增材制造在燃油調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用分析

隨著技術(shù)的發(fā)展，增材制造（3D打印）在燃油調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用條件日漸成熟，不僅會(huì)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式帶來(lái)變革，也會(huì)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生重大影響。

傳統(tǒng)制造方式為“減材制造”，即基于毛坯通過(guò)銑削等物理加工方式，去除多余部分得到目標(biāo)零件。而相對(duì)的增材制造（3D打?。┘夹g(shù)以三維建模輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用高能量的束源或者其他方式提供能量，將液體、粉末、絲、片等材料逐層堆積黏結(jié)，通過(guò)疊加的方式直接構(gòu)成三維實(shí)體[1]。

自面世以來(lái)，增材制造技術(shù)引起了廣泛的重視，各國(guó)相繼對(duì)該技術(shù)的研究與發(fā)展予以了大力的扶持。2018年11月26日，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)（2018）》（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局令第23號(hào)），大量的關(guān)于增材制造的內(nèi)容（包括增材制造裝備、金屬增材制造專(zhuān)用材料、醫(yī)療增材制造專(zhuān)用材料、增材制造設(shè)計(jì)等）入選其中，以文件形式指明了增材制造未來(lái)發(fā)展方向。

燃油調(diào)節(jié)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)重要組成部分。長(zhǎng)期以來(lái)，由于其“小批量，多品種”的特點(diǎn)，使得燃油調(diào)節(jié)器單件生產(chǎn)成本高且周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)、研制工作的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用增材制造或可為燃油調(diào)節(jié)器研制工作打開(kāi)全新的局面。

燃油調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)特點(diǎn)

燃油調(diào)節(jié)器的主要功能是根據(jù)電子控制器（ECU）指令為燃燒室輸運(yùn)燃油，少數(shù)還具備為導(dǎo)葉作動(dòng)筒（IGV）供油的功能。燃油調(diào)節(jié)器主要組成部分包含殼體、電氣成附件（如電液伺服閥、電磁閥）、泵頭（如離心泵、齒輪泵或組合泵）、閥門(mén)組件（如壓差閥、計(jì)量閥）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如杠桿、凸輪）等，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

燃油調(diào)節(jié)器生產(chǎn)制造具備顯著的“小批量、多品種”特點(diǎn)。隨著產(chǎn)品技術(shù)要求的演進(jìn)，往往一個(gè)型號(hào)研制迭代過(guò)程中會(huì)衍生出更多改進(jìn)型號(hào)，這也是基于成本和研制進(jìn)度控制的考慮，但帶來(lái)的問(wèn)題是單個(gè)型號(hào)批量小、制造成本較高且周期長(zhǎng)，無(wú)法發(fā)揮批量制造優(yōu)勢(shì)。

一架起飛質(zhì)量達(dá)65t的波音737飛機(jī)，每減輕450g（約1lb ），每年可節(jié)省數(shù)十萬(wàn)美元燃油成本，因此航空零部件輕量化設(shè)計(jì)十分必要[3]。基于“輕量化、長(zhǎng)壽命”目標(biāo)，燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)過(guò)程不僅需要考慮功能可靠性，還需要盡可能地減輕質(zhì)量。減輕質(zhì)量的首要目標(biāo)通常是燃油調(diào)節(jié)器的殼體，因?yàn)闅んw質(zhì)量往往占到總質(zhì)量的一半或更高，且其加工難度是最大的、周期也是最長(zhǎng)的。燃油調(diào)節(jié)器殼體屬于復(fù)雜薄壁高壓鋁合金殼體，具有孔系特征多、內(nèi)部油路縱橫交錯(cuò)、鑄造表面形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。大量的減輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了零件的材料去除率（約80%），極大地增加了殼體變形和強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)；產(chǎn)品高度集成化的要求，使得部件結(jié)構(gòu)更加緊湊，殼體空間結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部油路孔分布上變得更加復(fù)雜，殼體孔壁厚度最小達(dá)到2.5mm。同時(shí)，為保證殼體零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，需要嚴(yán)格控制孔壁厚度，要求殼體外形、內(nèi)腔、油路孔、結(jié)構(gòu)孔等結(jié)構(gòu)特征的空間位置和尺寸精度更高。

