CN103616401B - 一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法，用于气冷叶片的制造过程中，对叶片内腔尺寸的变化进行测量，现有技术中对叶片内腔尺寸是如何变化是不能测量的，本发明公开一种测定空心铸件内腔收缩率的方法，首先设计空心铸件的模拟样件，其次设计模拟样件的型芯模及外型模，然后再根据叶片的制造过程制备出模拟样件，模拟样件的质量控制要求与真实铸件一致，然后根据制备的模拟样件的型芯，在高温强化后，对型芯的三维尺寸进行测量；然后经过低温强化，蜡模制造，型壳制备进行浇铸，冷却后把制成的模拟样件按测量线切割，测量铸件内腔，最后经过测量计算算出收缩率，本发明能保证涡轮叶片内腔尺寸的精确，提高铸件合格率。

Description

一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法

技术领域

本发明属于测定收缩率的方法，涉及一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法。

背景技术

现代航空发动机的迫切需要提高燃气涡轮发动机的工作性能，首先提高涡轮的燃气温度，但是由于金属熔点的限制，目前在合金材料上提高叶片的承受的高温能力已经接近极限，因此不断改善叶片的气冷结构是提高冷却效率成为目前涡轮叶片设计者与制造者同时追求的目标。

现代航空发动机“气冷叶片”的关键制造技术之一就是叶片内腔尺寸的控制，而内腔尺寸是依靠陶瓷型芯来保证的，陶瓷型芯的最终尺寸的形成取决于精铸工艺和型芯模具设计时所确定的收缩率，其准确与否直接影响叶片内腔尺寸，即气冷叶片的冷却效果和铸件壁厚的合格率，而陶瓷型芯的铸件浇注过程尺寸如何变化是不能测量的，所以这个过程的收缩率一直依靠经验来推断，不能保证数值的准确性，造成陶瓷型芯的尺寸差距较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法，使用该方法能够准确的测量出空心铸件内腔的收缩率，能够有效保证空心叶片内腔尺寸精度，从而大大的提高了铸件的合格率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法，包括以下步骤：

1)设计空心铸件的模拟样件，模拟样件应该具备以下特点：①结构与尺寸与真实铸件相近，材质特征相同；②模拟样件满足型芯在各状态下直接进行X、Y、Z三个方向的精确尺寸的测量，在模拟样件上设计出若干个测量点，这些点由刻度线1进行准确标识；

2)设计模拟样件的型芯模具和外型模具，型芯模的设计特殊要求制造精度，在型芯所要测量的部位，其尺寸公差不应超过0.03mm，并且方便出模，根据结构特点设定放置方式，注意型芯的测量点处不应有的分型线和拔模斜度，刻度线的宽度与深度能够清晰可见；

3)制备高温强化的模拟型芯样件，首先对模拟型芯进行压制，模拟型芯压制后掰掉注蜡嘴直接装入陶瓷烧结罐中，再用氧化铝填料填满；其次对模拟型芯进行烧结，烧结过程中必须保证型芯上端有大于20mm的粉料，烧结温度为1050℃-1195℃，保温2～7小时，然后冷却后取出，去除填料粉后放入高温强化剂中进行高温强化，取出干燥；

4)测量高温强化后的模拟型芯样件，用游标卡尺对准型芯的刻度线进行测量，按照设计时制定的测量点测量型芯的三维尺寸，记录其测量值；

5)制备低温强化的模拟型芯样件，将测量后的模拟型芯放入低温强化剂中浸泡后取出后自干，将模拟型芯放置在干燥箱进行烘烤，烘烤温度100℃-150℃，时间1～2小时，冷却后取出；

6)制备模拟铸件，首先，将制低温强化后的模拟型芯放入外型模具中，压制成蜡模；其次，将压制好的蜡模去除毛刺和注蜡口的残余，按着生产叶片工艺组合成蜡模组合；然后进行制壳并经过脱模处理进行浇注，然后将模拟铸件冷却后，去除铸件的表面型壳，再经过砂轮打磨处理并去除表面残余物后，放入装有氢氧化钠或者氢氧化钾水溶液的脱芯釜中脱除型芯；最后在将脱去型芯的模拟铸件放入盐酸水溶液进行酸碱中和，再经过清洗、干燥烘干完成模拟铸件的制备；

