一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法技术

本发明专利技术涉及一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，属于阀门壳体设计制造技术领域；对多层薄壁流线阀门壳体内部结构进行优化设计，并计算壁厚S

【技术实现步骤摘要】
一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法


[0001]本专利技术属于阀门壳体设计制造
，涉及一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法。

技术介绍

[0002]阀门壳体能够在封闭空间内实现对流通介质的严格有效控制，是航空航天、汽车、核电、工业等领域精密控制单元的关键零件。其中多层薄壁流线结构阀门壳体是集结构与功能一体化设计的零件，为两位三通结构，通过设置两个控制腔以实现节流和全开工位要求，并在内腔设有导流套，使入口来流流线整齐，降低流阻损失，保证流通介质的流量，具有优异的使用性能和广阔的应用前景。
[0003]多层薄壁流线结构阀门壳体上中间壳体和导流罩为薄壁流线型三维曲面结构，与中轴交接处存在变壁厚过渡区域，流道内部呈半封闭的“倒V”型大曲率变截面结构，从入口方向内腔空间逐渐变小。多层薄壁流线结构阀门壳体可应用在在液氧等超低温环境工况，最高工作压力高达50MPa以上，额定流量达1000kg/s以上，由于壳体内外壁常受大流量氧化剂剧烈冲刷，使用工况恶劣，对产品强度、可靠性要求极高。
[0004]当前，受多层薄壁流线阀门结构复杂程度限制，无法采用传统精密熔模铸造、机械加工及电解、电火花等特种加工手段进行整体成形，只能采用分体结构成形，将壳体分解为中轴、导流罩、中间壳体、排放管嘴等数十个零件，经过多道熔焊、钎焊(10余条约3m长的焊缝)和机械加工装配形成多层薄壁流线阀门壳体组件，综合性能较低，结构可靠性难以保证。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，采用激光选区熔化成形技术制备出一种多层薄壁流线结构阀门壳体，实现该类典型构件的快速、高性能、高可靠制造功能结构一体化设计与制造。
[0006]本专利技术解决技术的方案是：
[0007]一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、对多层薄壁流线阀门壳体的中轴、导流罩、中间壳体、排放管嘴进行集成化设计；并对多层薄壁流线阀门壳体内部结构进行优化设计；并计算多层薄壁流线阀门壳体的壁厚S
B
；
[0009]步骤二、计算多层薄壁流线阀门壳体成型过程中的收缩量ε，对收缩量ε进行尺寸补偿设置；
[0010]步骤三、确定多层薄壁流线阀门壳体的成型方向，根据成型方向对多层薄壁流线阀门壳体进行形状补偿，获得最终阀门壳体增材制造成型三维模型；
[0011]步骤四、对阀门壳体增材制造成型三维模型进行切片处理，并置入TC4钛合金材料SLM成型工艺参数和扫描策略，获取各切片层的激光扫描路径数据；
[0012]步骤五、在惰性气体环境中进行多层薄壁流线阀门壳体整体成型，成型后对多层薄壁流线阀门壳体进行粉末清理，进行去应力热处理后，去除辅助支撑。
[0013]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤一中，多层薄壁流线阀门壳体的组成为：
[0014]中轴竖直放置，中间壳体为中空弧锥状结构，中间壳体套装在中轴的中部外壁，且开口向下放置；导流罩为中空弧锥状结构，导流罩套装在中轴的中部外壁，且开口向下放置；导流罩套装在中间壳体的外侧；导流罩的侧壁处水平设置有阀出口；导流罩的侧壁水平设置有排放管嘴；排放管嘴与阀出口相对设置。
[0015]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤一中，内部结构的优化设计为：
[0016]将多层薄壁流线阀门壳体的中轴和排放管嘴内壁上的悬垂面设计为45
°
自支撑结构；将导流罩连接处的尖角结构设置成Φ8mm圆滑均匀过渡区域。
[0017]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述壁厚S
B
的计算方法为：
[0018][0019]式中，p为工作压力；
[0020]R为壳体内腔半径；
[0021][σ]为材料许用应力，在材料SLM成形热处理态常温屈服强度下，安全系数设为2.0
‑
2.6；
[0022]C为壁厚裕量。
[0023]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤二中，根据成型收缩规律计算收缩量ε：
[0024][0025]式中，σ为温度；
[0026]e为自然数。
[0027]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤三中，对多层薄壁流线阀门壳体进行形状补偿的方法为：
