一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法 |
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| 申请号 | CN201710427601.4 | 申请日 | 2017-06-08 | 公开(公告)号 | CN107097415A | 公开(公告)日 | 2017-08-29 |
| 申请人 | 西安工业大学; | 发明人 | 白瑀; 石亚茹; 曹岩; 王永明; 黄亮; 张浩; 张娜娜; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种带气膜孔 涡轮 叶片 的制造方法，首先采用通过UG 软件 建立出涡轮叶片的三维模型；再采用激光快速成形机快速打印出涡轮叶片的实体；最后通过熔模精密 铸造 铸造出涡轮叶片的金属实体。该方法将激光 快速成型技术 与熔模精密铸造技术相结合，不仅可以实现从涡轮叶片三维设计模型到涡轮叶片 钢 制实体的快速转化，同时加工完的涡轮叶片 精度 高、成本低。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法，其特征在于:包括如下操作: |
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| 说明书全文 | 一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及涡轮叶片生产制造领域，具体涉及一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法。 背景技术[0002] 涡轮叶片作为动力设备的核心部件，广泛应用于航空、家电以及各种工业用途。其结构与材料的不断改进是人类提高能源利用率、获得高性能装备(发电设备)和产品(如飞机)的关键。工作时，它不仅被经常变化的高温燃气所包围，还承受着高速旋转产生的巨大离心力、气体力和振动负荷等。此外，它还要经受高温燃气引起的腐蚀和浸蚀，因而涡轮工作叶片的工作环境十分恶劣。由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，所以叶片被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。 [0003] 因此，涡轮叶片的加工技术是近20年来国内外关注的重大技术问题之一。其中涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为热动力设备先进程度的重要标志，从某种意义上讲，也是制造技术水平的重要标志之一。随着叶片结构设计的日趋复杂和对材料热性能要求的提高，传统的叶片制造工艺受到材料与制造技术的制约，已难以满足新型叶片的制造要求。随着涡轮进口燃气温度的提高,发动机的单位功率也在迅速增加。涡轮叶片承温能力主要依赖于气膜孔，传统的气膜孔加工开发周期长、成本高；工艺过程复杂，控制难度大，不利于产品的更新换代；难以实现空间交错的空心叶片的制造；型芯型壳分开成形，装配时易产生定位误差，叶片易穿孔，成品率低。 发明内容[0004] 本发明的目的就是提供一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法，其可有效解决上述问题，解决涡轮叶片中存在的加工精度较低、加工周期长成本较高等问题。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案: [0006] 一种带气膜孔涡轮叶片的制造方法，其特征在于:包括如下操作: [0007] S1:构建涡轮叶片的三维模型； [0008] S2:打印涡轮叶片的树脂实体； [0009] S3:铸造涡轮叶片试件。 [0010] 进一步的方案为: [0012] 详细的操作为: [0013] S11:根据视场范围确定标定距离，选取焦距为420mm；镜头选择200的视场范围；调整投影条纹，将条纹切换到23，然后转动镜头的焦距调整投影光圈，使投影出清晰的光； [0014] S12:调整左右相机的角度，使相机中线与投影中线重合；调整两相机的采集灰度值为100-200之间，使得两相机保持一致，同时保证条纹清晰；对相机进行标定，标定参数时参数需要对应，并且根据选择的视场选择适当的标定块，将标定块放置稳定、直立；再打开CPC控制软件和“win more”观察CPC控制物件里的预览，使标定块中两个竖直白点重合，然后进行试拍，确保可以扫到点向数据；最后，进行对叶片的扫描； [0015] S13:对扫描后的图形进行后处理，将“文件选项”的“采样比率”设置为1/4；采用自动除噪中的“非连接”项，将“分隔”设置为“低”，“尺寸”设置为“5”；用“体外孤点”项将“敏感度”设为80；选择“自由曲面形状”设“平滑级别”为第三档，偏差限制一般取0.2mm； [0017] 操作S2中:将涡轮叶片的三维模型通过激光快速成型机快速打印出涡轮叶片的树脂实体。 [0018] 具体的操作如下: [0019] S21:涡轮叶片模型CAD优化设计阶段 [0020] S211:确定光敏树脂在快速成型时的收缩率，结合涡轮叶片铸造材料，确定熔模铸造过程中材料的收缩率，最后根据这两个收缩率在UG软件中对叶片的三维模型进行放大； [0021] S212:将叶片的三维模型在UG中导出为“STL”格式文件； [0022] S22:快速打印前处理阶段 [0023] S221:将导出的“STL”文件导入快速成型技术的前处理软件Cura； [0025] S223:在Cura中建立打印机加工文件的开始和结束代码，并进行保存； [0026] S224:在Cura中设置打印的支撑及分层参数、支撑参数、激光功率、扫描参数和涂层参数； [0027] S225:利用Cura软件进行自动分层，同时将分层完成的文件保存并转化为打印机可以识别的文件类型； [0028] S23:快速成型打印自由成形阶段 [0029] S231:将转换好的文件导入光固化打印机的控制计算机中； [0030] S232:控制计算机根据导入的文件自动生成控制指令对涡轮叶片模型进行快速打印； [0031] S24:快速打印后处理阶段 [0032] S241:用酒精溶液进行清洗同时去除模型的支撑； [0033] S242:用水砂纸进行打磨并最后将模型放入固化箱并进行固化。 [0034] 操作S3中:将打印好的树脂实体通过熔模精铸工艺得到涡轮叶片试件。 [0035] 详细的步骤为: [0036] S31:将打印好的模具用适当的溶剂进行清洗，将模具表面的杂质、蜡垢等清洗干净并晾制干燥；选用水溶性并且熔点较高的脱模剂对打印好的涡轮叶片树脂实体的气膜孔进行反复喷涂3-5次，每次间隔约10-20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时； [0037] S32:选取熔点较高的金属丝，先用适当的溶剂对金属丝表面进行清洗，将金属丝表面的杂质清洗干净；然后使用熔点较高的脱模剂对金属丝表面进行反复喷涂3-5次，每次间隔约10-20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时，将喷涂好的金属丝放置在气膜孔内，使得涂有脱模剂的部分放置在气膜孔内，并超出气膜孔10mm； [0038] S33:将中温蜡放入不锈钢或铝制容器中隔水加热使其变为熔融状态；其次将熔融状态的蜡静置在桶中，待其温度降到65℃左右时将其倒入搅蜡机中进行强力搅拌使其成均匀的膏状；将蜡膏放在保温桶中，温度控制在56-58℃；将涡轮叶片模具表面清理干净并涂上一层脱模剂； [0039] S34:将浇道模具放在气动蜡模压注机上，并将浇道模具的注蜡口与压注机射蜡的喷嘴对正；打开浇道模具并对模具内壁喷薄薄的一层分型剂，放螺帽，合上模具；通过压注机将蜡压注到模具中，压注完成后抽出芯子，打开模具取出浇道的模型，最后清理模具上的残留磨料，将合上磨具进行下一次压制； [0040] S35:对涡轮叶片以及各浇道蜡模的尺寸进行检查，对有尺寸问题的蜡模进行剔除，对尺寸合格的蜡模进行表面修整；用烙铁将直浇道的一端与浇口杯加热焊接在一起，将直浇道的另一端与横浇道用烙铁加热焊接在一起，再将多个内浇道焊接在横浇道上；通过给横浇道焊接多个内浇道从而组成模组可以实现对带气膜孔的涡轮叶片的快速铸造； [0041] S36:将模型以30°左右的倾斜角度缓慢的浸入涂料浆中约3～4秒，再以稍快速度取出模组并进行翻转；将均匀涂层的模组伸入浮砂桶内进行敷砂，让全部表面覆上一层莫来砂，并将模组放置12小时进行干燥使第二层型壳固化；重复操作5次，完成制壳过程