CN106132591B - 离心铸造的衬垫模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离心铸造合金的旋转模具。所述模具包括被收纳在中空外壳(137a)内的衬垫(135a)。在模具旋转同时，所述外壳在铸造过程中将衬垫保持在离心力的表面上。

Description

离心铸造的衬垫模具

技术领域

本发明涉及一种用于通过离心铸造制造金属零件的模具，特别地用于制造涡轮机械叶片的模具。本发明特别地适用于飞行器涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机或飞行器涡轮螺旋桨发动机的涡轮机叶轮的叶片。

背景技术

众所周知的是，涡轮机械叶片可通过加工由铸造金属合金而获得的坯件而制造。这种坯件通常是实心并且通常形状细长的杆，并且通过其厚度被加工以形成叶片的最终几何形状。

如在EP 992305中，用于获得这种坯件的一种技术包括使用适用于绕轴线(A)旋转的旋转模具，用于通过离心铸造合金来制造该坯件，这种模具包括：

—多个衬垫，每个都限定用于接收合金的凹部，并绕所述轴线(A)径向地延伸；以及

—设置有衬垫的至少一个外壳，所述至少一个外壳抵抗离心力保持这种衬垫。

第一要解决的问题涉及控制冷却速度，用于便于获得受控的微观结构，诸如在整个零件上均匀的铝含量，特别地如果合金基于铝化钛(TiAl)。

至于通过在离心铸造的永久模具中铸造来制造杆，还应该指出的是，铸造条件产生了第二个问题，即模具的快速磨损，这需要经常地改变它们，这很昂贵并且对生产条件，特别地生产率具有影响。这也对赋予模具的形状以及因此成型的零件具有影响。

本发明可以以简单、有效和廉价的方式解决至少一些上述缺点。

发明内容

为此，提出了，横向于每个衬垫延伸的径向方向(B)，在所述衬垫以及环绕它的外壳外围地存在空间。

因此，考虑到便于铸造合金形状的均匀冷却，不仅可以从特别地可具有小厚度和/或具有与外壳材料不同的材料的衬垫的物理特性来分离外壳的物理特性，而且也可以有利地管理热惯性。在所述衬垫和外壳之间提供在多孔结构内将要被限定的空间，该空间在每个衬垫和围绕衬垫的外壳之间外围地延伸，通常可以更接近实现上述目的，包括通过该盒结构，便于对机械力的所需阻力，特别地便于在离心铸造过程中保持所述衬垫。

在透孔制品结构中实施外壳也便于对用于离心铸造的旋转相关的力的这种机械阻力。这里还存在一种关于热惯性的优点，与如果用连续壁制成相同外壳相比，该热惯性更低。

此外并且优选地：

—在每个衬垫和环绕它的外壳之间建立可释放的紧固件；和/或

—模具进一步包括具有导管的中心块，经由所述导管铸造合金，并且所述导管与衬垫的内部连通，在所述中心块和每个衬垫和/或环绕它的外壳之间建立可释放的紧固件。

因此，特别是当磨损需要时，可更换衬垫(如，约每25个铸件)，同时保持衬垫。

可以低成本改变衬垫，同时可以保持模具结构的剩余部分，特别地外壳。

在这种背景下，因此建议的是，设计外壳和衬垫，因此模具是永久的，衬垫因此需要连续承受几个铸件(如，约25个)。

再次，关于控制热惯性可以使来自模具的金属形状以均匀方式冷却，特别地可以控制冷却速度，为了获得由基于TiAl的金属合金制成的零件整体上均匀的铝含量以及从而被控制的微观结构，这是必要的，也建议的是，模具的衬垫然后封闭由钢、金属合金和/或陶瓷制成的这种TiAl铸造金属合金，因此可适用于以熔融状态通过离心铸造在它们中铸造所述合金。

还建议的是，至少一个热绝缘结构在每个衬垫以及环绕它的外壳之间外围地延伸。

因此，所述或每个外壳可以是一种非常简单的形式，其对于期望的热惯性控制不起作用或很少起作用，如果所述热绝缘结构为多孔或蜂窝结构尤其如此。还应该指出的是，通过其盒结构，这种解决方案通常可便于承受机械力，特别地在离心铸造过程中保持该衬垫。

