增材制造閉式葉輪表面光整技術(shù)研究

戴延豐，彭為康，郭 朦，張曉靜

（ 1. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211106；2. 南京尚吉增材制造研究院有限公司，江蘇南京 210046 ）

葉輪是一種流體機(jī)械結(jié)構(gòu)， 工作時(shí)將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作液的靜壓與動(dòng)壓能， 被廣泛應(yīng)用于離心泵、小型燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器和制冷機(jī)中。 葉輪可根據(jù)葉片形式分為開(kāi)式葉輪、 半開(kāi)式葉輪和閉式葉輪[1]。 其中，閉式葉輪泵因軸向推力小、穩(wěn)定性好和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，被大量用于渦輪機(jī)、機(jī)載能傳系統(tǒng)等高壓環(huán)境。

閉式葉輪流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 傳統(tǒng)的加工方法難以精確成形內(nèi)部葉片，導(dǎo)致閉式葉輪制造難度高、成本高，從而限制了應(yīng)用，而增材制造技術(shù)的發(fā)展為閉式葉輪精密加工提供了新的技術(shù)手段。 與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)將材料逐層堆積的方式制造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)， 具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度高、小批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性好、材料利用率高、生產(chǎn)可預(yù)測(cè)性好、裝配過(guò)程少等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜構(gòu)件制造領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[2-4]。 然而，閉式葉輪增材制造也面臨諸多難點(diǎn)與挑戰(zhàn)：一方面，增材制造存在支撐點(diǎn)及層間堆疊、粘粉等固有缺點(diǎn)，直接成形構(gòu)件表面粗糙度較高，導(dǎo)致增材制造構(gòu)件無(wú)法直接應(yīng)用；另一方面，對(duì)于帶有前后蓋板的閉式葉輪而言，蓋板和葉片相互垂直導(dǎo)致葉輪成形時(shí)懸垂面多，支撐體使用量大。 此外，懸垂面表面起伏較大，加之支撐體的去除帶來(lái)缺陷坑點(diǎn)，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部流道表面粗糙度較大，影響葉輪的性能[5]。

目前，增材制造后處理技術(shù)主要有人工修磨、噴砂和機(jī)械加工等[6-7]，這些技術(shù)均屬于接觸式平滑技術(shù)，對(duì)曲面、格柵、回轉(zhuǎn)體等異形結(jié)構(gòu)的可達(dá)性和可控性都較差，同時(shí)也存在加工步驟多、效率低、成本高、粉塵污染、對(duì)技術(shù)水平依賴強(qiáng)等問(wèn)題，難以有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造產(chǎn)品后處理。 增材制造產(chǎn)品后處理方式還有化學(xué)/電化學(xué)、超聲波拋光、磁研磨拋光、磨粒流等[8-9]。 化學(xué)及電化學(xué)方法雖可進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面加工，但其侵蝕速率過(guò)快且可控性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多組元和多物相的合金構(gòu)件表面精密可控精整加工，且強(qiáng)酸強(qiáng)堿類電解液的使用在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的當(dāng)今難度更高。 超聲波拋光及磁研磨拋光是利用超聲波能量或磁力推動(dòng)磨粒磨針進(jìn)行磨削的拋光技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件拋光，但其作用力小、拋光速率緩慢，單獨(dú)應(yīng)用價(jià)值不高。 磨粒流是一種利用軟性聚合物承載磨粒的高壓磨削技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)孔槽等異形結(jié)構(gòu)的表面去毛刺與光整，但由于其磨削作用力來(lái)自于硬性高壓擠壓，不適用于薄壁件與大變徑流道，且流道窄口徑處易過(guò)拋，也無(wú)法滿足閉式葉輪光整要求。

