CN104526856A - 一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，属于基于光固化成型技术快速铸造领域。包括：1)利用三维软件设计树脂模具，并利用光固化快速成型方法制造出带有定位孔的树脂模具原型；2)根据需要，通过定位孔穿入陶瓷纤维或陶瓷棒；3)通过凝胶注模法向涡轮叶片的树脂模具原型中浇注陶瓷浆料得到铸型坯体；4)将铸型坯体经真空冷冻干燥和烧结，得到整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型。本发明针对上下贯通或非贯通的型芯均能够有效提高陶瓷铸型型芯位置精度，方法设计合理，操作简便，大大提高了铸型制造的完整性和精度，适用于实际生产。

Description

一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法

技术领域

本发明属于基于光固化成型技术的快速铸造领域，涉及一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法。

背景技术

随着快速成型技术的不断发展，光固化成型已经能够精确成型任意复杂结构的零件，并在快速铸造、快速模具等行业大量应用。基于光固化成型技术的快速铸造过程中，通过凝胶注模技术，在真空环境下浇注陶瓷浆料得到铸型坯体，坯体经过真空冷冻干燥和烧结，得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型。

传统方法通过在型芯内部制作芯撑结构，来提高型芯的抗变形能力。但是这必然会增加工艺的复杂程度，同时也改变了原有铸型内部结构。所以，探究一种能够增强陶瓷铸型型芯抗蠕变性能但又不增加制造难度的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，该方法从铸型结构方面着手，通过在型腔中编织陶瓷纤维或陶瓷棒，提高陶瓷铸型型芯位置精度，从而增强陶瓷铸型型芯在使用过程中的抗蠕变性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，包括以下步骤：

1)利用三维软件设计空心涡轮叶片铸型的树脂模具：

对于上下贯通的型芯，在该型芯的型腔底部设计纵向定位孔，同时在该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上也设计定位孔；

对于非上下贯通的型芯，沿叶身截面在叶身铸型中部设计横向定位孔，同时在该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上也设计定位孔；

将设计好的叶片铸型的树脂模具，利用光固化快速成型方法制造出带有定位孔的空心涡轮叶片的树脂模具原型；

2)对于上下贯通的型芯，通过型腔底部的纵向定位孔将陶瓷纤维或陶瓷棒穿入该型芯型腔中，同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；对于非上下贯通的型芯，在叶身铸型中部向横向定位孔中穿入陶瓷纤维，同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；

3)制备陶瓷浆料，通过凝胶注模法向涡轮叶片的树脂模具原型中浇注陶瓷浆料，得到铸型坯体；

4)将制得的铸型坯体经过真空冷冻干燥和烧结，得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型。

在得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型后，还包括去除暴露在陶瓷铸型内腔中的陶瓷纤维的操作，以免后续浇铸金属时在铸件内部形成缺陷。

对于上下贯通的型芯，纵向定位孔的直径为该型芯直径的1/20～1/10；对于非上下贯通的型芯，横向定位孔的直径为该型芯直径的1/10；所述榫根梁的两个端面上的定位孔的直径为榫根梁直径的1/5。

所述的陶瓷纤维为氧化铝陶瓷纤维或莫来石连续纤维；所述的陶瓷棒为石英玻璃管或刚玉管。针对不同的基体材料，选择热膨胀系数相匹配的陶瓷棒，如：氧化硅基铸型选用石英玻璃管，氧化铝基铸型选用刚玉管。

对于上下贯通的型芯，陶瓷纤维或陶瓷棒的上下两端采用热熔胶固定在树脂模具原型的定位孔中。

对于上下贯通的型芯，根据型芯的扭曲程度，陶瓷棒插入定位孔的操作为：将陶瓷棒直接贯通插入纵向定位孔，或者，从型芯顶部和底部分别插入一根陶瓷棒；同时，陶瓷棒从该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入。

穿入型腔的陶瓷棒的总长度应长于树脂模具原型叶片上下两孔之间的距离。

对于非上下贯通的型芯，陶瓷纤维沿横向定位孔从树脂模具原型中部穿过，陶瓷纤维一端伸入型腔内部，另一端穿出横向定位孔；陶瓷棒则从该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入。

