曾海波 張志坤

摘? 要：某廠家的某臺(tái)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)上有一塊渦輪葉片零件損壞后無法繼續(xù)正常運(yùn)作。本文針對(duì)損壞的渦輪葉片進(jìn)行分析，通過增材制造方式進(jìn)行重新制造，解決傳統(tǒng)加工方式存在的技術(shù)難點(diǎn)。在沒有圖紙的情況下，如何利用掃描儀對(duì)損壞的渦輪葉片零件進(jìn)行掃描、逆向建模并將掃描空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)支撐，利用3D金屬打印機(jī)將渦輪葉片模型進(jìn)行打印，最后將打印好的渦輪葉片零件再進(jìn)行處理之后投入使用。

關(guān)鍵詞：破損? 渦輪葉片? 逆向建模? 支撐添加

中圖分類號(hào)：TH16 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0060-03

Analysis on Additive Manufacturing of Damaged Turbine Blade

ZENG Haibo? ZHANG Zhikun

（Guangdong Mechanical Technician College， Guangzhou， Guangdong Province， 510450 China）

Abstract： There is a turbine blade in the engine of a mechanical equipment of a certain manufacturer， which cannot continue to operate normally after the parts are damaged. In this paper， the damaged turbine blade is analyzed and remanufactured by additive manufacturing method to solve the technical difficulties existing in the traditional processing method. In the case of no drawings， how to use the scanner to scan the damaged turbine blade parts， reverse modeling， optimize the 3D point cloud data in the scanning space， design support， use 3D metal printer to print the turbine blade model， and finally put the printed turbine blade parts into use after post-processing.

Key Words： Damage; Turbine blade; Reverse modeling; Support addition

渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的零件之一，渦輪葉片零件模型如圖1所示。它是典型的自由曲面零件，渦輪葉片的葉片部分比較薄，在傳統(tǒng)減材加工時(shí)容易產(chǎn)生變形，減材加工對(duì)設(shè)計(jì)零件的加工工藝的技術(shù)人員有特別高的要求，對(duì)加工葉片的機(jī)床、刀具精度要求也很高，并且在加工時(shí)刀具和葉片容易發(fā)生干涉。而增材制造則是先對(duì)葉片進(jìn)行模型掃描、逆向建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再將模型進(jìn)行3D金屬打印，最后將打印支撐拆卸并將零件打磨至光滑，完成整個(gè)零件的加工。

增材制造不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，在數(shù)控加工過程中存在的工藝難題也迎刃而解。

1? 渦輪葉片加工方式對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)機(jī)加工

傳統(tǒng)機(jī)加工生產(chǎn)效率低、成本高、工藝復(fù)雜，加工人員勞動(dòng)強(qiáng)度高[1];傳統(tǒng)加工制作的零件周轉(zhuǎn)次數(shù)多，需要多設(shè)備配合制作，質(zhì)量不穩(wěn)定，精度低;安全防護(hù)不足。

1.2 數(shù)控加工

數(shù)控加工是用數(shù)字信息控制零件和刀具位移的機(jī)械加工方法。渦輪葉片的數(shù)控加工工藝，包含裝夾方法、數(shù)控編程、切削工藝、顫振抑制、在線檢測、輔助工藝等，它是解決零件品種多變、批量小、形狀復(fù)雜、精度高等問題和實(shí)現(xiàn)高效化和自動(dòng)化加工的有效途徑[2]。但渦輪葉片的葉片部分較薄，加工難度大，極容易出現(xiàn)廢料、打刀等現(xiàn)象，生產(chǎn)效率低，且數(shù)控加工為減材加工對(duì)材料的浪費(fèi)較為嚴(yán)重。