當(dāng)前，燃油調(diào)節(jié)器的制造面臨多方面的困難。首先，在原材料采購(gòu)的環(huán)節(jié)就受到制約，例如，某牌號(hào)鋼材原料僅需要200kg，但鋼廠的材料需要數(shù)噸才能起訂，不得不采用代料方式解決。其次，為保證產(chǎn)品進(jìn)度，生產(chǎn)中往往采用“鑄造改機(jī)加”的方式，對(duì)原材料的利用率不高且加工周期長(zhǎng)，部分零件原材料利用率甚至不到十分之一，成本控制十分困難，例如，圖1所示零件是用棒料毛坯加工得到成品，需要切削掉80%以上，“浪費(fèi)”嚴(yán)重。最后，即使根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到了最優(yōu)設(shè)計(jì)，但難以通過(guò)機(jī)加方式實(shí)現(xiàn)，例如，有些殼體為了減輕質(zhì)量，會(huì)有內(nèi)部空腔設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)只能通過(guò)鑄造手段實(shí)現(xiàn)，但鑄造毛坯制備周期長(zhǎng)，為了趕進(jìn)度只能通過(guò)修改設(shè)計(jì)采用機(jī)加方式，相對(duì)“落后”的加工方式限制了優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的加工方式制造周期也越來(lái)越難跟上設(shè)計(jì)迭代的速度。

圖1 燃油調(diào)節(jié)器零件的三維示意圖

增材制造技術(shù)可行性分析

雖然增材制造技術(shù)距大范圍推廣條件不夠成熟，但用燃油調(diào)節(jié)器進(jìn)行試點(diǎn)還是可行的，因?yàn)槿加驼{(diào)節(jié)器自身特點(diǎn)規(guī)避了部分限制條件，使開(kāi)展應(yīng)用的必要條件逐漸成熟。

成本考慮

燃油調(diào)節(jié)器總質(zhì)量一般在幾千克至數(shù)十千克范圍內(nèi)，如果僅考慮殼體應(yīng)用增材制造技術(shù)，其質(zhì)量會(huì)相對(duì)更輕，這樣可以很好地規(guī)避增材制造成本高、打印設(shè)備不足的缺點(diǎn)[6]。事實(shí)上，圖2所示的零件如果采用增材制造技術(shù)，經(jīng)估算，即使增材制造原料價(jià)格比毛坯高，但由于材料利用率高，后期補(bǔ)充加工花費(fèi)少，所以兩者的綜合成本相差無(wú)幾，再考慮加工周期可縮短至原來(lái)的1/5，增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。

圖2 增材制造（右）與傳統(tǒng)加工工藝（左）生產(chǎn)的殼體

標(biāo)準(zhǔn)趨于完善

目前雖然缺乏增材制造技術(shù)通用性質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，但這種情況在逐漸得到改變。近期，國(guó)際汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）增材制造航空航天材料規(guī)格委員會(huì)（AMSAM）發(fā)布了第一套航空材料規(guī)格和工藝規(guī)范（AMS7000～7003），涵蓋：激光-粉末床融合（L-PBF）生產(chǎn)鎳合金部件的耐腐蝕耐熱性能、應(yīng)力消除、熱等靜壓和固溶退火規(guī)范；增材制造粉末（62Ni-21.5Cr-9.0Mo-3.65Nb）耐腐蝕耐熱性能標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)用于增材制造航空航天零件的金屬粉末原料工藝規(guī)范；激光-粉末床融合工藝規(guī)范。這表明，增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將逐漸完善，將逐步掃清缺乏應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的障礙。

