串联整体叶盘制造工艺
阅读：406发布：2020-05-11
专利汇可以提供串联整体叶盘制造工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的目的在于提供一种 串联 整体叶盘 制造工艺，其可以提高串联式整体叶盘的加工 精度 ，降低加工时间及加工成本。该串联整体叶盘制造工艺包括利用激光 直接 熔化 的 增材制造 方法直接在 轮毂 上打印多级 叶片 形成整体叶盘打印毛坯，在该串联整体叶盘的打印过程中，同步打印至少一个单盘的所有叶片，使得至少一个单盘的所有叶片均同步逐层增厚。，下面是串联整体叶盘制造工艺专利的具体信息内容。
1.串联整体叶盘制造工艺，包括利用激光直接熔化的增材制造方法直接在轮毂上打印多级叶片形成整体叶盘打印毛坯，其特征在于，在该串联整体叶盘的打印过程中，同步打印至少一个单盘的所有叶片的一层后再进行后一层的打印，使得该至少一个单盘的所有叶片均同步逐层增厚；
在该串联整体叶盘打印过程中，该串联整体叶盘至少区分为第一单盘组、第二单盘组，第一单盘组与第二单盘组的叶片选用不同材料，交替打印第一单盘组、第二单盘组的叶片，且在第一单盘组的所有叶片打印高度达到不干涉要求的最大的高度HAi时，再进行第二盘组的叶片的打印，使得第二盘组的叶片的高度为HBi，高度HBi为下轮打印第一盘组的叶型时不发生干涉的最大值。
2.如权利要求1所述的串联整体叶盘制造工艺，其特征在于，高度HAi和HBi的选择通过激光头装置与叶盘理论模型的模拟来完成。
3.如权利要求1所述的串联整体叶盘制造工艺，其特征在于，选用多喷头的同轴送粉机构进行打印操作。
4.如权利要求1所述的串联整体叶盘制造工艺，其特征在于，该串联整体叶盘打印过程中，采用预热的方法来控制叶片内应力，使叶片间的内应力保持比较一致的水平。
串联整体叶盘制造工艺
技术领域
背景技术
[0002] 与传统叶盘分离结构相比，整体叶盘将叶片和轮毂设计为一体，具有减重、减级、增效和提高可靠性等优点。整体叶盘的结构不断发展，从最初的盘片一体发展到盘片鼓一体、盘片轴一体、盘片鼓轴一体，并逐渐发展到两级或多级叶盘固态串接的串联式整体叶盘。串联式整体叶盘是两级或更多级的转子叶片径向分布在同一个轮毂上，不同级的叶片具有不同的叶型以满足气动设计要求。
[0003] 整体叶盘具有通道开敞性差、叶片薄、叶型复杂、弯扭大等特点以最大程度得满足气动要求，但大大增加了整体叶盘的加工难度，整体叶盘的材料主要为钛合金、高温合金等高性能金属材料，也使得整体叶盘制造成为航空发动机制造行业的一个难题。
[0004] 整体叶盘的制备方式主要有以下三种。一是整体锻件加工，二是轮毂与叶片通过焊接工艺成为一体，三是精密铸造。其中，精密铸造主要适用于小型航空发动机，特别是涡轴发动机的燃气涡轮、动力涡轮整体叶盘的制备。对于大型整体叶盘主要是采用锻件形式，将整体锻坯通过机械加工或特种加工的形式加工成整体叶盘零件。采用传统机械加工方法加工整体叶盘，是国内外应用最广、技术较为成熟的制造方式，但是这种方式加工周期长，对于发动机常用的难加工材料，机械加工方法容易产生变形，加工过程中刀具磨损严重，加工成本较高。针对传统机械加工存在的问题，逐渐出现了整体叶盘的特种加工工艺，包括电火花加工、电化学加工以及其他高能束流加工方式，如高速水切割等。采用特种加工制造整体叶盘存在加工精度低的问题，而较为成熟的电加工方式也存在电极设计制备周期长、加工成本高等问题，限制了其在工程上的广泛应用。焊接方法是将叶片和轮毂分别加工好以后，将叶片用电子束焊或线性摩擦焊的方式连接成一体，这种方式降低了整体叶盘叶型的加工难度，但是由于焊接精度的影响，叶片之间存在叶盘上的位置和扭角相互不尽一致的情况，而且焊接后需进行自适应数控加工，焊接强度一般也难以实现与母材一致。
[0005] 利用整体锻件加工成整体叶盘零件，存在材料利用率低下的问题，尤其是叶型部分，绝大部分的材料都需要切除，而且加工时间占整体叶盘的全部加工时间的比例大。
