谢可为 刘晓艳 费国胜 李忠利 杜东方 吴代建
(1．东方电气集团东方电机有限公司,四川 德阳 618000;2．四川工程职业技术学院,四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室,四川 德阳 618000)
转轮是冲击式水轮发电机的一个重要部件,包括轮盘和水斗两部分。转轮结构有整体式结构,即轮盘和水斗采用一体化加工,常用的方法有整铸+铲磨、整锻+数控加工、微铸+高频焊接和环箍转轮等[1],翟元盛等对转轮整体式加工做了相应的加工工艺研究[2-3],王波等研究了水斗根部等高应力区域的结构优化和加工工艺[4]。目前,国内外通常采用数控加工整体铣削金属坯料的方式制造水斗。由于水斗是内凹结构,该方式加工制造水斗材料利用率低、制造周期长、加工精度和生产效率低等弊端。转轮还可以通过组合式方式进行加工,即水斗和轮盘单独制作,再装配成整体。王启会等研究了单个水斗的数控加工,实现了一次装夹加工完成,提高了加工精度和效率[5]。
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种基于金属粉末材料逐层堆叠的增材制造技术(Additive Manufacturing,AM),其原理主要是将计算机软件设计出的三维模型信息导入机器中,通过控制激光束能量及扫描路径,致使粉末床熔化,逐层累积成形[6]。激光选区熔化成形技术是目前金属增材制造技术中应用最为普遍、技术成熟度最高的技术之一,非常适合制造结构复杂、材料性能和尺寸精度要求高的精密构件,在航空航天、模具、医疗等领域具有广泛的应用[7]。
本文将探索采用激光选区熔化成形技术,通过对水斗结构的轻量化设计和增材工艺的拓扑优化,缩短制造周期,快速批量制造水斗模型,最终通过模型试验效果进行验证。
如图1所示,冲击式水轮发电机模型转轮分体式结构通过螺钉在轮盘上把合21个水斗组装而成。水斗由勺部与柄部组成,为一体化结构,两个凹勺状结构沿中心线对称分布,正前方有一豁口。
水斗的结构设计分为勺部与柄部两个部分,勺部要承受水流冲击,其结构设计主要考虑工作型面的水力学特性,并尽可能扩大迎水面积;柄部要与轮盘连接,其结构设计要考虑连接方式和强度。水斗勺部根据模拟实验和经验数据迭代优化断面型线图,然后利用三维软件将断面型线转化为曲面,并闭合形成三维实体。柄部设计为双立柱插杆型,双立柱插杆插入轮盘通过螺栓连接固定,加工和安装都很便捷,插杆上端设置根部槽,所有水斗安装到轮盘上后根部槽扣合上下盖板,使得转轮旋转时的切向力和离心力由盖板和连接螺栓共同承受,强化水斗根部受力情况,防止组合式转轮在极端情况下螺栓因疲劳失效断裂后导致水斗飞逸的危险情况。
图1 转轮和水斗模型Figure 1 Runner and bucket model
单个水斗最大外形尺寸为97 mm×48.5 mm×144 mm,材质为316L,质量0.943 kg。水斗型面复杂,该零件如采用常规工艺进行生产,需要通过减材制造的方式,采用五轴数控铣床铣削完成,加工完成一个水斗需要1～2天,故一个转轮包含的所有水斗总共生产周期为30天左右天,如采用尺寸为100 mm×50 mm×146 mm的块状毛坯,毛坯重量为5.826 kg,完工后的产品材料利用率仅有16%,所以水斗传统减材制造的方式主要存在的问题是原材料浪费量大、加工成本高、生产周期长等。考虑缩短产品加工周期,拟采用激光选区熔化技术对转轮水斗进行产品批量试制。
2.1 转轮水斗添加加工余量和实体支撑