7)测量模拟铸件，将制备完成模拟铸件按测量线切割，所测量的模拟内腔尺寸与模拟型芯的测量点的相对应点测量模拟铸件的三维尺寸，并记录其测量值；

8)计算空心铸件内腔收缩率，设定在模拟型芯的X方向上位置测量的尺寸为a，在模拟铸件在X方向相对应模拟型芯的位置测量其内腔部位的测量尺寸为a′，则该部位的铸件的内腔收缩率为［(a-a′)/a］×100％，以此类推，计算出各部位的收缩率。

因为本发明设计出一种近似叶片形状但以直线为主形的模拟空心叶片来测量内腔收缩率，从而可近似取代对实际叶片铸件的测量，达到主导工装设计、工艺设计和对叶片铸件实际尺寸可控的目的；对型芯需要在高温强化后、进行低温强化前测量是因为型芯在烧结后，高温强化前的阶段表面硬度不高，用卡尺测量时刀口容易损伤型芯，影响尺寸测量精度，而高温强化工艺是将强化剂渗透到型芯基体中，即增加型芯的强度和表面硬度，也不会对型芯增加尺寸，是测量型芯烧结后尺寸的最佳时机，一般来说，高温强化后需进行低温强化，由于低温强化剂材料为酚醛醇溶清漆等材料，会增加型芯尺寸，影响测量精度，这时不易测量。

本发明的有益效果：本发明广泛应用于发动机空心涡轮叶片铸件的生产，作为铸件生产工艺及模具设计或过程控制的有效手段，保证涡轮叶片内腔尺寸的精确，充分发挥冷却效率和提高铸件合格率，不仅节约制造成本，也提高铸件质量可靠性，即可应用于航空航天工业也可应用于燃机等民用产品。

附图说明

图1是本发明的厚叶片模拟型芯的测量点示意图；

图2是图1的A-A剖面厚叶片模拟型芯的测量点示意图；

图3是图1的B-B剖面厚叶片模拟型芯的测量点示意图；

图4是图1的C-C剖面厚叶片模拟型芯的测量点示意图；

图5是本发明的厚叶片模拟铸件示意图；

图6是图5的N-N剖面的厚叶片模拟铸件内腔的测量点示意图；

图7是图6的A’-A’剖面厚叶片模拟铸件测量点示意图；

图8是图6的B’-B’剖面厚叶片模拟铸件测量点示意图；

图9是图6的C’-C’剖面厚叶片模拟铸件测量点示意图；

图10是本发明的厚叶片模拟蜡模图；

图11是本发明的厚叶片模拟型芯模具图；

图12是本发明的厚叶片模拟蜡模外型模具图；

图13是本发明的薄叶片模拟型芯的测量点示意图；

图14是图13的D-D剖面薄叶片模拟型芯的测量点示意图；

图15是图13的E-E剖面薄叶片模拟型芯的测量点示意图；

图16是图13的F-F剖面薄叶片模拟型芯的测量点示意图；

图17是本发明的薄叶片模拟铸件示意图；

图18是图17的薄叶片模拟铸件内腔的测量点示意图；

图19是图18的D’-D’剖面薄叶片模拟铸件测量点示意图；

图20是图18的E’-E’剖面薄叶片模拟铸件测量点示意图；

图21是图18的F’-F’剖面薄叶片模拟铸件测量点示意图；

图22是本发明的薄叶片模拟蜡模图；

图23是本发明的薄叶片模拟型芯模具图；

图24是本发明的薄叶片模拟蜡模外型模具图。

具体实施方式

实施例1，一种测定厚叶片空心铸件内腔收缩率的方法，具体包括以下几个步骤：

步骤1)设计一种厚叶片铸件的模拟样件，如图1所示，设计厚叶片型芯的模拟样件，结构尺寸与实际的厚叶片型芯相近，材质特征相同，并且厚叶片型芯在各状态下可直接进行X、Y、Z三个方向的精确尺寸的测量，在模拟样件上设计出若干个测量点，这些点由刻度线1进行准确标识；