材料范圍擴(kuò)大

早期只能對(duì)少數(shù)合金開(kāi)展可靠的增材制造，其中并不包括燃油調(diào)節(jié)器常用的鋁合金材料，這是因?yàn)閷?duì)大部分增材制造金屬粉末而言，成形過(guò)程中由于溫度梯度的存在，粉末從熔池底部邊界以柱狀晶方式生長(zhǎng)，凝固末期枝晶間液相因凝固收縮和熱收縮而產(chǎn)生空洞和熱裂紋，最終形成存在裂紋的柱狀晶微觀組織。但美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰·馬丁（John H.Martin）團(tuán)隊(duì)近日在Nature雜志上發(fā)表論文稱，通過(guò)在粉末表面添加納米細(xì)化劑，采用激光熔化（SLM）方法，可實(shí)現(xiàn)耐高熱裂敏感性的高強(qiáng)度鋁合金（Al7075和Al6061）的增材制造，獲得的合金材料試件內(nèi)部無(wú)裂紋缺陷，強(qiáng)度與鍛造材料相當(dāng)。該技術(shù)表明燃油調(diào)節(jié)器殼體增材制造將成為可能。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)更加完備

目前航空航天領(lǐng)域增材制造材料數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)出現(xiàn)，例如，GRANTA MI數(shù)據(jù)庫(kù)中的Senvol Database就是增材制造材料和打印機(jī)械的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含了歐洲航空航天結(jié)構(gòu)用金屬材料強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及材料疲勞曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線、蠕變曲線、強(qiáng)度-溫度和曝光時(shí)間曲線，為開(kāi)展相關(guān)增材制造仿真提供了前提條件。

有待解決的問(wèn)題

加工成功率問(wèn)題

在增材制造過(guò)程中因支撐斷裂、零件翹曲等造成生產(chǎn)中斷，抑或是經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間打印后發(fā)現(xiàn)零件其實(shí)早就已開(kāi)裂失效的現(xiàn)象也屢見(jiàn)不鮮（如圖3所示）。其根本原因在于，增材制造，尤其是基于金屬粉末的增材制造是一個(gè)快速凝固的過(guò)程，其制造過(guò)程中產(chǎn)生的大量殘余應(yīng)力將致使零件發(fā)生失效、翹曲、開(kāi)裂等問(wèn)題。由于缺乏增材制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，現(xiàn)階段粉末床增材制造仍然沿用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”模式，一次成功實(shí)現(xiàn)零件制造的概率非常低，極大地浪費(fèi)了材料、機(jī)器時(shí)間以及勞動(dòng)力。特別是在制造航空零部件時(shí)，“試錯(cuò)”的增材制造模式更是顯示出其低效率、高成本的局限性。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮通過(guò)對(duì)零部件的增材制造過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，以有效地解決打印過(guò)程中零件存在的失效、翹曲、開(kāi)裂等技術(shù)難題，為增材制造工藝工程師提供了縮短工藝開(kāi)發(fā)時(shí)間，并有助于提高零件質(zhì)量的解決方案。將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于粉末增材制造將帶來(lái)幾項(xiàng)變革：在零件制造前可提供精確的零件變形和殘余應(yīng)力結(jié)果，降低成形風(fēng)險(xiǎn)，提高成功率；可對(duì)構(gòu)造方向（水平、垂直或者其他方向）進(jìn)行測(cè)試，甄別最優(yōu)打印方案；對(duì)不同的支撐方案進(jìn)行“無(wú)成本”檢查，無(wú)須“試錯(cuò)”就能驗(yàn)證支撐方案的可行性；此外，還可以進(jìn)一步處理工藝鏈的問(wèn)題，研究構(gòu)造零件過(guò)程中所采取步驟的順序，極大地縮短研發(fā)周期、提高機(jī)器/人工利用率、減少材料和能源消耗。

圖3 增材制造中的開(kāi)裂問(wèn)題

加工精度問(wèn)題

雖然增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)加方式優(yōu)勢(shì)明顯，但也有不足之處，其中首要問(wèn)題是精度。例如，燃油調(diào)節(jié)器精密配合面的粗糙度最低需達(dá)到Ra0.05或更低，配合間隙需要精確到μm級(jí)別，這是目前增材制造技術(shù)無(wú)法達(dá)到的，需要用傳統(tǒng)機(jī)加方式補(bǔ)充加工。未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)加方式將產(chǎn)生互補(bǔ)，推進(jìn)制造技術(shù)前進(jìn)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，增材制造在燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用條件日漸成熟。增材制造技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)制造提供了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)給予重視，做好相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備工作。