CN111451380B - 高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空制造技术领域，具体地，涉及高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具及其应用方法，包括上模具和下模具，上模具的表面与所述薄壁环形铸件的腔体与一侧端面相贴合，下模具的表面与另一侧端面相贴合；通过模具在高温状态下热膨胀力控制双环多支板类薄壁铸件的圆度与平面度。矫形温度为高温合金液相限温度以下，矫形温度、保温时间、模具与铸件的间隙与矫形量直接相关，根据需要矫形量设置热处理温度，实现一次性精确矫形。采用该矫形模具与工艺方法，有效的解决了高温合金双环多支板类薄壁铸件椭圆度与平面跳动尺寸精度问题，使其满足发动机等零件的机加工与装配要求。

Description

高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具及方法

技术领域

本发明专利涉及高温合金精密铸造领域，具体地，是涉及一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具及其方法。

背景技术

高温合金零部件是航空发动机、燃气轮机的重要组成部分，在航空发动机中重量占比40%-60%。航空发动机的整体机匣、导向器等高温合金双环多支板类热端部件主要依赖熔模铸造成型。热端部件价值量高、技术难度大，是性能提升的关键。在高温合金双环多支板类薄壁铸件铸造过程中，蜡模的收缩与变形、型壳蠕变变形、金属凝固冷却应力应变、补焊和热处理变形等，都是造成铸件最终尺寸误差与变形的重要因素，而多个工序产生的多源异类误差累积和耦合传递机制复杂，使复杂铸件精度控制成为制约其批量制造的重大难题。这类铸件因为尺寸精度造成的报废已高达20%左右，对产品合格率造成了较大影响。

针对高温合金双环多支板类薄壁铸件产生的尺寸超差问题，其变形量的控制更是机匣类铸件制造技术提升的关键。所以，解决薄壁环形机匣零件铸造后变形问题已迫在眉睫。特别是因为浇注系统凝固收缩与凝固组织的影响在铸件端面产生平面跳动，因为凝固收缩不均产生的环形铸件产生椭圆度，影响发动机的加工与装配误差，对发动机可靠性产生重要影响。

经过对现有技术的检索发现，申请号为201711466608.3的中国发明专利，公开了一种薄壁高温合金精密铸件局部热处理矫正方法。该专利主要针对半圆形薄壁高温合金铸件的尺寸超差，通过工装锁紧装置使超差区域的实际尺寸与理论尺寸差异为零，原理上是通过力的作用限制性约束铸件变形，然后去应力热处理退火。但是该专利的不足之处在于只能适应于特定薄壁C形或弧形铸件，锁紧工装在热处理过程中也会变形，而且未达到低应力塑性变形在工装去除后存在应力回复变形，其尺寸精度无法保证，且对铸件端面尺寸无法矫形，无法保证铸件的平面度，反而会增加平面粗糙度。

申请号为201110293849.9的中国发明专利，涉及一种精铸机匣结构件热校型方法。该专利利用热校型胎具在真空炉中对铸件热校型，解决铸件的变形问题以控制尺寸精度。但该专利不足之处在于：热校型没有实现精确定量，要反复摸索合适参数反复热校型，而且轴向校正量需要加载块和止位杆等装置施加力的作用，结构复杂，操作困难。所选热校型胎具材料为高温合金K424，在热处理过程中与机匣铸件高温合金变形大小基本一致，不能实现校型；且外环径向校正量无法精确控制，内环尺寸没有校正属于局部校型。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具及其方法，解决高温合金双环多支板类薄壁铸件椭圆度与平面跳动尺寸精度问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，用于对双环多支板类薄壁铸件进行热矫形，包括上模具和下模具，其中上模具的表面与双环多支板类薄壁铸件的腔体内侧端面相贴合，下模具的表面与另一侧端面相贴合。

所述上模具和下模具是位于双环多支板类薄壁铸件的上端面与下端面，且所述上模具与所述下模具压紧双环多支板类薄壁铸件，实现对双环多支板类薄壁铸件内、外环进行压紧，从而实现对外环平面度、内外环高度差进行校准；

所述上模具的外型面结构与双环多支板类薄壁铸件外环的内型面形状结构一致，上模具的内环型面与双环多支板类薄壁铸件内环的内型面形状结构一致，两者贴合安置，实现对曲面结构精确矫正；

所述下模具的外型面结构与双环多支板类薄壁铸件外环的内型面形状结构一致，下模具的内环型面与双环多支板类薄壁铸件内环的内型面形状结构一致，两者贴合安置，实现对曲面结构精确矫正。

