CN111570726A - 一种导向叶片模具及其收缩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种导向叶片模具及其收缩的设计方法，包括步骤1，将设定的导向叶片模具按照上缘板和下缘板弦长的收缩率整体放大，得到放大后的导向叶片模具；步骤2，先将放大后的导向叶片模具中叶身的长度与叶身按自身收缩率放大后的长度进行对比：当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度小时，先对叶身的长度进行加长，同时引起上缘板和下缘板的厚度减薄，之后对上缘板和下缘板均做加厚处理；当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度大时，先将叶身的长度进行缩短，同时引起上缘板和下缘板的厚度加厚，之后对上缘板和下缘板均做减薄处理，完成导向叶片模具收缩的设计，进行导向叶片模具的制造。

Description

一种导向叶片模具及其收缩的设计方法

技术领域

本发明属于精密铸造技术领域，具体为一种导向叶片模具及其收缩的设计方法。

背景技术

涡轮导向叶片由叶身、上缘板和下缘板组成，上缘板流道面中心轴线和下缘板流道面中心轴线均为发动机轴线，外漏叶盆和叶背及相邻上、下缘板的流道面由蜡模模具的盆模和背模形成，盆模、背模通过在下模板上设置的弧形滑道导出，滑道导出方向沿下缘板型块、上缘板型块的弧向方向，滑道中心轴线与发动机中心轴心重合。

随着发动机推重比要求的不断提高，无余量精密铸造涡轮导向叶片的叶身长度、扭度、缘板尺寸设计要求增加，铸造模具设计的难度增加。受限于技术以及工艺等多方面因素影响，采用传统的单一综合收缩率，流道面以及喉道面积超差的控制极难保证，这就要求设计模具时综合考虑各个方向的收缩率。

基于涡轮导向叶片自身特点、凝固方式及所用蜡料的特性，不同方向上的收缩率不同，设计叶片模具时应充分考虑模具各个方向的收缩。名称为一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法的发明专利公开了一种涡轮导向叶片在尺寸相差悬殊的三个方向上设定不同的收缩率的模具设计方法，有效解决了以往选用单一收缩率而导致的导向叶片喉道面积超差问题，但该方法存在以下三个方面的问题：第一，模具设计时缘板和叶身方向设定不同的收缩率造成的多联叶片之间夹角改变、为保证叶片喉道面积合格而需要进行角向补偿；第二，由于模具设计时缘板和叶身方向设定不同收缩率、上缘板、下缘板流道面由圆面变成椭圆面造成盆模和背模无法开模；第三，为保证模具的正常开模需要将模具返修去除阻碍部位、造成流道面尺寸超差。

综上所述，上述多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法造成生产成本的增加以及交付周期的延长，因此，亟待探索出一种无余量涡轮导向叶片模具收缩的设计方法，以有效保证尺寸合格，减少模具的返修，缩短试制周期，促进涡轮导向叶片精密铸造技术的提升。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种导向叶片模具及其收缩的设计方法，叶片之间的夹角不需要补偿，即可有效保证得到的叶片整体尺寸符合设计图要求，且操作方法简单、科学，避免模具因取型干涉的返修，可适用于各类精密铸造涡轮导向叶片的模具设计。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种导向叶片模具收缩的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，先将设定的导向叶片模具按照上缘板和下缘板的弦长的收缩率整体放大，得到放大后的导向叶片模具；

步骤2，先将放大后的导向叶片模具中叶身的长度与叶身按自身收缩率放大后的长度进行对比，再分两种情况操作后完成导向叶片模具收缩的设计，进行导向叶片模具的制造：

第一，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度小时，先对叶身的长度进行加长，同时引起上缘板和下缘板的厚度减薄，之后对上缘板和下缘板均做加厚处理；

第二，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度大时，先将叶身的长度进行缩短，同时引起上缘板和下缘板的厚度加厚，之后对上缘板和下缘板均做减薄处理。