[0028]对平行成型方向的阀出口端面进行流道形状补偿，具体为，将原阀出口端面的圆心o
′
沿轴向外移至o
″
；实现将原阀出口半径R1补偿至半径R2。
[0029]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，o
′
o
″
的距离为30
‑
40mm；R1为200mm，R2为150
‑
180mm。
[0030]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤四中，TC4钛合金材料SLM成形参数和扫描策略包括：
[0031]导流罩及外壳体薄壁流线特征工艺参数为：激光功率285W～320W；扫描速度为950
‑
1050mm/s，光斑直径为0.10
‑
0.11mm，铺粉层厚为0.03
‑
0.06mm；采用渐变式扫描策略；
[0032]中轴特征工艺参数为：激光功率为305
‑
330W；扫描速度为900
‑
1000mm/s，光斑直径为0.11
‑
0.13mm，铺粉层厚为0.04
‑
0.06mm；采用条带式扫描策略。
[0033]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，所述步骤五中，所述惰性气体为氩气，成型过程中气氛氧含量小于100PPM。
[0034]在上述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，粉末清理的方法为：
[0035]采用0.6
‑
0.8Mpa的压缩空气对SLM成型得到的多层薄壁流线阀门壳体内的松装粉末及表面浮粉进行清理；去应力热处理的方法为：
[0036]真空720℃～770℃退火1h，充氩气冷却。
[0037]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0038](1)本专利技术基于增材制造思维对零件进行适应性修改，得到阀门壳体一体化成形结构，消除传统方案多零件组合时存在的装配定位冗余结构和焊缝，简化现有复杂结构，实现可靠性提升，使多层薄壁流线阀门壳体的零件数量由10个减少至1个，重量减少20％以上；
[0039](2)本专利技术基于增材制造思维对零件进行适应性修改，得到阀门壳体一体化成形结构，消除传统方案多零件组合时存在的装配定位冗余结构和焊缝，简化现有复杂结构，实现可靠性提升，使多层薄壁流线阀门壳体的零件数量由10个减少至1个，重量减少20％以上；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对多层薄壁流线阀门壳体的中轴、导流罩、中间壳体、排放管嘴进行集成化设计；并对多层薄壁流线阀门壳体内部结构进行优化设计；并计算多层薄壁流线阀门壳体的壁厚S
B
；步骤二、计算多层薄壁流线阀门壳体成型过程中的收缩量ε，对收缩量ε进行尺寸补偿设置；步骤三、确定多层薄壁流线阀门壳体的成型方向，根据成型方向对多层薄壁流线阀门壳体进行形状补偿，获得最终阀门壳体增材制造成型三维模型；步骤四、对阀门壳体增材制造成型三维模型进行切片处理，并置入TC4钛合金材料SLM成型工艺参数和扫描策略，获取各切片层的激光扫描路径数据；步骤五、在惰性气体环境中进行多层薄壁流线阀门壳体整体成型，成型后对多层薄壁流线阀门壳体进行粉末清理，进行去应力热处理后，去除辅助支撑。2.根据权利要求1所述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，其特征在于：所述步骤一中，多层薄壁流线阀门壳体的组成为：中轴竖直放置，中间壳体为中空弧锥状结构，中间壳体套装在中轴的中部外壁，且开口向下放置；导流罩为中空弧锥状结构，导流罩套装在中轴的中部外壁，且开口向下放置；导流罩套装在中间壳体的外侧；导流罩的侧壁处水平设置有阀出口；导流罩的侧壁水平设置有排放管嘴；排放管嘴与阀出口相对设置。3.根据权利要求2所述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，其特征在于：所述步骤一中，内部结构的优化设计为：将多层薄壁流线阀门壳体的中轴和排放管嘴内壁上的悬垂面设计为45
°
自支撑结构；将导流罩连接处的尖角结构设置成Φ8mm圆滑均匀过渡区域。4.根据权利要求3所述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，其特征在于：所述壁厚S
B
的计算方法为：式中，p为工作压力；R为壳体内腔半径；[σ]为材料许用应力，在材料SLM成形热处理态常温屈服强度下，安全系数设为2.0
‑
2.6；C为壁厚裕量。5.根据权利要求4所述的一种多层薄壁流线结构阀门壳体整体制造方法，其特征在于：所述步骤二中，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨欢庆，王琳，周亚雄，白静，刘根战，彭东剑，王云，
申请(专利权)人：西安航天发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：