CN108067587A - 使用镶铸式型芯参照结构的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开大体上涉及用于形成铸造部件的方法和设备，所述铸造部件具有与铸造型芯对准的镶铸结构。在铸造壳内围绕铸造型芯铸造部件。铸造型芯具有第一结构，该第一结构形成铸造部件的对应的第二结构。铸造型芯包括第三对准结构，该第三对准结构形成铸造部件的与铸造部件的第二结构间隔开的对应的第四结构。基于铸造部件的第四结构，加工工具与铸造部件的第二结构对准。加工工具加工铸造部件以形成与第二结构对准的至少一个通路。

Description

使用镶铸式型芯参照结构的方法和设备
技术领域
本公开大体上涉及铸造型芯构件和使用这些型芯构件的过程。
背景技术
许多现代的发动机和下一代涡轮发动机需要具有错综复杂的几何结构的构件和部件，这需要新型的材料和制造技术。用于制造发动机部件和构件的常规技术涉及熔模铸造或失蜡铸造的费力过程。熔模铸造的一个示例涉及用于燃气涡轮发动机中的典型的转子叶片的制造。涡轮叶片通常包括中空翼型件，该中空翼型件具有沿着叶片的翼展延伸的径向通道，该径向通道具有至少一个或多个在发动机的工作期间用于接收加压冷却空气的入口。在叶片中的多个冷却通路中，包括在前缘和后缘之间设置在翼型件中间的曲折通道。翼型件通常包括延伸通过叶片用于接收加压冷却空气的入口，入口包括局部结构，诸如短湍流肋或销，用于提高在翼型件的被加热的侧壁和内部冷却空气之间的热传递。
这些涡轮叶片(通常由高强度超合金金属材料制造)的制造涉及许多步骤。首先，精密陶瓷型芯被制造成适形于涡轮叶片内部所需的错综的冷却通路。还形成精密的模或模具，其限定涡轮叶片(包括其翼型件、平台和整体燕尾件)的精密3-D外部表面。陶瓷型芯装配在两个模半部的内部，所述模半部在其间形成限定叶片的所得金属部分的空间或空隙。将蜡注入装配好的模中以填充空隙并包围包封在其中的陶瓷型芯。将两个模半部分开并从模制的蜡上移除。模制的蜡具有所需叶片的精密构造，并然后用陶瓷材料涂覆模制的蜡以形成包围的陶瓷壳。然后，蜡被熔融并从壳上移除，从而在陶瓷壳和内部陶瓷型芯之间留下相应的空隙或空间。然后将熔融超合金金属浇注到壳中以填充其中的空隙，并再次包封容纳在壳中的陶瓷型芯。熔融金属被冷却和凝固，并然后适当地移除外部壳和内部型芯，从而留下所需的金属涡轮叶片，在涡轮叶片中得到内部冷却通路。
然后，铸造的涡轮叶片可经历另外的铸造后的改良，诸如但不限于根据需要穿过翼型件的侧壁而钻出合适的薄膜冷却孔排，用于提供用于在内部导送的冷却空气的出口，空气然后在燃气涡轮发动机中的工作期间在翼型件的外部表面上形成保护性冷却空气膜或覆层。然而，这些铸造后的改良是有限的，并且考虑到涡轮发动机的不断增加的复杂性和涡轮叶片内部的某些冷却回路的所认可的效率，需要更复杂且错综的内部几何结构。而且，随着内部几何结构越来越错综复杂，需要另外的加工来与内部结构对准。例如，穿过翼型件的侧壁而钻出的冷却孔应该与内部空气通路对准。
在常规方法中，铸造部件包括由铸造壳在部件的外部表面中形成的外部铸造基准面。部件被装载在夹具中，夹具强迫部件抵靠在铸造基准面上。然后基于部件的三维模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)加工部件。本发明人已发现，在一些情形中，由铸造型芯形成的结构由于在内部铸造结构的生产中出现的型芯偏移可偏离铸造基准面。因此，使用标称的CAD几何结构的基于外部基准面的加工可为困难的或不准确的。因此，期望提供用于具有错综的内部空隙的三维构件的改进的铸造方法。
发明内容
下面呈现本发明的一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本了解。此概述不是所有设想的方面的广泛概览，并且旨在既不是标识所有方面的关键或重要要素，也不是描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的某些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一个方面，本公开提供制造具有至少一个通路的铸造部件的方法。方法包括在铸造壳内围绕铸造型芯铸造铸造部件。铸造型芯具有第一结构，第一结构形成铸造部件的对应的第二结构。铸造型芯包括第三对准结构，第三对准结构形成铸造部件的与铸造部件的第二结构间隔开的对应的第四结构。方法包括基于铸造部件的第四结构使加工工具与铸造部件的第二结构对准。方法包括用加工工具加工铸造部件以形成与第二结构对准的至少一个通路。
在另一方面，本公开提供铸造模具。铸造模具包括铸造壳和铸造型芯，铸造壳和铸造型芯在它们之间限定腔体。铸造型芯包括本体，本体具有第一结构，第一结构对应于在腔体中铸造的部件的第二结构。铸造型芯进一步包括第三对准结构，其从本体延伸并接触铸造壳以形成腔体的外部表面，外部表面对应于在腔体中铸造的部件的第四结构。