这是预期的效果，根据建议，如果所讨论的衬垫以及包括分离空腔的壁的多孔结构彼此承靠或经由离散区域相交，这也有利于控制热惯性。

可以通过经由所述分离空腔的壁传递力来获得良好的机械强度，并且同样地，如果有必要，可以经由合适的材料以及经由一个或多个合适形状使衬垫与外壳热隔离。

为了进一步便于对力的这种阻力，建议所讨论的结构限定一些因此相对于外壳定位所讨论的衬垫的所述定心设备。

此外，为了进一步便于更换衬垫，在易于处理和/或时间花费以及成本方面，优选的是模具为模块化性质的，因此衬垫、环绕它的多孔状和/或热绝缘结构以及环绕所述结构的外壳为三个可相互分离的元件，衬垫和热绝缘结构同心地接合在外壳中。包括为便于考虑了首先控制力以及其次控制温度限制的问题，也建议的是，对于单独具有界定用于铸造合金的该/一个中心导管的内侧表面的衬垫，所述导管的径向外端部设置有肩部。

附图说明

在阅读经由非限制性示例并参照附图给出的以下描述后，本发明的其它优点和特征将显而易见，其中：

—图1是现有技术实心圆柱杆的图解前视图，由该圆柱杆加工涡轮机械叶片；

—图2是现有技术模具的图解视图；

—图3是从具有衬垫和外壳的模具上部观察的图解视图，并且其中成型有具有更少离析的杆；以及

-图4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15在前视图(图4和图6)、图解纵剖面视图(示出一个径向轴线B；图12和14)或剖面图(图7，在VII-VII 上的剖面，图11，在XV-XV上的剖面，图15)，以及侧视图(图5，沿V观察，以及图8、9、10)中图解地示出了在多种实施例中的衬垫和外壳，图13是与图12所示标记为XIII的区域相同的区域的变型实施例的细节。

具体实施方式

图1示出了一种通过铸造制造的金属杆11，以及至少一个涡轮叶片，并且在该示例中设计一种涡轮机械零件的两个涡轮叶片12从该金属杆加工。

杆11可具有圆柱形状并且为实心。通过在模具中铸造金属合金获得该杆。

图2示出了用于通过实施连续熔化、铸造和成型操作来制造杆或坯件11的常规设备10。

设备10包括内侧施加局部真空的封闭和密封的壳体120。在该示例中包含铝，以及在该示例中更精确地基于TiAl的由金属合金制成的铸块16首先在熔炉 14中熔化。在熔融状态中，其被浇注到永久金属磨具13内。

模具13可以通过离心铸造来铸造该合金，以获得杆11。为此目的，使它绕垂直轴线A旋转。模具13设置有多个凹部17，所述凹部例如为圆柱形并具有圆截面并且绕轴线A径向(轴线B1、B2；图2，图3)地延伸，优选地经由电机 18。这些空腔优选地绕在该示例中垂直的轴线A有角度地规则间隔开。通过模具旋转力所产生的离心力迫使熔融合金渗透到所述凹部，并且填充它们。因此，被送到模具中心的待铸造合金朝空腔散布。

在冷却后，模具13被拆开并提取模具杆11。环绕用于接收金属的凹部17 的模具壁具有很大厚度，以承受通常超过10g力的离心力(g)。

这些厚度会导致很高的热惯性或温度滞后，并且在铸造金属的冷却过程中能够产生高温度梯度，导致在其中心附近杆的微观结构相对于其外围附近的微观结构的差异。由杆11制成的部件可在微观结构中(离析)具有差异。

此外，在磨损的情况下，必须改变所讨论的环绕径向凹部17的模具部分。

本发明可以为以上提到的离析问题提供一种解决方案，并且如果有必要，可以满足承受离心力以及快速和频繁地改变至少一部分模具的要求。

图4到15示出了本发明的模具130的实施例，需要指出的是，图5在先图解地示出了适用于更换在中心块131周围的图4所示衬垫和外壳的变型衬垫和外壳。关于模具的这些实施例优选设置的所有功能手段，它们在以下描述的所有变型中未被示出也未系统性地再现，以免使附图混乱或使以下变得乏味。然而，这些实施例的细节仍然可以结合，并且可在实施例之间应用。

