提高空心葉片鑄型精度的光固化原型內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

吉 喆，魯中良，周江平，苗 愷，李滌塵

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/快速制造國(guó)家工程研究中心/高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

提高空心葉片鑄型精度的光固化原型內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

吉 喆，魯中良，周江平，苗 愷，李滌塵

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/快速制造國(guó)家工程研究中心/高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

在空心渦輪葉片型芯型殼一體化陶瓷鑄型制備過(guò)程中，對(duì)光固化葉片原型進(jìn)行整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可顯著降低原型燒失過(guò)程中鑄型的熱應(yīng)力，避免型殼開裂。但在大尺寸葉片鑄型的凝膠注模成形過(guò)程中，葉片原型榫根部位因剛度偏低，在陶瓷漿料靜壓力作用下會(huì)變形，導(dǎo)致鑄型精度較差。為此，提出了一種原型分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并基于葉片原型靜壓力結(jié)構(gòu)剛度-鑄型熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模擬，確定了葉身和榫根部位分別采用0.7 mm和0.9 mm的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸。采用工業(yè)CT及逆向精度分析比較了分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前后鑄型的精度變化，結(jié)果表明：分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法降低了凝膠注模過(guò)程中原型榫根部分的靜壓力變形，有效改善了鑄型的整體精度，避免了脫脂過(guò)程中鑄型開裂，可制備出精度高、結(jié)構(gòu)完整的大尺寸葉片陶瓷鑄型。

光固化成形；內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；葉片陶瓷鑄型；渦輪葉片

空心渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一。目前，制造葉片主要采用熔模鑄造方法，其中，型芯、型殼分別制造并裝配，但易產(chǎn)生裝配誤差，影響葉片精度。基于光固化成形技術(shù)的型芯型殼一體化制造為克服上述裝配誤差提供了一種有效方法。其主要工藝流程為［1］：葉片樹脂模具光固化成形；凝膠注模技術(shù)制備整體式陶瓷鑄型坯體；冷凍干燥，脫脂燒結(jié)；澆鑄金屬液；型殼型芯脫除。其中，樹脂模具制造是重要工藝環(huán)節(jié)之一。

由于樹脂的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于鑄型，在脫脂過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致鑄型內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引起型殼開裂。目前主要通過(guò)對(duì)光固化葉片原型進(jìn)行整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減小脫脂過(guò)程中樹脂原型對(duì)鑄型的熱應(yīng)力［2-4］。課題組在前期研究中，確定了對(duì)原型進(jìn)行整體式0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案（圖1），有效避免了型殼開裂，并已成功應(yīng)用于小尺寸航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的快速制造。但對(duì)于大尺寸燃?xì)廨啓C(jī)葉片而言，在陶瓷漿料凝膠注模過(guò)程中，鑄型在漿料靜壓力作用下，葉片原型榫根部位存在顯著變形（圖2），降低了鑄型的整體精度。為此，本文提出了一種分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并基于葉片原型靜壓力結(jié)構(gòu)剛度-鑄型熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元，模擬分析了原型在凝膠注模過(guò)程中的變形規(guī)律及鑄型在脫脂過(guò)程中的熱應(yīng)力規(guī)律，確定葉身和榫根部位分別采用0.7 mm和0.9 mm的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸。最后，按該方案制備原型和鑄型，并通過(guò)工業(yè)CT及逆向精度分析研究該方法對(duì)鑄型精度的改善效果。

圖1 整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 鑄型凝膠注模固化后的變形

1 葉片原型靜壓力結(jié)構(gòu)剛度-鑄型熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元研究

1.1 靜壓力結(jié)構(gòu)剛度

1.1.1 葉片原型表面靜壓力分布

對(duì)于大尺寸葉片，在凝膠注模過(guò)程中，由于重力作用，葉片原型表面沿深度方向存在較大的靜壓力梯度。以固相含量為60 vol%的陶瓷漿料為例（漿料密度為2.3×103kg/m3），由圖3可知，葉片原型表面壓力存在較大的梯度分布，葉身部分壓強(qiáng)最小僅約1204 Pa，榫根部分壓強(qiáng)最大約5284 Pa。因此，當(dāng)采用整體式0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，榫根部分存在產(chǎn)生較大變形的可能。

圖3 葉片原型表面靜壓力分布

1.1.2 葉身部分靜壓力結(jié)構(gòu)剛度

由于葉身部分所受漿料靜壓力較小，故對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求不高，選用前期整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行靜壓力剛度模擬。以原型澆道上的澆口為基準(zhǔn)，向下67 mm截取葉身中部一型面作為有限元分析模型，并按表1所示為其賦予材料屬性。利用ANSYS有限元分析軟件研究凝膠注模過(guò)程中該位置截面在漿料壓力下的變形情況。由圖4可知，該截面受漿料壓力為1500 Pa，在壓力作用下原型發(fā)生了微小變形，最大變形量為0.02 mm，且發(fā)生在靠近葉片的尾緣處。因此，葉身部分采用0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其剛度可抵抗陶瓷漿料靜壓力，滿足葉身對(duì)精度的要求。

