薄壁復雜飛機發動機機匣本體3D打印技術優勢簡介

摘 要：文章以某航空發動機空氣分配機匣本體為載體，說明復雜結構薄壁結構件的機加工藝。通過3D打印技術改變其生產路線，并從生產成本與加工效率兩方面進行對比分析，以簡介3D打印技術對于制造復雜結構件的優勢。

關鍵詞：復雜薄壁結構件；3D打印；成本；效率

1 概述

某型號飛機發動機空氣分配機匣本體是航空發動機重要的結構件。該零件外部形狀不規則、薄壁、具有雙斜面結構（如圖1），在側壁的不同平面上有近300個Φ1的排氣孔（如圖2）。該件的機械加工工藝路線存在排氣孔加工困難、外形薄壁易變形，零件報廢率高，加工周期長等制造難題。為降低生產成本、提高生產效率，改變空氣分配機匣本體的工藝路線，使用3D打印機對零件進行整體成型，只對部分表面進行機械加工。

2 機械加工制造路線

零件毛坯為自由鍛（毛坯規格為380mm×200mm×115mm），由于零件結構復雜且為薄壁件，因此在加工過程中，在控制變形量的同時還要去除巨大的余量。

首先，使用數控銑床銑削零件的內型腔、外型面以及頭尾兩處的配合面。在銑加工的過程中，為控制加工中的變形需要在型腔內填充填充物。零件在加工制造前需要調制填充物，待填充物完全干燥后方可進行工序的加工。完成加工后還需去除填充。

然后，利用線切割加工雙斜面。由于零件高度較高，線切割斜面時經常出現短路現象，致使零件的工序加工時間長且加工后的零件表面質量很差。

其次，利用五坐標加工中心，加工零件不同平面上的排氣孔。加工每一個平面上的孔都要翻轉不同的角度。

最后，采用電脈沖加工的方式，對螺紋孔下方的銑削殘留部分進行清根。該工序的加工所需電極種類多，加工的時間長，約為14-16小時，同時在后續去除電加工重熔層時也存在很大困難。

以下為空氣分配機匣本體的詳細工藝路線

XX.2475：自由鍛（鍛件規格為380mm×200mm×115mm）-銑六方-磨四面-銑外形-灌填充物-銑內腔-灌填充物-銑另一側外型-灌填充物-銑另一側內腔-灌填充物-鉗工修磨-銑外形、鉆、鉸孔-銑外形、鉆、鉸孔-鉗加工-清理填充物-線切割斜面-銑外側凸臺-鉆螺紋底孔一-鉆螺紋底孔二-鉆小孔-鉗加工-電脈沖加工-磨兩側面-攻螺紋-研磨兩側面-最終檢驗

3 3D打印技術的加工路線

首先使用3D打印機對零件進行成型，3D打印機通過內部軟件將零件模型分解為若干平面，通過層層鋪粉并對需要成型位置進行激光熔化。為防止成型過程中出現變形，對零件部分位置設計輔助支撐以完成零件的成型工作。

3D打印件的原材料從粉末經激光加熱為熔融狀態再凝固的過程中，材料內部會產生一定的應力。成型后需對零件進行去熱處理或時效去除內部應力。

完成去應力后，通過線切割將零件與3D打印基板分離。

通過機械加工去除零件上殘留的輔助支撐，并對配合表面進行加工。完成加工后對零件進行光整加工以提高表面光潔度。

以下為空氣分配機匣本體的具體工藝路線：

3D打印成型-去應力熱處理-線切割平面-線切割去支撐-磨平面-鉆、鉸孔-鉆、鉸孔-鉆側面孔-銑側面鉆孔-光整加工-攻螺紋-最終檢驗。

4 生產成本對比分析

4.1 機械加工工藝路線的生產成本

生產成本=原材料成本+機械加工成本

機械加工成本=零件總工時×生產消耗工時成本。

經計算該零件生產消耗成本為40元/小時。

4.2 3D打印技術生產成本

3D打印成本=打印零件重量×原材料價格+加工費用。

目前0Cr18Ni9粉末的價格為600元/kg

5 生產效率對比

將表1、表2與表3中計算得出的數據匯總到下表4中，可以清晰的顯示出3D打印技術相對于傳統加工方法對于制造異形結構件的優勢。

通過表格中數據的比較可以看出，3D打印技術相對于傳統加工方法在加工效率與生產成本上優勢明顯。相對于傳統加工方法，3D打印技術由于減少生產原料，工裝需求少，進而極大地降低了生產成本，同時解決了在加工過程中薄壁零件易變形的問題。在加工效率上，3D打印技術加工工序少，加工中不受工裝夾具的生產限制，加工時間短。同時3D打印技術的產品質量由機床控制，產品的一致性好，質量穩定。無論是單件生產抑或批量生產，均可以出色的完成，因此3D打印技術具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]吳玉華.金屬切削加工技術[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]潘金生，仝健民.材料科學基礎[M].北京：清華大學出版社.