模具130与模具13在实施某些结构手段的方式上有所不同，特别地在实施用于接收合金的其径向凹部的方式上。

具体地，在具有L形内部管道132的中心块131周围，合金经由L形内部管道在垂直中心轴线A周围径向地散布，所有一起限定上述凹部的衬垫135(或者，例如图4的135a、135b)规则地间隔开。在径向方向B中，管道132分别展开到经由开口133a接收合金并且每个都在一个衬垫内侧延伸的径向导管133 内。在每个衬垫中的开口133a因此位于所讨论管道的径向内端部134a中。

因此中空的衬垫设置在至少一个外壳137上，并且优选地设置在与衬垫一样多的外壳中，然后每个外壳包含限定所述凹部之一的衬垫135。

所述一个或多个外壳抵抗通过模具的旋转所产生的离心力而保持衬垫。优选地，它们便于(或至少不阻止)热惯性的限制。

在图4所示的优选实施例中，模具旋转的中心轴线A垂直并且衬垫135和外壳137沿水平纵轴线(轴线B)延伸。

为了在旋转过程中保持平衡，建议(绕轴线B)同心结构用于由衬垫135 以及由外围外壳137构成的每一对。

在其径向外端(端部134b)，每个管道133具有固心的端壁135c。

以类似方式，在其径向内端，每个外壳137具有开口137a，例如衬垫135 可经由所述开口137a穿过，在其径向外端，每个外壳137具有可参与径向地保持衬垫的端壁137b。

在图6中，标记139a、139b为在该示例中可释放的紧固件，并且在该示例中标记135a的所示衬垫和在该示例中环绕它的标记137a的外壳之间以能够更换衬垫的方式建立所述紧固件。螺旋紧固件可能是合适的。

也可以观察到的是，在图4中，在每个衬垫(和/或环绕它的外壳，标记142a、 142b)和中心块131之间提供了可释放紧固件(诸如141a、141b)。

因此，可以从外壳以及从中心块131分离衬垫，特别地用于更换所述衬垫。再次，螺旋紧固件可能合适。

在衬垫和外壳之间和/或在中心块131和衬垫和/或外骨骼之间建立的可释放紧固件能够形成热桥断裂区。

在任何情况下，为了限制热惯性，根据需要，建议的是，衬垫的热行为相对于外壳的热行为应该占优势。

在优选的实施例中，外壳由低碳钢、钢或或多或少耐火的合金制成，并且衬垫由低碳钢、钢或或多或少耐火的合金和/或陶瓷制成。

在图7中，外围壁标记为135d，并且在中心，可以看出由铸造产生的成型杆(坯件)110。

图8示出了一种解决方案，其中图解地示出的外壳137a设置有移动门143a，该移动门在打开位置中打开一个启动所讨论衬垫(在该示例中为135a)的开口145，以通过它(在该示例中相对于径向轴线B测向地)。铰链(诸如标记147a) 可便于操作每个移动门，并且因此，例如，便于从其外壳提取磨损衬垫，然后作为替代插入处于更好状态的另一衬垫。