在另一方面，本公开提供铸造型芯。铸造型芯包括本体部分，本体部分在铸造部件内限定室。铸造型芯包括在本体部分上的第一结构，第一结构限定在铸造部件的室和外部表面之间的部分通路。铸造型芯包括与本体部分连接并与第一结构间隔开的第二对准结构，其中，第二对准结构延伸至铸造部件的外部表面并限定在铸造部件上的第三外部结构。
技术方案1. 一种制造具有至少一个通路的铸造部件的方法，包括：
在铸造壳内围绕铸造型芯铸造所述铸造部件，所述铸造型芯具有第一结构，所述第一结构形成所述铸造部件的对应的第二结构，所述铸造型芯包括第三对准结构，所述第三对准结构形成所述铸造部件的与所述铸造部件的所述第二结构间隔开的对应的第四结构；
基于所述铸造部件的所述第四结构使加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准；和
用所述加工工具加工所述铸造部件以形成与所述第二结构对准的所述至少一个通路。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述铸造部件的所述第二结构为内部结构而所述铸造部件的所述第四结构为外部结构。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，进一步包括加工掉所述铸造部件的所述第四结构。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，进一步包括从所述铸造部件上溶脱所述型芯构件。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第四结构为凹槽。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第四结构为突起。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述铸造在任何方向上具有大约0.005英寸的铸造公差。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其特征在于，所述通路的直径在0.010和0.020英寸之间。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，进一步包括制造包括所述铸造型芯的所述铸造壳。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，制造所述铸造壳包括用陶瓷浆料涂抹蜡部件和所述铸造型芯，其中所述第三对准结构至少部分地从所述蜡部件突出。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述铸造型芯的所述第三对准结构接触所述铸造壳并限定所述铸造部件的外部表面的至少一部分。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述铸造型芯进一步包括与所述第三对准结构间隔开的第五对准结构，所述第五对准结构形成所述铸造部件的对应的第六结构。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，加工所述铸造部件包括在所述第四结构和所述第六结构之间加工所述铸造部件。
技术方案14. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，基于所述铸造部件的所述第四结构使所述加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准包括：使所述铸造部件的所述第四结构与所述加工工具的机械定位器接触和基于所述定位器和所述部件的模型使加工头与所述第二结构对准。
技术方案15. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，基于所述铸造部件的所述第四结构使所述加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准包括：使所述铸造部件的所述第四结构和第六结构与所述加工工具的机械定位器接触和基于所述机械定位器和所述部件的模型使加工头与所述第二结构对准。
技术方案16. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，基于所述铸造部件的所述第四结构使所述加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准包括：通过使用所述第四结构、所述第六结构和一个外部的铸态结构，使所述加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准。
技术方案17. 一种铸造模具，其包括：
铸造壳和铸造型芯，其在它们之间限定腔体，所述铸造型芯限定本体，所述本体包括与在所述腔体中铸造的部件的第二结构对应的第一结构，所述铸造型芯进一步包括第三对准结构，所述第三对准结构从所述本体延伸并接触所述铸造壳以形成所述腔体的外部表面，所述外部表面对应于在所述腔体中铸造的所述部件的第四结构。
技术方案18. 根据技术方案17所述的铸造模具，其特征在于，所述第一结构限定所述腔体的内部表面。
