一種s?04/s?08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種S?04/S?08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，首先建立葉輪三維模型，并進(jìn)行切片處理；根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定成形方向、支撐添加位置；根據(jù)高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)設(shè)定激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)；在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行成形；成形后清理浮粉，線切割去基板，去除支撐；最后對葉輪進(jìn)行表面處理及熱處理等后續(xù)處理。本發(fā)明無需設(shè)計復(fù)雜的刀具或夾具，只需通過葉輪的三維模型即可直接增材制造出零件，極大地縮短了制造周期，適合于研發(fā)階段的試制及中小批量的生產(chǎn)。
【專利說明】
一種S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種葉輪整體制造方法，尤其涉及一種三元閉式葉輪激光選區(qū)熔化增材制造整體加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已有的三元流閉式葉輪制造方法主要有整體精密鑄造法、數(shù)控加工法和電火花加工法。
[0003]精密鑄造技術(shù)雖能解決部分復(fù)雜精密構(gòu)件的加工制造難題，但內(nèi)部質(zhì)量控制難度大，尤其是當(dāng)葉片厚度較小時，容易出現(xiàn)成分偏析、縮孔、縮松、裂紋、澆不足等缺陷，成品率較低，成本較高，生產(chǎn)周期較長。
[0004]目前數(shù)控銑削整體加工三元流閉式葉輪的方法，已經(jīng)掌握了相關(guān)編程、刀具和切削工藝參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，其主要工藝過程是:閉式葉輪鍛件—數(shù)控車削葉輪中心定位孔—數(shù)控車削葉輪上下端面及內(nèi)外型面—分別從葉間流道進(jìn)出口端數(shù)控銑削葉間通道(按粗、精加工工序安排)。由此可知，該方法對于那些葉片型面復(fù)雜、彎扭程度大、或者葉間流道尺寸小的三元流閉式葉輪，不可避免地在銑削葉間流道的過程容易產(chǎn)生刀具干涉、過切而不能實(shí)現(xiàn)流道的整體加工；同時對于那些難切削高強(qiáng)合金材料制成的三元流閉式葉輪，數(shù)控銑削很困難、甚至不能加工，不僅加工效率低、制造成本高，而且也難于獲得高精度。
[0005]電火花整體加工三元流閉式葉輪包括以下加工步驟:(I)鍛造毛坯；(2)粗車葉輪中心定位孔以及內(nèi)、外型面；(3)數(shù)控車加工葉輪中心定位孔及內(nèi)外型面、上下端面；(4)以葉輪中心孔中心定位并進(jìn)行分度，依照葉輪需要加工的三元流道角向位置要求，逐個分度鉆削直徑逐段增大的臺階形預(yù)孔；(5)采用數(shù)控電解加工對第(4)步驟獲得的臺階形預(yù)孔進(jìn)行再加工，在對應(yīng)的加工軌跡運(yùn)動數(shù)控程序的控制下完成三元流道的預(yù)加工；(6)采用數(shù)控電火花加工己完成預(yù)加工的二元流道，在對應(yīng)的加工軌跡運(yùn)動數(shù)控程序的控制下完成三元流閉式葉輪的葉間通道，同時達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計精度要求。由此可知，該方法在加工過程中需針對復(fù)雜的三元流道設(shè)計復(fù)雜的數(shù)控程序，且加工過程需要設(shè)計多組電極逐次加工，加工效率低、制造成本高。
[0006]三元流閉式葉輪整體快速制造成為了制造領(lǐng)域的一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，采用激光選區(qū)熔化增材制造的手段，根據(jù)三元閉式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理設(shè)計成形方向及葉間流道內(nèi)工藝支撐，在保證葉輪成形精度的前提下，保證支撐在后處理時易去除，根據(jù)S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)設(shè)定激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù);在激光選區(qū)熔化成形完成后，采用線切割的方式將葉輪件從成形基板上取下，去除支撐后，對葉輪進(jìn)行表面光整和熱處理，最終完成三元流閉式葉輪整體制造。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0009](I)建立葉輪三維模型，對葉輪三維模型進(jìn)行切片處理；
[0010](2)將葉輪三維模型的中軸線與水平方向呈45°角放置，在葉輪三維模型中與水平方向夾角小于40°的葉片部位下端添加網(wǎng)格工藝支撐模型，網(wǎng)格工藝支撐模型由葉片下端連接到水平放置的蓋板上表面;蓋板下表面與基板之間添加實(shí)體支撐；
[0011](3)根據(jù)S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)設(shè)定激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)；
[0012](4)按照步驟(3)設(shè)定的工藝參數(shù)，在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行激光選區(qū)熔化成形；
[0013](5)激光選區(qū)熔化成形完成后清理浮粉，線切割去除基板；
[0014](6)去除網(wǎng)格工藝支撐；
[0015](7)對葉輪進(jìn)行表面處理和熱處理，所述表面處理包括噴砂、三元振動和磨料流。
[0016]所述步驟(I)中，使用建模軟件Pro/engineer或UG建立葉輪三維模型，并導(dǎo)出STL格式三維模型，不設(shè)置收縮，切片厚度為30?40μπι。