1.3 鑄造工藝

渦輪葉片鑄造工藝主要由模具制造（包括外形模具和型芯模具）、制芯、制蠟?zāi)！⒅茪?、澆注、脫殼脫芯、檢驗(yàn)等主要工序組成。由于現(xiàn)今對(duì)鑄造質(zhì)量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動(dòng)化等要求的提高，鑄造技術(shù)向著精密化、大型化、高質(zhì)量、自動(dòng)化和清潔化的方向發(fā)展。例如我國這幾年在精密鑄造技術(shù)、連續(xù)鑄造技術(shù)、特種鑄造技術(shù)、鑄造自動(dòng)化和鑄造成型模擬技術(shù)等方面發(fā)展迅速。但對(duì)于渦輪葉片，由于其形狀特殊性，葉片部分較薄，在鑄造時(shí)容易開裂，影響渦輪葉片質(zhì)量和性能。

2? 渦輪葉片的增材制造分析

2.1 成本降低

3D打印的制造優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在節(jié)省材料、降低成本，更體現(xiàn)在大幅縮短葉片的生產(chǎn)制造時(shí)間。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，增材制造的成本也在不斷下降。工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)價(jià)格逐漸走低，普通打印耗材性價(jià)比也比較高。當(dāng)然，對(duì)于有特殊要求和特殊材料成本會(huì)較高，但對(duì)于大多數(shù)需求來說，普通的打印耗材就可以滿足要求[3]。

2.2 避免材料浪費(fèi)和能源浪費(fèi)

3D打印是將所需要的材料，按照模型特征分層堆疊，直至所需要的模型創(chuàng)建完成。在開始打印時(shí)先在打印機(jī)基板上打印一層基本材料，使得所打印的模型與基板有更好的接觸，也便于后處理時(shí)有更多的加工余量，然后再打印所需的模型，直至打印完成。

打印完成后，需要將零件去除支撐和毛刺等，雖然會(huì)有部分材料浪費(fèi)，但相比于數(shù)控銑削和車削的減材制造，節(jié)省了很多材料，降低了成本[4]。

2.3 原型設(shè)計(jì)成本更低

增材制造是原材料按照模型特征的不斷堆疊，對(duì)機(jī)加工的工藝要求降低，所以模型在設(shè)計(jì)時(shí)可以較少的考慮繁瑣的機(jī)加工工藝，設(shè)計(jì)更加方便合理，設(shè)計(jì)成本大幅降低[5]。

3? 破損渦輪葉片零件的逆向建模與修復(fù)

3.1 獲取破損渦輪葉片零件的空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.1.1 掃描前的預(yù)熱

由于使用環(huán)境的不同，環(huán)境溫度也有較大的差別，同時(shí)光源的穩(wěn)定性較差，而當(dāng)掃描儀光源的色溫沒有達(dá)到掃描儀正常工作所需的要求時(shí)，此時(shí)掃描出來的圖像往往飽和度不足。所以在使用掃描儀掃描之前，應(yīng)當(dāng)先開機(jī)預(yù)熱至指定溫度，使得掃描儀鏡頭溫度與周邊環(huán)境溫度相似，也是為了內(nèi)部電子器件達(dá)到熱穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)掃描儀達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，掃描誤差最小。

3.1.2 掃描前的校準(zhǔn)

掃描儀長期未使用或者運(yùn)輸后，為保證掃描的準(zhǔn)確性，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。標(biāo)定時(shí)取出與掃描儀鏡頭尺寸相匹配的校定板，按照軟件提示，多次調(diào)整掃描儀或者標(biāo)定板位置，完成校準(zhǔn)工作，等待校準(zhǔn)報(bào)告通過后，方可進(jìn)行模型掃描。

3.1.3 開始掃描零件

將已噴涂好顯像劑及貼好標(biāo)記點(diǎn)的渦輪葉片零件放置在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，再使用掃描儀進(jìn)行全方位掃描，得到精確的零件三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在掃描儀匹配的軟件中對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，再把三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并生成STL格式文件。

在掃描過程中注意事項(xiàng)：

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)和掃描儀應(yīng)避免震動(dòng)或發(fā)生位移;