技术方案19. 根据技术方案17所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造壳和所述铸造型芯限定所述腔体的多余部分，所述腔体的多余部分在所述腔体中铸造的所述部件的外部，其中，所述部件的所述第四结构形成于所述多余部分中。
技术方案20. 根据技术方案17所述的铸造模具，其特征在于，所述第四结构为凹槽。
技术方案21. 根据技术方案17所述的铸造模具，其特征在于，所述第四结构为突起。
技术方案22. 根据技术方案17所述的铸造模具，其特征在于，所述铸造型芯进一步包括与所述第三对准结构间隔开的第五对准结构，所述第五对准结构限定所述腔体的外部部分，所述外部部分形成所述铸造部件的对应的第六结构。
技术方案23. 一种铸造型芯，其包括：
本体部分，其限定铸造部件内的室；
在所述本体部分上的第一结构，其限定在所述铸造部件的所述室和外部表面之间的部分通路；和
与所述本体部分连接并与所述第一结构间隔开的第二对准结构，其中，所述第二对准结构延伸至所述铸造部件的外部表面并限定在所述铸造部件上的第三外部结构。
技术方案24. 根据技术方案23所述的铸造型芯，其特征在于，所述第一结构限定所述铸造部件的从所述室延伸的内部表面。
技术方案25. 根据技术方案23所述的铸造型芯，其特征在于，所述对准结构限定所述铸造部件的在所述铸造部件的多余部分中的所述第三外部结构。
技术方案26. 根据技术方案23所述的铸造型芯，其特征在于，所述第三外部结构为凹槽。
技术方案27. 根据技术方案23所述的铸造型芯，其特征在于，所述第三外部结构为突起。
技术方案28. 根据技术方案23所述的铸造型芯，其特征在于，进一步包括与所述第二对准结构间隔开的第四对准结构，所述第四对准结构限定所述铸造部件的对应的第五外部结构。
在阅读接下来的详细描述时，将更充分地了解本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1示出了显示了根据本公开的一个方面的铸造型芯的示例的透视图。
图2示出了显示了根据本公开的一个方面的铸造型芯和铸造部件的示例的透视图。
图3示出了根据本公开的一个方面的具有铸造壳的图2的示范性铸造型芯和铸造部件的正视图。
图4示出了根据本公开的一个方面的示范性铸造部件的透视图。
图5示出了根据本公开的一个方面的与铸造部件的结构对准的加工工具的透视图。
图6示出根据本发明的一个方面的另一示范性铸造型芯的透视图。
具体实施方式
结合附图而在下面阐述的详细描述旨在作为多种构造的描述，并不旨在仅代表其中可实践本文描述的概念的构造。为了提供多种概念的全面理解，该详细描述包括具体细节。然而，对于本领域中的技术人员将显而易见的是，在没有这些具有细节的情况下可实践这些概念。在一些情况下，以方块图的形式示出已知的构件以避免使这些概念不清楚。
图1示出了根据本发明的一个方面的铸造型芯100的示例的透视图。铸造型芯100可为由本领域中已知的任何技术形成的陶瓷铸造型芯。在一个方面，可使用用于塑料或陶瓷的加成制造技术形成铸造型芯100。例如，可使用粉末床打印或直接打印陶瓷形成铸造型芯。在转让于Rolls-Royce公司的美国专利No. 8,851,151中描述了用于使用3-D打印以生产陶瓷型芯-壳模具的方法。用于制造模具的方法包括诸如转让于MassachusettsInstitute of Technology公司的美国专利No. 5,387,380公开的粉末床陶瓷过程和诸如在转让于3D Systems, Inc公司的美国专利No. 5,256,340中公开的选择性激光激活(SLA)。
铸造型芯100可用于形成部件(诸如涡轮叶片)的内部结构。尽管关于涡轮叶片提供了示例，但是本公开的技术可适用于使用内部铸造型芯的任何熔模铸造过程。
示范性铸造型芯100包括本体110，本体110具有第一端部112和相对的第二端部114。本体110可定位在铸造壳(未显示)中以在铸造型芯100和壳之间形成腔体。铸造材料(例如，熔融的超合金)可被浇注到铸造壳中并填充腔体，从而包围铸造型芯100。因此，一旦铸造型芯100的本体110被移除，其可在铸造部件内形成内部腔体。在一个方面，第一端部112或第二端部114中的一者或二者可与铸造壳联接或延伸通过铸造壳。例如，第一端部112可延伸通过铸造壳，而第二端部114可定位在铸造壳内。在示出的示例中，铸造型芯100进一步包括延伸部116，延伸部116延伸超过本体110的第二端部114。延伸部116可延伸至铸造壳或通过铸造壳。
铸造型芯100进一步包括多个结构120。在示出的示例中，结构120包括一排突起。结构120定位在本体110的外部表面上。当围绕铸造型芯100而铸造部件时，结构120可成为部分通路。例如，结构120可从型芯延伸到铸造部件中。当移除铸造型芯时，在铸造部件中的通路可保留在结构120的位置。例如，结构120可在铸造部件中形成薄膜冷却结构的计量部分。尽管，为了清晰的目的，示出了相对较简单的结构120，但应当理解的是，结构120可包括可在铸造型芯上形成的更错综复杂的结构。