鉴于水斗工作表面和各零件之间的配合面都有精度要求,激光选区熔化成形后经过机械加工才能满足零件的使用要求,所以水斗零件进行SLM工艺结构适应性设计时需要考虑加工余量和打磨余量。转轮水斗的余量设计主要考虑因素:(1)机械加工余量的设计;(2)3D打印制造时曲面部位变形引起的余量增补设计、零件表面自身打磨余量等。如图2所示,围绕转轮水斗零件表面包覆1 mm余量作为机械加工余量;水斗杆柄部位沿边缘轮廓添加1 mm实体支撑,水斗耳蜗上部残余应力过大易变形部位添加1 mm实体支撑;实体支撑间隔分布,减少去除难度,同时在打印的过程中拉住零件,避免因变形或开裂而造成的打印零件报废,保证打印精度。由于后期整体加工,故不考虑零件打磨余量添加。此外,水斗打印工艺设计主要包括实体支撑设计和工艺夹头,实体支撑主要用于支撑实体零件成形,同时将SLM成形过程中聚集的热量快速传递至基板,防止热变形,工艺夹头主要考虑机械加工过程中的装夹和找正。
1-实体支撑;2-水斗;3-实体支撑;4-工艺夹头。图2 基于SLM成形的转轮水斗结构Figure 2 Structure of runner bucket based on SLM forming
2.2 转轮水斗零件轻量化设计
与传统工艺相比,激光选区熔化技术最大的优势在于极大地提高了复杂结构加工的可制造性,减少了工艺约束,实现“自由制造”。针对转轮水斗零件,在维持原有机械性能条件下进行一体化、轻量化设计。
轻量化思路:对试制零件进行抽壳,为提高水斗工作强度,水斗内部镂空区域进行点阵结构填充。轻量化结构如图3所示,轻量化后,同比减重30%,缩短打印时间20 h。
2.3 水斗零件SLM成形工艺优化
SLM成型零件部位倾角小于45°时必须要添加支撑,一方面起到散热的作用,另一方面预防塌陷、变形或开裂。支撑设计既不能太弱,也不能太强。太弱拉不住,太强难去除。那么,如何合理地设计支撑,达到撑得住、易去除的目的,成为水斗支撑设计的难点。水斗支撑设计首先对水斗模型进行适合3D打印的局部优化,对斜角45°以下的悬空部位进行处理,使其悬空面都大于或接近45°。
1-实体支撑;2-块支撑。图4 水斗模型支撑设计Figure 4 Support design of the bucket model
如图4所示,在悬空部位优化设计和易变形部位设计强支撑(实体支撑)基础上,还需要在水斗其它倾斜角45°以下部位添加块支撑,块支撑设计参数为:填充线0.6 mm,旋转角度45°,填充齿上齿高度0.9 mm,顶部宽度0.2 mm,底座长0.6 mm,底座间隔0.3 mm,填充齿下齿高度0.9 mm,顶部宽度0.2 mm,底座长0.5 mm,底座间隔0.3 mm,矩形镂空宽度0.9 mm,间隔1.0 mm,高度2.0 mm,实体高度1 mm。
3.1 成形设备
本水斗打印设备为LIM-260A金属打印机,单激光,最大成形尺寸:260 mm×260 mm×400 mm,如图5所示。
3.2 成形工艺
冲击式水轮发电机组中,水斗为核心零件,其加工的好坏直接决定了机组的效能和寿命。如前所述,水斗传统减材制造存在诸多问题,随着激光选区熔化成形技术的成熟,激光选区熔化成形成为可选方法,本文对水斗采用轻量化3D打印方法进行了设计与制造,其成形工序流程为:三维软件轻量化设计→导入切片软件添加支撑→设置打印参数→切片→烘粉→安装基板、刮刀→装粉→洗气→导入切片文件→打印→取件→去应力退火→线切割→机加工去除支撑→符图精加工。
图5 LIM-260A金属打印机Figure 5 LIM-260A metal printer
具体步骤包括:
(1)通过三维软件对转轮水斗进行轻量化设计;
(2)在三维软件上进行实体支撑添加和Magics 25.0软件上块状支撑添加;
(3)进行切片,切片前,设置打印工艺为激光功率285 W,扫描速度960 mm/s,扫描间距0.12 mm,“之”字形扫描策略,进行切片,形成切片文件,待用;
(4)准备转轮水斗打印所用316L粉末(粉末粒径为15～53 μm),设置烘粉温度120℃,烘粉时间6 h;