步骤2)如图11和图12所示，设计并制造出厚叶片型芯模和厚叶片的外型模，所设计的型芯所要测量的部位，其尺寸公差不应超过0.03mm，所设计的厚叶片模拟型芯模和模拟外型模标准与真实的制造过程中的型芯模和外型模相同；

步骤3)制备高温强化的模拟型芯样件，首先对模拟型芯进行压制，型芯基体材料为270～400目的石英玻璃粉，矿化剂为270～400目的锆英粉，按石英玻璃粉∶锆英粉＝7∶3的比例混合均匀，将其重量15％～18％的增塑剂放入油浴加热坩埚中熔化后，将配制好的粉料逐渐加入坩埚内，待芯料全部加入后，再加入占粉料重0.1％～0.2％的油酸，搅拌时间大于4小时，料浆温度控制在120℃～130℃范围内，搅拌均匀后，静止20min～30min排除气泡，将浆料倒入陶瓷型芯压注器，将型芯模具放到压注器上压制型芯，料浆的压注温度、压注压力、保压时间等工艺参数可根据型芯形状的不同按专用工艺规程进行，一般来说如采用手动压芯机：料浆温度：95～105℃；压注压力：4.5～5.0MPa；保压时间：20～30s；如采用自动压芯机：合模压力：4MPa～5MPa；注浆压力：6MPa～7MPa料浆温度：80℃；保压时间：20s～30s，注射时间：10s～20s；浆桶温度：90℃～115℃；射嘴温度：90℃～115℃；底板温度：30℃～40℃，型芯压制后掰掉注蜡嘴直接装入陶瓷烧结罐中，再用氧化铝填料填满；其次对型芯进行烧结，将压制好的型芯按10～15mm间距均匀竖直插入到装有半罐的200目氧化铝填料的陶瓷烧结罐中，使型芯离罐壁间距不小于15～20mm，再用氧化铝填料填满，震实后放入烧结炉中烧结，在此操作过程中必保型芯上端有大于20mm的粉料，烧结温度为1150℃-1180℃；最后对型芯进行高温强化，待烧结炉降100℃以下，开炉门取出烧结罐，用手触摸不烫手时，将型芯从烧结罐中取出，用毛刷去除挂在型芯表面的填料粉，放入装有硅酸乙酯强化剂的塑料槽中浸泡45min左右，取出后自干24h以上，然后在氨气中干燥30min取出；

步骤4)测量高温强化后的模拟型芯样件，如图1～图4所示的厚叶片的模拟型芯测量点示意图，所设置的测量点已经被预设的刻度线准确标识，用游标卡尺测量两个测量点沿X、Y、Z方向上的各点的距离，分别测量如图1所示的a，b，c，d，e，f，g，h的尺寸，如图2所示的i，j的尺寸，如图3所示的k，l的尺寸，如图4所示的m，n的尺寸，并记录数据；

步骤5)制备低温强化的模拟型芯样件，将测量后的型芯放入装有比例为1∶1的酚醛醇溶清漆和精馏酒精混合溶液的低温强化剂的塑料槽中浸泡2～4h，取出后自干24h以上，将型芯置于电热干燥箱中进行烘烤100℃～150℃×2h，冷却后取出；