铸造型芯100进一步包括对准结构130和140。对准结构130定位在第一端部112处并从本体110延伸。如将在下面进一步详细论述的，对准结构130与本体110一体地形成。因此，对准结构130相对于结构120的位置在铸造过程期间不会改变。在一个方面，对准结构130延伸至在铸造过程之后仍然可接近的位置。例如，对准结构130可延伸至铸造壳或通过铸造壳。对准结构130的至少一个表面可限定铸造腔体的一部分。例如，表面132可面向本体110并限定铸造腔体的一部分。例如，可围绕对准结构130的其它部分而形成铸造壳，但使表面132暴露。因此，对准结构130可在铸造部件上限定对应的结构。因此，当移除铸造壳和铸造型芯100时，在铸造部件上的对应的结构可仍然可接近。对准结构140可类似于对准结构130。在示出的示例中，对准结构140从延伸部116与第一端部112相反地延伸。像对准结构130一样，对准结构140可延伸至或通过铸造壳。对准结构140包括表面142，表面142面向本体110并限定其中表面142被暴露的铸造腔体的一部分。因此，对准结构140可在铸造部件上限定对应的结构(例如，凹槽)。
图2示出了铸造型芯100和铸造部件200的透视图。铸造部件200可使用铸造壳(示出于图3中)围绕铸造型芯100而被铸造。铸造壳限定铸造部件200的外部表面210的大部分。铸造部件200还包括由铸造型芯100限定的内部表面220。对准结构130、140限定外部表面210的对应的结构230、240。对应的结构230例如为由对准结构130的表面132在铸造部件200中形成的凹口或凹槽。类似地，对应的结构240为由对准结构140的表面142在铸造部件200中形成的凹口或凹槽。在一方面，对应的结构230和240形成在铸造部件200的多余部分中。例如，多余部分可不形成成品部件的一部分。因此，多余部分和其中对应的结构230、240可被加工掉。成品部件可不包括对应的结构230、240的痕迹。
铸造部件200还可包括内部通路250。内部通路250例如可由另一铸造型芯形成，另一铸造型芯可连接至铸造型芯100或与铸造型芯100分离。内部通路250可提供例如用于流体流通过成品部件的通路。在一个方面，铸造部件200可被加工以使内部表面220与内部通路250连接。例如，可使用加工以切出或钻出狭槽或孔。如在下面进一步详细描述的，对应的结构230、240可用来使加工工具相对于内部表面220和/或内部通路250对准。
图3示出了铸造型芯100、铸造部件200和铸造壳300的正视图。铸造壳300可部分或完全包围铸造部件200。在一个方面，铸造壳300通过涂抹铸造型芯包埋在其中的模制的蜡型形成。在另一方面，在无需蜡型的情况下，可使用加成制造过程以按所需的形状构建铸造壳300而形成铸造壳300。铸造壳300的外表面310可为任何的形状。铸造壳300的厚度例如可基于铸造壳的所需的结构或热性质而确定。铸造壳300的内部表面320限定铸造部件200的外部表面210。在一个方面，对准结构130、140延伸至铸造壳300或延伸至铸造壳300中。例如，对准结构130、140延伸出蜡型且涂抹过程涂覆对准结构130、140以及蜡型。因此，对准结构130、140形成铸造部件200的外部表面210的一部分。特别地，表面132限定在铸造部件200的外部表面上的对应的结构230，而不是铸造壳300。类似地，表面142限定在铸造部件200的外部表面上的对应的结构240，而不是铸造壳300。
铸造型芯100的结构120限定铸造部件200的对应的结构222。例如，对应的结构222可为向内的(negative)结构，诸如在铸造部件200内的凹口、通路或管道。在另一方面，铸造型芯100的结构120可为向内的结构且对应的结构222可为向外的(active)结构，诸如突起、脊或壁。在一个方面，对应的结构222定位于铸造部件200内部。因此，当需要与对应的结构222相关的进一步加工时，使加工工具与对应的结构222对准可为困难的。
图4示出了在没有铸造型芯100或铸造壳300的情况下铸造部件200的透视图。例如，铸造部件200可为在由适当的技术完成铸造过程并移除铸造型芯100和铸造壳300之后的非成品铸造部件。可执行铸造部件200的进一步加工以完成铸造部件200。例如，对应的结构222可不形成通路。因此，可使用加工以形成使对应的结构222连接至外部表面210的通路。作为另一示例，铸造部件200包括内部通路250。可使用加工以形成从内部表面220至内部通路250的通路。对应的结构230、240可被用于使加工工具与对应的结构222和/或内部通路250对准。
图5示出了在概念上示出使加工工具500与铸造部件200对准的透视图。在一个方面，加工工具500包括夹紧装置，夹紧装置包括一个或多个定位器。例如，加工工具500包括与对应的结构230接合的第一定位器530和与对应的结构240接合的第二定位器540。加工工具500可另外包括第三定位器510，其与铸造部件200的外部表面210接触。尽管定位器510、530和540被示出为单独的构件，但它们可联接在一起。例如，定位器510、530和540中的各个可联接至平台并可移动进入确定的构造中，用于使铸造部件200与工具500对准。如之前论述的，因为对应的结构230和240由铸造型芯100的一部分形成而不是由铸造壳300的一部分形成，对应的结构230和240在铸造过程期间不会经历型芯偏移。换句话说，如果在铸造期间铸造型芯100偏移，对应的结构230和240将仍然与由铸造型芯100形成的其它结构对准。因此，对应的结构230和240与内部对应的结构222对准并可用作用于加工操作的参照点。