[0006] 对于两级或多级叶盘串联式整体叶盘的加工还存在以下难点：1)整体锻件制备困难，由于较单盘厚度增加，属于大直径大厚度盘锻件，对锻件的制备工艺提出了更高的要求，质量一致性难以保证；2)零件加工困难，与单盘相比，涉及到多级不同叶型叶片的加工，而且盘与盘间在加工过程中极易出现干涉，大幅度增加了加工难度；3)多级整体叶盘之间设计有封严篦齿，如果采用焊接工艺，篦齿会影响焊接位置的选择，若避开篦齿进行焊接，焊缝很容易距离某个单盘过近，使焊后的机加工难度增加；4)若采用整体加工工艺，篦齿的加工受到叶片长度的影响，加工刀具悬长增大，容易发生变形影响加工精度。
[0007] 专利US7204926 B2针对双级串联整体叶盘，提出了串联式整体叶盘电化学加工技术。针对两级叶片分别设计不同的电化学加工电极，实现了在不卸载零件的情况下完成两级叶片的电化学加工。为了加工出设计的叶型，电化学加工的电极需要针对不同的叶型进行设计，随着叶型的复杂程度电极的设计难度也逐渐增加，会导致电极设计及制造成本的大幅度提升。而且整体叶盘的精度要求较高，要求对电化学加工过程中的电流、电介质等的控制也十分严格，如果不能满足设计要求，往往仍需通过传统机械加工来满足精度要求。
[0008] 专利文献CN104690517A提供了基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，但其仅针对单级整体叶盘。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于提供一种串联整体叶盘制造工艺，其可以提高串联式整体叶盘的加工精度，降低加工时间及加工成本。
[0010] 一种串联整体叶盘制造工艺包括利用激光直接熔化的增材制造方法直接在轮毂上打印多级叶片形成整体叶盘打印毛坯，在该串联整体叶盘的打印过程中，同步打印至少一个单盘的所有叶片，使得至少一个单盘的所有叶片均同步逐层增厚。
[0011] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，在该串联整体叶盘打印过程中，该串联整体叶盘至少区分为第一单盘组、第二单盘组，第一单盘组与第二单盘组的叶片选用不同材料，依次打印第一单盘组、第二单盘组的叶片，在同一单盘组的打印过程中，同步打印该单盘组的所有叶片，使得该单盘组的所有叶型均同步逐层增厚。
[0012] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，所述第一单盘组为前级盘组，其对应的叶片选用钛合金；所述第二单盘组为后级盘组，其对应的叶片选用高温合金。
[0013] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，在该串联整体叶盘打印过程中，该串联整体叶盘至少区分为第一单盘组、第二单盘组，第一单盘组与第二单盘组的叶片选用不同材料，交替打印第一单盘组、第二单盘组的叶片，且在第一单盘组的所有叶片打印高度达到不干涉要求的最大的高度HAi时，再进行第二盘组的叶片的打印，使得第二盘组的叶片的高度为HBi，高度HBi为下轮打印第一盘组的叶型时不发生干涉的最大值。
[0014] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，高度HAi和HBi的选择通过激光头装置与叶盘理论模型的模拟来完成。
[0015] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，选用多喷头的同轴送粉机构进行打印操作。
[0016] 所述的串联整体叶盘制造工艺的进一步特点是，该串联整体叶盘打印过程中，采用预热的方法来控制叶片内应力，使叶片间的内应力保持比较一致的水平。
[0017] 本发明在串联整体叶盘打印过程中，为了避免干涉，采用同步打印所有或部分叶盘，即该所有或部分叶片均逐层增厚的方式。这样的打印顺序可以有效避免叶片间在打印过程中的相互干涉以及和激光打印设备之间的干涉。叶片在打印过程中由于每层与每层之间有充分的冷却时间，能够有效降低打印瞬态融凝过程产生的温度梯度在制件内部形成的内应力。本发明能实现利用增材制造在轮毂上直接制备多级叶片，与传统锻件加工整体叶盘相比，可以实现提高材料的利用率，同时减少机械加工时间，降低整体叶盘加工难度，最终实现串联整体叶盘的整体制造，进而提升压气机的工作效率。附图说明
