CN108581397B - 增减材复合制造涡轮叶片的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，涉及一种涡轮叶片加工制造方法，具体为采用增减材方式制造涡轮叶片的复合加工方法。增减材复合制造涡轮叶片的加工方法包括：增材成形和减材加工；增材成形与减材加工交替循环进行；增材成形包括：A1、整体建模分层；A2、局部特殊分层；A3、规划增材路径；A4、单周期增材加工；减材加工分为：端铣和侧铣两种加工类型；根据加工类型不同减材加工方法包括：B1、加工区域划分；B2、设置工艺参数；B3、局部特殊参数设置；B4、单周期减材加工；增材成形和减材加工循环重复，直到完成整个涡轮叶片。本发明具有方法新颖、工艺简便、提高加工精度、尤其细节特征精加工、提高加工效率、适用范围广等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法。
Description
技术领域
本发明所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，涉及一种涡轮叶片加工制造方法，具体为采用增减材方式制造涡轮叶片的复合加工方法。
背景技术
涡轮叶片是航空工业领域的重要基础部件，目前传统的制造涡轮叶片的方法为精铸加工，该方法存在如下加工的问题：
1.熔模铸造涡轮叶片受铸造工艺的限制，叶片存在一定的倒模角度，为了方便脱模，这样就导致熔铸成形的涡轮叶片形状和尺寸与设计要求不一致；叶片内部的细节特征，如倒角、喉口等特征无法后期精加工，而这些细节特征又显著影响着叶片的流量，难以对流量进行精确控制；
2.制造模具与修改模具耗时耗力，增加了研发成本；
3.对铸造件的后期机加工装夹存在难以定位及刀具可达性的问题；由于后期机加工存在装夹定位的偏差，导致增材成型件的各个部件材料去除量存在差异，不能保证尺寸精度和表面质量；由于增材成形件的叶片高度较高，而喉口尺寸又小，导致后期机加工存在刀具干涉问题，甚至存在加工不到的区域。
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法。提供一种加工稳定性好、可缩短研发速度、同时提高加工质量和效率的增减材制造涡轮叶片的方法。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
本发明所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法包括：增材成形和减材加工；增材成形与减材加工交替循环进行；
本发明所述的增材成形包括：
A1、整体建模分层：使用三维建模软件绘制拟制备的金属工件模型，使用切片软件将三维模型切片分层；
A2、局部特殊分层：对于有尺寸要求的内部细节特征区，减小切片分层的层厚，确保增材得到的特殊尺寸更接近设计尺寸，以减少减材加工的去除量；
A3、规划增材路径：根据减材加工所需使用刀具的加工能力，合理选择每个周期堆积层数；
A4、单周期增材加工：根据A3步骤得出的每一层的激光路径，将高能束照射在一定厚度的粉末层上，使其经历熔化/凝固的过程，逐层扫描，得到单个周期内的三维特征；
所述的减材加工分为：端铣和侧铣两种加工类型；根据加工类型不同减材加工方法包括：
B1、加工区域划分：识别拟制备的金属工件的三维模型确定加工类型，根据加工类型划分端铣区域和侧铣区域；涡轮叶片的顶端与涡轮叶片底面的上表面为端铣区域；涡轮叶片的侧面，涡轮叶片内孔为侧铣区域；
B2、设置工艺参数：在加工区域内设置工艺参数，生成刀具路径；
B3、局部特殊参数设置：对于有尺寸要求的内部细节特征区，根据具体结构设置工艺参数，生成刀具路径；对于有尺寸要求的内部细节特征区，及涡轮叶片与涡轮叶片底面的夹角为圆角时，根据圆角的半径大小，减少减材刀具路径的轴向进给量，确保拟合得到的圆角半径复合设计要求；
B4、单周期减材加工：根据B2及B3步骤得出的工艺参数，对拟制备的三维特征体进行减材加工，使已增材层达到所需表面质量与尺寸精度；
本发明所述的增材成形和减材加工循环重复，直到完成整个涡轮叶片。
本发明所述的拟制备金属工件具有尺寸精度和表面质量要求的涡轮叶片，涡轮叶片表面为曲面或平面。