(5)安装316基板,安装刮刀,调平基板;
(6)装粉,关闭仓门进行仓室洗气,除尘洗气;
(7)把之前已经完成的切片文件导入到打印设备中;
(8)启动设备,在打印过程中每隔15 min记录一次成型仓位置、舱室气压等情况,在打印过程中密切关注铺粉情况,若发现缺粉,及时进行人工干预,打印过程中关注打印面情况,若发现打印面有翘起变形情况,及时进行处理,保证打印过程的顺利进行;
(9)打印完成后,待工件冷却到室温后打开仓门,取出工件;
(10)工件整体进行去应力退火;
(11)采用线切割从基板上切下打印件;
(12)机加工去除实体支撑,块状支撑,精加工去除余量;
(13)完成水斗制备。
由于水斗模型尺寸较小,根据成形设备的最大成形尺寸可知,一台设备可一次性打印多个水斗,打印加上后处理完成全部水斗总时间为15天,相比传统铣削加工效率提高50%左右,如图6为SLM刚打印完成后的水斗。
图6 SLM刚打印完成后的水斗Figure 6 SLM-formed bucket after printing
4.1 尺寸精度检测
SLM研制转轮水斗,表面打磨和喷砂处理后,利用GOM Scan三维扫描仪进行三维尺寸检测。GOM Scan是一种双目蓝光扫描仪,它通过投射蓝色条纹,快速捕捉零件的完整表面,提供高细节分辨率。广泛应用于3D打印、逆向工程和零件尺寸检测等领域。
利用三维扫描仪对转轮水斗进行正反面扫描,获得转轮水斗曲面点云数据,通过数据拟合,将点云数据转化为面片格式,得到转轮水斗曲面面片格式模型。将扫描面片模型与三维设计模型进行几何中心重合比对;经曲面尺寸检测误差对比,获取面片模型与三维实体对应位置尺寸偏差云图,选取系列检测点得到尺寸误差云图,如图7所示。分析对比模型尺寸偏差云图发现:3D打印水斗与设计模型尺寸整体精度吻合良好,3D打印转轮水斗变形量较大的地方主要发生在内部曲面底部和生长方向末端曲面处,整体曲面最大变形量范围约-0.358～+0.047 mm,其中最大变形量发生在水斗末梢曲面内法线处,变形量约-0.358 mm;由于设计时整体保留1 mm机械加工余量,能够满足最终加工要求。通过三维扫描尺寸精度检测,验证了3D打印研制水斗方案的可行性。
4.2 功能检验
金属3D打印研制出的转轮水斗通过余量去除后,在水力模型试验台上开展水力试验,试验结果与同型线整体铣屑金属坯料水斗进行对比。选取了相同转速下,595.0 m水头段和619.8 m水头段进行比较。
图7 转轮水斗尺寸检测Figure 7 Dimensional measurement of the runner bucket
(a)595.0m水头段
通过图8的比较可以看出,3D打印研制出的转轮水斗转轮效率与同型线整体铣屑金属坯料水斗效率相差±0.1%,在试验误差范围内。
利用选区激光熔化技术对转轮水斗结构进行了轻量化设计和制造,并成功用于水力模型试验台上。根据测试结果,金属3D打印制造出来的水斗模型与传统减材加工得到的零件在排水效率上基本一致。对增材制造转轮水斗工作过程中的设计与制造进行分析,得到主要结论如下:
(1)利用选区激光熔化增材制造技术可以对具有复杂曲面结构转轮水斗进行轻量化设计与制备;
(2)基于SLM成形的转轮水斗零件与三维设计模型尺寸精度吻合度良好,转轮水斗在曲面最大误差在余量设计控制范围以内,整体精度得到了保证;
(3)针对转轮水斗进行轻量化结构设计,轻量化设计后,同比减重30%,减少打印时间20 h。与传统制造工艺相比加工效率提高50%,减少材料消耗大于65%;
(4)金属3D打印制造出来的水斗模型与传统减材加工的零件在排水效率上基本一致,效果良好。
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