在图4到8中，也可以观察到的是，外壳为透孔制品。

它们因此是具有网状结构的相似笼子或板条箱。

为了便于低热惯性，在本示例中提供一个真空空间155(绕轴线B)外围地存在于每个衬垫(诸如135a)和环绕它的外壳(诸如137a)之间。

至少在模具旋转的同时，定心设备157以相对于外壳固定的方式定位所讨论的衬垫，用于离心铸造(参见图5)。

图9和图10示出了另一解决方案，其中每个衬垫由多个壳体形成，诸如用于图解地示出的衬垫135a的150a、150b。

聚集在一起的壳体的各自内侧表面限定了成型杆110的至少主要部分。

这些壳体沿壳体的连接表面，诸如连接平面152打开和关闭。因此，一个壳体(诸如135a)可构成一个相对于其它移动的可移动或可移除门，可以从模具取出零件。

此外，在壳体之间建立一种可分离的紧固件153，诸如锁闩，因此一旦分离了壳体，可以经由展开的开口154从所讨论的衬垫(在该示例中为135a)内侧提取杆110。

在图11和12所示的解决方案中，一种在没过衬垫(诸如135a)和环绕它的外壳(诸如137a)之间外围地延伸的多孔或蜂窝结构159，发挥这种作用，并且因此限定至少某些或一部分的上述定心设备157。

多孔结构159可以是环形。其可占据在衬垫的端壁135c和所讨论外壳的端壁137b之间的空间(图12)。

包括所需的热量转移，图13示出了所讨论的衬垫和多孔结构(诸如159) 经由离散区域(诸如159a、159b)接触。

除了它们在不同的零件中之外，可提供衬垫和多孔结构在一个零件中(图 13)，因此它们经由位于壁161的径向内端的所述离散区域相交，壁161成对地分离多孔结构的空腔163，这些空腔总体上等同于上述空间155。

经由另一替代方案，可以在相互分离的三个不同元件中形成每个衬垫(诸如135a)，环绕它的所述结构159以及环绕所述结构的外壳(诸如137a)，衬垫和结构沿到轴线A的径向B同心地接合在外壳中。

在图14和15中，但这也适用于先前的情况，每个外壳(诸如137a)具有径向外端134b(图14)，在其附近衬垫135径向地承靠在外壳的横向表面165 上。

横向表面165优选地为外壳的内肩部。

径向外端134b可打开，外壳类似于至少一个通道延伸通过的结构，并且其中接收有所讨论的衬垫。

分离帽部167(其可以是可移除的)然后以上述端壁135a的形式关闭所述径向外端134b。

有利地，所述/每个帽部167不超出横向表面165进入到外壳。因此，衬垫不承靠它，当其旋转用于离心铸造时，这是优选的。

至少在图14和图15所示的情况中，模具的外部结构，特别地由一个或多个外壳组成的结构，可以是管状的圆柱形结构。它有利地由低碳钢制成。插入件 (上述衬垫)轴向地滑动进入其中，所述插入件由金属材料或由或多或少耐火的陶瓷制成，并且可包括壳体(诸如半壳体)，如上所述。

可以理解的是，这使得下列成为可能：

—插入件可以确保获得铸件的所需几何形状，并且能够通过控制温度应力来控制其凝固；

—外部结构可以在离心铸造设备中定位该模具并对总体组件提供机械强度。

对于轴向组装/拆卸，至少一个倾斜度优选地设置在结构和插入件之间。在使它们同轴地定心同时，这可以彼此相互接触地沿外壳、沿轴线B插入/移除衬垫。事实上(通过夹持)还在衬垫和环绕它的外壳之间建立可释放紧固件。衬垫 135的内部容积可具有简单的几何形状(圆柱、长方形、锥形或组合)或复杂几何形状。通常，在半壳体的封闭平面中可取出的任何形状在先验上可接受。

为了保持对温度应力的控制，优选地结合对力的控制，需要建议的是，与它们延伸的径向方向(所讨论衬垫的轴线B)横向地，每个衬垫具有在所述径向方向(长度L)中改变的至少一个厚度，并且与在中间部分相比，所述至少一个厚度至少总体上在径向内端和外端134a、134b的至少一个附近更小，如图14所示；参见厚度e1、e2和e3。换句话说，沿轴线B可以找到一个首先从端部133a 朝中间区域逐渐变细、然后可选地(图14)朝相对端133b外展的截面形状133。

如果有必要，与这方面(但这可能对于优选的铸件形状)相关，图14示出了具有如下模具的优点，其中单独地，用于铸造全部或部分衬垫135的合金的中心管道133的打开径向内端133具有截面在相应衬垫延伸的径向方向B中朝衬垫的中心逐渐变细的形状169。应该注意的是，形状169可以是单一漏斗形状或双漏斗形状(两个漏斗头对尾地设置)。截锥可能是合适的。然而，这种漏斗/滑槽形状不一定圆形地对称。