因此，本文針對(duì)增材制造閉式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于閉式葉輪外表面光整處理的電場(chǎng)與流場(chǎng)協(xié)同表面精整技術(shù)（EFSF）和閉式葉輪復(fù)雜內(nèi)部流道及狹縫面光整處理的流體拋光技術(shù)（LSF），研究了不同拋光技術(shù)對(duì)高溫合金閉式葉輪表面質(zhì)量的影響，為后續(xù)增材制造復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)件表面光整提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 電場(chǎng)與流場(chǎng)協(xié)同表面精整技術(shù)

如圖1 所示，EFSF 技術(shù)是利用特定流體， 通過(guò)流場(chǎng)和電場(chǎng)工藝協(xié)調(diào)控制在產(chǎn)品表面形成高能爆破的運(yùn)動(dòng)粒子團(tuán)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的快速均勻平整化，可實(shí)現(xiàn)曲面、格柵、回轉(zhuǎn)體、薄壁件、孔縫等復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的內(nèi)外一體化高效精密加工，具有效率高、精度高、綠色環(huán)保、人工需求低的特點(diǎn)。

圖1 電場(chǎng)與流場(chǎng)協(xié)同精整技術(shù)原理

1.1.2 流體拋光技術(shù)

如圖2 所示，LSF 技術(shù)通過(guò)特殊流體及其驅(qū)動(dòng)的硬質(zhì)磨粒共同研磨產(chǎn)品表面， 以達(dá)到零件表面的清潔光整， 可實(shí)現(xiàn)難加工復(fù)雜內(nèi)部流道及狹縫表面處理。

圖2 流體拋光技術(shù)原理

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)

EFSF 技術(shù)只有在特定溶液中才能激發(fā)出產(chǎn)品表面的高能粒子團(tuán)從而達(dá)到表面平整化效果， 因而溶液體系是形成加工環(huán)境的關(guān)鍵， 對(duì)拋光效果有至關(guān)重要的影響；同時(shí)，電場(chǎng)是加工的動(dòng)力來(lái)源，其工藝參數(shù)決定能否在產(chǎn)品表面激發(fā)出合適的高能粒子團(tuán)從而實(shí)現(xiàn)有效拋光，EFSF 拋光最佳工藝為： 電壓290～360 V、電流60～120 A、拋光時(shí)間30 min。

LSF 技術(shù)是在磨粒流拋光技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，其中磨料及流體主要提供物理作用力、 活化劑提供化學(xué)作用力， 兩者相互配合相互獲得明顯去除和光亮效果， 并通過(guò)表面活性劑及絡(luò)合劑提高產(chǎn)品加工均勻性。 LSF 拋光最佳工藝為：流量0.2～0.5 L/min、壓力0.3～0.5 MPa、拋光時(shí)間60 min。

測(cè)試樣品為高溫合金閉式葉輪， 分批次經(jīng)人工打磨、噴砂、磨粒流、EFSF 和LSF 技術(shù)進(jìn)行拋光，具體各加工方案見(jiàn)表1。EFSF、LSF 加工設(shè)備及溶液體系均由南京尚吉開(kāi)發(fā)自主研制。

表1 加工方案

1.3 實(shí)驗(yàn)表征

各樣品加工結(jié)束后，用清水沖洗并吹干，用精度0.01 mm 的游標(biāo)卡尺測(cè)試產(chǎn)品加工前后厚度， 用精度0.001 μm 的表面粗糙度儀測(cè)試加工前后表面粗糙度，綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品加工質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 EFSF 法拋光