所述陶瓷纤维或陶瓷棒与纵向定位孔或横向定位孔的直径相配合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，首先利用三维软件设计空心涡轮叶片铸型的树脂模具，将设计好的叶片铸型的树脂模具，利用光固化快速成型方法制造出带有定位孔的空心涡轮叶片的树脂模具原型；然后在树脂模具原型的型芯所在的型腔制造能够穿入陶瓷纤维或陶瓷棒的定位孔，最后通过该定位孔向型腔中穿入陶瓷纤维或陶瓷棒。陶瓷纤维和陶瓷棒的存在能够提高铸型制备过程以及后续铸造时型芯的抗变形能力，降低了型芯在制备过程中发生变形的可能性，从而有效地提高了整体式陶瓷铸型型芯位置精度；同时，穿入的陶瓷纤维与陶瓷棒的增强作用，能够减小后续金属浇铸过程中型芯发生断裂的可能性。本发明针对上下贯通或非贯通的型芯均能够有效提高陶瓷铸型型芯位置精度，方法设计合理，操作简便，大大提高了铸型制造的完整性和精度，适用于实际生产。

附图说明

图1为上下贯通型陶瓷纤维铸型型芯的定位孔结构示意图；

图2为上下贯通型陶瓷纤维铸型型芯的定位孔结构俯视图；

图3为非上下贯通的陶瓷铸型型芯的定位孔结构示意图；

图4为非上下贯通的陶瓷铸型型芯的定位孔结构俯视图；

图5为非上下贯通的陶瓷铸型型芯结构示意图。

其中，1为叶身；2为榫根梁定位孔；3为纵向定位孔；4为上下贯通的型芯；5为型壳；6为穿出榫根梁的陶瓷棒；7为浇口；8为横向定位孔；9为横向穿插的陶瓷纤维；10为非上下贯通的型芯。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，设计如下：

利用商用三维软件设计出叶片铸型的树脂模具，对于需要穿入陶瓷纤维或陶瓷棒的型腔，设计陶瓷纤维和陶瓷棒的定位孔。利用光固化快速成型方法制造空心涡轮叶片的树脂模具原型。

定位孔包括：对于上下贯通的型芯，在该型芯的型腔底部预留纵向定位孔；对于非上下贯通的型芯，则沿叶身截面在铸型中部型腔底部所在位置预留横向定位孔；对于铸型底部连接所有型芯的梁，在梁的两端面所在的树脂原型上预留定位孔；

对于上下贯通的型芯，通过型腔底部的纵向定位孔将陶瓷纤维或陶瓷棒穿入该型芯型腔中，同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；对于非上下贯通的型芯，在铸型中部向横向定位孔中穿入陶瓷纤维；同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；

制备陶瓷浆料，通过凝胶注模法向涡轮叶片的树脂模具注陶瓷浆料，得到铸型坯体；将制得的铸型坯体经过真空冷冻干燥和烧结，得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型。得到最终的陶瓷铸型后，去除暴露在铸型内腔里的陶瓷纤维，以免后续浇铸金属时在铸件内部形成缺陷。

纤维和陶瓷棒必须具有耐高温、较强的抗氧化性能以及良好的韧性，同时不与陶瓷基体发生反应性能。纤维和陶瓷棒的热膨胀系数应与铸型材料的相近，否则在烧结过程中易造成坯体开裂的现象，可以选择耐高温陶瓷纤维包括如下：氧化铝纤维，莫来石纤维等。针对不同的基体材料，选择热膨胀系数相匹配的陶瓷棒，例如：氧化硅基铸型选用石英玻璃管，氧化铝基铸型选用刚玉管。

陶瓷纤维和陶瓷棒的存在能提高铸型制备过程以及后续铸造时型芯的抗变形能力，降低了型芯在制备过程中发生变形的可能性，提高了型芯的位置精度；同时陶瓷纤维与陶瓷棒的增强作用，可以减小后续金属浇铸过程中型芯发生断裂的可能性。该方法大大提高了铸型型芯制造的完整性与精度。

定位孔直径取决于型芯的尺寸，通常对于上下贯通的型芯，纵向定位孔的直径为该型芯直径的1/20～1/10；对于非上下贯通的型芯，横向定位孔的直径为该型芯直径的1/10，梁定位孔的直径为梁直径的1/5。陶瓷纤维和陶瓷棒的直径一般与定位孔的直径相匹配。

对于上下贯通的型芯，采用穿入陶瓷纤维或陶瓷棒定位。陶瓷纤维或陶瓷棒上下两端利用热熔胶固定在树脂模具的定位孔上，实现陶瓷纤维或陶瓷棒的定位。如果型芯扭曲度低，可以直接将陶瓷棒贯通插入。如果型芯扭曲度较高，则从型芯顶部和底部分别插入一根陶瓷棒，穿入型腔的陶瓷棒的总长度应长于树脂模具原型叶片上下两孔之间的距离。

