海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室 朱 勇 姚 燦

中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工模具分公司 郭芳瓊

快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的一個重要里程碑，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等。與傳統(tǒng)的去材料成形技術(shù)相比，快速成形從零件的CAD三維幾何模型出發(fā)，通過軟件分層和數(shù)控成形系統(tǒng)，用激光束或者其他方法將材料堆積形成實體零件[1]?？焖俪尚渭夹g(shù)能快速響應(yīng)市場需求，滿足個性化、多樣化產(chǎn)品需求，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等各個領(lǐng)域。

快速成形技術(shù)工作原理

快速成形先進(jìn)制造技術(shù)是80年代末90年代初在美國開發(fā)的高新制造技術(shù)，其原理如圖1所示，屬于離散堆積成形。首先對零件的三維CAD模型沿某一方向?qū)ζ溥M(jìn)行虛擬分層切片，得到各層截面的輪廓信息，根據(jù)這些輪廓信息，激光束進(jìn)行選擇性地固化一層層的液態(tài)樹脂，或燒結(jié)一層層的粉末材料，形成各截面并逐步疊加成三維產(chǎn)品。它將一個復(fù)雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合[2]。

目前，國際上比較成熟的快速成形技術(shù)有光固化成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、分層實體制造成形（Laminated Object Manufacturing，LOM）、選擇性激光燒結(jié)成形（Selective Laser Sintering，SLS）、熔 融 沉 積 成 形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）和立體三維打?。?D Printing，3DP）。這幾種快速成形技術(shù)的優(yōu)缺點如表1所示。

圖1 快速成形原理

表1 幾種典型快速成形技術(shù)的優(yōu)缺點比較

快速成形技術(shù)特點

快速成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等各個領(lǐng)域，它與傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)相比具有以下特點[3-4]：

（1）快速成形采用離散堆積成形原理，自動完成從電子模型（CAD模型）到物理模型（原型和零件）的轉(zhuǎn)換。它將一個十分復(fù)雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊合，所以可針對任意復(fù)雜形狀的零件進(jìn)行加工。

（2）快速成形具有高度的柔性，無需任何專用工模具即可完成復(fù)雜的制造過程，快速制造工模具、原型或零件。

（3）快速成形實現(xiàn)了機(jī)械工程學(xué)科多年來追求的兩大先進(jìn)目標(biāo)，即材料提?。狻⒁?、固相）過程與制造過程一體化和設(shè)計與制造的一體化。

（4）通過對一個三維CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設(shè)計和加工信息。制造一個零件的時間一般只需幾小時到幾十小時。

（5）與反求工程相結(jié)合，成為快速開發(fā)新產(chǎn)品的有力工具。

快速成形技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)傳動機(jī)匣上的應(yīng)用

附件傳動機(jī)匣作為發(fā)動機(jī)重要零件之一，在發(fā)動機(jī)中起重要作用，不僅需為各種發(fā)動機(jī)附件、飛機(jī)附件以及各種測試、監(jiān)控設(shè)備提供安裝位置，還需包容附件傳動鏈，為附件傳動鏈提供一個良好的工作環(huán)境，所以附件傳動機(jī)匣往往是發(fā)動機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、型腔最異形的一個構(gòu)件。

近年來，為了配合發(fā)動機(jī)性能的提高，附件傳動機(jī)匣進(jìn)一步向高度集成化方向發(fā)展，集成了傳動、滑油箱、動力輸出、進(jìn)氣、燃滑油管路等構(gòu)件功能，有的甚至集成了部分壓氣機(jī)機(jī)匣。集成化設(shè)計可以減少零件數(shù)量和裝配環(huán)節(jié)，提高可靠性，減輕重量，有效提高發(fā)動機(jī)性能。但是附件傳動機(jī)匣的高度集成化使得機(jī)匣的結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，給設(shè)計和制造帶來極大的困難。如某渦槳發(fā)動機(jī)（見圖2）、某渦軸發(fā)動機(jī)（見圖3）將大量原本獨立的管路集成在附件傳動機(jī)匣內(nèi)，致使機(jī)匣型腔非常復(fù)雜。

圖2 某渦槳發(fā)動機(jī)

圖3 某渦軸發(fā)動機(jī)