圖3 是高溫合金閉式葉輪通過(guò)EFSF 處理前后的表面宏觀形貌對(duì)比。 可以看出，未經(jīng)EFSF 處理的葉輪內(nèi)流道表面質(zhì)量較差， 整體表面粗糙度約Ra6.4 μm，其中試驗(yàn)件上壁面密布大坑點(diǎn)，且距離流道出口越遠(yuǎn)位置表面粗糙度越大，葉片位置有明顯打磨印痕與凸凹點(diǎn)，下壁面也存在明顯印痕。 經(jīng)過(guò)30 min 的EFSF 處理后，產(chǎn)品外表面與內(nèi)流道出入口位置表面粗糙度＜Ra1.6 μm， 但葉輪流道內(nèi)部位置改善效果不明顯， 這說(shuō)明EFSF 技術(shù)對(duì)樣品外表面及內(nèi)流道出入口附近位置有效，但對(duì)流道內(nèi)部效果較弱。 造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是EFSF 技術(shù)屬于電場(chǎng)與流場(chǎng)協(xié)同工作機(jī)制，流道內(nèi)部較深位置易產(chǎn)生電場(chǎng)屏蔽，且流場(chǎng)流動(dòng)不暢，反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)排出，阻礙了拋光進(jìn)程。由此可見(jiàn)，EFSF 技術(shù)比較適用于封閉式葉輪中外表面及較淺孔道加工。

圖3 葉輪未處理前與EFSF 處理后外表面和內(nèi)表面流道宏觀形貌

2.2 LSF 法拋光

圖4 是高溫合金閉式葉輪通過(guò)LSF 處理前后的表面宏觀形貌對(duì)比。 可以看出，未處理前葉輪上表面密布深坑點(diǎn)，疑為打印懸垂面及支撐去除造成的缺陷，下表面明顯優(yōu)于上表面，但仍殘留打磨印痕與打印紋路，葉片凹面較光滑、凸面較粗糙，符合磨粒流的作用特性。 經(jīng)LSF 處理后，葉輪入口葉片及圓壁面位置均光滑，表面狀態(tài)較好，上表面密布深坑點(diǎn)狀態(tài)略有改善，而下表面打磨印痕及打印紋路明顯變淺，光滑度提升，整體表面粗糙度＜Ra1.6 μm。由此可見(jiàn)，LSF 技術(shù)對(duì)封閉葉輪內(nèi)流道有明顯平滑化效果。

圖4 葉輪未處理前與LSF 處理后外表面和內(nèi)表面流道宏觀形貌

2.3 不同拋光方法的影響

圖5 分別是1～4 號(hào)葉輪的表面狀態(tài)，分別經(jīng)過(guò)打磨+噴砂、打磨+噴砂+磨粒流、EFSF 拋光30 min、LSF 拋光60 min，其中打磨主要外表面及內(nèi)流道，磨粒流針對(duì)內(nèi)流道。 由圖可見(jiàn)，1 號(hào)樣外表面仍可見(jiàn)部分打印紋路，表面粗糙度約Ra4 μm；內(nèi)流道入口處粗糙度仍較大，約Ra6.4 μm；內(nèi)流道出口上壁面及側(cè)壁面有明顯改善，但仍殘留明顯坑點(diǎn)與打印紋路；內(nèi)流道出口下壁面較平整， 但殘留打磨印痕，約Ra3.2 μm。2 號(hào)葉輪外表面仍可見(jiàn)部分打印紋路，表面粗糙度約Ra4 μm；內(nèi)流道入口表面光滑，表面粗糙度＞Ra1.6 μm，但葉片厚度明顯變薄，葉片后縮；內(nèi)流道出口上壁面及側(cè)壁面仍殘留明顯坑點(diǎn)與打印紋路，表面粗糙度＞Ra3.2 μm；內(nèi)流道出口下壁面亦存在打磨印痕，表面質(zhì)量較差。3 號(hào)葉輪外表面光滑光亮，無(wú)明顯打印紋路，表面粗糙度＜Ra1.6 μm；內(nèi)流道入口圓壁面及螺旋面表面狀態(tài)有明顯改善，約Ra3.2 μm；內(nèi)流道出口上壁面、側(cè)壁面、下壁面與1號(hào)樣相比均較平整，約Ra1.6 μm。 4 號(hào)葉輪外表面基本無(wú)變化，表面粗糙度約Ra4 μm；內(nèi)流道入口圓壁面與螺旋面表面狀態(tài)有所改善， 約Ra3.2 μm；內(nèi)流道出口上壁面、側(cè)壁面、下壁面與1 號(hào)樣相比均略有平整，約Ra2.4 μm。