步骤6)制备模拟铸件，将制好的型芯放入外型模中，在蜡模压注器中压制蜡模，蜡料与正常生产用蜡料一致，如F28-44B蜡料，模料温度：75℃～85℃，压注压力：1～2MPa，保压时间：10S～20S；如图10所示的厚叶片蜡模图，将压制好的蜡模去除毛刺和注蜡口残余后按正常生产的叶片工艺组合成蜡模组合，一般每组组合4～6件；然后将蜡模制壳，制壳耐火材料第1、2层粉采用320目刚玉粉或铝矾土粉，第1层型砂用80～100目刚玉砂，第2层用60目刚玉砂，第3、4层及以后层次采用320目铝矾土粉，型砂采用46目刚玉砂，第5、6层用24目煤矸石砂，粘结剂用硅溶胶，也可用硅酸乙酯，只要与真实铸件生产工艺一致即可，最后一层只挂铝矾土粉浆，不挂砂，制壳间温度控制在23±2℃，湿度控制在50～70％，完成型壳涂制后进行脱蜡，脱蜡锅压力一般为0.6～0.7Mpa，脱蜡时间为10～20min；脱蜡后进行焙烧，焙烧炉可以是电炉，也可用燃气炉等，焙烧温度：930℃±15℃，保温时间：大于1.5h，焙烧完成后进行浇注；铸件按真实铸件的浇注一般分为4种，即大气下等轴晶浇注、真空炉内等轴晶浇注、定向浇注、单晶浇注；铸件浇注用材料一般为高温合金，如K3030、K403、K417、K465、DZ4、DZ417G、DD5、DD6等；等轴晶浇注温度一般为1480℃～1620℃，定向或单晶浇注温度为1500℃～1540℃，等轴晶浇注型壳预热温度为950℃～1050℃，定向或单晶浇注型壳预热温度为1500℃～1540℃，拉晶速率为3～7mm/min；最后对铸件进行清理，铸件浇注完成后，等铸件完全冷却后，需要用手工或机械振动方法去除铸件表面的型壳，也可用水力清壳，清壳后用砂轮切割机切除浇冒口，用砂轮打磨掉毛刺，用吹砂机清除铸件表面残余物，放入装有氢氧化钠或氢氧化钾水溶液的脱芯釜中脱除型芯，脱完芯的铸件放入浓度为5％的盐酸水溶液塑料槽中进行酸碱中和，用PH试纸进行检查，直到PH值呈中性后，将铸件放入冷水池中进行冲洗，局部积垢的地方可用毛刷清除干净，经冷水冲洗干净的铸件放入(80～100)℃的热水中加热清洗0.5h以上，取出铸件晾干，亦可在干燥箱中烘干；

步骤7)测量厚叶片模拟铸件，如图5所示，将制备完成模拟铸件按测量线切割，所测量的模拟内腔尺寸与模拟型芯的测量点的相对应的点距，测量模拟铸件的三维尺寸，用游标卡尺测量两个测量点沿X、Y、Z方向上的各点的距离，分别测量如图6所示的a′，b′，c′，d′，e′，f′，g′，h′的尺寸，如图7所示的i′，j′的尺寸，如图8所示的k′，l′的尺寸，如图9所示的m′，n′的尺寸，并记录数据；

步骤8)计算空心铸件内腔收缩率，设定在模拟型芯在X方向上位置测量的尺寸为a，在模拟铸件在X方向相对应型芯的位置测量其内腔部位的测量尺寸为a′，则该部位的铸件的内腔收缩率为［(a-a′)/a］×100％，以此类推，计算出各部位的收缩率。

实施例2，一种测定薄叶片空心铸件内腔收缩率的方法，具体包括以下几个步骤：

步骤1)设计一种薄叶片铸件的模拟样件，如图13所示，设计薄叶片型芯的模拟样件，结构尺寸与实际的薄叶片型芯相近，材质特征相同，并且薄叶片型芯在各状态下可直接进行X、Y、Z三个方向的精确尺寸的测量，在模拟样件上设计出若干个测量点，这些点由刻度线1进行准确标识；

步骤2)如图23和图24所示，设计并制造出薄叶片型芯模和薄叶片的外型模，所设计的型芯所要测量的部位，其尺寸公差不应超过0.03mm，所设计的薄叶片模拟型芯模和模拟外型模标准与真实的制造过程中的型芯模和外型模相同；

步骤3)制备高温强化的模拟型芯样件，制备过程如实施例1中的步骤3)；

步骤4)测量高温强化后的模拟型芯样件，如图13～图16所示的薄叶片的模拟型芯测量点示意图，所设置的测量点已经被预设的刻度线准确标识，用游标卡尺测量两个测量点沿X、Y、Z方向上的各点的距离，分别测量如图13所示的δ，p，q，r的尺寸，如图14所示的s，t的尺寸，如图15所示的u，v的尺寸，如图16所示的w，λ的尺寸，并记录数据；

步骤5)制备低温强化的模拟型芯样件，将测量后的型芯放入装有比例为1∶1的酚醛醇溶清漆和精馏酒精混合溶液的低温强化剂的塑料槽中浸泡2～4h，取出后自干24h以上，将型芯置于电热干燥箱中进行烘烤100℃～150℃×2h，冷却后取出；

