增材制造在燃油調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用分析

隨著技術(shù)的發(fā)展，增材制造（3D打印）在燃油調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用條件日漸成熟，不僅會對傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式帶來變革，也會對傳統(tǒng)設(shè)計方法產(chǎn)生重大影響。

傳統(tǒng)制造方式為“減材制造”，即基于毛坯通過銑削等物理加工方式，去除多余部分得到目標(biāo)零件。而相對的增材制造（3D打印）技術(shù)以三維建模輔助設(shè)計（CAD）數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用高能量的束源或者其他方式提供能量，將液體、粉末、絲、片等材料逐層堆積黏結(jié)，通過疊加的方式直接構(gòu)成三維實體[1]。

自面世以來，增材制造技術(shù)引起了廣泛的重視，各國相繼對該技術(shù)的研究與發(fā)展予以了大力的扶持。2018年11月26日，國家統(tǒng)計局發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》（國家統(tǒng)計局令第23號），大量的關(guān)于增材制造的內(nèi)容（包括增材制造裝備、金屬增材制造專用材料、醫(yī)療增材制造專用材料、增材制造設(shè)計等）入選其中，以文件形式指明了增材制造未來發(fā)展方向。

燃油調(diào)節(jié)器是航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)重要組成部分。長期以來，由于其“小批量，多品種”的特點，使得燃油調(diào)節(jié)器單件生產(chǎn)成本高且周期長，嚴(yán)重制約了燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計、研制工作的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用增材制造或可為燃油調(diào)節(jié)器研制工作打開全新的局面。

燃油調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)特點

燃油調(diào)節(jié)器的主要功能是根據(jù)電子控制器（ECU）指令為燃燒室輸運燃油，少數(shù)還具備為導(dǎo)葉作動筒（IGV）供油的功能。燃油調(diào)節(jié)器主要組成部分包含殼體、電氣成附件（如電液伺服閥、電磁閥）、泵頭（如離心泵、齒輪泵或組合泵）、閥門組件（如壓差閥、計量閥）、傳動機構(gòu)（如杠桿、凸輪）等，是典型的機電一體化產(chǎn)品。

燃油調(diào)節(jié)器生產(chǎn)制造具備顯著的“小批量、多品種”特點。隨著產(chǎn)品技術(shù)要求的演進，往往一個型號研制迭代過程中會衍生出更多改進型號，這也是基于成本和研制進度控制的考慮，但帶來的問題是單個型號批量小、制造成本較高且周期長，無法發(fā)揮批量制造優(yōu)勢。

一架起飛質(zhì)量達(dá)65t的波音737飛機，每減輕450g（約1lb ），每年可節(jié)省數(shù)十萬美元燃油成本，因此航空零部件輕量化設(shè)計十分必要[3]。基于“輕量化、長壽命”目標(biāo)，燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計過程不僅需要考慮功能可靠性，還需要盡可能地減輕質(zhì)量。減輕質(zhì)量的首要目標(biāo)通常是燃油調(diào)節(jié)器的殼體，因為殼體質(zhì)量往往占到總質(zhì)量的一半或更高，且其加工難度是最大的、周期也是最長的。燃油調(diào)節(jié)器殼體屬于復(fù)雜薄壁高壓鋁合金殼體，具有孔系特征多、內(nèi)部油路縱橫交錯、鑄造表面形狀復(fù)雜等特點。大量的減輕質(zhì)量的設(shè)計，進一步提高了零件的材料去除率（約80%），極大地增加了殼體變形和強度不足的風(fēng)險；產(chǎn)品高度集成化的要求，使得部件結(jié)構(gòu)更加緊湊，殼體空間結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部油路孔分布上變得更加復(fù)雜，殼體孔壁厚度最小達(dá)到2.5mm。同時，為保證殼體零件的設(shè)計強度，需要嚴(yán)格控制孔壁厚度，要求殼體外形、內(nèi)腔、油路孔、結(jié)構(gòu)孔等結(jié)構(gòu)特征的空間位置和尺寸精度更高。

當(dāng)前，燃油調(diào)節(jié)器的制造面臨多方面的困難。首先，在原材料采購的環(huán)節(jié)就受到制約，例如，某牌號鋼材原料僅需要200kg，但鋼廠的材料需要數(shù)噸才能起訂，不得不采用代料方式解決。其次，為保證產(chǎn)品進度，生產(chǎn)中往往采用“鑄造改機加”的方式，對原材料的利用率不高且加工周期長，部分零件原材料利用率甚至不到十分之一，成本控制十分困難，例如，圖1所示零件是用棒料毛坯加工得到成品，需要切削掉80%以上，“浪費”嚴(yán)重。最后，即使根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到了最優(yōu)設(shè)計，但難以通過機加方式實現(xiàn)，例如，有些殼體為了減輕質(zhì)量，會有內(nèi)部空腔設(shè)計，這種設(shè)計只能通過鑄造手段實現(xiàn)，但鑄造毛坯制備周期長，為了趕進度只能通過修改設(shè)計采用機加方式，相對“落后”的加工方式限制了優(yōu)秀的設(shè)計，現(xiàn)有的加工方式制造周期也越來越難跟上設(shè)計迭代的速度。

圖1 燃油調(diào)節(jié)器零件的三維示意圖

增材制造技術(shù)可行性分析

雖然增材制造技術(shù)距大范圍推廣條件不夠成熟，但用燃油調(diào)節(jié)器進行試點還是可行的，因為燃油調(diào)節(jié)器自身特點規(guī)避了部分限制條件，使開展應(yīng)用的必要條件逐漸成熟。