[0017]所述步驟(3)中，葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)包括:激光功率為300?320W，掃描速度為800?1000mm/s，掃描間距為0.08?0.12mm，相位角為67° /105° ；網(wǎng)格工藝支撐激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)包括:激光功率為250?280W，掃描速度為2200?2600mm/s，網(wǎng)格間距為0.6mm，掃描間距為0.08?0.12mm，相位角為67°/105° ;實(shí)體支撐與葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)相同；其中，S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼粉末的粒度分布為D10為15?25ym，D5Q為25?35ym，D9Q為55?65μπι，粉末的松裝密度為4?4.5g/cm，50g粉的流動性彡30s 0
[0018]所述步驟(4)中，所述惰性氣體為氬氣，成形過程中氣氛氧含量小于1000PPM。
[0019]所述步驟(5)中所述線切割采用高速往復(fù)走絲電火花線切割，脈沖寬度設(shè)定為28?48ys，脈沖間隔為112?170ys，波形為矩形脈沖。
[0020]所述步驟(6)中所述去除網(wǎng)格工藝支撐時保證型面光順。
[0021]所述步驟(7)中，噴砂用于對葉輪的整體初步光整，三元振動用于葉輪外型面的精光整，磨料流用于葉片型面的拋光光整;噴砂工藝要求包括:材質(zhì)為剛玉砂，粒度為40目?60目，吹砂時間為6min?8min;三元振動工藝要求包括:磨料采用三種規(guī)格的棕剛玉磨料混合，其中斜圓柱規(guī)格為Φ 4mm X 8mm，斜三角規(guī)格為5mm X 5mm，圓球磨料規(guī)格為S Φ 6mm，斜圓柱:斜三角:圓球磨料的質(zhì)量比為1:1:4;激振頻率為48Hz，加工時間為24h;磨料流工藝要求包括:采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目數(shù)100目，磨削壓力4.5MPa，加工時間60min ；采用軟性磨料精磨，磨粒目數(shù)400目，磨削壓力4MPa，加工時間45min。
[0022]所述步驟(7)中，熱處理工藝包括:在1130°C保溫3h作為預(yù)處理，然后空冷;在1040°C?1110°C保溫2h進(jìn)行固溶，然后空冷;在-70°c保溫2h進(jìn)行冷處理，然后在空氣中恢復(fù)至室溫，在250 0C?350 °C保溫3h進(jìn)行時效，然后空冷。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024](I)采用激光選區(qū)熔化成形的方法整體制造三元閉式葉輪，整個過程中無需設(shè)計復(fù)雜的刀具或夾具，只需通過三元閉式葉輪的三維模型即可直接增材制造出零件，極大地縮短了制造周期。
[0025](2)激光選區(qū)熔化成形零件精度可達(dá)± 0.1mm，表面光整后表面粗糙度可達(dá)Ra3.2μm，可直接使用。
[0026](3)激光選區(qū)熔化成形制造構(gòu)件內(nèi)部不會發(fā)生宏觀成分偏析，不同壁厚、不同部位組織結(jié)構(gòu)無顯著差別，成形構(gòu)件組織結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)良，可使三元閉式葉輪的使用性能大幅提尚。
【附圖說明】
[0027]圖1是三元閉式葉輪結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為主視圖，(b)為(a)的A-A向視圖；
[0028]圖2是三元閉式葉輪成形方案示意圖，其中，(a)為主視圖，(b)為(a)的A-A向視圖；
[0029]圖3是本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0031]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0032](I)建立葉輪三維模型，將該三維模型的STL格式文件導(dǎo)入激光選區(qū)熔化成形系統(tǒng)，并進(jìn)行切片處理；
[0033](2)根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定成形方向、支撐添加位置；
[0034](3)根據(jù)S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)設(shè)定激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)；
[0035](4)在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行成形；
[0036](5)成形完成后清理浮粉，線切割去基板；
[0037](6)通過人工或者機(jī)械加工的方法去除支撐；
[0038](7)對葉輪進(jìn)行表面處理和熱處理。
[0039]所述步驟(I)中，葉輪三維模型的建立根據(jù)產(chǎn)品要求，使用建模軟件Pro/engineer或UG設(shè)計出葉輪三維模型，并導(dǎo)出STL格式三維模型，不設(shè)置收縮，切片厚度為30?40μπι。
[0040 ]所述步驟(2)中根據(jù)三元流閉式葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成形方向?yàn)槿~輪模型中軸線與水平方向呈45°角，在該成形方向下，葉片與水平方向夾角小于40°的局部部位添加網(wǎng)格工藝支撐模型，由葉片下端直接連接到蓋板;蓋板下端與基板添加實(shí)體支撐。
[0041 ]所述步驟(3)中根據(jù)S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)，設(shè)定葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù):激光功率為300?320￥，掃描速度為800?1000111111/8，掃描間距0.08?