步骤6)制备薄叶片模拟铸件，将制好的型芯放入外型模中，在蜡模压注器中压制蜡模，蜡料与正常生产用蜡料一致，如F28-44B蜡料，模料温度：75℃～85℃，压注压力：1～2MPa，保压时间：10S～20S；如图22所示是制备的薄叶片蜡模图，其余制备过程如实施例1中的步骤6)；

步骤7)测量薄叶片模拟铸件，如图17所示，将制备完成模拟铸件按测量线切割，所测量的模拟内腔尺寸与模拟型芯的测量点的相对应的点距，测量模拟铸件的三维尺寸，用游标卡尺测量两个测量点沿X、Y、Z方向上的各点的距离，分别测量如图18所示的δ′，p′，q′，r′的尺寸，如图19所示的s′，t′的尺寸，如图20所示的u′，v′的尺寸，如图21所示的w′，λ′的尺寸，并记录数据；

步骤8)计算空心铸件内腔收缩率，设定在模拟型芯在X方向上位置测量的尺寸为δ，在模拟铸件在X方向相对应型芯的位置测量其内腔部位的测量尺寸为δ′，则该部位的铸件的内腔收缩率为［(δ-δ′)/a］×100％，以此类推，计算出各部位的收缩率。

Claims (1)

1.一种用于测定空心铸件内腔收缩率的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1)设计空心铸件的模拟样件，模拟样件应该具备以下特点：①结构与尺寸与真实铸件相近，材质特征相同；②模拟样件的型芯满足在各状态下直接进行X、Y、Z三个方向的精确尺寸的测量，在模拟样件上设计出测量点，这些点由刻度线(1)进行准确标识；

2)设计并制造模拟样件的型芯模具和外型模具，型芯模具的设计特殊要求制造精度，在型芯所要测量的部位，其尺寸公差不应超过0.03mm，并且方便出模，根据结构特点设定放置方式，注意型芯的测量点处不应有的分型线和拔模斜度，刻度线的宽度与深度能够清晰可见；

3)制备高温强化的模拟型芯样件，首先对型芯进行压制，型芯压制后掰掉注蜡嘴直接装入陶瓷烧结罐中，再用氧化铝填料填满；其次对型芯进行烧结，烧结过程中必须保证型芯上端有大于20mm的粉料，烧结温度为1050℃-1195℃，在烧结炉中冷却后取出，去除填料粉后放入高温强化剂中进行高温强化后，取出干燥；

4)测量高温强化后的模拟型芯样件，用游标卡尺对准型芯的刻度线进行测量，按照设计时制定的测量点测量型芯的三维尺寸，记录其测量值；

5)制备低温强化的模拟型芯样件，将测量后的模拟型芯放入低温强化剂中浸泡后取出后自干，将模拟型芯放置在干燥箱进行烘烤，烘烤温度100℃-150℃，冷却后取出；

6)制备模拟铸件，首先，将低温强化后的模拟型芯放入外型模具中，压制成蜡模；其次，将压制好的蜡模去除毛刺和注蜡口的残余，按着生产叶片工艺组合成蜡模组合；然后进行制壳并经过脱模处理进行浇注，然后将模拟铸件冷却后，去除铸件的表面型壳，再经过砂轮打磨处理并去除表面残余物后，放入装有氢氧化钠或者氢氧化钾水溶液的脱芯釜中脱除型芯；最后在将脱去型芯的模拟铸件放入盐酸水溶液进行酸碱中和，再经过清洗、干燥烘干完成模拟铸件的制备；

7)测量模拟铸件，将制备完成的模拟铸件按刻度线切割，然后测量模拟铸件内腔三维尺寸，测量点与模拟型芯的测量点相对应，并记录其测量值；

8)计算空心铸件内腔收缩率，设定在模拟型芯X方向上位置测量的尺寸为a，在模拟铸件X方向相对应型芯的位置测量其内腔部位的测量尺寸为a′，则该部位的铸件的内腔收缩率为[(a-a′)/a]×100％，以此类推，计算出各部位的收缩率。