CN102056717B - 修整陶瓷铸造型芯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于修整陶瓷铸造型芯(10)的方法，其中所述陶瓷铸造型芯(10)通过以下方式获得：将陶瓷料浆注射成型到一模具中，所述料浆包含具有预定玻璃转化温度的粘接剂；和去除至少一个具有过剩材料而形成毛边(B)的表面部分。该方法包括以下步骤：a)将模制的未烧结的铸造型芯(10)设置和连接到支撑部(300)上；b)将具有螺旋形切削刃的细长形状的磨制刀具(100)安置在刀夹上；c)使所述刀具围绕其轴线旋转，并且使所述磨制刀具与将被去毛边的所述表面部分接触；d)使将被去毛边的表面部分冻结(400)，以使得所述铸造型芯的温度在所述修整操作过程中保持低于所述玻璃转化温度。

Description

修整陶瓷铸造型芯的方法
技术领域
本发明涉及部件的精修，所述部件通过将陶瓷料浆注射成型到模具中而制成，所述模具通过至少两个部分沿分离线组装而成。本发明更具体地涉及从两个部分的分离线的区域去除毛边。本发明涉及陶瓷型芯，所述陶瓷型芯用于通过熔模铸造工艺制造涡轮机中空叶片。
背景技术
使用所称的“陶瓷”铸造型芯在特定应用中是公知的，在这些应用中，需要严格的质量特性范围和标准，例如高温耐受性、反应惰性、尺寸稳定性和良好的机械性能。众所周知，具有这样要求的应用包括：航空应用，例如，通过铸造制造喷气发动机涡轮叶片。从所称等轴铸造到定向固化铸造或单晶铸造的模制工艺改进，进一步增大了这些涉及型芯的要求，研究发现，型芯的使用及其复杂性对于获得高性能部件而言是必要的，例如内部冷却中空叶片的例子。
所希望的复杂叶片晶体结构不允许型芯上具有毛边。毛边可在铸造过程中脱落并由于形成夹杂物和/或几何缺陷而污染部件。就地留存的毛边件在部件中形成裂缝并由此形成裂纹源。因此，型芯必须被去毛边。
这种操作通常在烧结之后手动进行。然而，手动修整细小、复杂的型芯(例如高压(HP)级移动叶片或固定HP涡轮喷嘴组件的型芯)越来越难以精确地再现性地进行，因为可能不得不在生产线上进行这些高精度操作。而且，这些对型芯的重复操作可能由于产生肌肉骨骼失调(MSD)而对操作者的健康有害。
手动修整可能产生高程度的缺陷废品，例如初始裂纹、处理过程中的型芯破裂、缺乏再现性和导致金属部件中夹杂物的型芯分层。
已经努力使烧结后部件的修整过程自动化。然而，结果并不令人满意，因为部件由于烧结后收缩而变形难以理解。这种收缩使得机加工修整很困难且难以自动化。
发明内容
这一问题通过根据本发明的方法得以解决，所述方法用于修整陶瓷铸造型芯，其中所述陶瓷铸造型芯通过以下方式获得：将陶瓷料浆注射成型到一模具中，所述料浆包含具有预定玻璃转化温度的粘接剂；和去除至少一个具有过剩材料而形成毛边的表面部分。所述方法的特征在于，其包括以下步骤：
a.在烧结之前将铸造型芯布置和紧固在支撑部上；
b.将具有螺旋形切削刃的细长形状的磨制工具安置在工具保持部上；
c.使所述工具围绕其轴线旋转，并且使所述磨制工具与将被去毛边的所述表面部分接触；
d.以一定方式使将被去毛边的表面部分冷却，以使得所述部分的温度在所述修整操作过程中保持低于所述玻璃转化温度。
利用本发明，通过在铸造型芯烧结之前进行修整，避免了型芯尺寸变化的问题，且开创了利用机器人执行此操作的方式。这确保了从一个型芯至另一型芯进行修整的更好的再现性，使得修整质量更佳且部件破损率降低。质量更佳的型芯还意味着，初始裂纹数量减少，使得制造周期缩短并由此降低成本。
有利的是，使用的磨制工具具有20°至70°的螺旋角和半球形尖端。以这种方式，被切削材料从切削区域顺利运离，降低了阻塞风险。