对于非上下贯通的型芯，将陶瓷纤维沿横向定位孔从树脂模具原型中部穿过，陶瓷纤维一端伸入型腔内部，另一端穿出横向定位孔，无需热熔胶固定。以便在浇注浆料后通过纤维能实现型芯与型壳相连。

在叶片树脂模具底端梁所在位置，沿梁的两端穿入陶瓷棒。

下面通过具体的实例对本发明进行详细说明：

实施例1

对于上下贯通的型芯，提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，包括以下步骤：

1)制造树脂模具

本发明利用光固化快速成型技术制造树脂模具，首先利用商用三维软件设计出树脂模具CAD模型，制造定位孔，参见图1和图2，其中，1为叶身；2为榫根定位孔；3为纵向定位孔；4为上下贯通的型芯；5为型壳；6为穿出榫根梁的陶瓷棒；将树脂模具CAD转化成STL文件，导入快速成型系统中，生成分层厚度为0.1mm的二维切片文件，在切片文件控制下快速、自动制造出树脂模具光固化原型，SL树脂模具制造完毕后，用酒精清除其表面多余的液态树脂，晾干。所制造的树脂模具精度高，刚度大，表面质量好，完全可以作为陶瓷配体成型模具。

2)编织陶瓷纤维

上下贯通的型芯，参见图2，在型腔中编织陶瓷连续纤维，在榫根底部编织陶瓷棒。陶瓷纤维两端固定时，底端纤维采用热熔胶固定在树脂原型底部，顶端则利用叶片结构将纤维串联在固定结构上实现预紧后固定，同时编织的陶瓷纤维应略长于树脂叶片上下两孔之间的距离。凝胶注模成型后，陶瓷纤维埋在了型芯内部，陶瓷纤维的插入能够提高型芯浇注过程中的位置精度，提高铸型制备过程以及后续铸造时型芯的抗蠕变能力；

3)准备陶瓷浆料

首先将有机物溶于去离子水中，依次加入分散剂和混合均匀的陶瓷粉末与矿化剂粉末制成陶瓷浆料，灌注前加入引发剂和催化剂，混合均匀同时抽真空除去陶瓷浆料中气泡，制成粘度小于1Pa·S；通过浇注系统将陶瓷浆料灌注到空心涡轮叶片原型树脂模具的型腔中，复制空心涡轮叶片原型内外结构。

其中陶瓷粉末采用粒径为1～100μm的电熔刚玉粉；矿化剂粉末采用粒径为1～5μm的按1:1的质量比混合的氧化镁和氧化钇，矿化剂粉末占陶瓷粉末质量的8％；陶瓷浆料中陶瓷粉末和矿化剂粉末占混合物体积的60％，余量为去离子水；分散剂为聚丙烯酸盐，其加入量是陶瓷粉末质量的2.8％；有机物为丙烯酰胺单体、N,N’-亚甲基二丙烯酰胺和聚亚酰胺按1：(1/20)：(1/3)的质量比的混合物，有机物在去离子水中的质量浓度为25％；引发剂和催化剂为过硫酸铵水溶液和四甲基乙二胺，其中引发剂的加入量为丙烯酰胺单体质量的0.8％，催化剂的加入量为丙烯酰胺单体质量的0.05％；

4)坯体干燥

待陶瓷浆料固化原位成形后，用金属切割工具除去陶瓷浆料浇注系统和树脂模具外围结构，将陶瓷坯体转入真空干燥箱中，控制真空度在1pa～10pa之间，根据坯体大小干燥时间，一般干燥时间24-72小时，待坯体干燥后取出；

5)烧失树脂模具与烧结

树脂模具是一种可烧性树脂，其热解后残留灰分低，残留物中不存在影响铸件质量的元素，本发明通过缓慢加热的方法将树脂模具烧失，同时烧失掉陶瓷坯体中有机物。考虑到后续紧密铸造过程中高温金属液对陶瓷铸型会产生一定的冲击力和静压力，陶瓷铸型应具有一定的室温抗弯强度和高温抗弯强度，本发明中通过高温烧结，在矿化剂的作用下，使电熔刚玉陶瓷细颗粒一定程度的熔结，作为连接剂。

烧失树脂模具和烧结工艺具体如下，加热设备选择钟罩式加热炉，无需气氛保护、常压，陶瓷铸型坯体100℃入炉以每小时20℃升温至320℃，保温1.8小时；接着以每小时200℃升温至1500℃，保温3小时；随炉冷却至室温，出炉，用大于0.2MPa压缩空气，吹净陶瓷铸型内树脂热解后的残留灰分，经后续处理后得到最终铸型。