至于接近端部134b(图14)的该管道的径向外部，它可设置有一个肩部以具有更宽的端部133b。

通常，如果至少一个叶片，如低压(LP)叶片，随后由铸造杆加工而成，漏斗/滑槽形状可对应于所述叶片的顶端对接区并且更宽的端部133b可对应于更宽的根部区域。

同样对于控制力和节省重量的目的，与衬垫中受控的厚度变化相关，甚至对于控制温度应力的目的，也指出的是，与它们延伸的径向方向B横向地，衬垫 135的全部或部分可单独地具有至少局部地(或部分地)加工的径向外围表面 170，如图15图解地示出。

在该图中，也可以观察到的是，可提供纵向加强件171以在外围结构137 中获得对于所讨论衬垫135的刚度、定心和/或引导。加强件相对于所讨论衬垫的剩余部分径向地突出。

朝径向端部134a、134b定位加强件171可沿模具的长度释放中间区域，其中至少一个(空的)空间155有利于控制应力，包括温度应力。

在图15中，加强件171与图解示出的衬垫轴线成径向并且在它们之间限定多个真空空间或次级空腔(诸如155a、155b)。

对于在真空下使用模具，关于在外围结构137和所讨论衬垫135的外侧表面之间建立的这些一个或多个真空空间或次级空腔155a、155b，包括所加工半壳体的外侧表面，需要建议将空间155连接到外侧空气。

为此，提出了所述空间155与模具的外部环境经由至少一个孔175流体连通。在一个特定实施例中，在任何给定的剖面中平均地，每个衬垫135、135a…可具有位于10厘米(cm)到50厘米范围内的长度L或轴向尺寸(轴线B)，位于5厘米到20厘米范围内的外剖面(诸如直径)，位于4厘米到10厘米范围内的内剖面(诸如直径)，以及位于1厘米到10厘米范围内的径向厚度e、e1……。

Claims (3)

1.一种用于离心铸造合金的旋转模具，所述模具包括，被安装以绕轴线(A)旋转的：

-多个衬垫，每个都限定用于接收合金的凹部，并绕所述轴线(A)径向地延伸；以及

-外壳，该外壳外围地环绕衬垫，在外壳内侧设置有所述衬垫直到外壳的径向外端，该外壳的径向外端具有横向于径向方向(B)的方向上延伸的部分以及沿径向方向(B)延伸的部分，并且当所述多个衬垫和外壳绕轴线(A)旋转时，该外壳抗离心力保持所述衬垫；

所述模具的特征在于：

-在横向于每个衬垫延伸的径向方向(B)上，空间外围地存在于所述衬垫的外围和沿着全部所述外围环绕该衬垫的外壳之间，

-空间包括中间区域，该中间区域与衬垫和围绕衬垫的外壳接触，当绕轴线(A)旋转用于铸造时，以相对于外壳固定的方式定位衬垫，

-并且，外壳的径向外端设置有：外壳的分离帽部，其关闭衬垫的开放的径向外端，并且每个分离帽部不超出外壳的内肩部的横向表面进入到相应外壳，也不进入相应衬垫的开放的径向外端，由此，当它们旋转用于离心铸造时，衬垫不承靠所述分离帽；

-并且，环绕所述衬垫中至少一个衬垫的中间区域包括纵向加强件，其在横向于径向方向(B)的方向上，相对于衬垫径向地突出，并且朝径向外端和相反的径向内端定位纵向加强件，以沿模具的长度释放中间区域，在该中间区域中存在至少一个空的空间。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，它还包括具有导管的中心块，经由所述导管铸造合金，并且所述导管与所述衬垫的内侧连通，在所述中心块与从每个衬垫和环绕所述衬垫的外壳中选择的至少一个元件之间建立可释放的紧固件。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，它包括铸造TiAl金属合金以及所述衬垫由金属合金和/或陶瓷制成，所述金属合金和/或陶瓷被采用，以便这种合金在熔融状态中能够在它们中被铸造。

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