更特别地，切削参数为：
-5至30m/min的切削速度，
-300至2000mm/min的工具进给速度，和
-2000至15000rev/min的工具旋转速度。
根据另一特征，通过使流体朝向将被去毛边的表面部分扩散而进行冷却。这可使用例如空气。
所述方法特别适合用于修整涡轮机叶片的陶瓷型芯。这特别使得铸造产品中的初始裂纹减少。
为了实现所述方法，优选使用用于精修模制部件陶瓷型芯的设备，所述设备包括：支撑部，用于所述型芯；工具保持夹，其能够围绕其轴线旋转；和至少一个冷却流体注射喷嘴。
附图说明
本方法现在将参照附图更详细地描述，其中：
图1是涡轮机叶片的型芯的示意图；
图2显示出与图1中相同的型芯在注射成型之后具有必须去除的毛边；
图3显示出用于从型芯去除毛边的磨制切刀；
图4是就位以修整陶瓷部件的磨制切刀的示意图；和
图5显示出根据本发明的装置。
具体实施方式
图1显示出的示例部件包括型芯元件，用于涡轮机中空叶片。此元件10的封套具有中空叶片的被熔去内腔的形状。元件10包括将形成叶片的槽部分的的上部件10A。此部件与中心主体10B分离的空间将形成中空叶片的横向上壁。此中心部件10B通过根部10D向下延续，根部10D用于将型芯抓紧和紧固在可用于浇注熔融金属的壳模具中。中心部件通过纵向开口10B’而镂空，纵向开口10B’将形成内部隔离部，以限定用于使冷却流体通过叶片腔的通道。部件10B在一侧上通过后边缘10C的较细部分沿侧向延续，并包括开口10C’，开口10C’将形成隔离部，以设定沿叶片后边缘离开的用于清空冷却流体的向外通道。型芯用于在金属已经被铸造和冷却之后被去除以露出叶片冷却空气将流过的腔。
这种相当复杂的部件通过借助压力注射成型陶瓷料浆而制成。料浆通过将粘接剂、有机聚合物和陶瓷材料颗粒混合而获得。混合物利用注射压力(例如螺旋类型注射压力)注射到金属注射模具中。这种模具是具有压印的至少两个元件的组件，所述元件沿通常已知为分离线的交接表面相互接触。在注射过程中，料浆从入口逐渐扩散通过由压印所限定的容积。然而，一些金属漫出至分离线的各表面之间。在脱模时，这种过剩材料形成毛边。图2显示出图1的型芯在离开注射模具时的外观。对应于模具部分分离线的部件延伸而形成毛边。例如，毛边B1可见沿型芯的轮廓。其它毛边B2可见沿后边缘10C的区域中的孔10C’的内边缘。毛边B3也可见沿区域10B中的孔10B’的边缘。
在注射成型之后，型芯制造方法的其余步骤包括：使型芯脱模，在炉中高温烧结型芯，精修型芯，和执行尺寸检查。
精修的目的在于去除毛边B1、B2、B3。毛边可以在注射混合物之后立刻去除，即在烧结之前修整；或者在烧结之后去除，即修整烧结后状态下的型芯。
正常的手动修整可能引入如前所述的多种缺陷。
已经尝试在型芯烧结之后使用诸如磨制切刀这样的切削工具进行自动修整。这并未给出决定性的结果，部分因为在烧结后状态下的型芯具有不同的烧结收缩的事实。因此，由于磨制刀具摩擦磨损和烧结后型芯的硬度而使得工具的位置不能准确地再现性地限定。区域10A、10B、10B’、10C、10C’将需要在修整之前仔细检查。
根据本发明，在聚合物/陶瓷混合物注射成型之后的部件上的材料，在烧结之前去除，以消除在烧结之中和之后与部件变形相关的所述问题。
本发明的方法限定型芯切削参数，其中考虑到型芯材料的固有性能。
特别地，与陶瓷相混合的聚合物粘接剂的类型(例如聚乙二醇)具有可在室温附近改变的性能，特别是软化倾向。这导致在形成毛边的材料与传统磨制刀具接触时发生材料阻塞。这种阻塞将最终阻碍进一步去除毛边。
根据本发明的一个特征，使用螺旋磨制切刀，其为具有螺旋形式的纵向切削刃的切刀。