优选的，步骤1中设计的导向叶片模具以该导向叶片模具所在的圆心为基准进行整体放大。

进一步，所述的圆心为该导向叶片模具对应的叶片发动机原点。

优选的，步骤1所述的导向叶片为单联或多联涡轮导向叶片。

优选的，步骤2中，对叶身的长度进行加长或缩短的尺寸相同，该尺寸等于对叶片上缘板和下缘板做加厚处理或减薄处理的尺寸之和。

进一步，步骤2中根据所述叶身的长度、上缘板和下缘板的弦长的收缩率、叶身自身收缩率对叶身的长度进行加长或缩短。

进一步，所述的尺寸由以下公式得到：

t＝[A︱ψ1-ψ2︱]/2，其中t为所述的尺寸，A为叶身长度，ψ1为叶身的收缩率，ψ2为上缘板和下缘板弦长的收缩率。

优选的，所述设计的导向叶片模具中上缘板和下缘板宽度的收缩率相同。

进一步，所述的收缩率等于上缘板和下缘板的弦长的收缩率。

一种利用上述任意一项所述的导向叶片模具收缩的设计方法得到的导向叶片模具。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种导向叶片模具收缩的设计方法，先根据实际需要设定一定尺寸的导向叶片模具，考虑到模具精铸时需要使叶片的各方向收缩率不同，加之上缘板和下缘板的宽度方向两端都有加工余量，可以先不考虑，之后按照上缘板和下缘板的弦长的收缩率整体放大，这样叶身方向所给收缩率与实际收缩率会有误差，为了保证流道面尺寸的合格，需要对叶身的长度进行加长或缩短，但是这样上缘板和下缘板会出现整体变厚或变薄，因此为了保证上缘板和下缘板尺寸的合格，相应的需要对上缘板和下缘板均做减薄或加厚处理，最终即可完成导向叶片模具收缩的设计，进而用于该导向叶片模具的制造。本发明通过该方法可以方便、快捷的对涡轮导向叶片的蜡模模具的收缩进行设计，叶片流道面与设计尺寸一致，保证了叶片流道面尺寸的合格，多联叶片之间的夹角在缩放过程中没有改变，保证了叶片喉道面积的合格；在整体设计的基础上，进行偏置，给出了偏置的有效计算方法，有效解决了模具开模干涉、返修问题；可实现推广，极大地提升熔模铸造无余量涡轮导向叶片模具设计技术，促进工程化应用。

附图说明

图1为本发明所述涡轮导向叶片收缩方向的示意图，其中L为-上缘板和下缘板的弦长方向，D-上缘板和下缘板的宽度方向，R-叶片的长度方向。

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。

本发明涉及一种无余量涡轮导向叶片模具收缩的设计方法，其中涉及的导向叶片可以为单联或多联涡轮导向叶片，在模具精铸时需要使叶片的各方向收缩率不同，具体包括如下步骤：

步骤1，先将设定的导向叶片模具按照上缘板和下缘板的弦长的收缩率整体放大，得到放大后的导向叶片模具；

步骤2，先将放大后的导向叶片模具中叶身的长度与叶身按自身收缩率放大后的长度进行比对，再分两种情况操作后完成导向叶片模具收缩的设计，用于该导向叶片模具的制造：

第一，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度小时，先根据所述叶身的长度、上缘板和下缘板的弦长的收缩率、叶身自身收缩率对叶身的长度进行加长，同时引起上缘板和下缘板的厚度减薄，之后对上缘板和下缘板均做加厚处理；

第二，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度大时，先根据所述叶身的长度、上缘板和下缘板的弦长的收缩率、叶身自身收缩率将叶身的长度进行缩短，同时引起上缘板和下缘板的厚度加厚，之后对上缘板和下缘板均做减薄处理。