本发明所述的增材成形过程中使用的高能束包括：具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束、电弧和离子束等，将金属材料熔化。高能束扫描路径包含带状、岛状和面状等方式，以达到减小残余应力，提高成形效率的目的。
本发明所述的增材成形所使用的金属材料为：适用于增材成型的粉状，丝状或板状金属材料，可满足细小结构和大型特征的快速，精密成型。
本发明所述的减材加工在增材成型至满足减材加工刀具可达性时，可以对零件内部细节特征区域进行精密减材加工；零件内部细节特征包括：倒圆角、倒斜角、深孔、深槽和复杂流道等。例如：待加工的涡轮叶片的叶片与底板之间存在一个有尺寸要求的圆角，两个叶片之间存在距离渐变而形成的喉口，该圆角与喉口的加工质量显著影响涡轮叶片的流量。对于传统的单一增材成型不能保证加工质量；对于传统减材加工，由于叶片高度较高，存在刀具与叶片的干涉；传统减材加工的涡轮叶片与减材刀具会形成干涉；而本发明的增减材复合制造的涡轮叶片与减材刀具就不存在干涉，并且采用增减材复合制造的方法不受叶片高度的限制，不考虑减材刀具与涡轮叶片的干涉问题。
本发明所述的增材成型在每次循环中增加的层数或高度，依据所成型的涡轮叶片尺寸和刀具的切削能力确定；在需要减材加工的位置，增加合适的层数或高度；对于不需要减材加工的位置仅需增材成型即可。
本发明所述的减材加工，相邻的两次减材区域在刀具轴向上存在一定的重合区，保证两次减材路径不存在明显的界面，影响表面质量；减材加工的刀具轴向进给量与增材成型余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
本发明所述的减材加工采用铣削或磨削等，得到好的表面质量。
本发明的优点是显而易见的，主要表现在：
1、本发明采用增减材复合制造涡轮叶片的方法不需要模具，因此节省了制造模具和修改模具的时间；
2、本发明采用增减材复合制造涡轮叶片的方法，制造涡轮叶片不存在倒模角度，对内部的复杂结构可以进行精加工，确保零件可以达到设计精度；
3、本发明采用增减材复合制造涡轮叶片的方法，增材成型与减材加工共用一个坐标系，消除了传统方法重复定位的误差；
4、本发明采用增减材复合制造涡轮叶片的方法，避免了加工刀具可达性的问题，可对传统铸造+机加工刀具产生干涉的区域进行加工。
本发明具有方法新颖、工艺简便、提高加工精度、提高加工效率、适用范围广等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。
附图说明
本发明共有8幅附图,其中：
附图1是本发明增减材复合制造涡轮叶片示意图；
附图2是本发明涡轮叶片结构俯视图；
附图3是本发明涡轮叶片结构轴侧图；
附图4是附图3中A部放大图；
附图5是附图3中B局部放大图；
附图6是传统减材加工涡轮叶片刀具位置示意图；
附图7是本发明增减材复合制造涡轮叶片刀具位置示意图；
附图8是本发明增减材复合制造涡轮叶片结构局部刀具路径图。
在图中：1、高能束 2、增材加工层 3、减材刀具 4、减材加工表面 5、涡轮叶片6、夹角 7、涡轮叶片底面 8、涡轮叶片内孔 9、喉口。
具体实施方式
本发明的具体实施例如附图所示，增减材复合制造涡轮叶片的加工方法包括：增材成形和减材加工；增材成形与减材加工交替循环进行；
增材成型：使用三维建模软件绘制拟制备的涡轮叶片模型，使用切片软件将三维模型切片分层，鉴于涡轮叶片圆角尺寸小，在涡轮叶片夹角6(圆角)处减薄分层的层厚，使得增材得到的特征尺寸更接近设计尺寸，可以减少减材加工的去除量，规划增材激光扫描路径；高能束1按照已规划的高能束扫描路径，熔化/凝固一定层数的金属材料，得到增材加工层2，此时的涡轮叶片5和涡轮叶片底面7之间形成的涡轮叶片夹角6(圆角)表面粗糙，不能满足设计要求；
减材加工：由于涡轮叶片5的尺寸小，减小减材刀具3的轴向进给量，使得拟合的特征尺寸满足设计要求，生成减材刀具3的路径；根据规划的路径，减材刀具3对增材加工层2进行减材加工，包括对涡轮圆角6的加工；夹角(圆角)处的成形采用小尺寸插补的方法完成，确保圆角尺寸精度与表面质量满足技术要求；
