何春萌 蔡 斌 许 欣 李 婵 周 军

（1.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，株洲 412002）

当代航空发动机涡轮导向叶片的传统制备方法是采用叶身无余量精密铸造工艺制备毛坯，再经局部机械加工最终成型。目前，一般通过六点定位法建立基准精确定位毛坯。叶片毛坯通常采用六点定位，利用定制专用夹具夹紧后进行去料加工。该方法由于夹具设计加工成本较高且工序复杂，加工周期通常需要6～12个月[1]。

3D打印是一种利用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式构造物体的技术[2]。近年来，它在航空发动机机匣、轴承座、叶片以及喷嘴等典型零部件的制造过程中得到了实际应用[3]。3D打印直接成型的涡轮导向器叶片精度达不到成品要求，因此通常通过快速打印出叶片毛坯，再对毛坯进行机加工的方式得到涡轮导向器成品叶片。与传统的叶片精密铸造方法相比，3D打印的成本较低，毛坯制备周期短，毛坯成型精度可达到与精密铸造相当的水平。目前，3D打印的涡轮零部件多用于预先研究的部件试验[4]。部件试验有节约成本、快速调整和验证的需求，因此小批量成型、花费较低且制造速度较快的3D打印涡轮零部件在涡轮部件性能试验方面有着实际需求和良好的应用前景[5]。

本文以某试验件3D打印的多联导向叶片毛坯为研究对象，分析该3D打印多联导向叶片毛坯的结构特征，提出了一种基于叶型和流道加工出定位基准面，再结合整环去料加工成形的加工工艺，设计了相应的夹具和工装，在实际加工过程中得到了应用。

1 3D打印涡轮导向器叶片的结构特征

1.1 结构形式

某涡轮性能试验件导向叶片为四联结构，均通过径向止口进行定心定位，通过螺栓压紧端面实现固定，结构形式如图1所示。

图1 导叶结构

装配示意图如图2所示。7片导叶通过径向定位面定心，通过螺栓压紧安装在机匣上。它的径向定位面的尺寸公差、配合度以及压紧端面的表面质量，决定多联导向叶片安装时的装配质量。

图2 导叶装配

3D打印导向叶片毛坯以导叶三维数字理论模型为参考，直接通过激光选区熔化成型技术成型叶型和流道面。导叶毛坯的上缘板和下缘板表面上留有去料余量，需在成品前的机加工时去除。

1.2 尺寸和表面精度

对导叶毛坯进行三维扫描，如图3所示。根据三维扫描结果可得到以下结论。第一，缘板端面和径向圆弧面的表面质量相对较低。计量结果显示，7件导向叶片毛坯的缘板端面和导向叶片径向定位圆弧面与模型相差较大，偏差中间值为0.2～0.3 mm，偏差最大值可接近0.5 mm。第二，叶型型面特征打印精度相对较高。计量结果显示，尾缘处的叶型轮廓偏差在±0.05 mm，满足航标《叶片叶型的标注、公差与叶身表面粗糙度》（HB 5647—1998）中的叶片叶型公差要求。前缘处的叶型轮廓偏差较大，平均偏差在0.2 mm左右，误差最大值可接近0.5 mm。第三，7件导向叶片毛坯与理论模型的偏差在不同叶片毛坯之间和同一叶片的不同区域之间均存在较大差异，且分布没有规律，叶片的相互差异性较明显。

采用3D打印方法制备叶片主要在于可降低成本、缩短周期，因此毛坯去料加工不宜采用成本高、周期长的六点定位法，同时有必要研究适用3D打印导向叶片毛坯的快速机加工方法。

2 3D打印多联导向叶片的机加工工艺

2.1 端面基准的确定

通过其他精度较好的特征间接加工一个基准端面是可行的。考虑叶型尾缘处的叶型轮廓偏差在0.05 mm以内，可将叶型尾缘的特征作为参考，通过基准转换将其结构信息转换到缘板端面，从而得到能较好反映叶片轴向位置关系的端面基准。基于这一思想设计了一种半月形等高垫块，安装结构如图5所示。

螺杆一端通过螺纹安装在标准方块方块上，另一端通过压紧螺母和压板压紧导叶毛坯，使得等高挡块一侧与导向叶片毛坯的叶型尾缘保持压紧接触。为了避免导叶叶型尾缘出现压痕，压紧螺母需要控制拧紧力矩。只要带紧螺杆，保证导叶毛坯不松动即可。

图3 导向叶片三维扫描结果

图5 半月形挡块安装

安装完成后，需要选择合适的去料方式加工端面基准。导叶毛坯仅通过单侧压板保持小压力接触压紧，故不能使用机械力去料，如车、铣等。此时，可选择电火花线切割的方式，利用电腐蚀蚀除多余的金属。以标准方块为基准，加工上缘板端面（图6中端面C）。已知垫块厚度L1和设计值L3，可得到加工尺寸L2的到位尺寸及其公差范围。L2加工到位后，端面基准C可较好地反映叶型与缘板端面的端面位置关系，用于指导叶毛坯的后续端面加工。

图6 端面基准加工

2.2 径向基准的确定

设计了一种圆盘式结构固定工装，周向均布螺栓孔和精密销钉孔。将多件毛坯拼成整环，通过螺栓初步固定在工装上。通过调整垫的高度，使毛坯下缘板处端面与调整垫保持压紧接触或者小间隙配合，以提供辅助支撑。通过导叶毛坯流道面和两个精密台阶销钉调整毛坯径向位置。台阶销有正装和反装两种安装方式，如图7所示。

图7 径向基准调整

径向基准调整过程如下。

（1）在机床上径向找正圆盘工装A基准后，当毛坯流道面距圆盘中心孔的距离ФD和圆周跳动符合设计要求时，销钉正装用于径向限位；反之，销钉反装，利用台阶销直径尺寸差留出调整空间。

（2）销钉反装时，销钉与上缘板之间可留出一定间隙，通过插入塞尺微调导叶毛坯的径向位置，直至叶片毛坯流道面的流道尺寸ФD和圆周跳动均满足要求后，将螺栓拧紧，固定叶片毛坯位置。

（3）该型叶片周向共有7片，对7片叶片毛坯均进行调整操作后即可得到流道尺寸和圆周跳动均满足要求的整圈叶片，然后固定当前位置。此时，A基准能较好地反映导叶流道的径向位置关系，可作为毛坯后续组合机加工的径向加工基准。

2.3 整环加工

将导叶毛坯加工的端面C转换至圆盘固定工装的B基准，以圆盘固定工装的A基准作为径向基准，进而对导叶毛坯进行下一步加工。在进行整环去料加工前，需要对导叶毛坯、叶片、叶身及叶身之间的区域进行灌蜡处理，如图8所示。

图8 导叶毛坯灌蜡效果

这道工序可以带来两个好处：一是可以增加整环结构的刚度，减少震刀纹的产生；二是可以防止加工过程中铁屑进入气膜孔和冷气通道。此时，导叶毛坯已通过螺栓压紧固定，可在立式数控铣床上将排气侧缘板特征加工至设计尺寸。加工完成后再融蜡，拆卸压紧螺栓，即可得到单片叶片成品。

3 结语

本文分析了某涡轮性能试验件3D打印导向毛坯的结构特征，基于毛坯特征提出了一种快速加工工艺方法。该方法夹具和工装设计简单，采用常规成熟的去料工艺，可在1个半月内完成导叶毛坯的精加工，加工周期相较于传统加工方法至少可缩短2/3。