以下通过软件Unigraphics进行参数模拟，并通过下述的步骤实现：

步骤a，如图1所示，设定参数，

设一个导向叶片的叶身长度为A，叶片的长度方向为R，R与Unigraphics的坐标轴Z轴重合，叶身的收缩率为ψ1；

上缘板、下缘板的弦长方向为L方向，L与Unigraphics的坐标轴X轴平行，上缘板和下缘板弦长的收缩率均为ψ2；

上缘板、下缘板的宽度方向为D方向，D与Unigraphics的坐标轴Y轴平行，上缘板和下缘板宽度的收缩率均为ψ3。

步骤b，模具收缩率设定方法，

D方向两端都有加工余量，可以取ψ3＝ψ2；

以叶片发动机的原点为圆心，叶片先按收缩率ψ2整体放大，叶身方向所给收缩率与实际收缩率相差︱ψ1-ψ2︱，叶身长度与实际值相差t＝A︱ψ1-ψ2︱，为了保证流道面尺寸的合格，上缘板的流道面和下缘板的流道面沿各自法向正方向或负方向偏置t/2。

步骤c，上缘板和下缘板的流道面偏置后，上缘板和下缘板R方向的尺寸会出现整体变厚t/2或变薄t/2，为保证上缘板和下缘板尺寸的合格，相应的上缘板、下缘板非流道面需整体沿各自法向负方向或正方向偏置t/2。

上述过程实现了模具设计前的验证，有效保证叶片尺寸的合格。

以下针对实际情况分类论述，

第一，R方向收缩率大于L方向收缩率的模具收缩率设定方法

对于叶身细长的等轴晶叶片涡轮导向叶片，R方向收缩率大于L方向收缩率，即ψ1＞ψ2＞ψ3，因为D方向两端都有加工余量，可以取ψ3＝ψ2；

以叶片发动机原点为圆心，叶片先按收缩率ψ2整体放大，叶身方向所给收缩率比实际收缩率小了(ψ1-ψ2)，叶身长度比实际值小了t＝A(ψ1-ψ2)，为了保证流道面尺寸的合格，上缘板的流道面和下缘板的流道面沿各自法向负方向偏置t/2。

上缘板和下缘板的流道面偏置后，上缘板和下缘板R方向的尺寸会整体变薄t/2，为了保证上缘板和下缘板尺寸的合格，上缘板、下缘板非流道面需整体沿各自法向正方向偏置t/2。

第二，L方向收缩率大于R方向收缩率的模具收缩率设定方法

对于缘板加大，叶身较短的等轴晶涡轮导向叶片或定向凝固涡轮导向叶片，ψ2＞ψ1，ψ2＞ψ3，D方向两端都有加工余量，可以取ψ3＝ψ2；

以叶片发动机原点为圆心，叶片先按收缩率ψ2整体放大，叶身方向所给收缩率比实际收缩率大了(ψ2-ψ1)，叶身长度比实际值大了t＝A(ψ2-ψ1)，为了保证流道面尺寸的合格，上缘板的流道面和下缘板的流道面沿各自法向正方向偏置t/2。

上缘板和下缘板的流道面偏置后，上缘板和下缘板R方向的尺寸会整体变厚t/2，为了保证上缘板和下缘板尺寸的合格，上缘板、下缘板非流道面需整体沿各自法向负方向偏置t/2。

需要说明的是，等轴晶和定向凝固涡轮导向叶片都有可能是ψ1＞ψ2或ψ2＞ψ1，ψ1、ψ2和ψ3的具体数值根据导向叶片自身特点、凝固方式及所用蜡料的特性共同来确定。

实施例1

某发动机叶身细长五联等轴晶涡轮导向叶片：

步骤1，设定参数

叶身长度为A＝225mm；叶片的长度方向为R方向，与坐标轴Z轴重合，收缩率为ψ1＝2.4％；

上、下缘板的弦长方向为L方向，与坐标轴X轴重合，收缩率为ψ2＝1.8％；

上、下缘板的宽度方向为D方向，与坐标轴Y轴重合，收缩率为ψ3＝1.8％。

步骤2，模具收缩设定方法

以叶片发动机原点为圆心，叶片先按收缩率1.8％整体放大，叶身方向所给收缩率比实际收缩率小了0.6％，叶身长度比实际值小了1.35mm，为了保证流道面尺寸的合格，上、下缘板流道面沿各自法向负方向偏置0.675mm，上、下缘板非流道面需整体沿各自法向正方向偏置0.675mm。