（2）采集環(huán)境的光線需保持穩(wěn)定，不可太強(qiáng)也不可太弱;

（3）掃描過程中不可移動(dòng)零件;

（4）重疊的部分盡量減少掃描的次數(shù);

（5）被掃描零件和鏡頭的距離要調(diào)整合適且曝光合理。

3.2 逆向建模優(yōu)化

如圖2所示，把生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向建模軟件中（如Geomagic Design X、Unigraphics NX等），使用精確曲面、面片擬合等相關(guān)功能逆向建模，最后設(shè)計(jì)出渦輪葉片的實(shí)體模型。

4? 渦輪葉片零件的支撐設(shè)計(jì)與添加

4.1 零件0°正向擺放并加支撐

如圖3所示，零件0°正向擺放所示，設(shè)計(jì)的擺放角度雖然能保證渦輪葉片的使用性能，但在打印后，拆卸支撐及處理零件毛刺的工作量較大，尤其在拆除葉片上的支撐時(shí)會(huì)有較大難度，并且會(huì)大面積損傷（壞）葉片表面，對(duì)技術(shù)人員的職業(yè)技能素養(yǎng)有更高的專業(yè)要求;同時(shí)還需要處理內(nèi)部孔壁的支撐，去除支撐時(shí)可能會(huì)破壞內(nèi)孔表面。

結(jié)論：0°正向擺放的設(shè)計(jì)擺放角度會(huì)使后處理工作量增大，對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)水平要求高，并且有可能大面積損壞零件表面。

4.2 零件45°傾斜擺放并加支撐

如圖4所示，零件45°傾斜擺放雖然支撐面積減少，但是葉片變成豎著的薄片并且內(nèi)孔仍然需要添加支撐，從圖中可看出在后期處理中葉片的正反面仍需要去除支撐，會(huì)造成葉片表面損傷，影響表面質(zhì)量及葉片性能。

結(jié)論：45°擺放，零件支撐減少，但正反面仍需處理支撐，難度較大，影響葉片表面質(zhì)量和葉片性能。

4.3 零件翻轉(zhuǎn)180°擺放并添加支撐

如圖5零件翻轉(zhuǎn)180°擺放所示，將零件翻轉(zhuǎn)180°擺放，除了葉片上表面有大面積的支撐外，中心僅僅只有一小圈支撐，內(nèi)孔額外添加支撐。并且這種支撐設(shè)計(jì)在打印過程中也能保證零件打印質(zhì)量，不會(huì)出現(xiàn)崩坍現(xiàn)象。

結(jié)論：圖5 零件翻轉(zhuǎn)180°擺放角度相對(duì)其他方案更合理，零件的后處理也相對(duì)便捷，容易將支撐拆卸干凈，對(duì)葉片的損害影響較小。

5? 零件打印與后處理

等待零件打印結(jié)束并冷卻后，將基材從成型艙中拆卸下，用線切割加工技術(shù)將零件與基材分離，再使用鉗子等工具去除零件上的支撐，最后將零件表面進(jìn)行打磨至光滑[6]，見圖6。

6? 結(jié)語

增材制造不僅能快速制造出零件并且節(jié)約加工成本。尤其適合于產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造，具有成本低和效率高的優(yōu)點(diǎn)。而且能改變?cè)拘枰爆嵉募庸げ襟E才能完成的傳統(tǒng)等材、減材加工工藝，使得生產(chǎn)更高效、便捷。

增材制造優(yōu)勢：

（1）設(shè)計(jì)上的自由度，在復(fù)雜零件加工時(shí)無需額外考慮繁瑣的加工工藝;并且可以制造出其他工藝不能實(shí)現(xiàn)或者無法實(shí)現(xiàn)的模型特征。

（2）材料的經(jīng)濟(jì)適用性，大大的減少材料的損耗，增材制造是凈成形水平最高的工藝，其后續(xù)機(jī)加工所必須切削的材料數(shù)量是很微量的。

參考文獻(xiàn)

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