加工工具500进一步包括加工头520。加工头520可包括用于例如铣削、钻孔、激光切削、电火花加工(EDM)、蚀刻、液体喷射加工或模压的任何工具。加工头520可由加工工具500移动至与内部对应的结构222对准的铸造部件200的适当位置处，以形成加工的结构诸如孔、狭槽或形状。在一个方面，加工的结构的宽度或直径可小于0.050英寸、优选在0.005至0.040英寸范围内、更优选在0.010至0.020英寸范围内。为了对比，铸造制造过程可具有± 0.005英寸的铸造公差。因此，如果加工操作甚至在铸造公差内与对应的结构222未对准，加工的结构可错过对应的结构222或仅部分地与对应的结构222相交，从而影响成品部件的性能。然而，通过基于由于由同一铸造型芯100形成而与对应的结构222对准的对应的结构230和240对准加工工具500，关于对准的结构的铸造公差可减少。因此，公开的技术形成更好的对准和更低的废品率。
图6示出了根据本公开的一个方面的另一示范性铸造型芯600的透视图。铸造型芯600大体上类似于铸造型芯100并可用于形成部件(诸如涡轮叶片)的内部结构。如关于图1所论述的，铸造型芯600可为由本领域中已知的任何技术形成的陶瓷铸造型芯。
铸造型芯600包括本体610，本体610具有第一端部612和具有延伸部616的相对的第二端部614。铸造型芯600进一步包括多个形成铸造部件的内部结构的结构620。铸造型芯600进一步包括对准结构630和640。对准结构630定位在第一端部612处并从本体610延伸。对准结构630包括凹面632。因此，铸造部件的对应的结构(例如，突起)可具有延伸超过部件的凸面。对应的结构可用于对准加工工具500。对应的结构的凸面然后可轻易地被加工掉。类似地，对准结构640包括凹面642，凹面642可导致铸造部件的对应的结构的凸面(如，突起)。
本书面描述使用示例(包括优选的实施例)以公开本发明，并且还使任何本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有不异于权利要求的文字语言的结构要素，或如果它们包括相对于权利要求的文字语言无实质差别的等同结构要素，则这种其它示例旨在权利要求的范围内。来自所述的多个实施例的方面以及对于各此类方面的其它已知等同方案能够由本领域的一个普通技术人员来混合和匹配，以依据本申请的原理构造另外的实施例和技术。

Claims (10)

1.一种制造具有至少一个通路的铸造部件的方法，包括：
在铸造壳内围绕铸造型芯铸造所述铸造部件，所述铸造型芯具有第一结构，所述第一结构形成所述铸造部件的对应的第二结构，所述铸造型芯包括第三对准结构，所述第三对准结构形成所述铸造部件的与所述铸造部件的所述第二结构间隔开的对应的第四结构；
基于所述铸造部件的所述第四结构使加工工具与所述铸造部件的所述第二结构对准；和
用所述加工工具加工所述铸造部件以形成与所述第二结构对准的所述至少一个通路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造部件的所述第二结构为内部结构而所述铸造部件的所述第四结构为外部结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括加工掉所述铸造部件的所述第四结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括从所述铸造部件上溶脱所述型芯构件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第四结构为凹槽。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第四结构为突起。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造在任何方向上具有大约0.005英寸的铸造公差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通路的直径在0.010和0.020英寸之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括制造包括所述铸造型芯的所述铸造壳。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，制造所述铸造壳包括用陶瓷浆料涂抹蜡部件和所述铸造型芯，其中所述第三对准结构至少部分地从所述蜡部件突出。
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