表1 樹脂及陶瓷材料參數(shù)

1.1.3 榫根部分靜壓力結(jié)構(gòu)剛度

由于榫根部分所受陶瓷漿料壓力較大，采用0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，榫根部分變形較大，故需適當(dāng)增大榫根部分的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸。以葉片樹脂原型澆道上的澆口為基準(zhǔn)，向下200 mm截取葉片榫根截面作為有限元分析模型。榫根部分的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別采用0.7、0.8、0.9 mm 3種內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸，利用上述葉身靜壓力結(jié)構(gòu)剛度分析方法分析3種尺寸的榫根截面在漿料壓力下的變形情況。由圖5所示結(jié)果可知，該位置的漿料壓力為4500 Pa，當(dāng)榫根內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為0.7 mm時(shí)，原型產(chǎn)生的最大變形量約3.28 mm，且發(fā)生在榫根兩側(cè)中部的位置；隨著內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸的增大，榫根最大變形量減小，但發(fā)生位置基本相同；當(dāng)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸增大到0.9 mm時(shí)，最大變形量?jī)H為0.536 mm，精度提高較大。

圖4 葉身截面靜壓力下的變形圖

圖5 榫根截面靜壓力下的變形圖

1.2 熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1.2.1 葉身部分熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

對(duì)采用0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的葉身部分進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，材料參數(shù)見(jiàn)表1。用ANSYS有限元分析軟件研究脫脂過(guò)程中葉片原型對(duì)陶瓷鑄型的熱應(yīng)力，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。可知，鑄型熱應(yīng)力沿葉身型面法線方向存在梯度分布，在葉片尾緣處存在應(yīng)力集中，最大熱應(yīng)力約1.035 MPa，小于此時(shí)陶瓷鑄型的強(qiáng)度（2 MPa），可保證陶瓷鑄型葉身部分不發(fā)生開裂。

圖6 鑄型葉身部分脫脂熱應(yīng)力分布

1.2.2 榫根部分熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

用同樣方法分別對(duì)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為0.7、0.8、0.9 mm的榫根部分進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。3種不同內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸的原型對(duì)陶瓷鑄型產(chǎn)生的熱應(yīng)力沿型面均勻分布，且最大熱應(yīng)力均發(fā)生在型殼尖角處。

圖7 鑄型榫根部分脫脂熱應(yīng)力分布

圖8是3種鑄型的最大熱應(yīng)力對(duì)比?？煽闯觯?dāng)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為0.7 mm時(shí)，陶瓷鑄型的最大熱應(yīng)力為0.85 MPa；隨著內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸的增大，陶瓷鑄型熱應(yīng)力增大；當(dāng)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為0.9 mm時(shí)，鑄型最大熱應(yīng)力增大為1.14 MPa，但仍小于該溫度段的鑄型強(qiáng)度（≥2 MPa），因此不會(huì)造成陶瓷鑄型榫根部分開裂。

圖8 3種鑄型的最大熱應(yīng)力對(duì)比

綜合上述葉片原型靜壓力結(jié)構(gòu)剛度-鑄型熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析結(jié)果，確定了葉身部分采用0.7 mm、榫根部分采用0.9 mm的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法有效降低了原型榫根部分凝膠注模過(guò)程中的變形，且能保證樹脂燒失過(guò)程中鑄型不開裂。

2 分區(qū)域葉片原型制備及鑄型精度分析

2.1 葉片原型制備

分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的葉片原型制備方法如下：在Unigraphics NX軟件中將葉片CAD模型拆分為葉身、榫根兩部分，并轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magics軟件中；分別對(duì)葉身、榫根部分進(jìn)行內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸分別為0.7、0.9 mm；在拆分部位兩側(cè)添加流脂孔，便于原型內(nèi)部樹脂的排出；在Magics軟件中對(duì)葉身、榫根部分進(jìn)行布爾求和，得到分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的葉片原型STL數(shù)據(jù) （圖

9）；添加支撐并導(dǎo)入光固化成形機(jī)SPS 600，即可成功制備分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的葉片樹脂原型。

圖9 葉片原型分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 精度分析

運(yùn)用工業(yè)CT和逆向精度分析軟件分別對(duì)采用整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝制作的葉片陶瓷鑄型進(jìn)行精度分析。具體方法如下：選取葉片陶瓷鑄型作為分析對(duì)象，用微米X射線三維成像系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行掃描，得到葉片陶瓷鑄型的STL文件，掃描電壓為160 kV，分辨率為1.5 μm；將STL文件導(dǎo)入Visual Graph軟件并完成葉片陶瓷鑄型點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)；將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與葉片陶瓷鑄型的CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic qualify軟件，完成精確配準(zhǔn)后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維及二維誤差分析［5-6］。