0.12_，相位角67°/105° ;設(shè)定網(wǎng)格支撐激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù):激光功率250?2801，掃描速度2200?2600111111/8，網(wǎng)格間距0.6111111，掃描間距0.08?0.12111111，相位角67°/105° ;實(shí)體支撐與葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)相同。其中，S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼粉末的粒度分布為D1為15?25ym，D5Q為25?35ym，D9Q為55?65μηι，粉末的松裝密度4?4.5g/cm，50g 粉的流動性 <30s ；
[0042]所述步驟(4)中所述惰性氣體為氬氣，成形過程中氣氛氧含量要求小于1000PPM;
[0043]所述步驟(5)中所述線切割采用高速往復(fù)走絲電火花線切割，脈沖寬度設(shè)定為28?48ys，脈沖間隔為112?170ys，波形為矩形脈沖；
[0044]所述步驟(6)中所述去除支撐應(yīng)保證型面光順；
[0045]所述步驟(7)中所述表面處理包括噴砂、三元振動和磨料流。噴砂用于對葉輪的整體初步光整，三元振動用于葉輪外型面的精光整，磨料流用于葉片型面的拋光光整。噴砂工藝要求為:a.材質(zhì):剛玉砂;b.粒度:40目?60目；c.吹砂時間:6min?8min。三元振動工藝要求為:a.磨料，三種規(guī)格的棕剛玉磨料混合，其中斜圓柱(C>4mmX8mm):斜三角(5mmX5mm):圓球磨料(S Φ 6mm) = l:l:4；b.激振頻率，48Hz ； c.加工時間:24h。磨料流工藝要求為:a.粗磨，采用中等硬度磨料，磨粒目數(shù)100目，磨削壓力4.5MPa，加工時間60min ； b.精磨，采用軟性磨料，磨粒目數(shù)400目，磨削壓力410^，加工時間45111；[11。所述熱處理制度為:預(yù)處理(11300C保溫3h，空冷)+固溶(1040 °C?1110 °C保溫2h，空冷)+冷處理(-70 V保溫2h，在空氣中恢復(fù)至室溫)+時效(250 °C?350 °C保溫3h，空冷)。
[0046]如圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施例包括以下步驟:
[0047](I)按三元流理論設(shè)計的三元流閉式葉輪如圖1所示，其直徑為130mm，高度為25mm0
[0048](2)選擇的葉輪的成形方向如圖2所示;選用這個方向成形時，所需添加的支撐如圖2所示，包括葉片間的網(wǎng)格支撐，和蓋板下部的實(shí)體支撐。
[0049](3)將添加好支撐的模型按照0.04mm層厚分層切片，并將切片文件保存。
[0050](4)將切片文件輸入設(shè)備，按照葉輪使用的不銹鋼材料選擇相應(yīng)的參數(shù)包，其中葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù):激光功率為300?320W，掃描速度為800?1000mm/S，掃描間距0.08?0.12mm，相位角67°/105°;網(wǎng)格支撐激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù):激光功率250?280W，掃描速度2200?2600mm/s，網(wǎng)格間距0.6mm，掃描間距0.08?0.12mm，相位角67°/105° ;實(shí)體支撐與葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)相同。調(diào)整零件在成形基板上位置，保存加工文件。
[0051](5)關(guān)閉激光選區(qū)熔化成形設(shè)備成形艙門，向設(shè)備內(nèi)部通入氬氣，待成形艙內(nèi)氧含量低于0.1%時，開始激光選區(qū)熔化成形，成形過程中應(yīng)保持氬氣供給，保證成形艙內(nèi)氧含量低于0.1%。
[0052](6)激光選區(qū)熔化成形完成后，待零件冷卻4小時以上后方可開啟艙門取出零件；零件取出后，清除零件內(nèi)部粉末，線切割去除成基板。
[0053](7)三元流閉式葉輪從基板線切割取下后，采用鉗子等工具夾持網(wǎng)格支撐，加力使其剝離，后采用電磨等工具打磨網(wǎng)格支撐與葉輪相交面，采用車加工去除葉輪外部實(shí)體支撐。