成本考慮

燃油調(diào)節(jié)器總質(zhì)量一般在幾千克至數(shù)十千克范圍內(nèi)，如果僅考慮殼體應(yīng)用增材制造技術(shù)，其質(zhì)量會相對更輕，這樣可以很好地規(guī)避增材制造成本高、打印設(shè)備不足的缺點[6]。事實上，圖2所示的零件如果采用增材制造技術(shù)，經(jīng)估算，即使增材制造原料價格比毛坯高，但由于材料利用率高，后期補充加工花費少，所以兩者的綜合成本相差無幾，再考慮加工周期可縮短至原來的1/5，增材制造技術(shù)優(yōu)勢會更明顯。

圖2 增材制造（右）與傳統(tǒng)加工工藝（左）生產(chǎn)的殼體

標(biāo)準(zhǔn)趨于完善

目前雖然缺乏增材制造技術(shù)通用性質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，但這種情況在逐漸得到改變。近期，國際汽車工程師學(xué)會（SAE International）增材制造航空航天材料規(guī)格委員會（AMSAM）發(fā)布了第一套航空材料規(guī)格和工藝規(guī)范（AMS7000～7003），涵蓋：激光-粉末床融合（L-PBF）生產(chǎn)鎳合金部件的耐腐蝕耐熱性能、應(yīng)力消除、熱等靜壓和固溶退火規(guī)范；增材制造粉末（62Ni-21.5Cr-9.0Mo-3.65Nb）耐腐蝕耐熱性能標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)用于增材制造航空航天零件的金屬粉末原料工藝規(guī)范；激光-粉末床融合工藝規(guī)范。這表明，增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將逐漸完善，將逐步掃清缺乏應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的障礙。

材料范圍擴大

早期只能對少數(shù)合金開展可靠的增材制造，其中并不包括燃油調(diào)節(jié)器常用的鋁合金材料，這是因為對大部分增材制造金屬粉末而言，成形過程中由于溫度梯度的存在，粉末從熔池底部邊界以柱狀晶方式生長，凝固末期枝晶間液相因凝固收縮和熱收縮而產(chǎn)生空洞和熱裂紋，最終形成存在裂紋的柱狀晶微觀組織。但美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰·馬丁（John H.Martin）團隊近日在Nature雜志上發(fā)表論文稱，通過在粉末表面添加納米細(xì)化劑，采用激光熔化（SLM）方法，可實現(xiàn)耐高熱裂敏感性的高強度鋁合金（Al7075和Al6061）的增材制造，獲得的合金材料試件內(nèi)部無裂紋缺陷，強度與鍛造材料相當(dāng)。該技術(shù)表明燃油調(diào)節(jié)器殼體增材制造將成為可能。

材料數(shù)據(jù)庫更加完備

目前航空航天領(lǐng)域增材制造材料數(shù)據(jù)庫已經(jīng)出現(xiàn)，例如，GRANTA MI數(shù)據(jù)庫中的Senvol Database就是增材制造材料和打印機械的數(shù)據(jù)庫，包含了歐洲航空航天結(jié)構(gòu)用金屬材料強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及材料疲勞曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線、蠕變曲線、強度-溫度和曝光時間曲線，為開展相關(guān)增材制造仿真提供了前提條件。

有待解決的問題

加工成功率問題

在增材制造過程中因支撐斷裂、零件翹曲等造成生產(chǎn)中斷，抑或是經(jīng)長時間打印后發(fā)現(xiàn)零件其實早就已開裂失效的現(xiàn)象也屢見不鮮（如圖3所示）。其根本原因在于，增材制造，尤其是基于金屬粉末的增材制造是一個快速凝固的過程，其制造過程中產(chǎn)生的大量殘余應(yīng)力將致使零件發(fā)生失效、翹曲、開裂等問題。由于缺乏增材制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，現(xiàn)階段粉末床增材制造仍然沿用傳統(tǒng)的“試錯”模式，一次成功實現(xiàn)零件制造的概率非常低，極大地浪費了材料、機器時間以及勞動力。特別是在制造航空零部件時，“試錯”的增材制造模式更是顯示出其低效率、高成本的局限性。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中需要考慮通過對零部件的增材制造過程進行仿真模擬分析，以有效地解決打印過程中零件存在的失效、翹曲、開裂等技術(shù)難題，為增材制造工藝工程師提供了縮短工藝開發(fā)時間，并有助于提高零件質(zhì)量的解決方案。將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于粉末增材制造將帶來幾項變革：在零件制造前可提供精確的零件變形和殘余應(yīng)力結(jié)果，降低成形風(fēng)險，提高成功率；可對構(gòu)造方向（水平、垂直或者其他方向）進行測試，甄別最優(yōu)打印方案；對不同的支撐方案進行“無成本”檢查，無須“試錯”就能驗證支撐方案的可行性；此外，還可以進一步處理工藝鏈的問題，研究構(gòu)造零件過程中所采取步驟的順序，極大地縮短研發(fā)周期、提高機器/人工利用率、減少材料和能源消耗。

圖3 增材制造中的開裂問題

加工精度問題

雖然增材制造技術(shù)相對于傳統(tǒng)機加方式優(yōu)勢明顯，但也有不足之處，其中首要問題是精度。例如，燃油調(diào)節(jié)器精密配合面的粗糙度最低需達(dá)到Ra0.05或更低，配合間隙需要精確到μm級別，這是目前增材制造技術(shù)無法達(dá)到的，需要用傳統(tǒng)機加方式補充加工。未來很長一段時間內(nèi)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)機加方式將產(chǎn)生互補，推進制造技術(shù)前進。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，增材制造在燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用條件日漸成熟。增材制造技術(shù)是一種先進的制造技術(shù)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)制造提供了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)給予重視，做好相關(guān)技術(shù)儲備工作。