重复增材成型和减材加工直到完成整个涡轮叶片的加工。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的加工方法包括：增材成型和减材加工；增材成型与减材加工交替循环进行；
所述的增材成型包括：
A1、整体建模分层：使用三维建模软件绘制拟制备的金属工件模型，使用切片软件将三维模型切片分层；
A2、局部特殊分层：对于有尺寸要求的内部细节特征区，减小切片分层的层厚，确保增材得到的特殊尺寸更接近设计尺寸，以减少减材加工的去除量；
A3、规划增材路径：根据减材加工所需使用刀具的加工能力，合理选择每个周期堆积层数；
A4、单周期增材加工：根据A3步骤得出的每一层的激光路径，将高能束照射在一定厚度的粉末层上，使其经历熔化/凝固的过程，逐层扫描，得到单个周期内的三维特征；
所述的减材加工分为：端铣和侧铣两种加工类型；根据加工类型不同减材加工方法包括：
B1、加工区域划分：识别拟制备的金属工件的三维模型确定加工类型，根据加工类型划分端铣区域和侧铣区域；涡轮叶片(5)的顶端与涡轮叶片底面(7)的上表面为端铣区域；涡轮叶片(5)的侧面，涡轮叶片内孔(8)为侧铣区域；
B2、设置工艺参数：在加工区域内设置工艺参数，生成刀具路径；
B3、局部特殊参数设置：对于有尺寸要求的内部细节特征区，根据具体结构设置工艺参数，生成刀具路径；对于有尺寸要求的内部细节特征区，及涡轮叶片(5)与涡轮叶片底面(7)以圆角(6)过渡时，根据圆角的半径大小，减少减材刀具路径的轴向进给量，确保拟合得到的圆角半径符合设计要求；
B4、单周期减材加工：根据B2及B3步骤得出的工艺参数，对拟制备的三维特征体进行减材加工，使已增材层达到所需表面质量与尺寸精度；
所述的增材成型和减材加工循环重复，直到完成整个涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的拟制备金属工件具有尺寸精度和表面质量要求的涡轮叶片(5)，涡轮叶片(5)表面为曲面或平面。
3.根据权利要求1所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的增材成型过程中使用的高能束包括：具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束、电弧和离子束，将金属材料熔化。
4.根据权利要求3所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的高能束扫描路径包含带状、岛状和面状方式，以达到减小残余应力，提高成形效率的目的。
5.根据权利要求3所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的增材成型所使用的金属材料为：适用于增材成型的粉状，丝状或板状金属材料，可满足细小结构和大型特征的快速，精密成型。
6.根据权利要求1所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的增材成型在每次循环中增加的层数或高度，依据所成型的涡轮叶片尺寸和刀具的切削能力确定；在需要减材加工的位置，增加合适的层数或高度；对于不需要减材加工的位置仅需增材成型即可。
7.根据权利要求6所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的减材加工采用铣削或磨削，得到好的表面质量。
8.根据权利要求7所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的减材加工在增材成型至满足减材加工刀具可达性时，可以对零件内部细节特征区域进行精密减材加工；零件内部细节特征包括：倒圆角、倒斜角、深孔、深槽和复杂流道。
9.根据权利要求8所述的增减材复合制造涡轮叶片的加工方法，其特征在于所述的减材加工，相邻的两次减材区域在刀具轴向上存在一定的重合区，保证两次减材路径不存在明显的界面，影响表面质量；减材加工的刀具轴向进给量与增材成型余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
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