6)精密铸造

将陶瓷铸型预热到1500℃左右，保温30min～60min，浇注高温金属，填充带有内外型芯的陶瓷铸型，待铸件冷却后，用机械方法或化学方法或者两者相结合的方法清理陶瓷铸型，得到空心涡轮叶片。

实施例2

与实施例1不同在于，参见图2，对于上下贯通的型芯，在型腔中编织陶瓷棒，在榫根底部编织陶瓷棒。陶瓷棒两端固定时，底端陶瓷棒采用热熔胶固定在树脂原型底部，顶端则利用叶片结构将陶瓷棒在固定结构上实现预紧后固定。如果型芯扭曲度低，可以直接将陶瓷棒贯通插入。如果型芯扭曲度较高，则从型芯顶部和底部分别插入一根陶瓷棒，穿入型腔的陶瓷棒的总长度应长于树脂模具原型叶片上下两孔之间的距离。凝胶注模成型后，陶瓷棒埋在了型芯内部，该陶瓷棒的插入能够减少断芯率，提高型芯浇注过程中的位置精度，提高后续浇注成功率；其余工艺方法步骤与实施例1相同。

实施例3

与实施例1不同在于：编织陶瓷纤维时，对于非上下贯通的型芯9，如图5所示，在定位孔横向穿入陶瓷纤维，如图3、4所示，7为浇口；8为横向定位孔；9为横向穿插纤维；凝胶注模成型后，陶瓷纤维将型芯与铸型型壳相连，型芯底端受到约束，刚度增强，抗蠕变能力得到提高。铸型制备完毕后，将该陶瓷纤维去除，以免浇注金属后在叶片表面留下孔洞。其余工艺方法步骤与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用三维软件设计空心涡轮叶片铸型的树脂模具：

对于上下贯通的型芯，在该型芯的型腔底部设计纵向定位孔，同时在该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上也设计定位孔；

对于非上下贯通的型芯，沿叶身截面在叶身铸型中部设计横向定位孔，同时在该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上也设计定位孔；

针对设计好的叶片铸型的树脂模具，利用光固化快速成型方法制造出带有定位孔的空心涡轮叶片的树脂模具原型；

2)对于上下贯通的型芯，通过型腔底部的纵向定位孔将陶瓷纤维或陶瓷棒穿入该型芯型腔中，同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；对于非上下贯通的型芯，在叶身铸型中部向横向定位孔中穿入陶瓷纤维，同时向位于该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入陶瓷棒；

3)制备陶瓷浆料，通过凝胶注模法向涡轮叶片的树脂模具原型中浇注陶瓷浆料，得到铸型坯体；

4)将制得的铸型坯体经过真空冷冻干燥和烧结，得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型。

2.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，在得到最终的整体式空心涡轮叶片陶瓷铸型后，还包括去除暴露在陶瓷铸型内腔中的陶瓷纤维的操作。

3.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，对于上下贯通的型芯，纵向定位孔的直径为该型芯直径的1/20～1/10；对于非上下贯通的型芯，横向定位孔的直径为该型芯直径的1/10；所述榫根梁的两个端面上的定位孔的直径为榫根梁直径的1/5。

4.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，所述的陶瓷纤维为氧化铝陶瓷纤维或莫来石连续纤维；所述的陶瓷棒为石英玻璃管或刚玉管。

5.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，对于上下贯通的型芯，陶瓷纤维或陶瓷棒的上下两端采用热熔胶固定在树脂模具原型的定位孔中。

6.根据权利要求5所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，对于上下贯通的型芯，根据型芯的扭曲程度，陶瓷棒插入定位孔的操作为：将陶瓷棒直接贯通插入纵向定位孔，或者，从型芯顶部和底部分别插入一根陶瓷棒；同时，陶瓷棒从该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入。

7.根据权利要求6所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，穿入型腔的陶瓷棒的总长度应长于树脂模具原型叶片上下两孔之间的距离。

8.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，对于非上下贯通的型芯，陶瓷纤维沿横向定位孔从树脂模具原型中部穿过，陶瓷纤维一端伸入型腔内部，另一端穿出横向定位孔；陶瓷棒则从该型芯的型腔底部榫根梁的两个端面上的定位孔中沿梁穿入。

9.根据权利要求1所述的一种提高整体式陶瓷铸型型芯位置精度的方法，其特征在于，所述陶瓷纤维或陶瓷棒与纵向定位孔或横向定位孔的直径相配合。