對(duì)采用整體式0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝制備的陶瓷鑄型，其精度分析結(jié)果見(jiàn)圖10。測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)總量為 344 376，偏差大于零的數(shù)據(jù)點(diǎn)比例為65.697%。由誤差分布云圖可知，葉片陶瓷鑄型以緣板為界的上下兩部分誤差分布極不均勻，葉身部分精度保持較好，而葉片榫根部分存在較大變形，最大變形發(fā)生在榫根兩側(cè)中心處，偏差大小約-5 mm，嚴(yán)重影響了葉片陶瓷鑄型的精度。

圖10 基于整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的鑄型整體精度分布云圖

選取葉片陶瓷鑄型的葉身截面進(jìn)行二維誤差分析，結(jié)果見(jiàn)圖11。葉身截面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)總量為986，偏差大于零的數(shù)據(jù)點(diǎn)比例占66.227%，正/負(fù)平均偏差為0.195/-0.186 mm，且鑄型葉身截面相對(duì)于CAD葉身截面，在X、Y軸方向分別平移了0.131、0.137 mm，扭曲旋轉(zhuǎn)了0.575°。鑄型葉身部分的尺寸誤差及形狀誤差均較小，精度保持良好。精度分析結(jié)果與模擬結(jié)果近似，說(shuō)明葉身部分采用0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足凝膠注模靜壓力的要求。

圖11 基于整體式內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的鑄型葉身截面精度分析

對(duì)采用分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝制備的鑄型進(jìn)行同樣的精度分析，結(jié)果見(jiàn)圖12。葉身型面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)總量為344 376，偏差大于零的數(shù)據(jù)點(diǎn)比例為62.931%，正/負(fù)平均偏差為0.228/-0.487 mm。由誤差分布云圖可知，葉片陶瓷鑄型整體變形較小且最大變形發(fā)生在葉片原型底部榫根兩側(cè)中心處，偏差大小約-0.6 mm，與有限元模擬結(jié)果相符。與整體式0.7 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較，鑄型偏差降低88%。因此，榫根部分采用0.9 mm內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著降低了凝膠注模過(guò)程中鑄型的靜壓變形。

圖12 基于分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的鑄型整體精度分布云圖

3 結(jié)論

本文提出了對(duì)光固化葉片原型進(jìn)行分區(qū)域內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，得到最佳的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸為葉身0.7 mm、榫根0.9 mm，不僅降低了凝膠注模過(guò)程中原型榫根部位的靜壓力變形，還使鑄型榫根部分的精度由5 mm降至0.6 mm。榫根內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸增至0.9 mm后，鑄型脫脂過(guò)程中的熱應(yīng)力小于鑄型強(qiáng)度，不會(huì)導(dǎo)致鑄型開裂。本研究為改善大尺寸葉片陶瓷鑄型的制造精度提供了一種新的技術(shù)方法。

［1］ 吳海華.空心渦輪葉片型芯/型殼一體化陶瓷鑄型快速制造技術(shù)研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2009.

［2］ Norouzi Y，Rahmati S，Hojjat Y.A novel lattice structure for SL investment casting patterns［J］.Rapid Prototyping Journal，2009，15（4）：255-263.

［3］ Yao W L，Leu M C.Analysis and design of internal web structure of laser stereo lithography patterns for investment casting［J］.Materials and Design，2000，21（2）：101-109.

［4］ Yao W L，Leu M C.Analysis of shell cracking in investment casting with laser stereolithography patterns［J］.Rapid Prototyping Journal，1999，5（1）：12-20.

［5］ 陳細(xì)濤.航空葉片原位檢測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)研究 ［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［6］ 張巧鳳.空心渦輪葉片整體式陶瓷鑄型快速鑄造精度研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2012.

The Method of Stereo Lithography Prototype Inner Cavity Structure Design for Increasing Hollow Blade Mold Accuracy

Ji Zhe，Lu Zhongliang，Zhou Jiangping，Miao Kai，Li Dichen
（State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Rapid Manufacturing National Engineering Research Center，The High-end Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

Stereo lithography （SL）prototype was used during the fabrication of integral ceramic mold for hollow turbine blade.The ceramic shell generally cracked due to the mismatch of the thermal expansions between the SL prototype and the shell as the prototype was burnt out.To solve the problem，the SL prototype was usually designed to thin-walled hollow parts with one size.However，the root of the SL prototype would deform due to the static pressure during the gel-casting process for fabricating large ceramic mold，resulting in a poor accuracy of the ceramic mold.A method of designing the SL prototype to thin-walled hollow parts with two different sizes was proposed.The sizes of blade rows and roots were 0.7 mm and 0.9 mm respectively by finite element analysis of the structural stiffness of prototype blade and the thermal structural strength of mold.CT and reverse precision analysis showed that the optimized design can decrease the deformation of the prototype root.The large size ceramic mold of hollow blade with high accuracy and complete structure was fabricated at last.

stereo lithography；inner cavity structure design；blade ceramic mold；turbine blade

TG669

A

1009－279X（2015）06－0036-05

2015-08-02

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2012ZX04007021）

吉喆，男，1989年生，碩士研究生。