、葉片尺寸精度及表面粗糙度控制等方面給出具體的增材制造方案。最后進(jìn)行產(chǎn)品性能試驗(yàn)，安裝增材制造加工件的整機(jī)較安裝焊接件的整機(jī)最大扭矩和最大功率均有提升，且整機(jī)高速穩(wěn)定性有明顯提升。此次嘗試是國(guó)內(nèi)首次將增材制造技術(shù)應(yīng)用于超高轉(zhuǎn)速渦輪前微型導(dǎo)向器葉片的工程實(shí)際使用，解決了困擾產(chǎn)品研發(fā)十幾年的微型導(dǎo)向器一體化加工問(wèn)題，并對(duì)后續(xù)復(fù)雜且小型的葉片類(lèi)產(chǎn)品提供了加工和工程使用經(jīng)驗(yàn)。