3D打印制備的渦輪導向葉片毛坯及其加工工藝研究

何春萌 蔡 斌 許 欣 李 嬋 周 軍

（1.中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，株洲 412002）

當代航空發動機渦輪導向葉片的傳統制備方法是采用葉身無余量精密鑄造工藝制備毛坯，再經局部機械加工最終成型。目前，一般通過六點定位法建立基準精確定位毛坯。葉片毛坯通常采用六點定位，利用定制專用夾具夾緊后進行去料加工。該方法由于夾具設計加工成本較高且工序復雜，加工周期通常需要6～12個月[1]。

3D打印是一種利用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式構造物體的技術[2]。近年來，它在航空發動機機匣、軸承座、葉片以及噴嘴等典型零部件的制造過程中得到了實際應用[3]。3D打印直接成型的渦輪導向器葉片精度達不到成品要求，因此通常通過快速打印出葉片毛坯，再對毛坯進行機加工的方式得到渦輪導向器成品葉片。與傳統的葉片精密鑄造方法相比，3D打印的成本較低，毛坯制備周期短，毛坯成型精度可達到與精密鑄造相當的水平。目前，3D打印的渦輪零部件多用于預先研究的部件試驗[4]。部件試驗有節約成本、快速調整和驗證的需求，因此小批量成型、花費較低且制造速度較快的3D打印渦輪零部件在渦輪部件性能試驗方面有著實際需求和良好的應用前景[5]。

本文以某試驗件3D打印的多聯導向葉片毛坯為研究對象，分析該3D打印多聯導向葉片毛坯的結構特征，提出了一種基于葉型和流道加工出定位基準面，再結合整環去料加工成形的加工工藝，設計了相應的夾具和工裝，在實際加工過程中得到了應用。

1 3D打印渦輪導向器葉片的結構特征

1.1 結構形式

某渦輪性能試驗件導向葉片為四聯結構，均通過徑向止口進行定心定位，通過螺栓壓緊端面實現固定，結構形式如圖1所示。

圖1 導葉結構

裝配示意圖如圖2所示。7片導葉通過徑向定位面定心，通過螺栓壓緊安裝在機匣上。它的徑向定位面的尺寸公差、配合度以及壓緊端面的表面質量，決定多聯導向葉片安裝時的裝配質量。

圖2 導葉裝配

3D打印導向葉片毛坯以導葉三維數字理論模型為參考，直接通過激光選區熔化成型技術成型葉型和流道面。導葉毛坯的上緣板和下緣板表面上留有去料余量，需在成品前的機加工時去除。

1.2 尺寸和表面精度

對導葉毛坯進行三維掃描，如圖3所示。根據三維掃描結果可得到以下結論。第一，緣板端面和徑向圓弧面的表面質量相對較低。計量結果顯示，7件導向葉片毛坯的緣板端面和導向葉片徑向定位圓弧面與模型相差較大，偏差中間值為0.2～0.3 mm，偏差最大值可接近0.5 mm。第二，葉型型面特征打印精度相對較高。計量結果顯示，尾緣處的葉型輪廓偏差在±0.05 mm，滿足航標《葉片葉型的標注、公差與葉身表面粗糙度》（HB 5647—1998）中的葉片葉型公差要求。前緣處的葉型輪廓偏差較大，平均偏差在0.2 mm左右，誤差最大值可接近0.5 mm。第三，7件導向葉片毛坯與理論模型的偏差在不同葉片毛坯之間和同一葉片的不同區域之間均存在較大差異，且分布沒有規律，葉片的相互差異性較明顯。

采用3D打印方法制備葉片主要在于可降低成本、縮短周期，因此毛坯去料加工不宜采用成本高、周期長的六點定位法，同時有必要研究適用3D打印導向葉片毛坯的快速機加工方法。