该叶片喉道面积要求值为100.54±0.75cm²，实际检测值为99.85～101.20cm²，喉道面积合格。

实施例2

某发动机叶身较短、缘板较大单联等轴晶涡轮导向叶片：

步骤1，设定参数

叶身长度为A＝110mm；

叶片的长度方向为R方向，与坐标轴Z轴重合，收缩率为ψ1＝1.8％；

上、下缘板的弦长方向为L方向，与坐标轴X轴重合，收缩率为ψ2＝2.2％；

上、下缘板的宽度方向为D方向，与坐标轴Y轴重合，收缩率为ψ3＝2.2％。

步骤2，模具收缩设定方法

以叶片发动机原点为圆心，叶片先按收缩率2.2％整体放大，叶身方向所给收缩率比实际收缩率大了0.4％，叶身长度比实际值大了0.44mm，为了保证流道面尺寸的合格，上、下缘板流道面沿各自法向正方向偏置0.22mm，上、下缘板非流道面需整体沿各自法向负方向偏置0.22mm。

实施例3

某发动机叶身和缘板尺寸相当的单联定向凝固涡轮导向叶片：

步骤1，给定参数

叶身长度为A＝180mm；

叶片的长度方向为R方向，与坐标轴Z轴重合，收缩率为ψ1＝1.6％；

上、下缘板的弦长方向为L方向，与坐标轴X轴重合，收缩率为ψ2＝2.1％；

上、下缘板的宽度方向为D方向，与坐标轴Y轴重合，收缩率为ψ3＝2.1％。

步骤2，模具收缩设定方法

以叶片发动机原点为圆心，叶片先按收缩率2.1％整体放大，叶身方向所给收缩率比实际收缩率大了0.5％，叶身长度比实际值大了0.9mm，为了保证通道的合格，上、下缘板流道面沿各自法向正方向偏置0.45mm，上、下缘板非流道面需整体沿各自法向负方向偏置0.45mm。

Claims (10)

1.一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，先将设定的导向叶片模具按照上缘板和下缘板的弦长的收缩率整体放大，得到放大后的导向叶片模具；

步骤2，先将放大后的导向叶片模具中叶身的长度与叶身按自身收缩率放大后的长度进行对比，再分两种情况操作后完成导向叶片模具收缩的设计，进行导向叶片模具的制造：

第一，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度小时，先对叶身的长度进行加长，同时引起上缘板和下缘板的厚度减薄，之后对上缘板和下缘板均做加厚处理；

第二，当放大后的导向叶片模具中叶身的长度比叶身按自身收缩率放大后的长度大时，先将叶身的长度进行缩短，同时引起上缘板和下缘板的厚度加厚，之后对上缘板和下缘板均做减薄处理。

2.根据权利要求1所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，步骤1中设计的导向叶片模具以该导向叶片模具所在的圆心为基准进行整体放大。

3.根据权利要求2所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，所述的圆心为该导向叶片模具对应的叶片发动机原点。

4.根据权利要求1所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，步骤1所述的导向叶片为单联或多联涡轮导向叶片。

5.根据权利要求1所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，步骤2中，对叶身的长度进行加长或缩短的尺寸相同，该尺寸等于对叶片上缘板和下缘板做加厚处理或减薄处理的尺寸之和。

6.根据权利要求5所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，步骤2中根据所述叶身的长度、上缘板和下缘板的弦长的收缩率、叶身自身收缩率对叶身的长度进行加长或缩短。

7.根据权利要求6所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，所述的尺寸由以下公式得到：

t＝[A︱ψ1-ψ2︱]/2，其中t为所述的尺寸，A为叶身长度，ψ1为叶身的收缩率，ψ2为上缘板和下缘板弦长的收缩率。

8.根据权利要求1所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，所述设计的导向叶片模具中上缘板和下缘板宽度的收缩率相同。

9.根据权利要求8所述的一种导向叶片模具收缩的设计方法，其特征在于，所述的收缩率等于上缘板和下缘板的弦长的收缩率。

10.一种利用权利要求1～9中任意一项所述的导向叶片模具收缩的设计方法得到的导向叶片模具。

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