； [0042] S37:将上述制好壳的模型放入到脱蜡蒸汽釜中保持160℃温度，进行20分钟左右的脱蜡；对脱完蜡的模型进行检查，对裂纹<0.5mm的可进行修补，出现成片脱落或、裂的或者裂纹>0.5mm的情况进行报废处理； [0043] S38:将脱完蜡的模型放入高温焙烧炉里加热到900℃-1100℃之间，焙烧40-50分钟左右，烧好的型壳为白色或蔷薇色；再将熔融的钢液通过各型壳的浇注口浇入到各型壳中，浇铸完成后静置其冷却； [0044] S39:将冷却后的涡轮叶片铸件先通过震动脱壳机去除型壳；再通过火焰切割机将浇注系统上的涡轮叶片与浇注系统进行切割分离；在水中进行浸泡并用高压水枪进行冲洗使气膜孔与钨丝之间的脱模剂完全溶解，抽出钨丝，最后对涡轮叶片制件进行喷砂处理，得到最终的涡轮叶片。 [0045] 上述技术方案中提供了一种带气膜孔的涡轮叶片的快速制造方法，首先采用通过UG软件建立出涡轮叶片的三维模型；再采用激光快速成形机快速打印出涡轮叶片的实体；最后通过熔模精密铸造铸造出涡轮叶片的金属实体。该方法将激光快速成型技术与熔模精密铸造技术相结合，不仅可以实现从涡轮叶片三维设计模型到涡轮叶片钢制实体的快速转化，同时加工完的涡轮叶片精度高、成本低，与现有技术相比，具有以下优势: [0046] 1、可以成型任意复杂的、具有空间交错特征的叶片内腔，整体式陶瓷铸型，型芯型壳使用相同的材料，同时成型，无需组合装配。 [0047] 2、无需设计制作型芯压制模具和蜡模模具，快速开发，简化工艺，降低成本，不受模具、夹具限制，易于更新换代。 [0049] 图1为本发明的流程示意图； [0050] 图2为通过光栅扫描和UG软件得到的含气膜孔涡轮叶片三维模型图； [0051] 图3为快速成型技术的工艺流程。 具体实施方式[0053] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。 [0054] 如图1所示，本发明实施例的带气膜孔的涡轮叶片的快速制造方法包括以下步骤: [0055] S1:利用光栅扫描仪对含有气膜孔的涡轮叶片进行扫描:利用光栅三维扫描仪对含气膜孔的涡轮叶片实体进行扫描。首先，对扫描仪进行前处理，先确定标定距离、选择镜头、调整相机角度等数据进行调整，然后进行扫描，扫描完成后对电脑内的模型进行后处理以及利用UG软件对模型进行完善，得到含气膜孔的涡轮叶片的模型。 [0056] S2:对建好的涡轮叶片的模型进行快速成型:根据快速成型打印技术的特点及所用的材料，本发明选用SLA成型技术，成型材料为光敏树脂。首先在UG中，根据上述建立好的涡轮叶片三维模型的尺寸建立相应的模型，再通过布尔求差运算得到相应的涡轮叶片三维模型。再对涡轮叶片三维模型进行分层处理，并将所得到的层片信息与打印的工艺参数相合，通过打印机的数字接口转化为打印机的数控代码；最后打印机根据数控代码进行层片加工、层片堆积最终成形出带气膜孔的涡轮叶片实体。 [0057] S3:对带气膜孔的涡轮叶片进行熔模精铸:涡轮叶片前缘、叶身等部位设计了大量的气膜孔，孔径一般在0.2-0.8mm，空间角度复杂，加工难度高。熔模铸造过程中，将打印好的模具用适当的溶剂进行清洗(如丙酮)，将模具表面的杂质、蜡垢等清洗干净，并晾制干燥；选用水溶性并且熔点较高的脱模剂(如肯天PMR)，对打印好的涡轮叶片树脂实体的气膜孔进行反复喷涂3—5次，每次间隔约10—20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时；选取熔点较高的金属丝(如钨丝)，先用适当的溶剂对钨丝表面进行清洗(如丙酮)，将钨丝表面的杂志清洗干净；然后使用熔点较高的脱模剂(如肯天PMR)对金属丝表面进行反复喷涂3—5次，每次间隔约10—20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时，将喷涂好的金属丝放置在气膜孔内，使得涂有脱模剂的部分放置在气膜孔内，并超出气膜孔10mm；然后将树脂模型粘制蜡浇注系统制成蜡模，再将蜡模浸入陶瓷砂液中形成模壳，晾干后进行焙烧脱去蜡模形成陶模，通过浇注口浇注钢熔液形成涡轮叶片的高温铸件。再对涡轮叶片的钢制实体先后进行渗碳、淬火、回火、喷砂的后处理使涡轮叶片达到硬度要求并提高其延展性能。 最后用水进行浸泡，抽出金属丝。最终得到完整的涡轮叶片实体。 [0058] 下面结合附图对本发明的工作原理作进一步的描述。 [0059] 本发明实施例的面向带气膜孔的涡轮叶片的快速制造方法包括以下步骤: [0060] 1、建立带气膜孔的涡轮叶片的数学模型 [0061] (1)前处理:首先根据视场范围确定标定距离，选取焦距为420mm；镜头选择200的视场范围；调整投影条纹，将条纹切换到23，然后转动镜头的焦距调整投影光圈，使投影出清晰的光。 [0062] (2)扫描:调整左右相机的角度，是相机中线与投影中线重合；调整两相机的采集灰度值为100-200之间，使得两相机调整到基本一致，同时保证条纹清晰。对相机进行标定，标定参数时参数需要对应，并且根据选择的视场选择适当的标定块，将标定块放置稳定、直立；再打开CPC控制软件和“win more”观察CPC控制物件里的预览，使标定块中两个竖直白点重合。然后进行试拍，确保可以扫到点向数据；最后，进行对叶片的扫描。 [0063] (3)后处理:对扫描后的图形进行后处理，为了提高计算机的速度将“文件选项”的“采样比率”设置为1/4；采用自动除噪中的“非连接”项，将“分隔”设置为“低”，“尺寸”设置为“5”；为了将偏离主点云的散点进行去除，用“体外孤点”项将“敏感度”设为80；为了将噪音点降到最低，能更好地表现相关物体的形状，选择“自由曲面形状”设“平滑级别”为第三档，偏差限制一般取0.2mm。 [0064] (4)将得到的涡轮叶片基础模型导入UG中，对模型进行修复完善，确定好气膜孔的位置，得到最终含气膜孔的涡轮叶片三维模型。 [0065] 2、对涡轮叶片的模型进行快速成型具体包括: [0066] (1)由于采用液态光敏树脂为材料进行3D打印时，光敏树脂在固化过程中模型会收缩且收缩率为4％；熔模精铸也涉及到2个收缩率，一个是采用中温蜡为材料制作蜡模时的收缩率为0.9％-1.3％，另一个是采用45号钢浇注钢制件时的收缩率为1.3％-2.0％；结合实际情况确定各阶段的收缩率，并得到模型的总收缩率。再通过UG的“缩放体”命令对直齿面齿轮的母模三维模型按照总收缩率进行整体放大； [0067] (2)将涡轮叶片的三维模型在UG中进行“文件”→“导出”→“STL”操作；在弹出的“快速成型”菜单中设置输出类型为“二进制”，“三角公差”及“相邻公差”设置为0.08，选择“自动法向生成”；在弹出的“类选择”菜单中选择直齿面齿轮的母模模型作为“选择对象”，其余的设置保持默认，完成模型的“STL”格式导出； [0068] (3)打开3D打印的前处理软件Cura，将“STL”模型文件导入到Cura中；在“配置向导”界面中根据所选择的激光快速成形机的型号设置“打印机名称”为“Stratasys”“,打印机的打印长度、打印宽度、打印高度”分别为255mm、252mm、200mm,“打印头的直径”为0.4mm；通过“机器”→“机器设置”操作，在“机器设置”菜单中“G代码类型”项中选择该3D打印机能识别的G代码格式为Stratasys；最后在“开始/结束G代码”项中将“start.gcode”和“end.gcode”代码分别替换为“Dual_Head_start”和“Dual_Head_send”，建立出控制激光快速成形机的G代码初始文件； [0069] (4)在Cura软件的“基础参数”菜单中设置3D打印的基本参数:为了保证模型拥有较高的精度，“层高”取0.1mm；为了保证模型具有高的牢固度，“底部/顶部厚度”的值取1.2mm，同时“外壳厚度”的取值与“底部/顶部厚度”的值要相等为1.2mm；“填充密度“一般取 20％；为了保证模型的质量，”打印速度“一般取30-40mm/s；根据所选择的光敏树脂的型号为VeroWhitePlus RGD835设置”打印温度“为20℃；”支撑类型“和”平台附着类型“设置为”无“，完成“基础参数”菜单的设置； [0070] 在Cura软件的“高级参数”菜单中设置3D打印的高级参数:”回抽长度“设置为3.5mm，防止放生卡丝现象；”首层层高“设置为0.4mm，使模型打印完第一层能很好地粘贴在工作台上；”喷嘴移动速度“设置为100mm/s；根据设置的打印速度，将“内/外层打印速度”设置为30mm/s，其他参数保持默认设置，完成“高级参数”菜单的参数设置； [0071] (5)Cura软件会根据所设置的3D打印参数自动地对直齿面齿轮母模的三维模型进行分层切片，并在切片完成后生成相应的G代码程序，将该G代码程序保存到SD卡上； [0072] (6)将SD卡插入到激光快速成型机上通过激光快速成形机自带的Object