圖5 不同拋光方法處理后的葉輪表面形貌

2.4 LSF 與EFSF 法協(xié)同拋光

針對(duì)閉式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 綜合利用EFSF 與LSF 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行協(xié)同拋光， 重點(diǎn)改善葉輪內(nèi)流道出口雙層狹縫的內(nèi)表面狀態(tài)。 圖6 是5～7 號(hào)葉輪的表面狀態(tài)，分別經(jīng)過(guò)LSF 拋光20 min+EFSF 拋光25 min、LSF 拋光50 min+EFSF 拋光25 min、LSF 拋光70 min+EFSF 拋光25 min，其中LSF 拋光針對(duì)葉輪內(nèi)流道出口雙層狹縫內(nèi)表面與入口處，EFSF 針對(duì)葉輪整體。

圖6 LSF 與EFSF 法協(xié)同拋光處理后的葉輪表面形貌

未經(jīng)過(guò)處理的葉輪表面較為粗糙， 表面粗糙度約為Ra16 μm。 由圖可見(jiàn)，5 號(hào)葉輪外表面光滑，表面粗糙度＜Ra3.2 μm，但原始打印紋路較深；內(nèi)流道入口圓壁面及螺旋面均較為光滑， 表面粗糙度＜Ra1.6 μm；葉輪雙層狹縫上層內(nèi)表面及側(cè)壁仍有部分較深坑點(diǎn)及打印紋路， 下層內(nèi)表面殘留打磨印痕消除明顯、 表面質(zhì)量明顯改善， 除坑點(diǎn)外表面粗糙度＜Ra1.6 μm。 6 號(hào)葉輪外表面光滑，可見(jiàn)部分打印紋路，表面粗糙度約Ra2.1 μm；入口圓壁面及螺旋面均光滑，表面粗糙度＜Ra1.6 μm；葉輪雙層狹縫上層內(nèi)表面及側(cè)壁仍有部分較深坑點(diǎn)及部分打印紋路，下層內(nèi)表面殘留打磨印痕消除明顯，除坑點(diǎn)外表面粗糙度＜Ra1.6 μm。 7 號(hào)葉輪外表面光滑，無(wú)明顯打印紋路，表面粗糙度＜Ra1.6 μm；入口圓壁面及螺旋面均光滑光亮，表面粗糙度＜Ra1.6 μm；葉輪雙層狹縫上層內(nèi)表面及側(cè)壁部分較深坑點(diǎn)及打印紋路減少，下層內(nèi)表面殘留打磨印痕消除明顯，除坑點(diǎn)外表面粗糙度＜Ra1.6 μm。

3 結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)的人工打磨和噴砂處理，EFSF和LSF 技術(shù)對(duì)增材制造閉式葉輪表面質(zhì)量提升效果明顯，使閉式葉輪表面粗糙度大幅降低，表面光滑光亮。

（2）EFSF 技術(shù)比較適用于封閉式葉輪中外表面及較淺孔道加工，對(duì)閉式葉輪外表面及內(nèi)流道出入口附近的拋光作用效果強(qiáng)，但對(duì)流道內(nèi)部效果較弱，而LSF 技術(shù)對(duì)封閉葉輪內(nèi)流道有明顯平滑化效果。

（3）LSF 技術(shù)為定點(diǎn)拋光，有效作用區(qū)域?yàn)槿~輪出口內(nèi)流道雙層狹縫及入口部分位置， 而EFSF 技術(shù)為整體拋光， 可實(shí)現(xiàn)整個(gè)葉輪表面有效平滑化。綜合利用LSF 及EFSF 技術(shù)， 可協(xié)同改善葉輪表面狀態(tài)，尤其是葉輪內(nèi)流道出口雙層狹縫內(nèi)的表面狀態(tài)。