2 3D打印多聯導向葉片的機加工工藝

2.1 端面基準的確定

通過其他精度較好的特征間接加工一個基準端面是可行的。考慮葉型尾緣處的葉型輪廓偏差在0.05 mm以內，可將葉型尾緣的特征作為參考，通過基準轉換將其結構信息轉換到緣板端面，從而得到能較好反映葉片軸向位置關系的端面基準。基于這一思想設計了一種半月形等高墊塊，安裝結構如圖5所示。

螺桿一端通過螺紋安裝在標準方塊方塊上，另一端通過壓緊螺母和壓板壓緊導葉毛坯，使得等高擋塊一側與導向葉片毛坯的葉型尾緣保持壓緊接觸。為了避免導葉葉型尾緣出現壓痕，壓緊螺母需要控制擰緊力矩。只要帶緊螺桿，保證導葉毛坯不松動即可。

圖3 導向葉片三維掃描結果

圖5 半月形擋塊安裝

安裝完成后，需要選擇合適的去料方式加工端面基準。導葉毛坯僅通過單側壓板保持小壓力接觸壓緊，故不能使用機械力去料，如車、銑等。此時，可選擇電火花線切割的方式，利用電腐蝕蝕除多余的金屬。以標準方塊為基準，加工上緣板端面（圖6中端面C）。已知墊塊厚度L1和設計值L3，可得到加工尺寸L2的到位尺寸及其公差范圍。L2加工到位后，端面基準C可較好地反映葉型與緣板端面的端面位置關系，用于指導葉毛坯的后續端面加工。

圖6 端面基準加工

2.2 徑向基準的確定

設計了一種圓盤式結構固定工裝，周向均布螺栓孔和精密銷釘孔。將多件毛坯拼成整環，通過螺栓初步固定在工裝上。通過調整墊的高度，使毛坯下緣板處端面與調整墊保持壓緊接觸或者小間隙配合，以提供輔助支撐。通過導葉毛坯流道面和兩個精密臺階銷釘調整毛坯徑向位置。臺階銷有正裝和反裝兩種安裝方式，如圖7所示。

圖7 徑向基準調整

徑向基準調整過程如下。

（1）在機床上徑向找正圓盤工裝A基準后，當毛坯流道面距圓盤中心孔的距離ФD和圓周跳動符合設計要求時，銷釘正裝用于徑向限位；反之，銷釘反裝，利用臺階銷直徑尺寸差留出調整空間。

（2）銷釘反裝時，銷釘與上緣板之間可留出一定間隙，通過插入塞尺微調導葉毛坯的徑向位置，直至葉片毛坯流道面的流道尺寸ФD和圓周跳動均滿足要求后，將螺栓擰緊，固定葉片毛坯位置。

（3）該型葉片周向共有7片，對7片葉片毛坯均進行調整操作后即可得到流道尺寸和圓周跳動均滿足要求的整圈葉片，然后固定當前位置。此時，A基準能較好地反映導葉流道的徑向位置關系，可作為毛坯后續組合機加工的徑向加工基準。

2.3 整環加工

將導葉毛坯加工的端面C轉換至圓盤固定工裝的B基準，以圓盤固定工裝的A基準作為徑向基準，進而對導葉毛坯進行下一步加工。在進行整環去料加工前，需要對導葉毛坯、葉片、葉身及葉身之間的區域進行灌蠟處理，如圖8所示。

圖8 導葉毛坯灌蠟效果

這道工序可以帶來兩個好處：一是可以增加整環結構的剛度，減少震刀紋的產生；二是可以防止加工過程中鐵屑進入氣膜孔和冷氣通道。此時，導葉毛坯已通過螺栓壓緊固定，可在立式數控銑床上將排氣側緣板特征加工至設計尺寸。加工完成后再融蠟，拆卸壓緊螺栓，即可得到單片葉片成品。

3 結語

本文分析了某渦輪性能試驗件3D打印導向毛坯的結構特征，基于毛坯特征提出了一種快速加工工藝方法。該方法夾具和工裝設計簡單，采用常規成熟的去料工藝，可在1個半月內完成導葉毛坯的精加工，加工周期相較于傳統加工方法至少可縮短2/3。