Studio软件读取SD卡中的G代码，此时该软件会显示模型的总分层数、打印时间、打印需要多少材料等信息，并随后根据G代码控制3D打印机快速打印出涡轮叶片的树脂实体； [0073] (7)用平铲沿着模型与工作台接触的部位铲入，将打印好的涡轮叶片的树脂实体从工作平台中取出，再用少量工业酒精涂到布上擦拭残留在树脂模型上的液态树脂；其次用水砂纸对模型的底部、侧面进行表面打磨，打磨完后用清水冲洗模型；最后将模型放入固化箱中进行约15min的紫外光照射固化处理。 [0074] 3、熔模铸造带气膜孔的涡轮叶片实体 [0075] (1)将打印好的模具用适当的溶剂进行清洗(如丙酮)，将模具表面的杂质、蜡垢等清洗干净，并晾制干燥；选用水溶性并且熔点较高的脱模剂(如肯天PMR)，对打印好的涡轮叶片树脂实体的气膜孔进行反复喷涂3—5次，每次间隔约10—20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时； [0076] (2)选取熔点较高的金属丝(如钨丝)，先用适当的溶剂对钨丝表面进行清洗(如丙酮)，将钨丝表面的杂志清洗干净；然后使用熔点较高的脱模剂(如肯天PMR)对金属丝表面进行反复喷涂3-5次，每次间隔约10-20分钟，最后一层喷涂后将模具静置一个小时，将喷涂好的金属丝放置在气膜孔内，使得涂有脱模剂的部分放置在气膜孔内，并超出气膜孔10mm； [0077] (3)然后将中温蜡放入不锈钢或铝制容器中隔水加热(加热温度在85℃左右)使其变为熔融状态；其次将熔融状态的蜡静置在桶中，待其温度降到65℃左右时将其倒入搅蜡机中进行强力搅拌使其成均匀的膏状；将蜡膏放在保温桶中，温度控制在56-58℃；将涡轮叶片模具表面清理干净并涂上一层脱模剂； [0078] (4)将浇道模具(包括直浇道模具、横浇道模具和内浇道模具)放在气动蜡模压注机上，并将浇道模具的注蜡口与压注机射蜡的喷嘴对正；打开浇道模具并对模具内壁喷薄薄的一层分型剂，放螺帽，合上模具；通过压注机将蜡压注到模具中，压注完成后抽出芯子，打开模具取出浇道的模型，最后清理模具上的残留磨料，将合上磨具进行下一次压制； [0079] (5)对涡轮叶片以及各浇道蜡模的尺寸进行检查，对有尺寸问题的蜡模进行剔除，对尺寸合格的蜡模进行表面修整(包括用刀片去除蜡模上的残留边过或分模线；用修补蜡修补表面的凹处等)；用烙铁将直浇道的一端与浇口杯加热焊接在一起，将直浇道的另一端与横浇道用烙铁加热焊接在一起，再将多个内浇道焊接在横浇道上；通过给横浇道焊接多个内浇道从而组成模组可以实现对带气膜孔的涡轮叶片的快速铸造； [0080] (6)将模型以30°左右的倾斜角度缓慢的浸入涂料浆中约3-4秒，再以稍快速度取出模组并进行翻转；将均匀涂层的模组伸入浮砂桶内进行敷砂，让全部表面覆上一层莫来砂，并将模组放置12小时进行干燥使第二层型壳固化；重复步骤六5次，完成制壳过程； [0081] (7)将上述制好壳的模型放入到脱蜡蒸汽釜中保持160℃温度，进行20分钟左右的脱蜡；对脱完蜡的模型进行检查，对裂纹<0.5mm的可进行修补，出现成片脱落或、裂的或者裂纹>0.5mm的情况进行报废处理； [0082] (8)将脱完蜡的模型放入高温焙烧炉里加热到900℃-1100℃之间，焙烧40-50分钟左右，烧好的型壳为白色或蔷薇色；再将熔融的钢液通过各型壳的浇注口浇入到各型壳中，浇铸完成后静置其冷却； [0083] (9)将冷却后的涡轮叶片铸件先通过震动脱壳机去除型壳；再通过火焰切割机将浇注系统上的涡轮叶片与浇注系统进行切割分离；在水中进行浸泡并用高压水枪进行冲洗使气膜孔与钨丝之间的脱模剂完全溶解，抽出钨丝，最后对涡轮叶片制件进行喷砂处理，得到最终的涡轮叶片。 [0084] 本发明未能详尽描述的设备、机构、组件和操作方法，本领域普通技术人员均可选用本领域常用的具有相同功能的设备、机构、组件和操作方法进行使用和实施。或者依据生活常识选用的相同设备、机构、组件和操作方法进行使用和实施。 [0085] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。 |
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