[0018] 本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
[0019] 图1为串联整体叶盘的结构示意图；
[0020] 图2为串联整体叶盘的制备流程图；
[0021] 图3为串联整体叶盘的叶片的增材制造示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0023] 图1示出了三级单盘1、2、3成一体串联，并且各单盘1、2、3上成一体地生成叶片11、21、31的串联整体叶盘，其中的轴线X1是串联整体叶盘的轴线。本发明的制造工艺适合于制备与此相似的串联整体叶盘，该串联整体叶盘可以是两级或多级叶盘固态串接的形式。
[0024] 图2示出了串联整体叶盘的整体制备流程。
[0025] 在步骤S1中，制备、加工整体叶盘轮毂。在一实施例中，锻造成型串联整体叶盘结构的轮毂部分，利用数控加工方法完成轮毂的加工，然后装夹在数控运动装置上。
[0026] 在步骤S2中，建立整体叶盘的三维模型，生成整体叶盘的各种叶片三维模型的分层切片文件。
[0027] 在步骤S3中，利用增材制造技术，根据所述切片文件，在整体叶盘轮毂上打印各叶片。
[0028] 如图3所示，三维模型7和三维切片8可以利用计算机辅助设计软件来生成，然后再实施例步骤S3，步骤S3在惰性气体保护下，通过惰性气体装置62向制备空间提供气氛保护61。增材制造技术是利用数控运动装置根据切片文件，在设定的激光直接熔化增材制造工艺参数条件下，利用激光器41产生的激光，经反射镜 42反射并经过透镜汇聚后形成的激光束43，将同轴送粉器44馈送的粉末熔化，与按照步骤S1得到的整体叶盘轮毂作相对运动，整体叶盘轮毂由固定装置46固定在工作台50上，这样可依次打印出在轮毂径向方向上的多排叶片，其中单排叶片在轮毂圆周方向上均匀分布，得到整体叶盘增材制造打印毛坯。
[0029] 前述打印过程是在串联整体叶盘的打印过程中，同步打印至少一个单盘的所有叶片，使得该至少一个单盘的所有叶片均同步逐层增厚。在一实施例中，考虑到由于发动机气动设计需求，整体叶盘叶型通常采用弯掠宽弦结构，自由曲面叶片扭曲程度大，导致相邻叶片间通道开敞性差，干涉现象严重，以两级叶盘串联为例，两级盘的叶片编号分别为A1，A2，……，AM，和B1，B2，……，BN，编号A的叶片分为L层进行打印，每层编号记为Ami(m＝1，2，……，M，i＝1，2，……，L)，编号B的叶片分为K层进行打印，每层编号记为Bnj，(n＝1，
2，……，N，i＝1，2，……， K)。打印顺序可为A11，B11，A21，B21，……，Am1，Bn1，……AM1，BN1，直至打完所有叶片的第一层；再开始第二层的打印，即A12，B12，……，以此类推。这样的打印顺序可以有效避免叶片间在打印过程中的相互干涉以及和激光打印设备之间的干涉。而且叶片在打印过程中由于每层与每层之间有充分的冷却时间，能够有效降低打印瞬态融凝过程产生的温度梯度在制件内部形成的内应力。可以采用预热的方法来控制薄壁叶型制件内应力，使叶片间的内应力保持比较一致的水平。
2，……，N，i＝1，2，……， K)。打印顺序可为A11，B11，A21，B21，……，Am1，Bn1，……AM1，BN1，直至打完所有叶片的第一层；再开始第二层的打印，即A12，B12，……，以此类推。这样的打印顺序可以有效避免叶片间在打印过程中的相互干涉以及和激光打印设备之间的干涉。而且叶片在打印过程中由于每层与每层之间有充分的冷却时间，能够有效降低打印瞬态融凝过程产生的温度梯度在制件内部形成的内应力。可以采用预热的方法来控制薄壁叶型制件内应力，使叶片间的内应力保持比较一致的水平。