可选地，所述上模具和所述下模具的热膨胀系数大于所述铸件的热膨胀系数。

可选地，所述上模具和所述下模具为不锈钢材料。

可选地，所述的上模具和下模具在所述铸件的端面的表面直径与铸件内径贴合或者小于铸件的内径。

可选地，所述上模具设置多个通气孔。

所述双环多支板薄壁铸件包括机匣，导向器、整流器等高温合金铸件。

根据本发明的第二方面，提供一种上述高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，根据所述铸件的矫形量设计所述上模具和所述下模具的尺寸和高度。

具体的，所述方法包括：

测量双环多支板类薄壁铸件内外环直径，按照椭圆最小直径加工模具内外径；

准备热矫形通用炉盘，平面度好的网格炉盘，刷上防止氧化涂料；

采用变直径圆柱的上模具和下模具的结构，其中：所述上模具的表面与所述双环多支板类薄壁铸件的腔体内端面相贴合，所述下模具的表面与另一侧端面相贴合；所述的上模具和下模具的材料的热膨胀系数大于铸件材料的热膨胀系数；

根据需要矫形量设置热处理温度，实现一次性精确矫形。热处理后将铸件与上模具和下模具分离即可，操作简便。

可选地，所述上模具加工高度为100-500mm。

可选地，所述上模具和所述下模具的表面刷上防止氧化涂料，矫形模具可反复使用。

可选地，所述防止氧化涂料成分可以为氧化铝粉、熟铝矾土、石墨粉、菱镁矿粉、氮化硼粉，采用的粘结剂为硅溶胶。

可选地，所述热处理温度为800-1200℃，保温15-60min后炉冷。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明上述模具和方法通过上模具和下模具对铸件内部和端面配合，利用真空热处理过程中材料高温软化和低应力塑性变形，通过模具在高温状态下热膨胀力使铸件产生塑性变形量。同其它金属成形技术不同，真空热胀形过程中工件变形主要是发生在低应力状态下弹塑性变形，热矫形变形量与热处理温度、保温时间、模具与铸件的间隙直接相关。利用该矫形模具与工艺方法，解决高温合金双环多支板类薄壁铸件椭圆度与平面跳动尺寸精度问题。

本发明上述模具和方法可实现高温合金薄壁环形机匣的高精度热矫形，保证铸件的尺寸精度；

本发明上述模具和方法结构简单合理，安装拆卸均十分便捷，提高工艺效率，加快生产速度；

本发明上述模具和方法可重复利用，有效节约生产成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明优选实施例一的铸件示意图；

图中（a）为结构图，（b）为装配图；

图2为图1中双环多支板铸件与热矫形模具型面结构图；

图3为本发明一优选实施例二的铸件示意图；

图中（a）为结构图，（b）为装配图；

图4为本发明一优选实施例二的热矫形装置示意图；

图中（a）为上模具，（b）为下模具；

图5为本发明一优选实施例二的矫形示意图；

图6为本发明一优选实施例三的铸件示意图；

图中（a）为筒状结构示意图，（b）为上模具，（c）为下模具；

图7为本发明一优选实施例三的矫形示意图；

图中（a）为正视图，（b）为剖面图。

图中标记1-6分别表示为：铸件内环1、铸件外环2、上模具3、下模具4、叶片结构5、通气孔6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一：

如图1和图2所示，为本发明的一优选实施例的高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，变直径圆柱的上模具3和下模具4，其中：上模具3的表面与薄壁环形机匣铸件的腔体与一侧端面相贴合，下模具4的表面与另一侧端面相贴合。

上模具3和下模具4在铸件端面的表面直径大于铸件的外径。

在上模具3上开设有若干阵列布置的通气孔6，实现加热均匀与方便吊装。

本实施例中的高温合金双环多支板类薄壁铸件为薄壁环形机匣铸件，其为熔模铸造的薄壁环套环结构，材料为高温合金K4169，总高146mm，铸件内环1直径为420mm，铸件外环2直径为962mm。

如果直接对铸件进行热处理，则其筒口端面受热由圆柱形变成椭圆形；该铸件需要控制变形的面，主要是在熔模铸造浇铸完成后的冷却过程中，因外环上的8个叶片结构5体积大（图1中3所示位置为铸件其中两个块状凸起结构），冷却缓慢，产生收缩，最终导致整个薄壁环套环结构的铸件呈椭圆形，从而影响机匣的质量及装配互换性的要求。

上模具3随铸件内部形状起伏，其与铸件的一侧端面的形状、大小相吻合适配，起到支撑机匣铸件内环1的作用，防止热处理过程中的变形。下模具4亦随铸件内部形状起伏，其与铸件的另一侧端面的形状、大小相吻合适配。下模具4与上模具3可分别卡装在高温合金薄壁环形机匣铸件的两侧端面，且两者相配合使高温合金薄壁环形机匣铸件被限位顶紧在两者之间，从而控制其热矫形的状态。