[0054](8)支撐去除后，根據(jù)三元流閉式葉輪技術(shù)要求，對葉輪分別進(jìn)行噴砂、三元振動和磨料流表面處理，按預(yù)處理(I 130 °C保溫3h，空冷)+固溶(1040 °C?1110 °C保溫2h，空冷)+冷處理(_70°C保溫2h，在空氣中恢復(fù)至室溫)+時效(250°C?350°C保溫3h，空冷)進(jìn)行熱處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于包括下述步驟: (1)建立葉輪三維模型，對葉輪三維模型進(jìn)行切片處理； (2)將葉輪三維模型的中軸線與水平方向呈45°角放置，在葉輪三維模型中與水平方向夾角小于40°的葉片部位下端添加網(wǎng)格工藝支撐模型，網(wǎng)格工藝支撐模型由葉片下端連接到水平放置的蓋板上表面;蓋板下表面與基板之間添加實(shí)體支撐； (3)根據(jù)S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼材料特點(diǎn)設(shè)定激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)； (4)按照步驟(3)設(shè)定的工藝參數(shù)，在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行激光選區(qū)熔化成形； (5)激光選區(qū)熔化成形完成后清理浮粉，線切割去除基板； (6)去除網(wǎng)格工藝支撐； (7)對葉輪進(jìn)行表面處理和熱處理，所述表面處理包括噴砂、三元振動和磨料流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(I)中，使用建模軟件Pro/engineer或UG建立葉輪三維模型，并導(dǎo)出STL格式三維模型，不設(shè)置收縮，切片厚度為30?40μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(3)中，葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)包括:激光功率為300?320W，掃描速度為800?1000mm/s，掃描間距為0.08?0.12mm，相位角為67° /105° ；網(wǎng)格工藝支撐激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)包括:激光功率為250?280W，掃描速度為2200?2600mm/s，網(wǎng)格間距為0.6mm，掃描間距為0.08?0.12mm，相位角為67° /105° ;實(shí)體支撐與葉輪激光選區(qū)熔化成形加工工藝參數(shù)相同；其中，S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼粉末的粒度分布為Diq為15?25ym，D5Q為25?35ym，D9Q為55?65μπι，粉末的松裝密度為4?4.5g/cm，50g粉的流動性彡30s ο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(4)中，所述惰性氣體為氬氣，成形過程中氣氛氧含量小于1000PPM。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(5)中所述線切割采用高速往復(fù)走絲電火花線切割，脈沖寬度設(shè)定為28?48ys，脈沖間隔為112?170ys，波形為矩形脈沖。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(6)中所述去除網(wǎng)格工藝支撐時保證型面光順。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(7)中，噴砂用于對葉輪的整體初步光整，三元振動用于葉輪外型面的精光整，磨料流用于葉片型面的拋光光整；噴砂工藝要求包括:材質(zhì)為剛玉砂，粒度為40目?60目，吹砂時間為6min?8min;三元振動工藝要求包括:磨料采用三種規(guī)格的棕剛玉磨料混合，其中斜圓柱規(guī)格為Φ 4mm X 8mm，斜三角規(guī)格為5mm X 5mm，圓球磨料規(guī)格為S Φ 6mm，斜圓柱:斜三角:圓球磨料的質(zhì)量比為1:1:4;激振頻率為48Hz，加工時間為24h;磨料流工藝要求包括:采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目數(shù)100目，磨削壓力4.5MPa，加工時間60min ；采用軟性磨料精磨，磨粒目數(shù)400目，磨削壓力4MPa，加工時間45min。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S-04/S-08高強(qiáng)不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造方法，其特征在于:所述步驟(7)中，熱處理工藝包括:在1130°C保溫3h作為預(yù)處理，然后空冷;在1040°C?IllOtC保溫2h進(jìn)行固溶，然后空冷;在-70°c保溫2h進(jìn)行冷處理，然后在空氣中恢復(fù)至室溫，在250°C?350°C保溫3h進(jìn)行時效，然后空冷。
【文檔編號】B22F3/105GK106077643SQ201610594286
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610594286.X, CN 106077643 A, CN 106077643A, CN 201610594286, CN-A-106077643, CN106077643 A, CN106077643A, CN201610594286, CN201610594286.X
【發(fā)明人】李護(hù)林, 楊歡慶, 陳新紅, 王琳, 彭東劍
【申請人】西安航天發(fā)動機(jī)廠