[0030] 在另一实施例中，对应两级叶盘串联的情况，叶片的打印顺序也可以为单盘所有叶片依次逐层增厚，即A11，A21，……，Am1，……AM1，A12，A22，……，依次类推，完成编号A的叶片打印后，再以同样的方法打印编号B的叶片。这样的方法可以考虑编号A、B的叶片选用不同的材料，以满足设计对温度、强度、重量等要求。同时，叶片与盘体锻件制件也可以选用不同的材料。本发明也不限于此，例如在该串联整体叶盘打印过程中，该串联整体叶盘至少区分为第一单盘组、第二单盘组，第一单盘组与第二单盘组的叶片选用不同材料，依次打印第一单盘组、第二单盘组的叶片，在同一单盘组的打印过程中，同步打印该单盘组的所有叶片，使得该单盘组的所有叶型均同步逐层增厚。第一、二单盘组可以至少一个单盘。
[0031] 根据发动机工作温度需求，串联整体叶盘之间的叶片可以选择不同的材料，如第一单盘组为前级盘时，其叶片可以选用钛合金。第二单盘组为后级盘时，为满足工作温度升高的需要，叶片打印材料选择高温合金。这种情况下，在打印过程中就涉及到两种粉末材料交替打印的情况，此时选用多喷头的同轴送粉机构进行打印操作。在加工过程中，为提高粉末利用率，在交替使用粉末时，需要对工作腔室进行清理，以实现粉末的回收使用，降低生产成本。但这样的操作会大大影响打印效率。因此在不同材料的串联整体叶盘打印过程中，为平衡打印效率与打印可行性，需要根据单盘叶片与双盘叶片间的具体构型对叶片打印顺序进行优化。最终实现打印过程中避免干涉，同时打印效率最高。在步骤S3中，该串联整体叶盘至少区分为第一单盘组、第二单盘组，第一单盘组与第二单盘组的叶片选用不同材料，交替打印第一单盘组、第二单盘组的叶片，且在第一单盘组的所有叶片打印高度达到不干涉要求的最大的高度HAi时，再进行第二盘组的叶片的打印，使得第二盘组的叶片的高度为HBi，高度HBi为下轮打印第一盘组的叶型时不发生干涉的最大值。高度 HAi和HBi的选择可以通过激光头装置与叶盘理论模型的模拟来完成。一般在叶片根部的打印干涉情况更为明显，因此，打印过程中每次打印的最大高度会逐渐升高，一般可在2-4个换粉轮次间完成打印。这样依次打印，在打印过程中，第一盘组的叶片打印的同一轮次每个叶片还是选择所有叶片均逐层增厚的方式，确保每层与每层之间有充分的冷却时间，能够有效降低打印瞬态融凝过程产生的温度梯度在制件内部形成的内应力，第二盘组的叶片具有同样的特点。
[0032] 在步骤S4中，将按照步骤S3中得到的整体叶盘增材制造打印毛坯进行热等静压，增强其性能及组织。
[0033] 在步骤S5中，对步骤S4得到的整体叶盘进行三坐标测量，根据测量结果重构整体叶盘模型，与整体叶盘设计结果进行对比确定叶型加工的装夹定位、余量分布和加工轨迹。
[0034] 在步骤S6中，按照步骤S5确定的加工工艺对步骤S4得到的整体叶盘的叶片进行加工，加工工艺可以采用数控机械加工，也可以采用电火花、电解加工等特种加工技术。
[0035] 在步骤S7中，对步骤S6得到的整体叶盘进行振动光饰，提高表面质量。
[0036] 在步骤S8中，对完成的整体叶盘进行尺寸检测、无损检测，确保满足设计要求。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 整体叶盘盘铣开槽加工方法 | 2020-05-12 | 454 |
| Ti60合金双性能整体叶盘的制造方法 | 2020-05-12 | 696 |
| 航空发动机整体叶盘分解装置 | 2020-05-13 | 951 |
| 一种整体叶盘振动光饰保护方法 | 2020-05-13 | 337 |
| 整体叶盘激光冲击强化设备 | 2020-05-13 | 345 |
| 一种β锻锻造TC17合金整体叶盘的方法 | 2020-05-14 | 487 |
| 一种整体叶盘损伤叶片的修复方法 | 2020-05-11 | 983 |
| 双合金整体叶盘、驱动装置和双合金整体叶盘的加工方法 | 2020-05-12 | 910 |
| 整体叶盘开槽专用变切宽三面刃铣刀 | 2020-05-13 | 383 |
| 一种整体叶盘的蜡模制造方法及夹具 | 2020-05-13 | 309 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
整体叶盘热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