在一些实施例中，上模具3和下模具4采用不锈钢材料制成，其热膨胀系数大于铸件材料的热膨胀系数。可选的，上模具3和下模具4也可采用其他热膨胀系数大于铸件材料热膨胀系数的材料制成，为不锈钢材料T2520。

工作时，如图2所示将上模具3和下模具4安装在铸件上，一起放入真空热处理炉中，以室温开始，9.2℃/min的加热速度升温，达到1150℃时，保温60min后炉冷；由于铸件所采用的高温合金和模具所采用的不锈钢的热膨胀系数不同，温度升高时，铸件受热变形并释放应力，由于其被限位顶紧在上模具3和下模具4之间，此时铸件便可受到上模具3和下模具4所起到热矫形的作用完成热矫形。在工作完毕后，将铸件与上模具3和下模具4从铸件两侧分离拆下即可。

热矫形温度为1150℃，环境温度为20℃，铸件外径为962mm，铸件内径为420mm。外圈直径单次矫正距离为0.87mm，内圈直径单次矫正距离为0.38mm。热矫形后内外环平面度由平均1.2mm降低到0.3mm以内，本实施例的铸件的精度可达CT6级。

根据材料高温软化和应力松弛原理，通过模具在高温状况下的热膨胀力从铸件内部进行矫正，能够很好地控制铸件定位面的理论外形的变形，通过上模具3和下模具4对套环结构内部的顶紧力量从圆周不同方向矫正薄壁环形机匣铸件的圆度，保证铸件的尺寸精度。

实施例二

如图3-5所示，本实施例包括：变直径圆柱的上模具3和下模具4，其中：上模具3的表面与薄壁环形机匣铸件的腔体与一侧端面相贴合，下模具4的表面与另一侧端面相贴合。

本实施例与实施例一相比，高温合金双环多支板类薄壁铸件的结构不同，本实施例中的薄壁环形机匣铸件为熔模铸造的变壁厚环套环结构，材料为K477，总高125mm，图中D0，D1，D2，D3，D4，D5分别为铸件各层直径，铸件最大外环直径为348mm，台阶部分的厚度依次为T1厚度2mm、T2厚度4mm、T3厚度8mm、T4厚度16mm和T5厚度24mm。

如果直接对铸件进行热处理，由于内部壁厚不均，受热后台阶部分由圆柱形变成椭圆形；该铸件需要控制变形的面，主要是在熔模铸造浇铸完成后的冷却过程中，因铸件外环2上的壁厚不均，冷却速度不同产生收缩，最终导致整个变壁厚环套环结构的铸件呈椭圆形，从而影响机匣的质量及装配互换性的要求。

如图4所示，上模具3具有可嵌入铸件内部的吻合结构，嵌入部分的表面与铸件的内表面贴合，起到支撑铸件内环套环的作用。上模具3和下模具4与铸件端面接触的部分在铸件端面处形成的盖板结构，可以控制铸件在高度方向上的尺寸精度，防止热处理过程中的变形，如图5（b）所示。

上模具3和下模具4在铸件端面的表面直径大于铸件的最大外环直径。上模具3和下模具4为不锈钢材料T2520，其热膨胀系数大于铸件材料的热膨胀系数。

工作时，如图6所示将上模具3和下模具4安装在铸件上，一起放入真空热处理炉中，以室温开始，9.2℃/min的加热速度升温，达到1150℃时，保温60min后炉冷；由于不锈钢的热膨胀系数大于高温合金的热膨胀系数，温度升高时，上模具3和下模具4起到热矫形的作用，工作完毕后将铸件与上模具3和下模具4分离即可。

外圈直径单次矫正距离为0.5mm，内圈直径单次矫正距离为0.3mm。热矫形后内外环平面度由平均0.8mm降低到0.2mm以内，本实施例的铸件的精度可达CT4级。

本实施例能够很好地控制铸件定位面的理论外形的变形，通过上模具3和下模具4对铸件内部的顶紧力量从圆周不同方向矫正变壁厚环复杂铸件的圆度，保证铸件的尺寸精度。

实施例三

如图6和图7所示，本实施例包括：变直径圆柱的上模具3和下模具4，其中：上模具3的表面与薄壁环形机匣铸件的腔体与一侧端面相贴合，下模具4的表面与另一侧端面相贴合。

本实施例与实施例一和实施例二的不同之处在于，薄壁环形机匣铸件为熔模铸造的薄壁圆柱筒状结构，材料为K4169，总高80mm，铸件内环1直径为80mm，铸件外环2直径为100mm，如图6（a）所示。

