基于3D打印技术的预研涡轮叶片精铸蜡型快速制造方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnaulicaSinicaFeb．252015VoI．36No．2651．660ISSN1000-6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《罾buaa．edu．cn基于3D打印技术的预研涡轮叶片精铸蜡型快速制造方法鲁中良1’2’，周江平1’2，杨东升1，荆慧1，李涤尘11．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安7100492．先进航空发动机协同创新中心，北京100191摘要：针对航空预研涡轮叶片制造成本高、

2、周期长等问题，提出一种基于光固化成型技术的涡轮叶片快速制造方法。根据涡轮叶片的结构特点设计蜡模模具及其冷却结构，采用光固化成型技术制造模具型壳和内植冷却流道，基于凝胶注模方法将氧化铝等陶瓷粉末填充于模具内腔，实现了涡轮叶片蜡模模具的快速制造；基于ANSYS模拟研究了蜡模模具和蜡模温度场分布；采用三坐标测量分析了涡轮叶片精度。研究结果表明：随形冷却流道明显改善了蜡模温度场的均匀性，缩短了蜡模的冷却时间，提高了蜡模的制造质量，金属涡轮叶片尺寸精度达到cT4～cT5等级，表面粗糙度R。达到4．97肛m，相对于金属模

3、具制造方法，显著缩短了预研涡轮叶片的制造周期，大大降低了制造成本。关键词：光固化成型技术；凝胶注模；冷却流道；涡轮叶片；熔模铸造中图分类号：V232．4；V263．1文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)02一0651—10涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的关键部件，其制造通常采用熔模铸造方法，在预研过程中由于涡轮叶片的结构调整，金属模具需频繁修正，尤其是面对具有复杂曲面和内腔结构涡轮叶片的预研，因而导致涡轮叶片的研制周期长，制造成本高[1’2]。光固化成型技术是当今应用最广泛、制造精度最高的3

4、D打印技术之一，可以制造任意复杂结构模具型腔，采用树脂原型代替金属压蜡模具是模具的快速制造新方法[3‘5]。针对简单结构零件，文献[5]比较分析了光固化模具和机械加工模具的制造成本和制造周期，尽管制造成本相近，但光固化模具的制造周期大大缩短，采用传统机械加工方法难以实现随形冷却流道的制造，面向复杂结构零件(如涡轮叶片)，金属模具的制造成本将大大提高。文献[6]发现在较小注蜡压力条件下光固化模具与金属铝模具使用寿命相近，但是，由于光固化成型技术采用了高分子材料，光固化模具的强度和导热性能较差，直接影响了蜡模的成

5、型质量，最终导致熔模铸造金属零件的质量较差[7]。树脂基复合材料可大幅度提高树脂材料的导热性能和强度，适合于压蜡模具的制造[812

6、。为此，本文提出光固化成型技术和凝胶注模的一体化方法，制造面向涡轮叶片的树脂基复合材料模具，然后采用熔模铸造技术，以实现涡轮叶片的短周期低成本预研。为了提高零件的制造质量，研究了树脂基复合材料模具内植入冷却管道的结构设计以及模具和蜡模温度场的分布规律。收稿日期：2014．03—07；退修日期：2014—04—14；录用日期：2014-04—25；网络出版时间：2014．05·07

7、08：57网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／doi／107527／S1000-6893．20140083．htmI基金项目：国家科技重大专项(2012ZX04007．021)*通讯作者．Tel．：029-82665667E·maiJ：zIIu-1@ma¨．xjlu．edu．cn引甩播武iLuzL．ZhouJP．YangDs．eta1．Rapidfabrlcatjonmethodofpre-researchlurbineb

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11、ogy￡JI．ActaAer∞auticaetAs”onau墩：aslnlca．2015．36(2)：651．660．鲁中蘸．周江平．杨东丹，等．基f3D打印技术的预研涡轮叶片精铸培型快速翻造方法[J]．航空学报．2015，36(2)：651—660航空学报Feb．252015VoI36No．21涡轮叶片的模具设计与快速制造1．1模具设计涡轮叶片及压蜡模具的三维结构如图1所示。零件最大外形尺寸为114mm×92mm×25mm，结构较为复杂，该涡轮叶片包括前缘、尾缘、叶盆、缘板和榫根，其中，叶片的前

12、缘和尾缘曲率完全不同，叶身存在多处变截面。针对涡轮叶片的结构特点，光固化模具的设计主要包括以下步骤：①零件分型。首先根据零件结构特点确定分型面，一般在零件断面最大投影面积的部位，然后在垂直于分型面方向设置拔模斜度。②注蜡孔和定位结构。本文采用立式注蜡机，根据注蜡机特点，将注蜡孑L设在模具的侧面中央位置；根据涡轮叶片结构特点，在上下模之间设计凸台定位结构，当合模时能够确定模具在水平方向的自由度。设计的