某型渦槳發(fā)動機(jī)附件傳動機(jī)匣與低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、滑油箱以及一些附件的殼體集成為一體，同時機(jī)匣上安裝許多燃、滑油附件，導(dǎo)致機(jī)匣的外形和內(nèi)腔都很復(fù)雜，尤其是機(jī)匣中布置了許多進(jìn)出滑油箱和連通燃、滑油附件的管路，這些管路為空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)，多處有交叉、分支與盤旋，部分沿機(jī)匣外壁分布，部分伸入到機(jī)匣內(nèi)部。機(jī)匣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否準(zhǔn)確，管路的布置是否合理，管路及腔體的壁厚是否合適，給機(jī)匣設(shè)計和加工帶來了很大的困難。完成初步設(shè)計之后，需要找一種快速有效的手段對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行檢查與評估。與此同時，該附件傳動機(jī)匣的鑄造難度大、成本高、周期長，需要投入大量人力物力。故在正式投產(chǎn)前，承制廠也要求設(shè)計人員盡可能保證設(shè)計的正確性，以避免或減少時間和成本的浪費?；谏鲜鰡栴}，采用快速成形技術(shù)對初步設(shè)計的零件模型成形，檢驗設(shè)計質(zhì)量，排查設(shè)計問題。

快速成形高度柔性的制造特點，解決了零件復(fù)雜的問題。將復(fù)雜的三維實體離散成一系列二維層片進(jìn)行加工，避免了三維加工中刀具干涉的問題，可以制造具有任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的原型或零件。同時，快速成形技術(shù)是建立在高度技術(shù)集成的基礎(chǔ)之上，從產(chǎn)品CAD模型制成零件，一般只需要幾個小時到十幾個小時，具有生產(chǎn)周期短的優(yōu)點。因此，快速成形技術(shù)可以承擔(dān)檢驗設(shè)計模型正確性的角色，而且適合小批量生產(chǎn)、成本較低。

分析表1中的各種快速成形方法，其中的激光粉末燒結(jié)（SLS）快速成形方法，成形頭為激光，成形機(jī)理是粉末材料的燒結(jié)成形。具有速度快、強(qiáng)度高、無需支撐的特點，且國內(nèi)技術(shù)比較成熟。因此在本應(yīng)用實例中選用該方法進(jìn)行快速成形，模型離散方向選該零件的軸向，以一定的厚度依次成形離散后的各個分層截面，成形之后進(jìn)行后處理，使得成形強(qiáng)度顯著提高。

通過對快速成形模型的研究，對比檢驗各設(shè)計特征，取得了良好的應(yīng)用成果，發(fā)現(xiàn)了原設(shè)計中一些需要改進(jìn)完善之處：

（1）通過解剖快速成形模型，檢查附件傳動機(jī)匣中管路的布置，確認(rèn)管路設(shè)計基本合理，管路布置符合設(shè)計意圖，但部分管路需微調(diào)位置；

（2）檢查管路的壁厚和腔體的壁厚，鑄件整體壁厚設(shè)計≥5mm，發(fā)現(xiàn)快速成形模型部分腔體的壁厚只有3～4mm，需修改完善；

（3）某些管路在局部區(qū)域懸空在機(jī)匣內(nèi)，而沒有依附或內(nèi)嵌在機(jī)匣中，這些管路與機(jī)匣的依托關(guān)系需進(jìn)行調(diào)整；

（4）部分特征鑄造工藝性較差，需要改進(jìn)。

結(jié)束語

通過在航空發(fā)動機(jī)附件傳動機(jī)匣設(shè)計制造過程中應(yīng)用快速成形先進(jìn)制造技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了傳動機(jī)匣初步設(shè)計中存在的問題，為完善傳動機(jī)匣設(shè)計發(fā)揮了重要作用，豐富了復(fù)雜發(fā)動機(jī)零件的設(shè)計驗證手段。航空發(fā)動機(jī)是技術(shù)密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，快速成形作為先進(jìn)制造技術(shù)的一種，在發(fā)動機(jī)其他零部件設(shè)計和制造中的應(yīng)用有待于進(jìn)一步的研究和探討。

[1]王廣春. 快速成形與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[2]朱林泉,白培康,朱江森. 快速成形與快速制造技術(shù). 北京：國防工業(yè)出版社,2003.

[3]王學(xué)讓,楊占堯. 快速成形理論與技術(shù). 北京：航空工業(yè)出版社, 2001.

[4]周建忠，劉會霞．激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.