如果直接对铸件进行热处理，由于铸件壁厚较小而高度较高，受热后可能由圆柱形变成椭圆形；该铸件需要控制变形的面，主要是在熔模铸造浇铸完成后的冷却过程中，因薄壁铸件长度较长，冷却速度不同产生收缩，最终导致整个薄壁圆柱筒状结构的铸件呈椭圆形，从而影响机匣的质量及装配互换性的要求。

上模具3和下模具4为不锈钢材料为1Cr18Ni9Ti，其热膨胀系数大于铸件材料的热膨胀系数。上模具3和下模具4在铸件端面的表面直径大于铸件的外径。

工作时，如图7所示将上模具3和下模具4安装在铸件上，一起放入真空热处理炉中，以室温开始，9.2℃/min的加热速度升温，达到1150℃时，保温60min后炉冷；由于高温合金和不锈钢的热膨胀系数不同，温度升高时，上模具3和下模具4起到热矫形的作用，工作完毕后将铸件与上模具3和下模具4分离即可。

外圈直径单次矫正距离为0.4mm，内圈直径单次矫正距离为0.2mm。热矫形后内外环平面度由平均0.6mm降低到0.2mm以内，本实施例的铸件的精度可达CT4级。

本实施例能够很好地控制铸件定位面的理论外形的变形，通过上模具3和下模具4对薄壁圆柱筒状铸件内部的顶紧力量从圆周不同方向矫正铸件的圆度，保证铸件的尺寸精度。

本发明上述实施例，通过将上模具3和下模具4设置为与需热矫形的高温合金双环多支板类薄壁铸件的结构相吻合匹配的适配结构，使得高温合金双环多支板类薄壁铸件可被上、下模具模持，从而实现其在热矫形过程中的限位，进而实现对其热矫形的控制，保证铸件的尺寸精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，其特征在于：所述模具包括上模具和下模具，其中所述上模具的表面与双环多支板类薄壁铸件的腔体一侧端面相贴合，所述下模具的表面与双环多支板类薄壁铸件的腔体另一侧端面相贴合，所述上模具和所述下模具与双环多支板类薄壁铸件的端面的形状、大小相吻合适配；其中，

所述上模具和下模具分别位于双环多支板类薄壁铸件的上端面与下端面，且所述上模具与所述下模具压紧双环多支板类薄壁铸件，实现对双环多支板类薄壁铸件内、外环进行压紧，从而实现对外环平面度、内外环高度差进行校准；

所述上模具的外型面结构与双环多支板类薄壁铸件外环的内型面形状结构一致，所述上模具的内环型面与双环多支板类薄壁铸件内环的内型面形状结构一致，所述上模具和双环多支板类薄壁铸件两者贴合安置，实现对曲面结构精确矫正；

所述下模具的外型面结构与双环多支板类薄壁铸件外环的内型面形状结构一致，所述下模具的内环型面与双环多支板类薄壁铸件内环的内型面形状结构一致，所述下模具和双环多支板类薄壁铸件两者贴合安置，实现对曲面结构精确矫正。

2.根据权利要求1所述的一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，其特征在于：所述上模具和所述下模具材料的热膨胀系数大于所述铸件的热膨胀系数。

3.根据权利要求2所述的一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，其特征在于：所述上模具和所述下模具为不锈钢材料。

4.根据权利要求1所述的一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，其特征在于：所述上模具设置多个通气孔，实现加热均匀与方便吊装。

5.根据权利要求4所述的一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形模具，其特征在于：所述通气孔在上模具上呈阵列布置。

6.一种高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的模具；包括：

测量双环多支板类薄壁铸件内外环直径，按照椭圆最小直径加工模具内外径；

准备热矫形通用炉盘，平面度好的网格炉盘，刷上防止氧化涂料；

采用变直径圆柱的上模具和下模具的结构，其中：所述上模具的表面与所述双环多支板类薄壁铸件的腔体一侧端面相贴合，所述下模具的表面与另一侧端面相贴合；所述的上模具和下模具的材料的热膨胀系数大于铸件材料的热膨胀系数；

根据需要矫形量设置热处理温度，实现一次性精确矫形。

7.根据权利要求6所述的高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，其特征在于：热处理后将双环多支板类薄壁铸件与上模具和下模具分离即可。

8.根据权利要求6所述的高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，其特征在于：所述上模具和所述下模具的表面刷上防止氧化涂料，模具可反复使用。

9.根据权利要求6所述的高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，其特征在于：所述热处理温度为800-1200℃，保温15-60min后炉冷。

10.根据权利要求6所述的高温合金双环多支板类薄壁铸件精确热矫形方法，其特征在于：所述上模具加工高度为100-500mm。

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