图3中所示为磨制切刀100沿包括毛边的部件10的边缘被引导的应用模式。纵向螺旋形式的切削刃100B切入形成毛边B的材料。使用这种螺旋形状避免材料沿切刀100阻塞。材料被连续去除，碎屑被运离。
螺旋的斜度由螺旋角α限定，其在20°至70°之间，优选在35°至65°之间。
考虑到由各孔形成的窄空间，适于这种操作的磨制切刀的直径在0.5至1mm之间。磨制切刀的尖端优选为半球形。
根据本发明的另一特征，毛边材料保持在玻璃转化温度以下的温度。一种方式是提供喷嘴以在磨制切刀的移动端处吹冷却空气。例如，对于PEG而言，温度保持在16℃至26℃之间。
工具在围绕其自身旋转时，沿将被去除的毛边横向操作。切削和进给速度适合于轮廓。例如，它们对于型芯的外形和凹部、或后边缘的引出槽而言是不同的。
通过图示说明，切削速度在5至25米/分钟之间，进给速度在400至1800毫米/分钟之间。
图4显示出工具相对于部件的相对位置。部件10紧固到支撑部300，其方式使得部件外形可由磨制切刀100触及，磨制切刀100进而安装在形成刀夹的夹头200上。用于喷射空气或任何其它适合冷却流体的喷嘴400朝向部件的将被去毛边的部分的表面处。
图5显示出修整设备。夹头200固定到旋转式支撑部210上，支撑部210可进而安装在磨削机(未示出)上，磨机具有例如三个轴。静止板220通过支架410而用作针对喷嘴400的支撑部，支架410的位置可调。所述板根据需要可具有多个喷嘴。

Claims (7)

1.一种用于修整陶瓷铸造型芯(10)的方法，其中所述陶瓷铸造型芯(10)通过以下方式获得：将陶瓷料浆注射成型到一模具中，所述料浆包含具有预定玻璃转化温度的粘接剂；和去除至少一个具有过剩材料而形成毛边(B)的表面部分，所述方法的特征在于，其包括以下步骤：
a.将未烧结的铸造型芯布置和紧固到一支撑部(300)上；
b.将具有螺旋形切削刃的细长形状的磨制刀具(100)安置在一刀夹上；
c.使所述刀具围绕其轴线旋转，并且使所述磨制刀具与将被去毛边的所述表面部分接触；
d.使将被去毛边的表面部分冷却，以使得所述部分的温度在修整操作过程中保持低于所述玻璃转化温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有20°至70°的螺旋角和半球形尖端的磨制刀具(100)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，切削参数为：5至30m/min的切削速度，300至2000mm/min的刀具进给速度，和2000至15000rev/min的刀具旋转速度。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使流体朝向将被去毛边的表面部分扩散(400)而进行冷却。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却流体是空气。
6.一种用于修整陶瓷型芯的方法，如前述权利要求中任一项所述，其特征在于，所述陶瓷型芯用于涡轮机叶片。
7.一种用于精修模制部件陶瓷型芯的设备的使用，以实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设备包括：支撑部(300)，其方式使得部件外形可由一磨制切刀(100)触及，该磨制切刀(100)进而安装在形成刀夹的夹头(200)上；并且包含用于喷射冷却流体的喷嘴(400)。 
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